軌控發(fā)動(dòng)機(jī)閥芯位移量無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝義龍 殷睿 趙培莉 陳偉康

摘 要：針對(duì)固體火箭軌控發(fā)動(dòng)機(jī)閥門電壓信號(hào)檢測(cè)時(shí)通常采用有線傳輸方式弊端明顯的問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了基于ZigBee與GPRS技術(shù)的閥芯運(yùn)動(dòng)位移量無(wú)線傳感系統(tǒng)。文中詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)采集檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)過(guò)程以及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)關(guān)配置方法。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、傳輸可靠。

關(guān)鍵詞：軌控發(fā)動(dòng)機(jī);閥芯位移;ZigBee;GPRS;無(wú)線檢測(cè);傳感器

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）09-00-03

0 引 言

為了增加固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)動(dòng)性和突防能力，一種有效的方法是采用軌控噴管推力矢量控制技術(shù)，實(shí)時(shí)采集軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的多路噴管閥芯位移量而形成位置閉環(huán)控制。目前在軌控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火測(cè)試時(shí)，各閥芯位移量的采集和信號(hào)傳輸主要通過(guò)有線方式實(shí)現(xiàn)，受現(xiàn)場(chǎng)布線條件的限制。因此，設(shè)計(jì)一種工作可靠、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的軌控發(fā)動(dòng)機(jī)閥門位移量無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)具有重要意義。

ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4協(xié)議的無(wú)線通信技術(shù)，主要面向低傳輸速率、短距離、無(wú)人值守等應(yīng)用場(chǎng)合[1]。GPRS即通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)，按照數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)，支持TCP/IP協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)與Internet的無(wú)縫連接[2]。

根據(jù)以上分析，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee與GPRS的軌控發(fā)動(dòng)機(jī)閥芯位移量無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了ZigBee技術(shù)自組網(wǎng)能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)容量大以及GPRS技術(shù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、永久在線等特點(diǎn)，工作可靠，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，易于組建和維護(hù)。通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)將位移傳感器檢測(cè)的位移電壓信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送到外場(chǎng)上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)閥芯位移量的實(shí)時(shí)檢測(cè)與遠(yuǎn)程存儲(chǔ)及分析。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的軌控發(fā)動(dòng)機(jī)閥芯位移量無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)主要由檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心構(gòu)成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)主要由位移傳感器和ZigBee終端模塊組成，傳感器對(duì)閥芯位移量實(shí)時(shí)采集并將匹配電壓信號(hào)發(fā)送給ZigBee終端模塊，各ZigBee終端模塊將檢測(cè)數(shù)據(jù)匯聚到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由ZigBee協(xié)調(diào)器模塊和GPRS模塊組成，協(xié)調(diào)器模塊負(fù)責(zé)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)，并將接收的各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)控計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）。監(jiān)控計(jì)算機(jī)安裝有數(shù)據(jù)處理軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各閥芯位移量信號(hào)的格式轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 位移傳感器

系統(tǒng)選擇WDM21-5型直滑式精密導(dǎo)電塑料電位器（直線位移傳感器）測(cè)量軌控發(fā)動(dòng)機(jī)各閥芯運(yùn)動(dòng)位移量，并將位移量分別轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)。該閥門電壓信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路處理后，輸入到ZigBee終端模塊的A/D采集接口進(jìn)行采樣。

2.1.2 ZigBee終端模塊

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的ZigBee終端模塊以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的ZigBee協(xié)調(diào)器模塊皆選用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片作為核心單元。CC2530芯片結(jié)合一個(gè)高性能RF收發(fā)器與一個(gè)8051微處理器，擁有256 KB的閃存和8 KB的RAM，可以滿足測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)處理能力的要求[3]。

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中的GPRS模塊選用GTM900-B型號(hào)的三頻段GSM/GPRS無(wú)線模塊，其具有性能穩(wěn)定、成本低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際傳輸速率可達(dá)40 Kb/s，可滿足大多數(shù)高速率傳輸應(yīng)用需求。

ZigBee協(xié)調(diào)器模塊與GPRS模塊通過(guò)RS 232串口通信，需要將協(xié)調(diào)器模塊串口的RX，TX端分別與GPRS模塊的TTL-TX和TTL-RX端連接。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件組成如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)通過(guò)在IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境下對(duì)TI公司提供的Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)[4]。

3.1 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行ZigBee終端模塊初始化和傳感器初始化。然后檢測(cè)周圍是否存在ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)：如果存在，則發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求;如果不存在，則繼續(xù)檢測(cè)。終端模塊入網(wǎng)成功后，從應(yīng)用層中周期性地調(diào)用電壓信號(hào)讀取函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)用戶定義的格式將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給協(xié)調(diào)器模塊。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)工作流程如圖3所示。

ZigBee終端模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送主要通過(guò)調(diào)用無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)AF_DataRequest（ ）實(shí)現(xiàn)，所使用的數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)及各語(yǔ)句的功能介紹如下：

AF_DataRequest （&my_DstAddr，

//獲取目的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址和發(fā)送數(shù)據(jù)方式

&GenericApp_epDesc，//獲取目的端口號(hào)

GENERICAPP_CLUSTERID，//不同控制命令的命令號(hào)

sizeof（ValveDC），//計(jì)算所發(fā)送電壓信號(hào)的長(zhǎng)度

（uint8 *）&ValveDC，//獲取存放電壓信號(hào)緩沖區(qū)的地址

&GenericApp_TransID，//指向發(fā)送序號(hào)的指針

AF_DISCV_ROUTE，//默認(rèn)值

AF_DEFAULT_RADIUS//默認(rèn)值

上述函數(shù)中的參數(shù)“ValveDC”用來(lái)定義存放電壓信號(hào)的數(shù)組名稱。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，首先對(duì)ZigBee模塊和GPRS模塊進(jìn)行初始化，此時(shí)ZigBee協(xié)議棧會(huì)自動(dòng)建立ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)AT命令控制GPRS模塊建立GPRS網(wǎng)絡(luò)[5]。然后檢測(cè)是否有ZigBee終端模塊發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，如果有入網(wǎng)請(qǐng)求，則允許終端模塊加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)并為其分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址。當(dāng)終端模塊向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，協(xié)調(diào)器調(diào)用協(xié)議棧中的數(shù)據(jù)接收函數(shù)完成數(shù)據(jù)接收，將打包后的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心網(wǎng)關(guān)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作流程如圖4所示。

協(xié)調(diào)器模塊利用GPRS網(wǎng)絡(luò)通過(guò)協(xié)議棧中的數(shù)據(jù)處理函數(shù)GenericApp_MessageMSGCB（ ）向因特網(wǎng)中的上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，該函數(shù)主要結(jié)構(gòu)如下：

void GenericApp_MessageMSGCB（ afIncomingMSGPacket_t *pkt ）

{ switch （ pkt->clusterId）

//根據(jù)所接收消息的ID號(hào)判斷消息類型

{case GENERICAPP_CLUSTERID：//判斷消息ID

（基本功能部分）

break;

}

}

以上函數(shù)中漢字標(biāo)示部分為協(xié)調(diào)器模塊所要實(shí)現(xiàn)基本功能的指令區(qū)，包括對(duì)終端模塊發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收的指令和控制GPRS模塊建立GPRS網(wǎng)絡(luò)及向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的指令。

4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及網(wǎng)關(guān)配置

4.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星型、樹(shù)型和網(wǎng)型三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]。其中，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易于組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，且能較好地契合檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的地理環(huán)境，因此選擇星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)。每個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)都由一個(gè)協(xié)調(diào)器模塊和多個(gè)終端模塊組成，所有終端模塊都將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器模塊，而各終端模塊之間不能互相通信。在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，采取人工布點(diǎn)方式在合適位置部署一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，與發(fā)動(dòng)機(jī)各閥門附近的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)組建星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳感子網(wǎng)。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)閥芯位移量采集和轉(zhuǎn)換;協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)匯集和轉(zhuǎn)發(fā)所有檢測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，是星型網(wǎng)絡(luò)的中心。

4.2 系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)配置

監(jiān)控中心的上位機(jī)通過(guò)GPRS模塊建立的TCP連接與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，因此需要上位機(jī)在因特網(wǎng)中具有固定的IP地址[7]。當(dāng)上位機(jī)安裝在局域網(wǎng)內(nèi)時(shí)，由于其無(wú)相對(duì)固定的IP地址，需要經(jīng)常修改協(xié)調(diào)器程序段中的目標(biāo)方IP地址。為了使上位機(jī)能夠連續(xù)接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，需要在路由器上設(shè)置虛擬映射，如圖5所示。其中，IP地址“192.168.1.100”是局域網(wǎng)內(nèi)的上位機(jī)地址，“服務(wù)端口”需與AT命令中發(fā)送的端口號(hào)以及上位機(jī)端口號(hào)一致。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)閥芯位移量檢測(cè)過(guò)程中采用有線傳輸方式存在的不足，基于ZigBee和GPRS無(wú)線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了由檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心組成的閥門電壓信號(hào)無(wú)線傳感系統(tǒng)。在監(jiān)控計(jì)算機(jī)中使用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手軟件作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸可靠，在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試方面具有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1] Shuguang Ma. Construction of Wireless Fire Alarm System Based on ZigBee Technology [A]. 5th Conference on Performance-Based Fire and Fire Protection Engineering，vol.11 [C]. 2011.

[2]陳新崗，趙唐，馬駿，等.基于ZigBee無(wú)線組網(wǎng)的真空斷路器溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2018（8）：39-42.

[3]劉坤，崔永俊，張祥.基于ZigBee和Qt的高精度無(wú)線溫控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2018（12）：115-119.

[4]李雪峰.基于ZigBee無(wú)線技術(shù)的礦井環(huán)境突變預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018，8（9）：34-38.

[5]王明超，王明芳.基于ZigBee和GPRS的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2018，26（19）：138-141.

[6]周華妹，周華安，李端峰，等.基于ZigBee的隧道照明智能控制系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控技術(shù)，2019，38（2）：69-74.

[7]孫小春，孫小迎.溫室信息傳輸技術(shù)研究[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013，42（6）：145-147.

[8]車波，喻林.基于譜特征提取的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（11）：36-38.

[9]弭艷，張紅霞，馬兵兵，等.一種姿/軌控發(fā)動(dòng)機(jī)控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].航天制造技術(shù)，2019（2）：32-37.

[10]孫寶元，任宗金，錢敏，等.軌/姿控火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)建模分析[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（5）：668-672.