陳炳煌，趙家啟

淺析助航燈單燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

陳炳煌1，趙家啟2

（1.元翔（廈門）國(guó)際航空港股份有限公司建管部，福建 廈門 361000；2.中國(guó)民航大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津，300300）

機(jī)場(chǎng)助航燈光系統(tǒng)是保障飛機(jī)安全飛行的重要系統(tǒng)之一，目前機(jī)場(chǎng)大多采用人工巡檢方式進(jìn)行維護(hù)，人工方式效率低，耗費(fèi)較多的人力物力。為此，客觀分析了助航燈的工作原理和調(diào)光原理，并研究設(shè)計(jì)出機(jī)場(chǎng)助航燈單燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由主控單元、電流電壓檢測(cè)模塊、濕度檢測(cè)模塊和通信模塊組成。最終設(shè)計(jì)出單燈監(jiān)測(cè)上位機(jī)系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上成功顯示出來，結(jié)果表明能有效地提高單燈監(jiān)測(cè)效率。

機(jī)場(chǎng)助航燈；單燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；ESP8266；故障檢測(cè)單元

機(jī)場(chǎng)助航燈光系統(tǒng)由進(jìn)近燈光系統(tǒng)、跑道燈光系統(tǒng)和滑行道燈光系統(tǒng)組成，是飛機(jī)進(jìn)近和著陸的引導(dǎo)標(biāo)識(shí)。目前大部分機(jī)場(chǎng)的助航燈都是人工進(jìn)行維護(hù)，工作人員按照規(guī)定步驟檢查與排故，這一過程耗費(fèi)大量人力物力。

1 助航燈單燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)意義

隨著中國(guó)航空事業(yè)的發(fā)展，機(jī)場(chǎng)助航燈的數(shù)量與日俱增，通過人工巡檢已滿足不了機(jī)場(chǎng)快速發(fā)展的要求，迫切需要建立機(jī)場(chǎng)助航燈光的智能自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過結(jié)合現(xiàn)代通訊技術(shù)、電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)所形成的故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以快速直接對(duì)燈光系統(tǒng)做出調(diào)整，提高了操作的及時(shí)性和可靠性。

2 機(jī)場(chǎng)助航燈單燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)場(chǎng)助航燈光系統(tǒng)

機(jī)場(chǎng)的助航燈是一種專用特制燈具，所用電源大多是交流電，跑道燈、滑行道燈和進(jìn)近燈光系統(tǒng)中多數(shù)連續(xù)發(fā)光的燈都采用串聯(lián)電路，其串聯(lián)回路主要由助航燈具、供電電源、升壓變壓器、恒流調(diào)光器、隔離變壓器五部分組成。一個(gè)調(diào)光器輸出恒定電流，多個(gè)隔離變壓器串聯(lián)在其輸出回路上，次級(jí)線圈連接助航燈具。助航燈具輸入電流的變化導(dǎo)致燈光光強(qiáng)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)燈光光強(qiáng)級(jí)別控制。

2.2 單燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程

助航單燈檢測(cè)系統(tǒng)包括Arduino UNO R3型單片機(jī)開發(fā)板設(shè)計(jì)的主控單元、濕度傳感模塊、電壓電流檢測(cè)模塊和Wi-Fi通信模塊。

主控單元向電壓電流檢測(cè)模塊發(fā)送指令，檢測(cè)模塊將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳回主控單元，濕度傳感器通過濕度檢模塊發(fā)送指令，最后由主控單元將檢測(cè)信息一同輸出給Wi-Fi通信模塊，最終顯示在計(jì)算機(jī)上。其中電壓電流檢測(cè)模塊和濕度檢測(cè)模塊的數(shù)字輸出信號(hào)端接入主控單元的數(shù)字輸入端，主控單元通過TTL串口與Wi-Fi通信模塊連接。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程圖

2.3 燈具檢測(cè)單元

燈具檢測(cè)單元負(fù)責(zé)對(duì)助航燈具參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)的功能及原理過程包括以下幾個(gè)方面。

2.3.1 燈泡斷路故障檢測(cè)

助航燈絲發(fā)生斷裂或燈具內(nèi)的線路發(fā)生斷裂會(huì)造成燈泡斷路，隔離變壓器次級(jí)線圈兩側(cè)的電纜接頭變?yōu)殚_路狀態(tài)，相當(dāng)于次級(jí)線圈兩端的負(fù)載電阻接近于無限大，電壓急劇上升，電流急劇下降到接近零。根據(jù)以上的故障原理，通過檢測(cè)燈泡的電壓、電流值可判斷故障情況。

2.3.2 燈光亮度變暗故障檢測(cè)

燈光亮度變暗原因有兩種：燈具長(zhǎng)時(shí)間使用后，連續(xù)的高溫會(huì)使一部分燈絲融化，與相連的燈絲搭接導(dǎo)致電阻減?。涣硪环N是燈絲在高溫下發(fā)生升華后，附著在燈罩內(nèi)壁導(dǎo)致燈具發(fā)光變暗。調(diào)光器對(duì)流過燈具的電流進(jìn)行檢測(cè)，電流值可反映燈具亮度，通過調(diào)節(jié)電流從而調(diào)節(jié)燈具的亮度。由調(diào)光器調(diào)光原理可知，助航燈燈光根據(jù)電流大小即發(fā)光亮度可分為5級(jí)，將測(cè)量到的電流值與標(biāo)準(zhǔn)電流值進(jìn)行比較，可判斷出燈泡亮度的變化。

2.3.3 燈具積水檢測(cè)

燈箱浸水時(shí)，如果線纜已發(fā)生破損，則在電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生擊穿，同時(shí)引起銅、鋼等金屬材質(zhì)發(fā)生腐蝕和絕緣層的絕緣性能下降。濕度傳感器進(jìn)行積水檢測(cè)時(shí)，單片機(jī)將讀取到的檢測(cè)數(shù)據(jù)通過處理器進(jìn)行計(jì)算判斷，最終顯示在計(jì)算機(jī)上。

3 助航燈故障監(jiān)測(cè)單元硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控單元模塊

主控單元模塊采用Arduino UNO R3單片機(jī)，其中處理器為ATmega328P芯片，主要對(duì)電壓電流檢測(cè)模塊和濕度檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和輸出。各模塊間直接以數(shù)字串口數(shù)據(jù)形式傳輸，主控單元和Wi-Fi通信模塊通過TTL串口通信的輸入輸出端直接相連。

3.2 監(jiān)測(cè)單元模塊

監(jiān)測(cè)單元模塊包括濕度檢測(cè)模塊和電流電壓檢測(cè)模塊。燈具檢測(cè)單元接入助航燈光系統(tǒng)串聯(lián)回路中隔離變壓器的次級(jí)線圈上，次級(jí)線圈接在助航燈光的兩側(cè)，燈具檢測(cè)單元并聯(lián)在助航燈光兩側(cè)。目的是故障檢測(cè)單元在發(fā)生故障時(shí)，助航燈光系統(tǒng)也能保持正常的工作狀態(tài)。

3.2.1 濕度測(cè)量模塊

DHT11數(shù)字溫度和濕度傳感器是一種帶有校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)輸出溫濕度復(fù)合傳感器，由電阻式濕度感應(yīng)元件和NTC溫度傳感器組成。傳感器首先測(cè)試、校準(zhǔn)濕度系數(shù)并保存數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)控制再轉(zhuǎn)送到Wi-Fi通信模塊。DATA用于微處理器和DHT11之間的通信和同步，采用單總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)單總線位于高電平時(shí)，一邊通過二極管向芯片供電，一邊對(duì)電容充電；位于低電平時(shí)，由電容供電。

3.2.2 電壓電流測(cè)量模塊

電壓電流檢測(cè)模塊為助航燈故障檢測(cè)的核心部分。電壓電流檢測(cè)模塊的CPU為STM8S103F3P6，支持單線接口模塊和調(diào)試模塊。將采集的數(shù)據(jù)傳輸給主控單元后，通過Wi-Fi通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上。電流測(cè)量范圍為0～10 A，電壓測(cè)量范圍為0～37 V，符合助航單燈工作時(shí)的額定值。

3.3 供電電源模塊

電源模塊包括電源適配器和多輸出電壓轉(zhuǎn)換模塊。電源適配器輸入電壓100～240 V，輸入頻率50/60 Hz，輸出 12 VDC～1 A。電壓轉(zhuǎn)換模塊可以實(shí)現(xiàn)多路輸出，可同時(shí)輸出3.3 V、5 V、12 VDC?？梢詽M足檢測(cè)單元的電源需求。

3.4 Wi-Fi無線通信模塊

無線通信模塊為ESP8266-01，相當(dāng)于互聯(lián)網(wǎng)和通用異步收發(fā)傳輸器之間的橋梁，將溫濕度傳感器上的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)。工作模式：ESP8266模塊充當(dāng)熱點(diǎn)，使手機(jī)或計(jì)算機(jī)--直接與模塊通信，通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了客戶端和服務(wù)器間的傳輸。

4 助航燈故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主控程序設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)開始檢測(cè)時(shí)，主控單元建立串口通信以保證數(shù)據(jù)的傳輸正常，然后向電壓電流檢測(cè)模塊發(fā)送檢測(cè)指令，單片機(jī)內(nèi)部引腳采集到電壓電流的信號(hào)和濕度的數(shù)字信號(hào)后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，如果中斷條件允許，那么就可以向ESP6266通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4.2 濕度傳感器程序設(shè)計(jì)

在主機(jī)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)并開始觸發(fā)數(shù)據(jù)獲取。連接到主機(jī)的DHT11的DATA引腳的I/O端口為低電平，低電平保持時(shí)間不小于18 ms，然后等待DHT11響應(yīng)。接收數(shù)據(jù)時(shí)，等待低電平通過，即等待數(shù)據(jù)線上升，然后延遲60 us，檢測(cè)此時(shí)數(shù)據(jù)線是否為高。

4.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)顯示頁(yè)面的信息有濕度、電壓和電流。首先需定義查詢指令的字節(jié)數(shù)，然后發(fā)送查詢濕度、電壓、電流的指令，之后創(chuàng)建接收字節(jié)，準(zhǔn)備讀取從ESP8266模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后再存儲(chǔ)助航燈的輸入電壓電流參數(shù)，最終顯示在文本框中。

4.4 系統(tǒng)測(cè)試

三個(gè)模塊和單片機(jī)都通電后電源指示燈發(fā)光為正常，通信模塊的藍(lán)燈常亮表示與計(jì)算機(jī)連接成功。測(cè)試時(shí)將故障檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)的電壓、電流和濕度各項(xiàng)數(shù)值與表進(jìn)行比對(duì)后即可判斷故障類型。硬件部分連接完成后點(diǎn)擊查詢數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，正常工作狀態(tài)，濕度為35%，未發(fā)生浸水，助航單燈電壓為“5.62 V”，電流為“6.75 A”，工作狀態(tài)為normal正常。接著測(cè)試助航單燈開路故障，通過設(shè)置人為故障即將助航燈在回路中斷開進(jìn)行測(cè)試。開路時(shí)會(huì)導(dǎo)致電壓值急劇上升，經(jīng)測(cè)試助航燈電流為0 A，故障類型為“open circuit”開路。工作監(jiān)測(cè)界面如圖2所示。開路故障檢測(cè)界面如圖3所示。

圖2 工作監(jiān)測(cè)界面

圖3 開路故障檢測(cè)界面

5 結(jié)語

對(duì)單燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本功能以及主要故障類型進(jìn)行研究，確定助航燈單燈監(jiān)測(cè)單元各模塊的設(shè)計(jì)方案，最終設(shè)計(jì)出助航單燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型。解決了人工檢測(cè)效率低的問題，提高了助航燈光系統(tǒng)的可靠性，保證機(jī)場(chǎng)高效運(yùn)行。

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V351

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.041

2095－6835（2020）01－0108－02

陳炳煌（1987—），男。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕