淺析助航燈單燈監測系統設計原理

陳炳煌，趙家啟

淺析助航燈單燈監測系統設計原理

陳炳煌1，趙家啟2

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

機場助航燈光系統是保障飛機安全飛行的重要系統之一，目前機場大多采用人工巡檢方式進行維護，人工方式效率低，耗費較多的人力物力。為此，客觀分析了助航燈的工作原理和調光原理，并研究設計出機場助航燈單燈監測系統。系統由主控單元、電流電壓檢測模塊、濕度檢測模塊和通信模塊組成。最終設計出單燈監測上位機系統，在計算機上成功顯示出來，結果表明能有效地提高單燈監測效率。

機場助航燈；單燈監測系統；ESP8266；故障檢測單元

機場助航燈光系統由進近燈光系統、跑道燈光系統和滑行道燈光系統組成，是飛機進近和著陸的引導標識。目前大部分機場的助航燈都是人工進行維護，工作人員按照規定步驟檢查與排故，這一過程耗費大量人力物力。

1 助航燈單燈監測系統的建設意義

隨著中國航空事業的發展，機場助航燈的數量與日俱增，通過人工巡檢已滿足不了機場快速發展的要求，迫切需要建立機場助航燈光的智能自動化監測系統。通過結合現代通訊技術、電子技術和網絡信息技術所形成的故障監測系統，可以快速直接對燈光系統做出調整，提高了操作的及時性和可靠性。

2 機場助航燈單燈監測系統的總體設計

2.1 機場助航燈光系統

機場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、滑行道燈和進近燈光系統中多數連續發光的燈都采用串聯電路，其串聯回路主要由助航燈具、供電電源、升壓變壓器、恒流調光器、隔離變壓器五部分組成。一個調光器輸出恒定電流，多個隔離變壓器串聯在其輸出回路上，次級線圈連接助航燈具。助航燈具輸入電流的變化導致燈光光強發生變化，從而實現燈光光強級別控制。

2.2 單燈監測系統設計系統的結構流程

助航單燈檢測系統包括Arduino UNO R3型單片機開發板設計的主控單元、濕度傳感模塊、電壓電流檢測模塊和Wi-Fi通信模塊。

主控單元向電壓電流檢測模塊發送指令，檢測模塊將檢測數據傳回主控單元，濕度傳感器通過濕度檢模塊發送指令，最后由主控單元將檢測信息一同輸出給Wi-Fi通信模塊，最終顯示在計算機上。其中電壓電流檢測模塊和濕度檢測模塊的數字輸出信號端接入主控單元的數字輸入端，主控單元通過TTL串口與Wi-Fi通信模塊連接。

系統的結構流程如圖1所示。

圖1 系統的結構流程圖

2.3 燈具檢測單元

燈具檢測單元負責對助航燈具參數進行實時測量，實現的功能及原理過程包括以下幾個方面。

2.3.1 燈泡斷路故障檢測

助航燈絲發生斷裂或燈具內的線路發生斷裂會造成燈泡斷路，隔離變壓器次級線圈兩側的電纜接頭變為開路狀態，相當于次級線圈兩端的負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。根據以上的故障原理，通過檢測燈泡的電壓、電流值可判斷故障情況。

2.3.2 燈光亮度變暗故障檢測

燈光亮度變暗原因有兩種：燈具長時間使用后，連續的高溫會使一部分燈絲融化，與相連的燈絲搭接導致電阻減小；另一種是燈絲在高溫下發生升華后，附著在燈罩內壁導致燈具發光變暗。調光器對流過燈具的電流進行檢測，電流值可反映燈具亮度，通過調節電流從而調節燈具的亮度。由調光器調光原理可知，助航燈燈光根據電流大小即發光亮度可分為5級，將測量到的電流值與標準電流值進行比較，可判斷出燈泡亮度的變化。

2.3.3 燈具積水檢測

燈箱浸水時，如果線纜已發生破損，則在電場作用下會發生擊穿，同時引起銅、鋼等金屬材質發生腐蝕和絕緣層的絕緣性能下降。濕度傳感器進行積水檢測時，單片機將讀取到的檢測數據通過處理器進行計算判斷，最終顯示在計算機上。

3 助航燈故障監測單元硬件設計

3.1 主控單元模塊

主控單元模塊采用Arduino UNO R3單片機，其中處理器為ATmega328P芯片，主要對電壓電流檢測模塊和濕度檢測模塊的數據進行處理和輸出。各模塊間直接以數字串口數據形式傳輸，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 監測單元模塊

監測單元模塊包括濕度檢測模塊和電流電壓檢測模塊。燈具檢測單元接入助航燈光系統串聯回路中隔離變壓器的次級線圈上，次級線圈接在助航燈光的兩側，燈具檢測單元并聯在助航燈光兩側。目的是故障檢測單元在發生故障時，助航燈光系統也能保持正常的工作狀態。

3.2.1 濕度測量模塊

DHT11數字溫度和濕度傳感器是一種帶有校準的數字信號輸出溫濕度復合傳感器，由電阻式濕度感應元件和NTC溫度傳感器組成。傳感器首先測試、校準濕度系數并保存數據，通過單片機控制再轉送到Wi-Fi通信模塊。DATA用于微處理器和DHT11之間的通信和同步，采用單總線協議進行數據傳輸，當單總線位于高電平時，一邊通過二極管向芯片供電，一邊對電容充電；位于低電平時，由電容供電。

3.2.2 電壓電流測量模塊

電壓電流檢測模塊為助航燈故障檢測的核心部分。電壓電流檢測模塊的CPU為STM8S103F3P6，支持單線接口模塊和調試模塊。將采集的數據傳輸給主控單元后，通過Wi-Fi通信模塊將數據傳輸到上位機上。電流測量范圍為0～10 A，電壓測量范圍為0～37 V，符合助航單燈工作時的額定值。

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。電壓轉換模塊可以實現多路輸出，可同時輸出3.3 V、5 V、12 VDC。可以滿足檢測單元的電源需求。

3.4 Wi-Fi無線通信模塊

無線通信模塊為ESP8266-01，相當于互聯網和通用異步收發傳輸器之間的橋梁，將溫濕度傳感器上的數據發送到計算機。工作模式：ESP8266模塊充當熱點，使手機或計算機--直接與模塊通信，通過局域網實現了客戶端和服務器間的傳輸。

4 助航燈故障監測系統軟件設計

4.1 主控程序設計

當系統開始檢測時，主控單元建立串口通信以保證數據的傳輸正常，然后向電壓電流檢測模塊發送檢測指令，單片機內部引腳采集到電壓電流的信號和濕度的數字信號后會產生一個中斷信號，如果中斷條件允許，那么就可以向ESP6266通信模塊進行數據傳輸。

4.2 濕度傳感器程序設計

在主機發送啟動信號后，DHT11發送響應信號并開始觸發數據獲取。連接到主機的DHT11的DATA引腳的I/O端口為低電平，低電平保持時間不小于18 ms，然后等待DHT11響應。接收數據時，等待低電平通過，即等待數據線上升，然后延遲60 us，檢測此時數據線是否為高。

4.3 監測系統上位機設計

上位機顯示頁面的信息有濕度、電壓和電流。首先需定義查詢指令的字節數，然后發送查詢濕度、電壓、電流的指令，之后創建接收字節，準備讀取從ESP8266模塊發送的數據，接收到數據后再存儲助航燈的輸入電壓電流參數，最終顯示在文本框中。

4.4 系統測試

三個模塊和單片機都通電后電源指示燈發光為正常，通信模塊的藍燈常亮表示與計算機連接成功。測試時將故障檢測系統檢測的電壓、電流和濕度各項數值與表進行比對后即可判斷故障類型。硬件部分連接完成后點擊查詢數據進行數據檢測，正常工作狀態，濕度為35%，未發生浸水，助航單燈電壓為“5.62 V”，電流為“6.75 A”，工作狀態為normal正常。接著測試助航單燈開路故障，通過設置人為故障即將助航燈在回路中斷開進行測試。開路時會導致電壓值急劇上升，經測試助航燈電流為0 A，故障類型為“open circuit”開路。工作監測界面如圖2所示。開路故障檢測界面如圖3所示。

圖2 工作監測界面

圖3 開路故障檢測界面

5 結語

對單燈監測系統的基本功能以及主要故障類型進行研究，確定助航燈單燈監測單元各模塊的設計方案，最終設計出助航單燈監測系統模型。解決了人工檢測效率低的問題，提高了助航燈光系統的可靠性，保證機場高效運行。

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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：嚴麗琴〕