基于ZigBee 技術(shù)的結(jié)冰風(fēng)洞溫度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙照，熊建軍，冉林，郭向東，李自雨

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心結(jié)冰與防除冰重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng) 621000）

飛行器穿越含有過(guò)冷水滴云層時(shí)，其機(jī)體迎風(fēng)面會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，嚴(yán)重影響飛行安全[1-2]。結(jié)冰風(fēng)洞作為重要的地面模擬設(shè)施，被廣泛應(yīng)用于結(jié)冰與防除冰試驗(yàn)研究中。3 m×2 m 結(jié)冰風(fēng)洞于2013 年建設(shè)完成，在飛機(jī)適航審定中發(fā)揮著重要作用[3]。

溫度是結(jié)冰風(fēng)洞中重要的測(cè)量參數(shù)，試驗(yàn)過(guò)程中，風(fēng)洞內(nèi)部環(huán)境溫度最低可達(dá)到-40 ℃[4]。風(fēng)洞總溫、洞體內(nèi)各位置溫度以及溫度場(chǎng)均勻性都需要布置溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量。目前，結(jié)冰風(fēng)洞溫度大多采用溫度傳感器-線纜-變送器-PLC/PXI 方式進(jìn)行測(cè)量，溫度傳感器布置在洞體內(nèi)部，需要鋪設(shè)大量長(zhǎng)距離的線纜進(jìn)行通信傳輸，存在如下缺點(diǎn)：

1）長(zhǎng)期處于低溫潮濕環(huán)境導(dǎo)致部分線纜老化嚴(yán)重；

2）洞體內(nèi)部空間狹小，導(dǎo)致布線復(fù)雜，且溫度測(cè)量點(diǎn)分散導(dǎo)致線纜占用大量空間；

3）長(zhǎng)距離線纜連接易受電磁環(huán)境干擾。

“有限式”傳感器存在局限性，近些年來(lái)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)憑借體積小、成本低、部署方便等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛關(guān)注與研究[5-6]。針對(duì)溫度無(wú)線測(cè)量問(wèn)題，許多研究人員基于無(wú)線傳感技術(shù)做了許多研究工作[7-10]。而ZigBee技術(shù)因其功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、靈活性好的優(yōu)點(diǎn)逐漸成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的最佳選擇[11-14]。

考慮到結(jié)冰風(fēng)洞測(cè)溫的特殊性，需要采用可以直接與風(fēng)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(shè)計(jì)了一種基于ZigBee 技術(shù)的結(jié)冰風(fēng)洞溫度測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞內(nèi)部多點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 溫度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)冰風(fēng)洞測(cè)溫需求

3 m×2 m 結(jié)冰風(fēng)洞是一座閉口回流式高亞音速風(fēng)洞，由結(jié)冰噴霧系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、高度模擬系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)組成[4]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)洞回路溫度的測(cè)量，如圖1 所示，結(jié)冰風(fēng)洞制冷系統(tǒng)、蜂窩器、結(jié)冰噴霧系統(tǒng)、各拐角段都需要布置測(cè)溫點(diǎn)。

圖1 3 m×2 m結(jié)冰風(fēng)洞輪廓圖

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于ZigBee 技術(shù)的結(jié)冰風(fēng)洞溫度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)主要由溫度采集模塊、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)模塊、監(jiān)控主機(jī)以及配套監(jiān)控軟件組成，功能是實(shí)現(xiàn)結(jié)冰風(fēng)洞內(nèi)部眾多測(cè)溫點(diǎn)溫度信號(hào)的采集、顯示、存儲(chǔ)及分析應(yīng)用，系統(tǒng)整體框架如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

結(jié)冰風(fēng)洞溫度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)的主要運(yùn)行流程如下：溫度采集模塊布置于風(fēng)洞穩(wěn)定段、蒸發(fā)器等位置，將采集到的風(fēng)洞內(nèi)部溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為無(wú)線數(shù)字信號(hào)，ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將每個(gè)溫度采集模塊連接在一起，每個(gè)溫度采集模塊作為一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口傳遞給監(jiān)控主機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)冰風(fēng)洞洞體內(nèi)部溫度。

2 硬件設(shè)計(jì)

結(jié)冰風(fēng)洞溫度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)硬件部分主要包括終端溫度采集模塊與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)模塊。下面分別對(duì)終端溫度采集模塊與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)模塊的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)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(shí)現(xiàn)結(jié)冰風(fēng)洞各位置溫度的采集，并將采集到的溫度信息通過(guò)ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊。

終端溫度采集模塊采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由溫度信號(hào)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(hào)采集板電路

為提高溫度測(cè)量精度，溫度信號(hào)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(dǎo)線電阻對(duì)溫度信號(hào)的影響。Pt100 鉑電阻的電阻值與溫度存在接近線性的關(guān)系[15-17]，如式（1）所示。

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

采用Max31865 芯片將Pt100 電阻值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。Max31865 是一款將鉑電阻阻值轉(zhuǎn)換至數(shù)字信號(hào)的芯片，且可實(shí)現(xiàn)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(fēng)洞內(nèi)部的測(cè)溫需求。該芯片具備SPI 接口，通過(guò)微控制器采用SPI 協(xié)議即可讀取鉑電阻的電阻值。

溫度信號(hào)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(guò)SPI 接口連接至微控制器。

圖4 溫度信號(hào)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(chǎn)的基于2.4 GHz IEEE 802.15.4 ZigBee 協(xié)議的小型低功率無(wú)線模塊，內(nèi)置8051微控制器，支持2.0～3.6 V電壓供電，結(jié)合Z-stack 協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線組網(wǎng)通信[18]。ZigBee 模塊通過(guò)I/O 接口與Max31865 連接，采用SPI通信協(xié)議讀取電阻值，根據(jù)式（1）可計(jì)算出溫度信號(hào)值，進(jìn)而可將溫度值通過(guò)ZigBee 無(wú)線網(wǎng)路發(fā)送給協(xié)調(diào)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(hào)采集板和核心模塊連接接口。溫度信號(hào)采集板與ZigBee 核心模塊可以直接插在底板上，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。終端溫度采集模塊實(shí)物如圖6所示。

圖6 終端溫度采集模塊實(shí)物

2.2 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)模塊

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)主要用于接收溫度終端傳感器發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)，硬件主要由ZigBee 核心電路、串口通信電路等組成，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)框架如圖7 所示。

圖7 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)框架

協(xié)調(diào)器將無(wú)線模塊獲取的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給監(jiān)控主機(jī)，通過(guò)監(jiān)控主機(jī)編寫程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)所有溫度測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)。

3 軟件設(shè)計(jì)

結(jié)冰風(fēng)洞溫度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)的軟件主要包括終端溫度節(jié)點(diǎn)采集程序與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)程序的設(shè)計(jì)。終端溫度節(jié)點(diǎn)采集程序主要實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)對(duì)Pt100 電阻值的采集，用于獲取溫度值、終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)通信。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)程序主要實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信獲取終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的溫度值，并通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控主機(jī)的通信。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序基于Z-stack 協(xié)議，采用IAR 軟件進(jìn)行編程，在一個(gè)框架里完成終端溫度采集程序與協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)。

3.1 終端溫度節(jié)點(diǎn)采集程序設(shè)計(jì)

終端溫度節(jié)點(diǎn)采集程序里面主要包含Max31865采集Pt100 電阻值驅(qū)動(dòng)程序、溫度轉(zhuǎn)換程序、Max31865 與ZigBee 控制器通信程序以及ZigBee 傳輸程序，運(yùn)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(dòng)后，各模塊開(kāi)始初始化，加入ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，Max31865 開(kāi)始讀取Pt100 電阻值，將電阻值轉(zhuǎn)化成溫度值后，通過(guò)ZigBee 通信向協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送溫度值。

3.2 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)程序主要包括ZigBee 傳輸程序與串口UART 通信程序，運(yùn)行流程圖如圖9 所示。

圖9 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)程序流程圖

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)上電后，進(jìn)行初始化，建立ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，等待ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)加入，建立通信后，若接收到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的溫度信息，立即通過(guò)串口發(fā)送給監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)獲取溫度數(shù)據(jù)后作進(jìn)一步處理。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證基于ZigBee 的溫度無(wú)線測(cè)量裝置在風(fēng)洞應(yīng)用的可行性，首先對(duì)溫度測(cè)量準(zhǔn)確性進(jìn)行標(biāo)定，然后在風(fēng)洞選取兩個(gè)位置，布置溫度測(cè)量裝置，應(yīng)用于結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)中。

4.1 準(zhǔn)確性測(cè)試

為了驗(yàn)證無(wú)線測(cè)溫裝置的準(zhǔn)確性，將該裝置與現(xiàn)有有線式測(cè)溫傳感器放在低溫恒溫箱中，通過(guò)恒溫箱設(shè)定溫度，比較兩者之間的差異，同時(shí)驗(yàn)證低溫情況下無(wú)線測(cè)溫的可行性，如表1 所示，無(wú)線測(cè)溫裝置與有線式溫度傳感器測(cè)量結(jié)果相似，最大誤差在0.6 ℃以內(nèi)。

表1 準(zhǔn)確性測(cè)試

4.2 風(fēng)洞試驗(yàn)應(yīng)用

為了驗(yàn)證結(jié)冰風(fēng)洞內(nèi)溫度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)的組網(wǎng)效果，將兩個(gè)無(wú)線溫度傳感器分別放置在風(fēng)洞內(nèi)不同位置，通過(guò)改變風(fēng)洞總溫采集兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度值，如圖10 所示。從圖10 可以看出，隨著風(fēng)洞總溫的降低，兩個(gè)溫度點(diǎn)的溫度隨之降低，應(yīng)用結(jié)果表明，溫度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)具備組網(wǎng)效果，可用于風(fēng)洞內(nèi)低溫溫度測(cè)量。

圖10 傳感器組網(wǎng)溫度變化

5 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)“有線式”溫度傳感器在結(jié)冰風(fēng)洞中應(yīng)用的局限性，設(shè)計(jì)了基于ZigBee 技術(shù)的結(jié)冰風(fēng)洞溫度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)在不同位置布置無(wú)線溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞內(nèi)低溫溫度組網(wǎng)測(cè)量。實(shí)際應(yīng)用表明，溫度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)在結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)中應(yīng)用良好，測(cè)量精度較高。