浅析助航灯单灯监测系统设计原理

陈炳煌，赵家启

浅析助航灯单灯监测系统设计原理

陈炳煌1，赵家启2

（1.元翔（厦门）国际航空港股份有限公司建管部，福建 厦门 361000；2.中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津，300300）

机场助航灯光系统是保障飞机安全飞行的重要系统之一，目前机场大多采用人工巡检方式进行维护，人工方式效率低，耗费较多的人力物力。为此，客观分析了助航灯的工作原理和调光原理，并研究设计出机场助航灯单灯监测系统。系统由主控单元、电流电压检测模块、湿度检测模块和通信模块组成。最终设计出单灯监测上位机系统，在计算机上成功显示出来，结果表明能有效地提高单灯监测效率。

机场助航灯；单灯监测系统；ESP8266；故障检测单元

机场助航灯光系统由进近灯光系统、跑道灯光系统和滑行道灯光系统组成，是飞机进近和着陆的引导标识。目前大部分机场的助航灯都是人工进行维护，工作人员按照规定步骤检查与排故，这一过程耗费大量人力物力。

1 助航灯单灯监测系统的建设意义

随着中国航空事业的发展，机场助航灯的数量与日俱增，通过人工巡检已满足不了机场快速发展的要求，迫切需要建立机场助航灯光的智能自动化监测系统。通过结合现代通讯技术、电子技术和网络信息技术所形成的故障监测系统，可以快速直接对灯光系统做出调整，提高了操作的及时性和可靠性。

2 机场助航灯单灯监测系统的总体设计

2.1 机场助航灯光系统

机场的助航灯是一种专用特制灯具，所用电源大多是交流电，跑道灯、滑行道灯和进近灯光系统中多数连续发光的灯都采用串联电路，其串联回路主要由助航灯具、供电电源、升压变压器、恒流调光器、隔离变压器五部分组成。一个调光器输出恒定电流，多个隔离变压器串联在其输出回路上，次级线圈连接助航灯具。助航灯具输入电流的变化导致灯光光强发生变化，从而实现灯光光强级别控制。

2.2 单灯监测系统设计系统的结构流程

助航单灯检测系统包括Arduino UNO R3型单片机开发板设计的主控单元、湿度传感模块、电压电流检测模块和Wi-Fi通信模块。

主控单元向电压电流检测模块发送指令，检测模块将检测数据传回主控单元，湿度传感器通过湿度检模块发送指令，最后由主控单元将检测信息一同输出给Wi-Fi通信模块，最终显示在计算机上。其中电压电流检测模块和湿度检测模块的数字输出信号端接入主控单元的数字输入端，主控单元通过TTL串口与Wi-Fi通信模块连接。

系统的结构流程如图1所示。

图1 系统的结构流程图

2.3 灯具检测单元

灯具检测单元负责对助航灯具参数进行实时测量，实现的功能及原理过程包括以下几个方面。

2.3.1 灯泡断路故障检测

助航灯丝发生断裂或灯具内的线路发生断裂会造成灯泡断路，隔离变压器次级线圈两侧的电缆接头变为开路状态，相当于次级线圈两端的负载电阻接近于无限大，电压急剧上升，电流急剧下降到接近零。根据以上的故障原理，通过检测灯泡的电压、电流值可判断故障情况。

2.3.2 灯光亮度变暗故障检测

灯光亮度变暗原因有两种：灯具长时间使用后，连续的高温会使一部分灯丝融化，与相连的灯丝搭接导致电阻减小；另一种是灯丝在高温下发生升华后，附着在灯罩内壁导致灯具发光变暗。调光器对流过灯具的电流进行检测，电流值可反映灯具亮度，通过调节电流从而调节灯具的亮度。由调光器调光原理可知，助航灯灯光根据电流大小即发光亮度可分为5级，将测量到的电流值与标准电流值进行比较，可判断出灯泡亮度的变化。

2.3.3 灯具积水检测

灯箱浸水时，如果线缆已发生破损，则在电场作用下会发生击穿，同时引起铜、钢等金属材质发生腐蚀和绝缘层的绝缘性能下降。湿度传感器进行积水检测时，单片机将读取到的检测数据通过处理器进行计算判断，最终显示在计算机上。

3 助航灯故障监测单元硬件设计

3.1 主控单元模块

主控单元模块采用Arduino UNO R3单片机，其中处理器为ATmega328P芯片，主要对电压电流检测模块和湿度检测模块的数据进行处理和输出。各模块间直接以数字串口数据形式传输，主控单元和Wi-Fi通信模块通过TTL串口通信的输入输出端直接相连。

3.2 监测单元模块

监测单元模块包括湿度检测模块和电流电压检测模块。灯具检测单元接入助航灯光系统串联回路中隔离变压器的次级线圈上，次级线圈接在助航灯光的两侧，灯具检测单元并联在助航灯光两侧。目的是故障检测单元在发生故障时，助航灯光系统也能保持正常的工作状态。

3.2.1 湿度测量模块

DHT11数字温度和湿度传感器是一种带有校准的数字信号输出温湿度复合传感器，由电阻式湿度感应元件和NTC温度传感器组成。传感器首先测试、校准湿度系数并保存数据，通过单片机控制再转送到Wi-Fi通信模块。DATA用于微处理器和DHT11之间的通信和同步，采用单总线协议进行数据传输，当单总线位于高电平时，一边通过二极管向芯片供电，一边对电容充电；位于低电平时，由电容供电。

3.2.2 电压电流测量模块

电压电流检测模块为助航灯故障检测的核心部分。电压电流检测模块的CPU为STM8S103F3P6，支持单线接口模块和调试模块。将采集的数据传输给主控单元后，通过Wi-Fi通信模块将数据传输到上位机上。电流测量范围为0～10 A，电压测量范围为0～37 V，符合助航单灯工作时的额定值。

3.3 供电电源模块

电源模块包括电源适配器和多输出电压转换模块。电源适配器输入电压100～240 V，输入频率50/60 Hz，输出 12 VDC～1 A。电压转换模块可以实现多路输出，可同时输出3.3 V、5 V、12 VDC。可以满足检测单元的电源需求。

3.4 Wi-Fi无线通信模块

无线通信模块为ESP8266-01，相当于互联网和通用异步收发传输器之间的桥梁，将温湿度传感器上的数据发送到计算机。工作模式：ESP8266模块充当热点，使手机或计算机­­直接与模块通信，通过局域网实现了客户端和服务器间的传输。

4 助航灯故障监测系统软件设计

4.1 主控程序设计

当系统开始检测时，主控单元建立串口通信以保证数据的传输正常，然后向电压电流检测模块发送检测指令，单片机内部引脚采集到电压电流的信号和湿度的数字信号后会产生一个中断信号，如果中断条件允许，那么就可以向ESP6266通信模块进行数据传输。

4.2 湿度传感器程序设计

在主机发送启动信号后，DHT11发送响应信号并开始触发数据获取。连接到主机的DHT11的DATA引脚的I/O端口为低电平，低电平保持时间不小于18 ms，然后等待DHT11响应。接收数据时，等待低电平通过，即等待数据线上升，然后延迟60 us，检测此时数据线是否为高。

4.3 监测系统上位机设计

上位机显示页面的信息有湿度、电压和电流。首先需定义查询指令的字节数，然后发送查询湿度、电压、电流的指令，之后创建接收字节，准备读取从ESP8266模块发送的数据，接收到数据后再存储助航灯的输入电压电流参数，最终显示在文本框中。

4.4 系统测试

三个模块和单片机都通电后电源指示灯发光为正常，通信模块的蓝灯常亮表示与计算机连接成功。测试时将故障检测系统检测的电压、电流和湿度各项数值与表进行比对后即可判断故障类型。硬件部分连接完成后点击查询数据进行数据检测，正常工作状态，湿度为35%，未发生浸水，助航单灯电压为“5.62 V”，电流为“6.75 A”，工作状态为normal正常。接着测试助航单灯开路故障，通过设置人为故障即将助航灯在回路中断开进行测试。开路时会导致电压值急剧上升，经测试助航灯电流为0 A，故障类型为“open circuit”开路。工作监测界面如图2所示。开路故障检测界面如图3所示。

图2 工作监测界面

图3 开路故障检测界面

5 结语

对单灯监测系统的基本功能以及主要故障类型进行研究，确定助航灯单灯监测单元各模块的设计方案，最终设计出助航单灯监测系统模型。解决了人工检测效率低的问题，提高了助航灯光系统的可靠性，保证机场高效运行。

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V351

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.041

2095－6835（2020）01－0108－02

陈炳煌（1987—），男。

〔编辑：严丽琴〕