基于物联网技术发动机远程实时监测系统设计

杨禹成，卢洪义，桑豆豆，刘 舜，章 斌

（南昌航空大学 飞行器工程学院，江西 南昌 330063）

0 引 言

航空发动机长期工作在高温、高压、高速、强振动等异常恶劣的环境下，不可避免地会导致航空发动机零部件结构和性能退化，进而引发发动机机械故障[1-2]，由发动机产生的故障在所有飞机机械故障中的比例高达1/3[3]。据 NASA 的统计资料表明：全世界的航空公司每年要花费310 亿美元左右用于发动机维修，其中31%为日常维护，27%用于对飞机和发动机的翻修[4-5]。发动机监测技术是通过检测发动机相关参数中的异常行为，以及使用预测方法预测其在未来飞行中的行为，可以更好地评估航空发动机的健康性能，参数监测还可以及时发现异常，有效地避免故障发生，降低维护成本，因此对发动机内部参数进行精准可靠的实时监测具有十分重要的意义。但是，随着航空发动机测控系统需要测量的参数种类和数量不断增加，当前基于有线连接的系统非常复杂、笨重，并且容易因磨损而损坏和退化[6-7]。在飞机试车或者试验阶段，能实时观察到参数变化的只有少数在场人员。

国内外已经开展了无线网络在航空领域应用的研究，美国航天局（NASA）在无线无源传感器技术（PWST）研讨会计划中针对当时的研究状况进行了分析总结[8]：较高的系统稳定性，能够使整个飞行器的生命周期受益。文献[9-10]提出了一种基于物联网的飞机健康监测系统，有助于关键条件下做出更好的决策，并保留记录以供进一步分析，但并非实时传输数据。国内学者针对航空航天飞行器测控系统的传感器种类和数量不断增加，提出了采用基于无线网络的飞行器测量控制方案，并对方案的潜在优势、研究可行性和必要性进行了分析[11-12]，但大多数停留在理论分析阶段，在具体工程应用上的研究较少。

文中通过分析现阶段无线通信技术特性，应用物联网技术，设计了一种航空发动机参数远程实时监测系统，可以有效地降低飞机发动机测控系统布线复杂度，提高系统的稳定性和可扩展性。还可以将数据实时地传输到手机APP 上，相关人员无须在试车现场就能看到航空发动机参数的实时变化。

1 系统的总体设计

系统主要由传感器、信号调理模块、微处理器、无线传输模块和手机APP 组成，图1为系统的总体框架。该系统的微处理器为STM32F103，该芯片一般带有三个ADC，且每个ADC 多达18 个复用通道；无线传输模块选择ESP8266，此芯片性能稳定、功耗低、价格便宜。

图1 系统总体框架

传感器采集的参数经过信号调理模块放大、滤波之后，经微处理器STM21F103 进行AD 转换、计算和采集，在上位机软件上显示出来，同时通过无线传输模块将数据传输至机智云平台服务器，手机APP 用于实时接收数据。

2 无线通信技术特性

2.1 无线通信技术特性分析

对目前三种主流的无线通信技术和一种自供能的无线通信技术特性进行分析比较，见表1所列。

表1 无线通信技术特性

ZigBee 是基于IEEE 802.15.4 标准而建立的一种短距离、低功耗的无线通信技术，通常传输距离是10～100 m，在低耗电待机模式下2 节5 号干电池可支持1 个终端工作6～24 个月[13]。ZigBee 协议免费，芯片价格便宜，但传输速率低，通常只有20～250 Kb/s。

蓝牙是一种点对多点、低成本、短距离无线连接技术标准[14]，其数据传输带宽可达1 MHz，通信介质为频率在2.402～2.480 GHz 之间的电磁波。目前存在的主要问题是连接复杂、安全性低、抗干扰能力较弱。

EnOcean 是一种超低功耗的短距离无线通信技术，它可以采集周围的能量变成微弱的电能来供给自身通信。EnOcean 抗干扰能力极强，在室内的覆盖范围为30 m，但传输速率极低。

无线宽带（WiFi）是一种基于802.11 协议的无线局域网接入技术，WiFi 技术的突出优势在于它有较广的局域网覆盖范围，覆盖半径可达100 m 左右[15]。相比于其他的无线通信技术，WiFi技术覆盖范围广，其传输速度最高可到达54 Mb/s，适合高速数据传输的业务，目前芯片开发的成熟度高。

在综合比较了以上四种无线通信技术的传输速率、覆盖范围、相互干扰概率等相关参数，发现WiFi 技术覆盖范围广、传输速率高、芯片开发成熟度高，因此选择WiFi 技术作为该系统的通信手段。

2.2 上位机软件设计

为解决无线通信模块ESP8266 的配置问题，更直观地观察发动机参数变化，文中基于Visual Studio2017 用C#语言设计了一个上位机软件，该软件可以自动检测出端口号，可用于WiFi 模块AT 指令操作和进行波形显示，此外还设计了快捷键按钮，例如“Shift+O”打开串口、“Shift+C”关闭串口等。图2为上位机软件的界面，里面包含了ESP8266 芯片AT 指令的操作示意。

图2 上位机软件

3 远程测试系统硬件电路图设计

硬件电路图由两个航空发动机模拟信号的调理电路和系统电路组成。

图3为两个航空发动机模拟信号的调理电路，主要用于实现对模拟信号放大和滤波等功能。模拟信号1 为PT100 温度测量信号，为减少导线本身的电阻会影响测量结果准确度，电路采用三线制平衡电桥的设计。放大器为OP07，该芯片是一种低噪声、非斩波稳零的双极性（双电源供电）运算放大器集成电路，同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点。模拟信号2 的放大芯片为LM358，使用单电源工作模式，输出端口外接一个稳压二极管BZX84C5 用于保持电压的稳定性。

图3 调理电路

图4为系统电路，主要由无线通信模块ESP8266、微处理器STM32F103、电源模块、蜂鸣器、指示灯、继电器组成。无线传输模块ESP8266 与微处理器STM32F103 通过串口连接；单片机通过引脚输出来控制继电器的闭合与断开，实现弱电控制强电；指示灯用于提示系统的运行状态；当监测的参数数值超过设定的最高值，蜂鸣器报警以起到警示作用。

图4 系统电路

4 航空发动机无线远程参数实时监测系统动态响应分析和实验验证

由于航空发动机测量参数多，温度测试对于航空发动机设计与研制有极其重要的意义，因此这里只选择温度测量来分析测试系统的远程测试性能。

4.1 温度测量系统动态特性分析

对于线性系统，其动态特性的输入和输出方程为：

令s=jw，频率响应函数为：

一阶系统数学表达式进行拉普拉斯变化得：

静态灵敏度K=b0/a0，对灵敏度进行归一化处理，令其等于1，τ=a1/a0，则传递函数为：

τ值反映系统响应速度的快慢，值越小则系统的响应速度越快。本系统以一阶系统为例，求出铂热电阻的时间常数和远程传输速率来验证远程传输速率是否足够快。铂热电阻和温度T成一定的函数关系：

其中：RT表示温度为T时的电阻值，R0为0 ℃时的电阻值；标准的DINIEC7系数为：A=3.908 3×10-3℃、B=-5.775×10-7℃、C=-4.138 3×10-12℃。按照国际电工委员会的铂热电阻技术标准，Pt100 在 0～650 ℃时RT可以表示为：

由图3调理电路图可以清晰地看到平衡电桥，电桥输出电压值为：

其中：VR2是电阻R2两端的电压；VR1是电阻R1两端的电压。放大器放大倍数为K倍，则V=KΔV，由式（6）和式（7）求出铂热电阻t的传递函数为：

在整个动态过程中，铂热电阻的变化达到整个动态过程变化的0.632 时，就是该系统的时间常数τ，铂热电阻的响应时间小于1.5 s。如果需要测量更高的温度，或者更快响应速率的传感器，可以使用蓝宝石光纤瞬态高温传感器，该传感器测量温度可达2 000 ℃，动态响应时间约为0.12 s[16]。

4.2 无线远程传输速率分析

在航空发动机状态监测系统中，能否实现远程实时监测功能，无线远程传输速率是关键，为此需要对该系统传输速率进行实验分析。

模拟量通过调理电路滤波和放大所需要的时间是以ns为单位的，可以忽略不计。

ADC 转换速率分析：无线远程传输系统中STM32F103自带12 位ADC，ADC 的频率一般不能超过14 MHz，因此需要对系统时钟进行6 分频，则ADC 的工作频率为：72 MHz/6=12 MHz，采样周期数取最小为：12.5+1.5=14，因此总时间为：

也就是说ADC 转换一次需要耗时1.17 μs。

数字信号传输速率分析：在该系统中ESP8266 和单片机是通过串口连接的，波特率设置为115 200 b/s，每一次温度变化的数值都需要占用2 字节。按照8 位无校验，1 位停止位外加1 位起始位，每秒可以输出11 520 个字节，输出两个字节大概需要174 μs。

服务器响应速率分析：机智云平台的全球服务器在国内的网络响应速度大概在20 000～40 000 μs范围内，在其他国家也均小于70 000 μs。在国内传输，本文取最小值20 000 μs进行分析。因此，发动机参数从传感器到手机APP 所需要的最短时间为：调理电路所需时间+AD 转换的时间+数字信号传输时间+服务器网络响应的时间，约为：

如果将监测范围缩小，则用局域网的传输速率将更快。

远程传输时间最快为20 000 μs，远小于传感器自身的响应时间，想提高系统的响应速率，只需匹配响应速率更快的传感器即可。此外可以根据发动机参数变化速率特性，通过软件编程合理地调整远程传输数据的速率，达到更精准地远程实时监测发动机状态参数的效果。

4.3 实验验证

以温度和电压参数变化来模拟实际航空发动机参数变化。对于温度信号则采用铂电阻实际测量压气机温度的方法进行无线远程测试实验研究，航空发动机其他参数则采用改变电压信号来模拟参数变化，如图5、图6、图7分别是远程传输测试实验图、手机APP 实时收到航空发动机模拟参数数据和变化曲线界面、发动机模拟参数测量变化曲线。

图5 远程传输测试实验

图6 手机APP 界面

图7 发动机模拟参数变化曲线

5 结 语

文中通过分析现阶段无线通信技术特性，采用WiFi 技术作为远程通信技术手段，设计了一种航空发动机远程实时监测系统，并对系统的动态响应特性和远程传输速率进行了分析。结果表明，远程数据传输的速率远远小于铂热电阻，蓝宝石光纤瞬态高温传感器自身的响应时间、远程传输系统的响应时间仅与发动机参数变化和传感器动态响应特性间的匹配关系有关，论证了远程实时监测在航空发动机领域的可行性。经实验验证，手机APP 可实时接收多个模拟量参数的变化，没有物理距离的限制。

远程传输速率的快慢主要与物联网平台的服务器网络响应的时间速率有关，随着无线通信技术和物联网技术的不断发展，网络响应的时间只会越来越快，即远程数据传输的速率越来越快。

注：本文通讯作者为卢洪义。