劉岳鵬+蔡睿
摘 要:針對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中的參數(shù)監(jiān)測(cè)問題,提出一種采用ZigBee技術(shù)的無線監(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(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)庫中,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的無線監(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;無線監(jiān)控;試驗(yàn)臺(tái);LabVIEW
為確?;鸺l(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),周圍環(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開發(fā)環(huán)境下編寫上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中的參數(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無線通信程序設(shè)計(jì)
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(dòng)程序,開發(fā)時(shí)只需調(diào)用相應(yīng)的庫函數(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)無線信號(hào)的狀態(tài);當(dāng)檢測(cè)到有來自其他設(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開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編寫,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)庫訪問和數(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發(fā)過程中調(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)庫訪問
在軟件開發(fā)時(shí),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(jì)時(shí),可以通過兩種方法實(shí)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(jì)好的Access數(shù)據(jù)庫連接,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,只需要調(diào)用相關(guān)函數(shù),并通過SQL語句實(shí)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(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和查詢。
2.2.4 數(shù)據(jù)報(bào)警
在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)過程中,通過設(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
通過前期的開發(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),待無線傳感器網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后,依次打開傳感器節(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(shí)時(shí)觀察采集到的數(shù)據(jù),并可隨時(shí)查詢歷史趨勢(shì)曲線。通過調(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
綜上所述,本文講述的試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng),能夠通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)、有效地采集數(shù)據(jù),并通過上位機(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、報(bào)警關(guān)機(jī)等多種功能。經(jīng)過系統(tǒng)在非試驗(yàn)狀態(tài)下的搭載,驗(yàn)證了無線監(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題;(2)通過LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)庫訪問技術(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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