基于ZigBee無線網絡的機場助航燈在線監測系統設計

2022-09-28 14:49:54彭衛東蘇子欽尹向東溫力偉李靜菲

電子設計工程 2022年18期

彭衛東，蘇子欽，尹向東，溫力偉，李靜菲

（1.中國民用航空飛行學院機場與基建處，四川廣漢 618307；2.中國民用航空飛行學院航空工程學院，四川廣漢 618307；3.中國民用航空飛行學院遂寧分院，四川遂寧 629001）

機場助航燈光系統對保障機場和飛機的安全運行有著重要的意義，在機場范圍內分布廣泛，日益增長的航空器運行需求和機場規模的擴大使燈光系統巡視工作量也變得越來越繁重。國外機場在規劃建設時會預先設置布線管道，用來鋪設光纖，從而實現對燈光信息的實時監控[1]。但是許多國內的機場在建設初期并未預留布線管道，如果重新布線會嚴重影響機場的運行，并且光纖通信系統自身及其后期維護的成本都比較高。無線監測節點具有體積小、安裝方式靈活、可以適應不同調光器和調光回路、監測單元可靠性更高的優點，既可以避開電力載波受帶寬限制傳輸速度較慢[2]、高頻通信無法穿越隔離變壓器[3]等現有技術存在的難點和缺陷，又可以省去光纖通信鋪設管線所帶來的問題。

1 機場助航燈光系統的特點

1.1 布局特點

《國際民用航空公約》（ICAO ANNEX14）[4]中對機場跑道的助航燈布局有明確的規范要求，不考慮中間鑲嵌其他種類助航燈的情況下，同類型助航燈之間的間距最大是60 m。4 級機場跑道建議寬度為45 m 以上，最高的4F 級機場跑道含道肩的建議總寬為75 m，助航燈之間的最大間距不會超過60 m。對于助航燈在線監測系統來說只需考慮距離因素，并且當一個節點出現故障后，其后面的節點需要能夠做到繞過該節點與上位機進行通信，因此，理論上各節點之間只需要滿足120 m 距離的有效通信即可完成基本的監測任務。

1.2 性能特點

助航燈的性能參數有明確的規范和要求，燈具種類分為立式與嵌入式，其中嵌入式燈具嵌入在跑道或滑行道、停止道、機坪地面之中，要求能夠承受飛機碾壓，無法設置外置天線，而燈具金屬殼體、較厚的混凝土層對無線電信號具有很強的屏蔽作用，因此只能將天線設置在外部，且不能對助航燈的功能和飛機運行造成干擾。該文主要研究在立式燈具上進行實時監測的問題。

燈光的亮度設定取決于其與背景的對比程度[4]。由于助航燈使用電流源驅動，對于助航燈主要監測的性能指標是亮度，且助航燈系統對可靠性要求較高，可以采取外置光強傳感器讀取光強信息，終端設備利用無線傳感網絡將信息發送至上位機的方式來實現遠程無線監測。

2 數據傳輸無線通信技術

2.1 ZigBee基本特點

現有的幾種短距離無線通信方式有Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee、NFC、UWB 超寬帶、Z-Wave 等[5]，這幾種通信方式都是現有的物聯網技術中常用的通信方式，具體性能對比情況如表1 所示[6]。

表1 幾種短距離通信方式性能數據比較

此外，還有IrDA 和RFID 兩種通信方式[7]，IrDA的有效距離為1～2 m，且必須在透明可見范圍內，即不能有遮擋[8]；RFID 只能實現單向的點對點通信[9]。NFC的作用距離太近[10]，UWB的適用距離也比較近[11]，Wi-Fi 系統安全性較低，且容易受雷電等外界因素干擾[12]，無法滿足機場助航燈光在線監測系統對可靠性的要求，因此這幾種通信方式都不適用。

ZigBee 又名紫蜂協議，具備自動規避故障路徑、傳輸可靠性強、網絡節點數多、功耗低、成本低、傳輸安全性高、開源代碼豐富等優點[13]。目前，市場上銷售的ZigBee 設備標準通信距離為100 m，而增加功放（通常為CC2591 型）后可以達到1 500 m 以上[14]，因此相對于其他短距離通信技術其更適用于對可靠性要求較高，且節點數量多、分布廣的機場助航燈光在線監測系統。

2.2 ZigBee對航空通信的干擾分析

航空無線電通信系統所使用的頻段有高頻（HF）、甚高頻（VHF）、特高頻（UHF），其中，高頻的頻率范圍是2～29.999 MHz，甚高頻是118.000～136.975 MHz，特高頻是329.15～335 MHz；此外其他的航空無線電系統還包括GPS系統（工作頻率在L1：l 575.42±10 MHz（民用）和L2：1 227.6±10 MHz（軍用））和氣象雷達（工作頻率在X 波段，即5.2～19 GHz，并且在地面時一般不開機）[15]。因此，航空無線電系統并不會對通常工作在2.4 GHz ISM 頻段的ZigBee 通信系統構成干擾，同時ZigBee 通信系統因為工作頻段的特點和非常低的發射功率，也不會干擾機場和飛機的無線電系統[16]。

3 程序設計

3.1 技術原理

對于助航燈性能的監測指標主要是其光強是否處于標準范圍，如果光強偏離了標準范圍就可以視為故障。光強的具體檢測方法是將光強傳感器放置在助航燈的燈光照射范圍內，和助航燈保持固定的距離，選擇放置的位置時需要盡量減少對飛行員觀察的影響，如安裝在靠近草坪一側。這種方式可以做到對助航燈光系統進行非侵入式的改裝，既可保證助航燈的可靠性和工作性能又能快速方便地完成安裝部署。整個機場的監測節點和協調器組成一個ZigBee 網絡，采用網狀拓撲結構，并且當一個節點發生故障無法傳遞信息時，其他節點也能夠自動規避故障節點。

3.2 ZigBee模塊硬件程序設計

根據技術原理設計出了ZigBee 硬件的程序，使ZigBee設備可以通過傳感器測量助航燈的光強、調光機房的光檔等信息，并通過無線通信網絡將信息傳送至監控室的計算機。ZigBee通信協議將模塊按設備類型分為協調器、路由器和終端三種[13]，而根據該文所描述的機場助航燈監測系統需要實現的任務功能可將模塊分為以下三種，以分別制定相應的程序方案：

1）協調器

協調器設置在監控室附近，只用于接收所有終端、路由器發送的數據，并將接收到的數據通過串口傳輸至計算機，不執行任何監測任務。串口波特率設置為115 200 Baud/s。

2）光強監測器

系統配備了GY-30 型光強傳感器，用來監測助航燈的光強情況。光強監測器包含了終端和路由器兩種類型的設備，終端只負責監測光強，并定時讀取光強傳感器的數據后將光強數據“打包”往協調器或路由器發送，發送間隔為0.5 s；路由器則在終端功能的基礎上還要額外負責轉發其他終端或路由器發送的數據包。數據包的格式如表2 所示，未填滿部分均使用“