基于物聯網技術發動機遠程實時監測系統設計

楊禹成，盧洪義，桑豆豆，劉 舜，章 斌

（南昌航空大學 飛行器工程學院，江西 南昌 330063）

0 引 言

航空發動機長期工作在高溫、高壓、高速、強振動等異常惡劣的環境下，不可避免地會導致航空發動機零部件結構和性能退化，進而引發發動機機械故障[1-2]，由發動機產生的故障在所有飛機機械故障中的比例高達1/3[3]。據 NASA 的統計資料表明：全世界的航空公司每年要花費310 億美元左右用于發動機維修，其中31%為日常維護，27%用于對飛機和發動機的翻修[4-5]。發動機監測技術是通過檢測發動機相關參數中的異常行為，以及使用預測方法預測其在未來飛行中的行為，可以更好地評估航空發動機的健康性能，參數監測還可以及時發現異常，有效地避免故障發生，降低維護成本，因此對發動機內部參數進行精準可靠的實時監測具有十分重要的意義。但是，隨著航空發動機測控系統需要測量的參數種類和數量不斷增加，當前基于有線連接的系統非常復雜、笨重，并且容易因磨損而損壞和退化[6-7]。在飛機試車或者試驗階段，能實時觀察到參數變化的只有少數在場人員。

國內外已經開展了無線網絡在航空領域應用的研究，美國航天局（NASA）在無線無源傳感器技術（PWST）研討會計劃中針對當時的研究狀況進行了分析總結[8]：較高的系統穩定性，能夠使整個飛行器的生命周期受益。文獻[9-10]提出了一種基于物聯網的飛機健康監測系統，有助于關鍵條件下做出更好的決策，并保留記錄以供進一步分析，但并非實時傳輸數據。國內學者針對航空航天飛行器測控系統的傳感器種類和數量不斷增加，提出了采用基于無線網絡的飛行器測量控制方案，并對方案的潛在優勢、研究可行性和必要性進行了分析[11-12]，但大多數停留在理論分析階段，在具體工程應用上的研究較少。

文中通過分析現階段無線通信技術特性，應用物聯網技術，設計了一種航空發動機參數遠程實時監測系統，可以有效地降低飛機發動機測控系統布線復雜度，提高系統的穩定性和可擴展性。還可以將數據實時地傳輸到手機APP 上，相關人員無須在試車現場就能看到航空發動機參數的實時變化。

1 系統的總體設計

系統主要由傳感器、信號調理模塊、微處理器、無線傳輸模塊和手機APP 組成，圖1為系統的總體框架。該系統的微處理器為STM32F103，該芯片一般帶有三個ADC，且每個ADC 多達18 個復用通道；無線傳輸模塊選擇ESP8266，此芯片性能穩定、功耗低、價格便宜。

圖1 系統總體框架

傳感器采集的參數經過信號調理模塊放大、濾波之后，經微處理器STM21F103 進行AD 轉換、計算和采集，在上位機軟件上顯示出來，同時通過無線傳輸模塊將數據傳輸至機智云平臺服務器，手機APP 用于實時接收數據。

2 無線通信技術特性

2.1 無線通信技術特性分析

對目前三種主流的無線通信技術和一種自供能的無線通信技術特性進行分析比較，見表1所列。

表1 無線通信技術特性

ZigBee 是基于IEEE 802.15.4 標準而建立的一種短距離、低功耗的無線通信技術，通常傳輸距離是10～100 m，在低耗電待機模式下2 節5 號干電池可支持1 個終端工作6～24 個月[13]。ZigBee 協議免費，芯片價格便宜，但傳輸速率低，通常只有20～250 Kb/s。

藍牙是一種點對多點、低成本、短距離無線連接技術標準[14]，其數據傳輸帶寬可達1 MHz，通信介質為頻率在2.402～2.480 GHz 之間的電磁波。目前存在的主要問題是連接復雜、安全性低、抗干擾能力較弱。

EnOcean 是一種超低功耗的短距離無線通信技術，它可以采集周圍的能量變成微弱的電能來供給自身通信。EnOcean 抗干擾能力極強，在室內的覆蓋范圍為30 m，但傳輸速率極低。

無線寬帶（WiFi）是一種基于802.11 協議的無線局域網接入技術，WiFi 技術的突出優勢在于它有較廣的局域網覆蓋范圍，覆蓋半徑可達100 m 左右[15]。相比于其他的無線通信技術，WiFi技術覆蓋范圍廣，其傳輸速度最高可到達54 Mb/s，適合高速數據傳輸的業務，目前芯片開發的成熟度高。

在綜合比較了以上四種無線通信技術的傳輸速率、覆蓋范圍、相互干擾概率等相關參數，發現WiFi 技術覆蓋范圍廣、傳輸速率高、芯片開發成熟度高，因此選擇WiFi 技術作為該系統的通信手段。

2.2 上位機軟件設計

為解決無線通信模塊ESP8266 的配置問題，更直觀地觀察發動機參數變化，文中基于Visual Studio2017 用C#語言設計了一個上位機軟件，該軟件可以自動檢測出端口號，可用于WiFi 模塊AT 指令操作和進行波形顯示，此外還設計了快捷鍵按鈕，例如“Shift+O”打開串口、“Shift+C”關閉串口等。圖2為上位機軟件的界面，里面包含了ESP8266 芯片AT 指令的操作示意。

圖2 上位機軟件

3 遠程測試系統硬件電路圖設計

硬件電路圖由兩個航空發動機模擬信號的調理電路和系統電路組成。

圖3為兩個航空發動機模擬信號的調理電路，主要用于實現對模擬信號放大和濾波等功能。模擬信號1 為PT100 溫度測量信號，為減少導線本身的電阻會影響測量結果準確度，電路采用三線制平衡電橋的設計。放大器為OP07，該芯片是一種低噪聲、非斬波穩零的雙極性（雙電源供電）運算放大器集成電路，同時具有輸入偏置電流低和開環增益高的特點。模擬信號2 的放大芯片為LM358，使用單電源工作模式，輸出端口外接一個穩壓二極管BZX84C5 用于保持電壓的穩定性。

圖3 調理電路

圖4為系統電路，主要由無線通信模塊ESP8266、微處理器STM32F103、電源模塊、蜂鳴器、指示燈、繼電器組成。無線傳輸模塊ESP8266 與微處理器STM32F103 通過串口連接；單片機通過引腳輸出來控制繼電器的閉合與斷開，實現弱電控制強電；指示燈用于提示系統的運行狀態；當監測的參數數值超過設定的最高值，蜂鳴器報警以起到警示作用。

圖4 系統電路

4 航空發動機無線遠程參數實時監測系統動態響應分析和實驗驗證

由于航空發動機測量參數多，溫度測試對于航空發動機設計與研制有極其重要的意義，因此這里只選擇溫度測量來分析測試系統的遠程測試性能。

4.1 溫度測量系統動態特性分析

對于線性系統，其動態特性的輸入和輸出方程為：

令s=jw，頻率響應函數為：

一階系統數學表達式進行拉普拉斯變化得：

靜態靈敏度K=b0/a0，對靈敏度進行歸一化處理，令其等于1，τ=a1/a0，則傳遞函數為：

τ值反映系統響應速度的快慢，值越小則系統的響應速度越快。本系統以一階系統為例，求出鉑熱電阻的時間常數和遠程傳輸速率來驗證遠程傳輸速率是否足夠快。鉑熱電阻和溫度T成一定的函數關系：

其中：RT表示溫度為T時的電阻值，R0為0 ℃時的電阻值；標準的DINIEC7系數為：A=3.908 3×10-3℃、B=-5.775×10-7℃、C=-4.138 3×10-12℃。按照國際電工委員會的鉑熱電阻技術標準，Pt100 在 0～650 ℃時RT可以表示為：

由圖3調理電路圖可以清晰地看到平衡電橋，電橋輸出電壓值為：

其中：VR2是電阻R2兩端的電壓；VR1是電阻R1兩端的電壓。放大器放大倍數為K倍，則V=KΔV，由式（6）和式（7）求出鉑熱電阻t的傳遞函數為：

在整個動態過程中，鉑熱電阻的變化達到整個動態過程變化的0.632 時，就是該系統的時間常數τ，鉑熱電阻的響應時間小于1.5 s。如果需要測量更高的溫度，或者更快響應速率的傳感器，可以使用藍寶石光纖瞬態高溫傳感器，該傳感器測量溫度可達2 000 ℃，動態響應時間約為0.12 s[16]。

4.2 無線遠程傳輸速率分析

在航空發動機狀態監測系統中，能否實現遠程實時監測功能，無線遠程傳輸速率是關鍵，為此需要對該系統傳輸速率進行實驗分析。

模擬量通過調理電路濾波和放大所需要的時間是以ns為單位的，可以忽略不計。

ADC 轉換速率分析：無線遠程傳輸系統中STM32F103自帶12 位ADC，ADC 的頻率一般不能超過14 MHz，因此需要對系統時鐘進行6 分頻，則ADC 的工作頻率為：72 MHz/6=12 MHz，采樣周期數取最小為：12.5+1.5=14，因此總時間為：

也就是說ADC 轉換一次需要耗時1.17 μs。

數字信號傳輸速率分析：在該系統中ESP8266 和單片機是通過串口連接的，波特率設置為115 200 b/s，每一次溫度變化的數值都需要占用2 字節。按照8 位無校驗，1 位停止位外加1 位起始位，每秒可以輸出11 520 個字節，輸出兩個字節大概需要174 μs。

服務器響應速率分析：機智云平臺的全球服務器在國內的網絡響應速度大概在20 000～40 000 μs范圍內，在其他國家也均小于70 000 μs。在國內傳輸，本文取最小值20 000 μs進行分析。因此，發動機參數從傳感器到手機APP 所需要的最短時間為：調理電路所需時間+AD 轉換的時間+數字信號傳輸時間+服務器網絡響應的時間，約為：

如果將監測范圍縮小，則用局域網的傳輸速率將更快。

遠程傳輸時間最快為20 000 μs，遠小于傳感器自身的響應時間，想提高系統的響應速率，只需匹配響應速率更快的傳感器即可。此外可以根據發動機參數變化速率特性，通過軟件編程合理地調整遠程傳輸數據的速率，達到更精準地遠程實時監測發動機狀態參數的效果。

4.3 實驗驗證

以溫度和電壓參數變化來模擬實際航空發動機參數變化。對于溫度信號則采用鉑電阻實際測量壓氣機溫度的方法進行無線遠程測試實驗研究，航空發動機其他參數則采用改變電壓信號來模擬參數變化，如圖5、圖6、圖7分別是遠程傳輸測試實驗圖、手機APP 實時收到航空發動機模擬參數數據和變化曲線界面、發動機模擬參數測量變化曲線。

圖5 遠程傳輸測試實驗

圖6 手機APP 界面

圖7 發動機模擬參數變化曲線

5 結 語

文中通過分析現階段無線通信技術特性，采用WiFi 技術作為遠程通信技術手段，設計了一種航空發動機遠程實時監測系統，并對系統的動態響應特性和遠程傳輸速率進行了分析。結果表明，遠程數據傳輸的速率遠遠小于鉑熱電阻，藍寶石光纖瞬態高溫傳感器自身的響應時間、遠程傳輸系統的響應時間僅與發動機參數變化和傳感器動態響應特性間的匹配關系有關，論證了遠程實時監測在航空發動機領域的可行性。經實驗驗證，手機APP 可實時接收多個模擬量參數的變化，沒有物理距離的限制。

遠程傳輸速率的快慢主要與物聯網平臺的服務器網絡響應的時間速率有關，隨著無線通信技術和物聯網技術的不斷發展，網絡響應的時間只會越來越快，即遠程數據傳輸的速率越來越快。

注：本文通訊作者為盧洪義。