劉岳鵬+蔡睿

摘 要：針對火箭發(fā)動機(jī)試驗過程中的參數(shù)監(jiān)測問題，提出一種采用ZigBee技術(shù)的無線監(jiān)控系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)運行中的溫度、壓力和振動數(shù)據(jù)由傳感器節(jié)點采集，并通過搭建ZigBee無線通信網(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)通過串口連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機(jī)中；另外，采用LabVIEW設(shè)計上位機(jī)監(jiān)測軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，并存儲到Access數(shù)據(jù)庫中，最終實現(xiàn)對試驗參數(shù)的無線監(jiān)控任務(wù)。測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)可以穩(wěn)定有效地測量溫度、壓力和振動信息，為后續(xù)發(fā)動機(jī)試驗搭載任務(wù)的實施奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無線監(jiān)控；試驗臺；LabVIEW

為確?；鸺l(fā)動機(jī)的正常工作，在系統(tǒng)測試階段需要對運行時的各類參數(shù)進(jìn)行采集和傳輸[1]。在傳統(tǒng)監(jiān)測方式中，通常需要預(yù)布大量線纜，且為了保證安全，監(jiān)控室與試驗臺通常相距100 m，甚至更遠(yuǎn)。在火箭發(fā)動機(jī)工作時，周圍環(huán)境屬于超高溫狀態(tài)，需要對電纜進(jìn)行額外隔熱防護(hù)。本文提出一種采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對火箭發(fā)動機(jī)試驗臺進(jìn)行監(jiān)控的方法，在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下編寫上位機(jī)監(jiān)測軟件，對發(fā)動機(jī)試驗過程中的參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，確保試驗任務(wù)順利進(jìn)行。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分主要是ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建，其功能是實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)運行數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸，包括一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點、若干路由器和傳感器節(jié)點。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用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)點和傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)框如圖1所示，其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點的串口模塊采用CH340芯片和USB接口實現(xiàn)，并通過12864液晶屏對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示；路由器采用與協(xié)調(diào)器相同的硬件電路，但工作時僅使用CC2530芯片及其外圍模塊；傳感器節(jié)點負(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

2.1 ZigBee無線通信程序設(shè)計

本系統(tǒng)的ZigBee無線通信程序在IAR開發(fā)環(huán)境下編寫，以Z-Stack協(xié)議棧為基礎(chǔ)開發(fā)[3]。其為無線傳感器網(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)動程序，開發(fā)時只需調(diào)用相應(yīng)的庫函數(shù)就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

中心協(xié)調(diào)器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，在上電后啟動和創(chuàng)建無線通信網(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)點處于一直監(jiān)測無線信號的狀態(tài)，當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)請求時，會接收并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至串口端。路由器節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，始終處于監(jiān)測無線信號的狀態(tài)；當(dāng)檢測到有來自其他設(shè)備的數(shù)據(jù)請求命令時，則對該數(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)定好的時間間隔周期性地對溫度和振動等進(jìn)行采集與發(fā)送，并接收協(xié)調(diào)器的控制指令實現(xiàn)控制。協(xié)調(diào)器、路由器和傳感器節(jié)點的程序流程如圖2所示。

2.2 上位機(jī)監(jiān)測軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)測軟件基于NI公司的LabVIEW開發(fā)平臺進(jìn)行編寫，本軟件在設(shè)計中采用模塊化設(shè)計思路，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)庫訪問和數(shù)據(jù)報警4個部分。作為完整的發(fā)動機(jī)試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)，各部分模塊之間相互關(guān)聯(lián)，實現(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)場的測試結(jié)果實時、清晰地反映給操作人員，讓其能夠隨時了解試驗現(xiàn)場的實際情況。監(jiān)測軟件工作流程如圖3所示。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

CC2530芯片與計算機(jī)的通信可采用串口方式，LabVIEW提供的VISA驅(qū)動程序[4]，封裝了串口通信時的相關(guān)函數(shù)。在LabVIEW軟件中可以方便地在程序開發(fā)過程中調(diào)用與串口通信相關(guān)的VI節(jié)點函數(shù)，從而實現(xiàn)計算機(jī)與下位機(jī)的通信。

在試驗現(xiàn)場進(jìn)行系統(tǒng)測試時，通過串口數(shù)據(jù)線將協(xié)調(diào)器與計算機(jī)連接，并按照硬件識別的串口號對VISA參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，就可以通過串口方式快速、有效地采集試驗中的數(shù)據(jù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)顯示

為了實現(xiàn)對試驗臺測試系統(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)動機(jī)運行的實際情況，所以建立樹型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將所有傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)最終都匯聚到協(xié)調(diào)器節(jié)點處，再轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)監(jiān)測軟件。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，對數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分和識別，提取出相應(yīng)的溫度、壓力和振動參數(shù)，從而將結(jié)果通過波形圖的方式實時顯示在監(jiān)測界面上，使操作人員可以清晰地對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。

2.2.3 數(shù)據(jù)庫訪問

在軟件開發(fā)時，可以借助LabSQL工具包來進(jìn)行數(shù)據(jù)管理[5]。在軟件設(shè)計時，可以通過兩種方法實現(xiàn)：（1）可以在Windows的控制面板中來創(chuàng)建DSN數(shù)據(jù)源，并與設(shè)計好的Access數(shù)據(jù)庫連接，但這種方法需要手動操作，比較繁瑣。（2）采用LabVIEW中與系統(tǒng)注冊表相關(guān)的函數(shù)，通過導(dǎo)入注冊表的方式動態(tài)配置ODBC數(shù)據(jù)源[6]，可避免手動添加數(shù)據(jù)源的麻煩。

在LabVIEW監(jiān)測軟件中要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和查詢，只需要調(diào)用相關(guān)函數(shù)，并通過SQL語句實現(xiàn)向數(shù)據(jù)庫中添加和查詢歷史數(shù)據(jù)的功能。采用INSERT INTO和SELECT語句對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和查詢。

2.2.4 數(shù)據(jù)報警

在系統(tǒng)監(jiān)測過程中，通過設(shè)定好溫度、壓力和振動的閾值對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時篩選，當(dāng)采集到的傳感器數(shù)據(jù)超出閾值時，與其他傳感器的測量結(jié)果進(jìn)行聯(lián)判，分析是否為單個傳感器異常引起的誤判。若確實為發(fā)動機(jī)狀態(tài)異常，則由上位機(jī)監(jiān)測軟件發(fā)送緊急關(guān)機(jī)指令，由傳感器節(jié)點對試驗臺進(jìn)行關(guān)機(jī)處理，從而避免事故的發(fā)生。

3 系統(tǒng)測試

通過前期的開發(fā)與調(diào)試，對系統(tǒng)進(jìn)行總體功能的綜合測試。將發(fā)動機(jī)試驗臺上已搭載的振動、壓力和溫度傳感器連接到ZigBee傳感器節(jié)點，共布置5個傳感器節(jié)點和1個路由器節(jié)點。由于點火試驗時，現(xiàn)場溫度較高，且存在安全隱患，因此本文在校準(zhǔn)試驗階段進(jìn)行相關(guān)測試活動時，首先啟動ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點，待無線傳感器網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，依次打開傳感器節(jié)點，此時可以在上位機(jī)監(jiān)測軟件中觀測到數(shù)據(jù)信息。此時將協(xié)調(diào)器與監(jiān)測用的筆記本電腦逐漸遠(yuǎn)離試驗臺現(xiàn)場，并同時觀察上位機(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，出現(xiàn)間斷性數(shù)據(jù)丟失問題。打開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，且通過數(shù)據(jù)包中的地址信息看出，數(shù)據(jù)通過路由器進(jìn)行了轉(zhuǎn)發(fā)，并可將穩(wěn)定傳輸距離延長到80 m左右。通過上位機(jī)軟件可以實時觀察采集到的數(shù)據(jù)，并可隨時查詢歷史趨勢曲線。通過調(diào)整參數(shù)報警閾值可以模擬故障情況，測試系統(tǒng)的報警、關(guān)機(jī)功能。

4 結(jié)語

綜上所述，本文講述的試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)，能夠通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時、有效地采集數(shù)據(jù)，并通過上位機(jī)監(jiān)控軟件對結(jié)果進(jìn)行分析和處理，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、查詢、報警關(guān)機(jī)等多種功能。經(jīng)過系統(tǒng)在非試驗狀態(tài)下的搭載，驗證了無線監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

本文的創(chuàng)新點在于：（1）提出了一種采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對火箭發(fā)動機(jī)試驗進(jìn)行監(jiān)測的方法，避免了布線造成的問題；（2）通過LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、存儲和處理龐大的試驗數(shù)據(jù)，使試驗數(shù)據(jù)得到有效管理。

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