劉岳鵬+蔡睿

摘 要：針對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中的參數(shù)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，提出一種采用ZigBee技術(shù)的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的溫度、壓力和振動(dòng)數(shù)據(jù)由傳感器節(jié)點(diǎn)采集，并通過(guò)搭建ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行膮f(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器與上位機(jī)通過(guò)串口連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)中；另外，采用LabVIEW設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，并存儲(chǔ)到Access數(shù)據(jù)庫(kù)中，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的無(wú)線監(jiān)控任務(wù)。測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)可以穩(wěn)定有效地測(cè)量溫度、壓力和振動(dòng)信息，為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)搭載任務(wù)的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無(wú)線監(jiān)控；試驗(yàn)臺(tái)；LabVIEW

為確保火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，在系統(tǒng)測(cè)試階段需要對(duì)運(yùn)行時(shí)的各類(lèi)參數(shù)進(jìn)行采集和傳輸[1]。在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式中，通常需要預(yù)布大量線纜，且為了保證安全，監(jiān)控室與試驗(yàn)臺(tái)通常相距100 m，甚至更遠(yuǎn)。在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，周?chē)h(huán)境屬于超高溫狀態(tài)，需要對(duì)電纜進(jìn)行額外隔熱防護(hù)。本文提出一種采用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控的方法，在LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫(xiě)上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保試驗(yàn)任務(wù)順利進(jìn)行。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分主要是ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建，其功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、若干路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用TI公司的CC2530芯片[2]作為網(wǎng)絡(luò)搭建和數(shù)據(jù)處理的核心。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框如圖1所示，其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的串口模塊采用CH340芯片和USB接口實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)12864液晶屏對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；路由器采用與協(xié)調(diào)器相同的硬件電路，但工作時(shí)僅使用CC2530芯片及其外圍模塊；傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)參數(shù)采集，需預(yù)留足夠的IO通道與傳感器進(jìn)行連接。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee無(wú)線通信程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的ZigBee無(wú)線通信程序在IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫(xiě)，以Z-Stack協(xié)議棧為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)[3]。其為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立提供了包含物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的底層驅(qū)動(dòng)程序，開(kāi)發(fā)時(shí)只需調(diào)用相應(yīng)的庫(kù)函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

中心協(xié)調(diào)器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，在上電后啟動(dòng)和創(chuàng)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，允許其他從設(shè)備加入該網(wǎng)絡(luò)，并為加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址。此后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)處于一直監(jiān)測(cè)無(wú)線信號(hào)的狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，會(huì)接收并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至串口端。路由器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，始終處于監(jiān)測(cè)無(wú)線信號(hào)的狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)到有來(lái)自其他設(shè)備的數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令時(shí)，則對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)。傳感器加入網(wǎng)絡(luò)后，則根據(jù)程序內(nèi)部已經(jīng)設(shè)定好的時(shí)間間隔周期性地對(duì)溫度和振動(dòng)等進(jìn)行采集與發(fā)送，并接收協(xié)調(diào)器的控制指令實(shí)現(xiàn)控制。協(xié)調(diào)器、路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖2所示。

2.2 上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件基于NI公司的LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編寫(xiě)，本軟件在設(shè)計(jì)中采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將總體結(jié)構(gòu)分成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)和數(shù)據(jù)報(bào)警4個(gè)部分。作為完整的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，各部分模塊之間相互關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)地綜合監(jiān)控和管理。數(shù)據(jù)采集和顯示的作用是將現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果實(shí)時(shí)、清晰地反映給操作人員，讓其能夠隨時(shí)了解試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。監(jiān)測(cè)軟件工作流程如圖3所示。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

CC2530芯片與計(jì)算機(jī)的通信可采用串口方式，LabVIEW提供的VISA驅(qū)動(dòng)程序[4]，封裝了串口通信時(shí)的相關(guān)函數(shù)。在LabVIEW軟件中可以方便地在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中調(diào)用與串口通信相關(guān)的VI節(jié)點(diǎn)函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與下位機(jī)的通信。

在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，通過(guò)串口數(shù)據(jù)線將協(xié)調(diào)器與計(jì)算機(jī)連接，并按照硬件識(shí)別的串口號(hào)對(duì)VISA參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，就可以通過(guò)串口方式快速、有效地采集試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)顯示

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的綜合監(jiān)控，需要設(shè)置多組傳感器，才能全面、系統(tǒng)地反映出發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)際情況，所以建立樹(shù)型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將所有傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)最終都匯聚到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)處，再轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件。當(dāng)LabVIEW軟件接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定好的數(shù)據(jù)包格式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分和識(shí)別，提取出相應(yīng)的溫度、壓力和振動(dòng)參數(shù)，從而將結(jié)果通過(guò)波形圖的方式實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)測(cè)界面上，使操作人員可以清晰地對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)

在軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，可以借助LabSQL工具包來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理[5]。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn)：（1）可以在Windows的控制面板中來(lái)創(chuàng)建DSN數(shù)據(jù)源，并與設(shè)計(jì)好的Access數(shù)據(jù)庫(kù)連接，但這種方法需要手動(dòng)操作，比較繁瑣。（2）采用LabVIEW中與系統(tǒng)注冊(cè)表相關(guān)的函數(shù)，通過(guò)導(dǎo)入注冊(cè)表的方式動(dòng)態(tài)配置ODBC數(shù)據(jù)源[6]，可避免手動(dòng)添加數(shù)據(jù)源的麻煩。

在LabVIEW監(jiān)測(cè)軟件中要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢(xún)，只需要調(diào)用相關(guān)函數(shù)，并通過(guò)SQL語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)向數(shù)據(jù)庫(kù)中添加和查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)的功能。采用INSERT INTO和SELECT語(yǔ)句對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和查詢(xún)。

2.2.4 數(shù)據(jù)報(bào)警

在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，通過(guò)設(shè)定好溫度、壓力和振動(dòng)的閾值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)篩選，當(dāng)采集到的傳感器數(shù)據(jù)超出閾值時(shí)，與其他傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行聯(lián)判，分析是否為單個(gè)傳感器異常引起的誤判。若確實(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)異常，則由上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件發(fā)送緊急關(guān)機(jī)指令，由傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行關(guān)機(jī)處理，從而避免事故的發(fā)生。

3 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)前期的開(kāi)發(fā)與調(diào)試，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體功能的綜合測(cè)試。將發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上已搭載的振動(dòng)、壓力和溫度傳感器連接到ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)，共布置5個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和1個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)。由于點(diǎn)火試驗(yàn)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)溫度較高，且存在安全隱患，因此本文在校準(zhǔn)試驗(yàn)階段進(jìn)行相關(guān)測(cè)試活動(dòng)時(shí)，首先啟動(dòng)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，待無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，依次打開(kāi)傳感器節(jié)點(diǎn)，此時(shí)可以在上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件中觀測(cè)到數(shù)據(jù)信息。此時(shí)將協(xié)調(diào)器與監(jiān)測(cè)用的筆記本電腦逐漸遠(yuǎn)離試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)，并同時(shí)觀察上位機(jī)中采集到的數(shù)據(jù)；當(dāng)協(xié)調(diào)器距離傳感器約50 m左右時(shí)，出現(xiàn)間斷性數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題。打開(kāi)路由器并置于距離傳感器40 m，發(fā)現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)可以穩(wěn)定接收，且通過(guò)數(shù)據(jù)包中的地址信息看出，數(shù)據(jù)通過(guò)路由器進(jìn)行了轉(zhuǎn)發(fā)，并可將穩(wěn)定傳輸距離延長(zhǎng)到80 m左右。通過(guò)上位機(jī)軟件可以實(shí)時(shí)觀察采集到的數(shù)據(jù)，并可隨時(shí)查詢(xún)歷史趨勢(shì)曲線。通過(guò)調(diào)整參數(shù)報(bào)警閾值可以模擬故障情況，測(cè)試系統(tǒng)的報(bào)警、關(guān)機(jī)功能。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文講述的試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)、有效地采集數(shù)據(jù)，并通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和處理，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、查詢(xún)、報(bào)警關(guān)機(jī)等多種功能。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)在非試驗(yàn)狀態(tài)下的搭載，驗(yàn)證了無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于：（1）提出了一種采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法，避免了布線造成的問(wèn)題；（2）通過(guò)LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、存儲(chǔ)和處理龐大的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到有效管理。

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