彭衛(wèi)東，蘇子欽，尹向東，溫力偉，李靜菲

（1.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院機(jī)場(chǎng)與基建處，四川廣漢 618307；2.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川廣漢 618307；3.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院遂寧分院，四川遂寧 629001）

機(jī)場(chǎng)助航燈光系統(tǒng)對(duì)保障機(jī)場(chǎng)和飛機(jī)的安全運(yùn)行有著重要的意義，在機(jī)場(chǎng)范圍內(nèi)分布廣泛，日益增長(zhǎng)的航空器運(yùn)行需求和機(jī)場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大使燈光系統(tǒng)巡視工作量也變得越來(lái)越繁重。國(guó)外機(jī)場(chǎng)在規(guī)劃建設(shè)時(shí)會(huì)預(yù)先設(shè)置布線(xiàn)管道，用來(lái)鋪設(shè)光纖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]。但是許多國(guó)內(nèi)的機(jī)場(chǎng)在建設(shè)初期并未預(yù)留布線(xiàn)管道，如果重新布線(xiàn)會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行，并且光纖通信系統(tǒng)自身及其后期維護(hù)的成本都比較高。無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)具有體積小、安裝方式靈活、可以適應(yīng)不同調(diào)光器和調(diào)光回路、監(jiān)測(cè)單元可靠性更高的優(yōu)點(diǎn)，既可以避開(kāi)電力載波受帶寬限制傳輸速度較慢[2]、高頻通信無(wú)法穿越隔離變壓器[3]等現(xiàn)有技術(shù)存在的難點(diǎn)和缺陷，又可以省去光纖通信鋪設(shè)管線(xiàn)所帶來(lái)的問(wèn)題。

1 機(jī)場(chǎng)助航燈光系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.1 布局特點(diǎn)

《國(guó)際民用航空公約》（ICAO ANNEX14）[4]中對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道的助航燈布局有明確的規(guī)范要求，不考慮中間鑲嵌其他種類(lèi)助航燈的情況下，同類(lèi)型助航燈之間的間距最大是60 m。4 級(jí)機(jī)場(chǎng)跑道建議寬度為45 m 以上，最高的4F 級(jí)機(jī)場(chǎng)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(huì)超過(guò)60 m。對(duì)于助航燈在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)只需考慮距離因素，并且當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障后，其后面的節(jié)點(diǎn)需要能夠做到繞過(guò)該節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)進(jìn)行通信，因此，理論上各節(jié)點(diǎn)之間只需要滿(mǎn)足120 m 距離的有效通信即可完成基本的監(jiān)測(cè)任務(wù)。

1.2 性能特點(diǎn)

助航燈的性能參數(shù)有明確的規(guī)范和要求，燈具種類(lèi)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(jī)坪地面之中，要求能夠承受飛機(jī)碾壓，無(wú)法設(shè)置外置天線(xiàn)，而燈具金屬殼體、較厚的混凝土層對(duì)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)具有很強(qiáng)的屏蔽作用，因此只能將天線(xiàn)設(shè)置在外部，且不能對(duì)助航燈的功能和飛機(jī)運(yùn)行造成干擾。該文主要研究在立式燈具上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。

燈光的亮度設(shè)定取決于其與背景的對(duì)比程度[4]。由于助航燈使用電流源驅(qū)動(dòng)，對(duì)于助航燈主要監(jiān)測(cè)的性能指標(biāo)是亮度，且助航燈系統(tǒng)對(duì)可靠性要求較高，可以采取外置光強(qiáng)傳感器讀取光強(qiáng)信息，終端設(shè)備利用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至上位機(jī)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

2 數(shù)據(jù)傳輸無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)

2.1 ZigBee基本特點(diǎn)

現(xiàn)有的幾種短距離無(wú)線(xiàn)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(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中常用的通信方式，具體性能對(duì)比情況如表1 所示[6]。

表1 幾種短距離通信方式性能數(shù)據(jù)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(jiàn)范圍內(nèi)，即不能有遮擋[8]；RFID 只能實(shí)現(xiàn)單向的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(tǒng)安全性較低，且容易受雷電等外界因素干擾[12]，無(wú)法滿(mǎn)足機(jī)場(chǎng)助航燈光在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)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(xié)議，具備自動(dòng)規(guī)避故障路徑、傳輸可靠性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)多、功耗低、成本低、傳輸安全性高、開(kāi)源代碼豐富等優(yōu)點(diǎn)[13]。目前，市場(chǎng)上銷(xiāo)售的ZigBee 設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)通信距離為100 m，而增加功放（通常為CC2591 型）后可以達(dá)到1 500 m 以上[14]，因此相對(duì)于其他短距離通信技術(shù)其更適用于對(duì)可靠性要求較高，且節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、分布廣的機(jī)場(chǎng)助航燈光在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.2 ZigBee對(duì)航空通信的干擾分析

航空無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)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(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)還包括GPS系統(tǒng)（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(dá)（工作頻率在X 波段，即5.2～19 GHz，并且在地面時(shí)一般不開(kāi)機(jī)）[15]。因此，航空無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)并不會(huì)對(duì)通常工作在2.4 GHz ISM 頻段的ZigBee 通信系統(tǒng)構(gòu)成干擾，同時(shí)ZigBee 通信系統(tǒng)因?yàn)楣ぷ黝l段的特點(diǎn)和非常低的發(fā)射功率，也不會(huì)干擾機(jī)場(chǎng)和飛機(jī)的無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)[16]。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 技術(shù)原理

對(duì)于助航燈性能的監(jiān)測(cè)指標(biāo)主要是其光強(qiáng)是否處于標(biāo)準(zhǔn)范圍，如果光強(qiáng)偏離了標(biāo)準(zhǔn)范圍就可以視為故障。光強(qiáng)的具體檢測(cè)方法是將光強(qiáng)傳感器放置在助航燈的燈光照射范圍內(nèi)，和助航燈保持固定的距離，選擇放置的位置時(shí)需要盡量減少對(duì)飛行員觀(guān)察的影響，如安裝在靠近草坪一側(cè)。這種方式可以做到對(duì)助航燈光系統(tǒng)進(jìn)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(gè)機(jī)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器組成一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障無(wú)法傳遞信息時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)也能夠自動(dòng)規(guī)避故障節(jié)點(diǎn)。

3.2 ZigBee模塊硬件程序設(shè)計(jì)

根據(jù)技術(shù)原理設(shè)計(jì)出了ZigBee 硬件的程序，使ZigBee設(shè)備可以通過(guò)傳感器測(cè)量助航燈的光強(qiáng)、調(diào)光機(jī)房的光檔等信息，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至監(jiān)控室的計(jì)算機(jī)。ZigBee通信協(xié)議將模塊按設(shè)備類(lèi)型分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端三種[13]，而根據(jù)該文所描述的機(jī)場(chǎng)助航燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)功能可將模塊分為以下三種，以分別制定相應(yīng)的程序方案：

1）協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器設(shè)置在監(jiān)控室附近，只用于接收所有終端、路由器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸至計(jì)算機(jī)，不執(zhí)行任何監(jiān)測(cè)任務(wù)。串口波特率設(shè)置為115 200 Baud/s。

2）光強(qiáng)監(jiān)測(cè)器

系統(tǒng)配備了GY-30 型光強(qiáng)傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)助航燈的光強(qiáng)情況。光強(qiáng)監(jiān)測(cè)器包含了終端和路由器兩種類(lèi)型的設(shè)備，終端只負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)光強(qiáng)，并定時(shí)讀取光強(qiáng)傳感器的數(shù)據(jù)后將光強(qiáng)數(shù)據(jù)“打包”往協(xié)調(diào)器或路由器發(fā)送，發(fā)送間隔為0.5 s；路由器則在終端功能的基礎(chǔ)上還要額外負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)其他終端或路由器發(fā)送的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包的格式如表2 所示，未填滿(mǎn)部分均使用“