基于ZigBee 技術的結冰風洞溫度無線測量系統設計

趙照，熊建軍，冉林，郭向東，李自雨

（中國空氣動力研究與發展中心結冰與防除冰重點實驗室，四川綿陽 621000）

飛行器穿越含有過冷水滴云層時，其機體迎風面會出現結冰現象，嚴重影響飛行安全[1-2]。結冰風洞作為重要的地面模擬設施，被廣泛應用于結冰與防除冰試驗研究中。3 m×2 m 結冰風洞于2013 年建設完成，在飛機適航審定中發揮著重要作用[3]。

溫度是結冰風洞中重要的測量參數，試驗過程中，風洞內部環境溫度最低可達到-40 ℃[4]。風洞總溫、洞體內各位置溫度以及溫度場均勻性都需要布置溫度傳感器進行測量。目前，結冰風洞溫度大多采用溫度傳感器-線纜-變送器-PLC/PXI 方式進行測量，溫度傳感器布置在洞體內部，需要鋪設大量長距離的線纜進行通信傳輸，存在如下缺點：

1）長期處于低溫潮濕環境導致部分線纜老化嚴重；

2）洞體內部空間狹小，導致布線復雜，且溫度測量點分散導致線纜占用大量空間；

3）長距離線纜連接易受電磁環境干擾。

“有限式”傳感器存在局限性，近些年來，無線傳感網絡憑借體積小、成本低、部署方便等優點得到了廣泛關注與研究[5-6]。針對溫度無線測量問題，許多研究人員基于無線傳感技術做了許多研究工作[7-10]。而ZigBee技術因其功耗低、成本低、網絡容量大、靈活性好的優點逐漸成為工業自動化領域的最佳選擇[11-14]。

考慮到結冰風洞測溫的特殊性，需要采用可以直接與風洞氣流接觸的溫度傳感器，因此，文中采用鉑電阻探針作為溫度傳感元件，設計了一種基于ZigBee 技術的結冰風洞溫度測量系統，實現了風洞內部多點溫度的實時監控。

1 溫度無線測量系統整體設計

1.1 結冰風洞測溫需求

3 m×2 m 結冰風洞是一座閉口回流式高亞音速風洞，由結冰噴霧系統、制冷系統、高度模擬系統和風機動力系統等多個子系統組成[4]。為了實現對風洞回路溫度的測量，如圖1 所示，結冰風洞制冷系統、蜂窩器、結冰噴霧系統、各拐角段都需要布置測溫點。

圖1 3 m×2 m結冰風洞輪廓圖

1.2 系統整體設計

基于ZigBee 技術的結冰風洞溫度無線測量系統主要由溫度采集模塊、協調節點模塊、監控主機以及配套監控軟件組成，功能是實現結冰風洞內部眾多測溫點溫度信號的采集、顯示、存儲及分析應用，系統整體框架如圖2 所示。

圖2 系統整體設計圖

結冰風洞溫度無線測量系統的主要運行流程如下：溫度采集模塊布置于風洞穩定段、蒸發器等位置，將采集到的風洞內部溫度信號轉換為無線數字信號，ZigBee 無線網絡將每個溫度采集模塊連接在一起，每個溫度采集模塊作為一個終端節點，通過無線網絡傳遞給協調節點，協調節點通過串口傳遞給監控主機，實時監控結冰風洞洞體內部溫度。

2 硬件設計

結冰風洞溫度無線測量系統硬件部分主要包括終端溫度采集模塊與協調節點模塊。下面分別對終端溫度采集模塊與協調節點模塊的硬件設計進行詳細描述。

2.1 終端溫度采集模塊

終端溫度采集模塊的主要功能是實現結冰風洞各位置溫度的采集，并將采集到的溫度信息通過ZigBee 無線網絡傳送給協調器節點模塊。

終端溫度采集模塊采用模塊化設計，主要由溫度信號采集板、ZigBee 模塊等組成，硬件框架如圖3所示。

圖3 終端溫度采集模塊框架

2.1.1 溫度信號采集板電路

為提高溫度測量精度，溫度信號采集電路采用4 線制高精度Pt100 鉑電阻作為溫度探針，4 線制鉑電阻可消除導線電阻對溫度信號的影響。Pt100 鉑電阻的電阻值與溫度存在接近線性的關系[15-17]，如式（1）所示。

其中，RT為當溫度為T時鉑電阻的電阻值，R0為當溫度為0 ℃時鉑電阻的電阻值，a、b、c為轉換系數，a=3.908 3×10-3，b=-5.775×10-7。當-200 ℃≤T＜0 ℃時，c=-4.183×10-12；當0 ℃≤T＜850 ℃時，c=0。

采用Max31865 芯片將Pt100 電阻值轉換為數字信號。Max31865 是一款將鉑電阻阻值轉換至數字信號的芯片，且可實現與2 線、3 線及4 線鉑電阻傳感器的連接，溫度采集范圍為-40～125 ℃，滿足風洞內部的測溫需求。該芯片具備SPI 接口，通過微控制器采用SPI 協議即可讀取鉑電阻的電阻值。

溫度信號采集電路圖如圖4 所示，4 線制鉑電阻連接至FORCE+、RTDIN+、RTDIN-及FORCE-接口，Max31865 模塊通過SPI 接口連接至微控制器。

圖4 溫度信號采集電路

2.1.2 ZigBee模塊電路

1）ZigBee 核心模塊電路

ZigBee 核心電路主要包括CC2530 芯片、天線等。CC2530 芯片是德州儀器（TI）公司生產的基于2.4 GHz IEEE 802.15.4 ZigBee 協議的小型低功率無線模塊，內置8051微控制器，支持2.0～3.6 V電壓供電，結合Z-stack 協議可以實現遠程無線組網通信[18]。ZigBee 模塊通過I/O 接口與Max31865 連接，采用SPI通信協議讀取電阻值，根據式（1）可計算出溫度信號值，進而可將溫度值通過ZigBee 無線網路發送給協調器。ZigBee 核心模塊電路如圖5 所示。

圖5 ZigBee核心模塊電路

2）底板電路

ZigBee底板主要包括供電電路、下載接口電路及與溫度信號采集板和核心模塊連接接口。溫度信號采集板與ZigBee 核心模塊可以直接插在底板上，實現模塊化設計。終端溫度采集模塊實物如圖6所示。

圖6 終端溫度采集模塊實物

2.2 協調節點模塊

協調節點主要用于接收溫度終端傳感器發送的溫度數據，硬件主要由ZigBee 核心電路、串口通信電路等組成，協調節點框架如圖7 所示。

圖7 協調節點框架

協調器將無線模塊獲取的溫度數據通過串口發送給監控主機，通過監控主機編寫程序實現對所有溫度測量數據的顯示與存儲。

3 軟件設計

結冰風洞溫度無線測量系統的軟件主要包括終端溫度節點采集程序與協調節點程序的設計。終端溫度節點采集程序主要實現終端節點對Pt100 電阻值的采集，用于獲取溫度值、終端節點與協調器之間的數據通信。協調節點程序主要實現無線通信獲取終端節點發送的溫度值，并通過串口實現與監控主機的通信。無線傳感網絡節點程序基于Z-stack 協議，采用IAR 軟件進行編程，在一個框架里完成終端溫度采集程序與協調器程序設計。

3.1 終端溫度節點采集程序設計

終端溫度節點采集程序里面主要包含Max31865采集Pt100 電阻值驅動程序、溫度轉換程序、Max31865 與ZigBee 控制器通信程序以及ZigBee 傳輸程序，運行流程圖如圖8 所示。

圖8 終端溫度采集程序流程圖

終端溫度模塊啟動后，各模塊開始初始化，加入ZigBee 網絡，Max31865 開始讀取Pt100 電阻值，將電阻值轉化成溫度值后，通過ZigBee 通信向協調節點發送溫度值。

3.2 協調節點程序設計

協調節點程序主要包括ZigBee 傳輸程序與串口UART 通信程序，運行流程圖如圖9 所示。

圖9 協調節點程序流程圖

協調節點上電后，進行初始化，建立ZigBee 網絡，等待ZigBee 終端節點加入，建立通信后，若接收到終端節點發來的溫度信息，立即通過串口發送給監控主機，監控主機獲取溫度數據后作進一步處理。

4 試驗結果與分析

為了驗證基于ZigBee 的溫度無線測量裝置在風洞應用的可行性，首先對溫度測量準確性進行標定，然后在風洞選取兩個位置，布置溫度測量裝置，應用于結冰風洞試驗中。

4.1 準確性測試

為了驗證無線測溫裝置的準確性，將該裝置與現有有線式測溫傳感器放在低溫恒溫箱中，通過恒溫箱設定溫度，比較兩者之間的差異，同時驗證低溫情況下無線測溫的可行性，如表1 所示，無線測溫裝置與有線式溫度傳感器測量結果相似，最大誤差在0.6 ℃以內。

表1 準確性測試

4.2 風洞試驗應用

為了驗證結冰風洞內溫度無線測量系統的組網效果，將兩個無線溫度傳感器分別放置在風洞內不同位置，通過改變風洞總溫采集兩個測量點的溫度值，如圖10 所示。從圖10 可以看出，隨著風洞總溫的降低，兩個溫度點的溫度隨之降低，應用結果表明，溫度無線測量系統具備組網效果，可用于風洞內低溫溫度測量。

圖10 傳感器組網溫度變化

5 結束語

文中針對“有線式”溫度傳感器在結冰風洞中應用的局限性，設計了基于ZigBee 技術的結冰風洞溫度無線測量系統，通過在不同位置布置無線溫度傳感器，實現了風洞內低溫溫度組網測量。實際應用表明，溫度無線測量系統在結冰風洞試驗中應用良好，測量精度較高。