基于Zigbee協(xié)議的飛機(jī)無線嵌入式實(shí)時(shí)油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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數(shù)據(jù)處理單元主要由微處理器和存儲(chǔ)器組成，微處理器模塊是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的核心，所有的設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集和處理、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)收發(fā)等都將在該模塊的支持下完成，所以微處理器的選擇在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，根據(jù)項(xiàng)目本身的需求，選擇高性能、低功耗的8 位AVR 系列單片機(jī)ATmeg a128L 作為微處理器模塊。由于傳感器節(jié)點(diǎn)采集油液數(shù)據(jù)后要進(jìn)行存儲(chǔ)，待簇頭節(jié)點(diǎn)提出數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求后才將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量較大，所以需要外接存儲(chǔ)器。
數(shù)據(jù)傳輸單元主要用來實(shí)現(xiàn)與簇頭節(jié)點(diǎn)間的通信，通信的圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖能量消耗是節(jié)點(diǎn)能量消耗的主要方面，因此選擇一款低功耗、高性能的通信芯片是對(duì)延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)選擇CC2420 作為無線通信芯片。CC2420 是Chipcon AS 公司推出的首款符合2 4GHz, IEEE802 15 4 標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)250kbps, 可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。CC2420 為信息包處理提供廣泛的硬件支持，數(shù)據(jù)緩沖器、發(fā)射、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)證明、空閑信道*估、鏈路質(zhì)量指示和信息包實(shí)時(shí)資料，這些特點(diǎn)減少了主控制器的工作量，使CC2420 可與低成本微處理器相接。
CC2420 與AT meg a128L 的連接非常方便，處理器通過10條線就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CC2420 的控制，簡(jiǎn)化了節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)。
4.2 簇頭節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
4.2 簇頭節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
簇頭節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)與傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)基本上是一致的，但是考慮到簇頭節(jié)點(diǎn)需要與飛機(jī)上的所有傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，消耗的能量比較多，如果采用電池供電很難持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，所以選擇用飛機(jī)上的電源給簇頭節(jié)點(diǎn)供電，利用電壓轉(zhuǎn)換模塊將飛機(jī)電源電壓轉(zhuǎn)換到適合簇頭節(jié)點(diǎn)工作的電壓。簇頭節(jié)點(diǎn)不外接傳感器，僅用來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和處理，綜合考慮數(shù)據(jù)處理和成本的要求，其處理器仍選用AVR 單片機(jī)； 無線通信模塊也依然選用CC2420 芯片； 簇頭節(jié)點(diǎn)要存儲(chǔ)和處理整架飛機(jī)的油液數(shù)據(jù)，需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)較大，需要外接存儲(chǔ)器。
4.3 sink節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
sink 節(jié)點(diǎn)主要用來接收各簇頭發(fā)送的數(shù)據(jù)，還要具有一定的數(shù)據(jù)分析能力，能夠在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)油液進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，同時(shí)還要有比較大的存儲(chǔ)空間，用來存儲(chǔ)各個(gè)飛機(jī)的油液數(shù)據(jù)，以利于上傳到PC 機(jī)，所以其處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)要比較強(qiáng)，sink 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖5 所示
sink 節(jié)點(diǎn)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的特殊節(jié)點(diǎn)，基于大量?jī)?nèi)存、外存、高吞吐率和處理能力的需求，ARM 控制器是理想的選擇。該系統(tǒng)選擇LPC2220 微控制器作為微處理器，LPC2220 微控制器是基于支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入跟蹤的高效16/32 位ARM7T DMI- S 的RISC （ Reduced Inst ruct ion Set Computing ） 的CPU, 可確保任務(wù)短時(shí)間、快速執(zhí)行。由于LPC2220 具有極低的功耗、多個(gè)32 位定時(shí)器、8 路10 位ADC、PWM 輸出、64KB 的RAM 以及多達(dá)9 個(gè)外部中斷管腳使它非常適合于sink 節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用。通過配置總線，LPC2220最多可提供76 個(gè)GPIO。
LPC2220 對(duì)CC2420的控制同AVR 單片機(jī)相似，也是通過10 條線實(shí)現(xiàn)對(duì)CC2420 的控制，相對(duì)比較簡(jiǎn)單。
5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)框圖如圖6 所示。
為了節(jié)省傳感器節(jié)點(diǎn)的能量，節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊平時(shí)處于休眠狀態(tài)，只有在油液發(fā)生突變或sink節(jié)點(diǎn)要求傳送數(shù)據(jù)時(shí)才打開。綜合節(jié)能的要求和油液監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)由處理器內(nèi)部時(shí)鐘定時(shí)，每隔十分鐘采集一次數(shù)據(jù)，并將其與前一時(shí)刻采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果差別不大，就將新的數(shù)據(jù)存入外部存儲(chǔ)器，覆蓋掉舊的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)發(fā)生了突變，就打開無線通信模塊，進(jìn)行告警。在需要對(duì)所有飛機(jī)的油液進(jìn)行分析時(shí)，由sink節(jié)點(diǎn)發(fā)布命令，將所有的節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊打開，傳感器節(jié)點(diǎn)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)給簇頭節(jié)點(diǎn)，再由簇頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給sink 節(jié)點(diǎn)。sink節(jié)點(diǎn)可以選擇對(duì)機(jī)場(chǎng)上所有的飛機(jī)油液信息進(jìn)行采集，也可以對(duì)任何一架飛機(jī)進(jìn)行單獨(dú)采集。
為了節(jié)省傳感器節(jié)點(diǎn)的能量，節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊平時(shí)處于休眠狀態(tài)，只有在油液發(fā)生突變或sink節(jié)點(diǎn)要求傳送數(shù)據(jù)時(shí)才打開。綜合節(jié)能的要求和油液監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)由處理器內(nèi)部時(shí)鐘定時(shí)，每隔十分鐘采集一次數(shù)據(jù)，并將其與前一時(shí)刻采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果差別不大，就將新的數(shù)據(jù)存入外部存儲(chǔ)器，覆蓋掉舊的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)發(fā)生了突變，就打開無線通信模塊，進(jìn)行告警。在需要對(duì)所有飛機(jī)的油液進(jìn)行分析時(shí)，由sink節(jié)點(diǎn)發(fā)布命令，將所有的節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊打開，傳感器節(jié)點(diǎn)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)給簇頭節(jié)點(diǎn)，再由簇頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給sink 節(jié)點(diǎn)。sink節(jié)點(diǎn)可以選擇對(duì)機(jī)場(chǎng)上所有的飛機(jī)油液信息進(jìn)行采集，也可以對(duì)任何一架飛機(jī)進(jìn)行單獨(dú)采集。
6 結(jié)束語
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國(guó)外的大量實(shí)踐證明，實(shí)施油液在線監(jiān)控不僅可以取消采樣和實(shí)驗(yàn)室分析的巨額費(fèi)用，還便于構(gòu)成診斷和預(yù)防性維修系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)突發(fā)性故障和對(duì)機(jī)器狀態(tài)進(jìn)行趨勢(shì)分析。本設(shè)計(jì)利用嵌入式油液分析傳感器和Zigbee無線通信技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了飛機(jī)無線嵌入式實(shí)時(shí)油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，充分發(fā)揮了Zigbee無線通信技術(shù)在油液監(jiān)測(cè)方面的優(yōu)越性，可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)油液的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，并能夠通過無線通信的方式將數(shù)據(jù)傳送出來，通過sink 節(jié)點(diǎn)傳送給PC 機(jī)，而PC 機(jī)可以通過Inter net 與大型油液分析實(shí)驗(yàn)室聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)油液的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，同時(shí)也滿足了油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能化、靈巧化的要求。在接下來的研究中，將實(shí)現(xiàn)并在某型飛機(jī)上驗(yàn)證該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，爭(zhēng)取早日將飛機(jī)無線嵌入式實(shí)時(shí)油液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)早日應(yīng)用在飛機(jī)上，保障飛行安全。
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
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