基于ZigBee的火箭發動機試驗臺無線監控系統設計

劉岳鵬+蔡睿

摘 要：針對火箭發動機試驗過程中的參數監測問題，提出一種采用ZigBee技術的無線監控系統。發動機運行中的溫度、壓力和振動數據由傳感器節點采集，并通過搭建ZigBee無線通信網絡將數據傳輸到中心協調器；協調器與上位機通過串口連接，將數據發送到計算機中；另外，采用LabVIEW設計上位機監測軟件對數據進行獲取，并存儲到Access數據庫中，最終實現對試驗參數的無線監控任務。測試結果顯示，系統可以穩定有效地測量溫度、壓力和振動信息，為后續發動機試驗搭載任務的實施奠定了基礎。

關鍵詞：ZigBee；無線監控；試驗臺；LabVIEW

為確保火箭發動機的正常工作，在系統測試階段需要對運行時的各類參數進行采集和傳輸[1]。在傳統監測方式中，通常需要預布大量線纜，且為了保證安全，監控室與試驗臺通常相距100 m，甚至更遠。在火箭發動機工作時，周圍環境屬于超高溫狀態，需要對電纜進行額外隔熱防護。本文提出一種采用ZigBee無線傳感器網絡技術對火箭發動機試驗臺進行監控的方法，在LabVIEW開發環境下編寫上位機監測軟件，對發動機試驗過程中的參數進行實時監控，確保試驗任務順利進行。

1 系統硬件設計

本系統的硬件設計部分主要是ZigBee無線傳感器網絡的搭建，其功能是實現對發動機運行數據的實時采集和傳輸，包括一個網絡協調器節點、若干路由器和傳感器節點。

ZigBee網絡節點采用TI公司的CC2530芯片[2]作為網絡搭建和數據處理的核心。協調器節點和傳感器節點的結構框如圖1所示，其中，協調器節點的串口模塊采用CH340芯片和USB接口實現，并通過12864液晶屏對數據進行實時顯示；路由器采用與協調器相同的硬件電路，但工作時僅使用CC2530芯片及其外圍模塊；傳感器節點負責參數采集，需預留足夠的IO通道與傳感器進行連接。

2 系統軟件設計

2.1 ZigBee無線通信程序設計

本系統的ZigBee無線通信程序在IAR開發環境下編寫，以Z-Stack協議棧為基礎開發[3]。其為無線傳感器網絡的建立提供了包含物理層、MAC層和網絡層的底層驅動程序，開發時只需調用相應的庫函數就可以實現數據通信。

中心協調器作為ZigBee網絡的核心，在上電后啟動和創建無線通信網絡，允許其他從設備加入該網絡，并為加入網絡的設備分配網絡地址。此后，協調器節點處于一直監測無線信號的狀態，當檢測到數據請求時，會接收并將數據轉發至串口端。路由器節點加入網絡后，始終處于監測無線信號的狀態；當檢測到有來自其他設備的數據請求命令時，則對該數據包進行路由轉發。傳感器加入網絡后，則根據程序內部已經設定好的時間間隔周期性地對溫度和振動等進行采集與發送，并接收協調器的控制指令實現控制。協調器、路由器和傳感器節點的程序流程如圖2所示。

2.2 上位機監測軟件設計

本系統的上位機監測軟件基于NI公司的LabVIEW開發平臺進行編寫，本軟件在設計中采用模塊化設計思路，將總體結構分成數據采集、數據顯示、數據庫訪問和數據報警4個部分。作為完整的發動機試驗臺監控系統，各部分模塊之間相互關聯，實現系統地綜合監控和管理。數據采集和顯示的作用是將現場的測試結果實時、清晰地反映給操作人員，讓其能夠隨時了解試驗現場的實際情況。監測軟件工作流程如圖3所示。

2.2.1 數據采集

CC2530芯片與計算機的通信可采用串口方式，LabVIEW提供的VISA驅動程序[4]，封裝了串口通信時的相關函數。在LabVIEW軟件中可以方便地在程序開發過程中調用與串口通信相關的VI節點函數，從而實現計算機與下位機的通信。

在試驗現場進行系統測試時，通過串口數據線將協調器與計算機連接，并按照硬件識別的串口號對VISA參數進行設置，就可以通過串口方式快速、有效地采集試驗中的數據。

2.2.2 數據顯示

為了實現對試驗臺測試系統的綜合監控，需要設置多組傳感器，才能全面、系統地反映出發動機運行的實際情況，所以建立樹型的ZigBee網絡拓撲結構，將所有傳感器節點采集的數據最終都匯聚到協調器節點處，再轉發給上位機監測軟件。當LabVIEW軟件接收到數據后，根據系統設定好的數據包格式，對數據進行拆分和識別，提取出相應的溫度、壓力和振動參數，從而將結果通過波形圖的方式實時顯示在監測界面上，使操作人員可以清晰地對試驗數據進行監測。

2.2.3 數據庫訪問

在軟件開發時，可以借助LabSQL工具包來進行數據管理[5]。在軟件設計時，可以通過兩種方法實現：（1）可以在Windows的控制面板中來創建DSN數據源，并與設計好的Access數據庫連接，但這種方法需要手動操作，比較繁瑣。（2）采用LabVIEW中與系統注冊表相關的函數，通過導入注冊表的方式動態配置ODBC數據源[6]，可避免手動添加數據源的麻煩。

在LabVIEW監測軟件中要實現數據的存儲和查詢，只需要調用相關函數，并通過SQL語句實現向數據庫中添加和查詢歷史數據的功能。采用INSERT INTO和SELECT語句對試驗數據進行存儲和查詢。

2.2.4 數據報警

在系統監測過程中，通過設定好溫度、壓力和振動的閾值對數據進行實時篩選，當采集到的傳感器數據超出閾值時，與其他傳感器的測量結果進行聯判，分析是否為單個傳感器異常引起的誤判。若確實為發動機狀態異常，則由上位機監測軟件發送緊急關機指令，由傳感器節點對試驗臺進行關機處理，從而避免事故的發生。

3 系統測試

通過前期的開發與調試，對系統進行總體功能的綜合測試。將發動機試驗臺上已搭載的振動、壓力和溫度傳感器連接到ZigBee傳感器節點，共布置5個傳感器節點和1個路由器節點。由于點火試驗時，現場溫度較高，且存在安全隱患，因此本文在校準試驗階段進行相關測試活動時，首先啟動ZigBee協調器節點，待無線傳感器網絡穩定后，依次打開傳感器節點，此時可以在上位機監測軟件中觀測到數據信息。此時將協調器與監測用的筆記本電腦逐漸遠離試驗臺現場，并同時觀察上位機中采集到的數據；當協調器距離傳感器約50 m左右時，出現間斷性數據丟失問題。打開路由器并置于距離傳感器40 m，發現傳感器的數據可以穩定接收，且通過數據包中的地址信息看出，數據通過路由器進行了轉發，并可將穩定傳輸距離延長到80 m左右。通過上位機軟件可以實時觀察采集到的數據，并可隨時查詢歷史趨勢曲線。通過調整參數報警閾值可以模擬故障情況，測試系統的報警、關機功能。

4 結語

綜上所述，本文講述的試驗臺監控系統，能夠通過ZigBee無線傳感器網絡實時、有效地采集數據，并通過上位機監控軟件對結果進行分析和處理，并實現數據采集、存儲、查詢、報警關機等多種功能。經過系統在非試驗狀態下的搭載，驗證了無線監測系統的穩定性和可靠性。

本文的創新點在于：（1）提出了一種采用無線傳感器網絡技術對火箭發動機試驗進行監測的方法，避免了布線造成的問題；（2）通過LabVIEW軟件的數據庫訪問技術，對試驗數據進行匯總、存儲和處理龐大的試驗數據，使試驗數據得到有效管理。

[參考文獻]

[1]商霖，廖選平，李璞.固體火箭發動機地面熱試車試驗研究[J].強度與環境，2015（6）：36-44.

[2]李正明，侯佳佳，潘天紅，等.基于ZigBee與GPRS的無線水文監測系統設計[J].排灌機械，2009（3）：184-189.

[3]朱琎，楊占勇.基于CC2530的無線振動監測傳感器節點設計[J].儀表技術與傳感器，2012（8）：56-58，83.

[4]梁國偉，陳方泉，林祖偉.基于LabVIEW的串口數據采集的實現及應用[J].現代機械，2009（5）：57-58，72.

[5]唐亞鵬，侯媛彬.基于LabVIEW的實踐教學平臺與Access數據庫的開發[J].計算機技術與發展，2011（5）：219-222.

[6]朱后，彭宇寧.在LabVIEW中動態配置ODBC數據源的方法[J].工業控制計算機，2006（7）：45-46.