基于ZigBee的火箭发动机试验台无线监控系统设计

    刘岳鹏+蔡睿

    

    

    

    摘 要：针对火箭发动机试验过程中的参数监测问题，提出一种采用ZigBee技术的无线监控系统。发动机运行中的温度、压力和振动数据由传感器节点采集，并通过搭建ZigBee无线通信网络将数据传输到中心协调器；协调器与上位机通过串口连接，将数据发送到计算机中；另外，采用LabVIEW设计上位机监测软件对数据进行获取，并存储到Access数据库中，最终实现对试验参数的无线监控任务。测试结果显示，系统可以稳定有效地测量温度、压力和振动信息，为后续发动机试验搭载任务的实施奠定了基础。

    关键词：ZigBee；无线监控；试验台；LabVIEW

    为确保火箭发动机的正常工作，在系统测试阶段需要对运行时的各类参数进行采集和传输[1]。在传统监测方式中，通常需要预布大量线缆，且为了保证安全，监控室与试验台通常相距100 m，甚至更远。在火箭发动机工作时，周围环境属于超高温状态，需要对电缆进行额外隔热防护。本文提出一种采用ZigBee无线传感器网络技术对火箭发动机试验台进行监控的方法，在LabVIEW开发环境下编写上位机监测软件，对发动机试验过程中的参数进行实时监控，确保试验任务顺利进行。

    1 系统硬件设计

    本系统的硬件设计部分主要是ZigBee无线传感器网络的搭建，其功能是实现对发动机运行数据的实时采集和传输，包括一个网络协调器节点、若干路由器和传感器节点。

    ZigBee网络节点采用TI公司的CC2530芯片[2]作为网络搭建和数据处理的核心。协调器节点和传感器节点的结构框如图1所示，其中，协调器节点的串口模块采用CH340芯片和USB接口实现，并通过12864液晶屏对数据进行实时显示；路由器采用与协调器相同的硬件电路，但工作时仅使用CC2530芯片及其外围模块；传感器节点负责参数采集，需预留足够的IO通道与传感器进行连接。

    2 系统软件设计

    2.1 ZigBee无线通信程序设计

    本系统的ZigBee无线通信程序在IAR开发环境下编写，以Z-Stack协议栈为基础开发[3]。其为无线传感器网络的建立提供了包含物理层、MAC层和网络层的底层驱动程序，开发时只需调用相应的库函数就可以实现数据通信。

    中心协调器作为ZigBee网络的核心，在上电后启动和创建无线通信网络，允许其他从设备加入该网络，并为加入网络的设备分配网络地址。此后，协调器节点处于一直监测无线信号的状态，当检测到数据请求时，会接收并将数据转发至串口端。路由器节点加入网络后，始终处于监测无线信号的状态；当检测到有来自其他设备的数据请求命令时，则对该数据包进行路由转发。传感器加入网络后，则根据程序内部已经设定好的时间间隔周期性地对温度和振动等进行采集与发送，并接收协调器的控制指令实现控制。协调器、路由器和传感器节点的程序流程如图2所示。

    2.2 上位机监测软件设计

    本系统的上位机监测软件基于NI公司的LabVIEW开发平台进行编写，本软件在设计中采用模块化设计思路，将总体结构分成数据采集、数据显示、数据库访问和数据报警4个部分。作为完整的发动机试验台监控系统，各部分模块之间相互关联，实现系统地综合监控和管理。数据采集和显示的作用是将现场的测试结果实时、清晰地反映给操作人员，让其能够随时了解试验现场的实际情况。监测软件工作流程如图3所示。

    2.2.1 数据采集

    CC2530芯片与计算机的通信可采用串口方式，LabVIEW提供的VISA驱动程序[4]，封装了串口通信时的相关函数。在LabVIEW软件中可以方便地在程序开发过程中调用与串口通信相关的VI节点函数，从而实现计算机与下位机的通信。

    在试验现场进行系统测试时，通过串口数据线将协调器与计算机连接，并按照硬件识别的串口号对VISA参数进行设置，就可以通过串口方式快速、有效地采集试验中的数据。

    2.2.2 数据显示

    为了实现对试验台测试系统的综合监控，需要设置多组传感器，才能全面、系统地反映出发动机运行的实际情况，所以建立树型的ZigBee网络拓扑结构，将所有传感器节点采集的数据最终都汇聚到协调器节点处，再转发给上位机监测软件。当LabVIEW软件接收到数据后，根据系统设定好的数据包格式，对数据进行拆分和识别，提取出相应的温度、压力和振动参数，从而将结果通过波形图的方式实时显示在监测界面上，使操作人员可以清晰地对试验数据进行监测。

    2.2.3 数据库访问

    在软件开发时，可以借助LabSQL工具包来进行数据管理[5]。在软件设计时，可以通过两种方法实现：（1）可以在Windows的控制面板中来创建DSN数据源，并与设计好的Access数据库连接，但这种方法需要手动操作，比较繁琐。（2）采用LabVIEW中与系统注册表相关的函数，通过导入注册表的方式动态配置ODBC数据源[6]，可避免手动添加数据源的麻烦。

    在LabVIEW监测软件中要实现数据的存储和查询，只需要调用相关函数，并通过SQL语句实现向数据库中添加和查询历史数据的功能。采用INSERT INTO和SELECT語句对试验数据进行存储和查询。

    2.2.4 数据报警

    在系统监测过程中，通过设定好温度、压力和振动的阈值对数据进行实时筛选，当采集到的传感器数据超出阈值时，与其他传感器的测量结果进行联判，分析是否为单个传感器异常引起的误判。若确实为发动机状态异常，则由上位机监测软件发送紧急关机指令，由传感器节点对试验台进行关机处理，从而避免事故的发生。

    3 系统测试

    通过前期的开发与调试，对系统进行总体功能的综合测试。将发动机试验台上已搭载的振动、压力和温度传感器连接到ZigBee传感器节点，共布置5个传感器节点和1个路由器节点。由于点火试验时，现场温度较高，且存在安全隐患，因此本文在校准试验阶段进行相关测试活动时，首先启动ZigBee协调器节点，待无线传感器网络稳定后，依次打开传感器节点，此时可以在上位机监测软件中观测到数据信息。此时将协调器与监测用的笔记本电脑逐渐远离试验台现场，并同时观察上位机中采集到的数据；当协调器距离传感器约50 m左右时，出现间断性数据丢失问题。打开路由器并置于距离传感器40 m，发现传感器的数据可以稳定接收，且通过数据包中的地址信息看出，数据通过路由器进行了转发，并可将稳定传输距离延长到80 m左右。通过上位机软件可以实时观察采集到的数据，并可随时查询历史趋势曲线。通过调整参数报警阈值可以模拟故障情况，测试系统的报警、关机功能。

    4 结语

    综上所述，本文讲述的试验台监控系统，能够通过ZigBee无线传感器网络实时、有效地采集数据，并通过上位机监控软件对结果进行分析和处理，并实现数据采集、存储、查询、报警关机等多种功能。经过系统在非试验状态下的搭载，验证了无线监测系统的稳定性和可靠性。

    本文的创新点在于：（1）提出了一种采用无线传感器网络技术对火箭发动机试验进行监测的方法，避免了布线造成的问题；（2）通过LabVIEW软件的数据库访问技术，对试验数据进行汇总、存储和处理庞大的试验数据，使试验数据得到有效管理。

    [参考文献]

    [1]商霖，廖选平，李璞.固体火箭发动机地面热试车试验研究[J].强度与环境，2015（6）：36-44.

    [2]李正明，侯佳佳，潘天红，等.基于ZigBee与GPRS的无线水文监测系统设计[J].排灌机械，2009（3）：184-189.

    [3]朱琎，杨占勇.基于CC2530的无线振动监测传感器节点设计[J].仪表技术与传感器，2012（8）：56-58，83.

    [4]梁国伟，陈方泉，林祖伟.基于LabVIEW的串口数据采集的实现及应用[J].现代机械，2009（5）：57-58，72.

    [5]唐亚鹏，侯媛彬.基于LabVIEW的实践教学平台与Access数据库的开发[J].计算机技术与发展，2011（5）：219-222.

    [6]朱后，彭宇宁.在LabVIEW中动态配置ODBC数据源的方法[J].工业控制计算机，2006（7）：45-46.