基于無線傳感器技術(shù)的加注信號采集系統(tǒng)設(shè)計

李春林，鄭國昆，張勁松，馮 超，王華生

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

運載火箭進行常規(guī)推進劑加注時需要重點監(jiān)測加泄連接器的活門打開狀態(tài)、加注零液位信號、溢出液位信號及貯箱各級液位信號，這些信號用于完成火箭常規(guī)推進劑加注過程的啟動、停止控制以及加注過程中對加注流量的控制。以往在火箭加注前需要進行加注信號電纜鋪設(shè)工作，在加注完成后進行相應的撤收工作，耗費大量的人力資源。

本文設(shè)計了一套基于無線傳感器技術(shù)的加注信號采集系統(tǒng)，通過“雙路采集+雙通道傳輸”的冗余設(shè)計方式，采用基于470～510 MHz 頻段的LoRa 協(xié)議，實現(xiàn)了加注液位信號的無線傳輸及采集，簡化了運載火箭常規(guī)加注的測試流程。

1 無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

在自組網(wǎng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中［1］，目前應用最廣泛最成熟的是ZigBee 協(xié)議及LoRa 協(xié)議。ZigBee 協(xié)議適用于中距離傳輸、低延遲、數(shù)據(jù)量較少的網(wǎng)絡(luò)［2］；Lo-Ra 是一種非授權(quán)頻譜的LP-WAN 無線技術(shù)，具有遠距離、低功耗、低成本、覆蓋容量大等特點［3-5］。

加注系統(tǒng)采集的信號均為開關(guān)量信號，采用觸發(fā)回傳的方式，由于并非連續(xù)采集，對信號實時性要求不高且對數(shù)據(jù)傳輸量要求不高，因此，為減少中繼節(jié)點布置數(shù)量、提高信號強度，采用基于470～510 MHz頻段的LoRa協(xié)議進行設(shè)計開發(fā)。

2 無線加注信號采集系統(tǒng)組成

無線加注信號采集系統(tǒng)由無線采集器、無線中繼器、無線網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。無線采集器：采集加注系統(tǒng)傳感器信號，將采集到的傳感器數(shù)據(jù)及無線模塊電池電量等信息打包傳送。無線中繼器：進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴展功能。無線網(wǎng)關(guān)：接收匯總采集到的數(shù)據(jù)，上傳至上位機。無線加注信號采集系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 無線加注信號采集系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of wireless filling signal acquisition system

2.1 無線采集器設(shè)計

無線采集器主要工作頻段在470～510 MHz，較長的波長使得信號具有更強穿墻和繞射能力，有效降低現(xiàn)場2.4 G 網(wǎng)絡(luò)的干擾。無線采集器主要包含射頻及MCU、電源電路及外圍電路等模塊，無線采集器的組成如圖2所示。

2.2 無線中繼器設(shè)計

無線中繼器完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，用以無線采集系統(tǒng)拓展通信距離。系統(tǒng)可工作于有中繼和無中繼兩種工作模式下，當采集器信號強度大于-100 dBm 時，采集器信號良好，可不設(shè)置中繼器。

無線中繼器分為高、低頻段兩個中繼器，用以實現(xiàn)不同頻段信號的中繼。高頻模塊為500 MHz中心頻點，低頻模塊為470 MHz中心頻點。兩路中繼分開布置于不同位置，從而避免干擾對兩路信號同時產(chǎn)生影響的情況，提高系統(tǒng)的可靠性。

無線中繼器的路由網(wǎng)絡(luò)事件處理流程由其軟件實現(xiàn)，流程如圖3 所示。首先判斷LoRa 模塊硬件設(shè)置是否成功，若硬件返回錯誤就重啟模塊。硬件初始化成功后，開始接收數(shù)據(jù)包，判斷接收到的數(shù)據(jù)包是否合法，校驗通過后識別數(shù)據(jù)包的類型，進行應答。如果目的地址是本機，則處理相關(guān)數(shù)據(jù)，否則根據(jù)位掩碼識別目的地址是上行或下行節(jié)點，進行智能轉(zhuǎn)發(fā)。如果某一時刻需要中繼單播或者廣播數(shù)據(jù)包，則進行相應操作。

圖3 路由網(wǎng)絡(luò)事件處理流程Fig.3 Process of routing network event handling

2.3 無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計

無線網(wǎng)關(guān)是整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點，主要實現(xiàn)設(shè)備地址分配、實時數(shù)據(jù)接收、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)上傳，同時配備系統(tǒng)管理與參數(shù)配置操作模塊，完成人機交互等功能。網(wǎng)關(guān)采用485接口進行通信，將采集到的傳感器信息上傳到上位機。

網(wǎng)關(guān)按功能劃分可解耦成各個模塊，包括本地事件處理、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)事件處理、故障報警、數(shù)據(jù)持久化、資源管理等功能。其整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of gateway

a）本地事件處理完成設(shè)備上電初始化、網(wǎng)關(guān)上的硬件操控與系統(tǒng)的狀態(tài)指示等功能。

b）通信協(xié)議轉(zhuǎn)換主要進行通信數(shù)據(jù)的封裝和解析，實現(xiàn)將LoRa無線網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)包重組和融合，再轉(zhuǎn)換成應用層協(xié)議，通過RS485接口發(fā)送到上位機。

c）網(wǎng)絡(luò)事件處理主要對網(wǎng)關(guān)各個通信接口傳入的數(shù)據(jù)進行識別并轉(zhuǎn)化為對應的事件，然后進行下一步操作。例如LoRa網(wǎng)絡(luò)事件、配置事件等。

d）數(shù)據(jù)持久化功能通過將網(wǎng)絡(luò)的配置參數(shù)存儲在EEPROM（非易失性存儲器）中，實現(xiàn)掉電不丟失，該部分主要涉及到對配置參數(shù)的增加、刪除、修改和查看等操作。

e）故障報警模塊用于提示用戶網(wǎng)絡(luò)異常，網(wǎng)絡(luò)工作時，節(jié)點由于某些原因死機，或由于物理遮擋和電磁干擾導致通信鏈路中斷，造成整個網(wǎng)絡(luò)運行異常。此模塊通過識別提示故障節(jié)點所在位置以及故障信息，進行故障診斷。

2.4 采集算法設(shè)計

無線采集器采用基于CSMA（Carrier Sense Multiple Access）算法的主動上報機制完成數(shù)據(jù)交互［6］，提供避免碰撞的無線信道分時訪問。監(jiān)測節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)前，先檢測信道狀態(tài)，檢測到信道空閑后，等待一段時間再次檢測信道是否空閑，如果還是空閑，那么立刻發(fā)送數(shù)據(jù)；否則，隨機等待一定時間，等時間到期后，再次檢測，直到成功發(fā)送數(shù)據(jù)。協(xié)議采用待確認的發(fā)送機制，如果發(fā)送方接收到對方回復的ACK確認，表示本次發(fā)送成功，否則重發(fā)之前的數(shù)據(jù)。隨機發(fā)送和確認機制可以很好地解決數(shù)據(jù)包沖突問題［7］。CSMA算法原理如圖5所示。

圖5 CSMA算法原理Fig.5 Principle of CSMA algorithm

由于現(xiàn)場的動作狀態(tài)為隨機事件，動作間隔可能經(jīng)過很長的時間，為了保證連接的有效性，及時有效地檢測到無線節(jié)點的非正常斷開并確保連接的資源被有效利用，系統(tǒng)提供一種基于心跳策略的?；顧C制。網(wǎng)關(guān)節(jié)點按照每隔60 s的周期向下屬節(jié)點發(fā)送一個心跳查詢數(shù)據(jù)包，當超過設(shè)置的超時時間，網(wǎng)關(guān)節(jié)點還未接收到對應節(jié)點的應答包時，網(wǎng)關(guān)生成故障信息并及時通知上位機節(jié)點異常。

3 系統(tǒng)冗余抗干擾設(shè)計

針對現(xiàn)場可能存在的多徑效應和突發(fā)干擾問題，為了進一步增強通信系統(tǒng)的可靠性，采用雙頻通信模式的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，拓寬現(xiàn)有通信系統(tǒng)的頻段和模式。通過引入雙射頻通信技術(shù)，無線側(cè)利用隔離頻段實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)鏈路的并行建立，可以有效提高時變信道的傳輸可靠性，解決單一頻段下干擾和碰撞導致的丟包問題，提高空間頻分復用率。高頻模塊以500 MHz為中心頻點，低頻模塊以470 MHz為中心頻點，兩路信號采集、傳輸、接收完全隔離開，保證兩路信號傳遞不會相互影響。如圖6所示，每路信號采用兩路采集器分別進行多次采集，每路的多次采集結(jié)果策略性判斷，將結(jié)果通過各自傳輸通道發(fā)出，確保在發(fā)射端信號采集環(huán)節(jié)具有冗余設(shè)計。將傳感器狀態(tài)信息采用雙通道傳輸?shù)姆绞?，?jīng)兩個不同頻段經(jīng)中繼器傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收到兩通道信號后，進行與或判斷確定傳感器狀態(tài)，保證傳感器信號無線傳輸環(huán)節(jié)具有冗余設(shè)計。網(wǎng)關(guān)節(jié)點確定傳感器狀態(tài)后，將信號經(jīng)RS485接口傳遞到上位機。

圖6 冗余傳輸鏈路Fig.6 Redundant transmission link

現(xiàn)有協(xié)議下，建立穩(wěn)定通信連接后，單包數(shù)據(jù)發(fā)送延時為10 ms 左右，在考慮上傳數(shù)據(jù)、下行命令情況下，一個完整的通信周期延時約為20 ms。

節(jié)點具有丟包重發(fā)機制與ACK 發(fā)送成功確認機制，遇丟包情況可自動識別并重發(fā)數(shù)據(jù)。在信號鏈路良好的情況下，數(shù)據(jù)丟包概率極低。

節(jié)點發(fā)送延時主要由多點數(shù)據(jù)并發(fā)引起。發(fā)送節(jié)點采用LBT（Listen Before Talk）機制，發(fā)送數(shù)據(jù)之前先探測空中是否有其他節(jié)點正在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有則延時20 ms 發(fā)送，直到空中沒有同頻段其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)才占用信道進行數(shù)據(jù)傳輸，LBT機制可以有效避免空中數(shù)據(jù)包碰撞導致的數(shù)據(jù)傳輸失?。?］。

由上述內(nèi)容可知，在單次通信阻塞的情況下，并發(fā)的節(jié)點延遲約為20 ms。如果遇到多次重發(fā)，則延遲時間依次遞增。

對多點并發(fā)進行了試驗驗證，試驗節(jié)點采用按鍵模擬開關(guān)量電平變化，多點數(shù)據(jù)并發(fā)最大延時時間測量結(jié)果平均值如表1所示。

表1 多點數(shù)據(jù)并發(fā)延時驗證試驗Tab.1 Multi-point data concurrent delay verification test

單點信號延遲為120 ms 是3 次間隔為30 ms 的信號消抖判斷導致，為節(jié)點固有延遲。隨著并發(fā)節(jié)點數(shù)增加，信號碰撞情況增加，信號延遲變大。采用雙頻段同時進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟呗?，最終產(chǎn)品任一信道通信成功就會結(jié)束本次通信，將進一步降低通信沖突概率，減少延時時間。

4 系統(tǒng)驗證情況

無線加注信號采集系統(tǒng)完成硬件和軟件開發(fā)設(shè)計后，在發(fā)射場對無線采集器、無線中繼器、無線網(wǎng)關(guān)進行了布置及測試。將無線網(wǎng)關(guān)接收節(jié)點放置于位置1 即501 房間內(nèi)，將無線中繼節(jié)點分別放置于位置3、4 處，將無線采集器節(jié)點2、3、4 分別放置于位置5、6、7處，如圖7所示。

圖7 各測試節(jié)點布置Fig.7 Arrangement of each test node

測試各節(jié)點信號強度，與表2 所示結(jié)果基本一致，接收信號強度大于-80 dBm，信號可穩(wěn)定傳輸，無丟包情況。試驗結(jié)果表明，無線網(wǎng)關(guān)接收節(jié)點放置于位置1的501房間內(nèi)，無線中繼器節(jié)點放置于位置3或者位置4處，均可以滿足無線信號可靠傳輸。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套基于無線傳感技術(shù)的加注信號采集系統(tǒng)，無線加注信號采集系統(tǒng)完成硬件和軟件開發(fā)設(shè)計后，在運載火箭常規(guī)加注測控系統(tǒng)進行了應用，通過雙射頻通信技術(shù)有效提高了系統(tǒng)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，無線傳感技術(shù)的應用提高了加注流程的測試效率，對運載火箭常規(guī)加注系統(tǒng)具有較高的推廣價值。