郝义龙 殷睿 赵培莉 陈伟康

摘 要：针对固体火箭轨控发动机阀门电压信号检测时通常采用有线传输方式弊端明显的问题，文中设计了基于ZigBee与GPRS技术的阀芯运动位移量无线传感系统。文中详细介绍了数据采集检测节点、数据传输协调器节点的设计过程以及系统网络拓扑结构和网关配置方法。测试结果表明，该系统设计合理、传输可靠。

關键词：轨控发动机;阀芯位移;ZigBee;GPRS;无线检测;传感器

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）09-00-03

0 引 言

为了增加固体火箭发动机的机动性和突防能力，一种有效的方法是采用轨控喷管推力矢量控制技术，实时采集轨控发动机的多路喷管阀芯位移量而形成位置闭环控制。目前在轨控发动机点火测试时，各阀芯位移量的采集和信号传输主要通过有线方式实现，受现场布线条件的限制。因此，设计一种工作可靠、实时性强的轨控发动机阀门位移量无线检测系统具有重要意义。

ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4协议的无线通信技术，主要面向低传输速率、短距离、无人值守等应用场合[1]。GPRS即通用无线分组业务，按照数据流量计费，支持TCP/IP协议，可以实现与Internet的无缝连接[2]。

根据以上分析，本文设计了一种基于ZigBee与GPRS的轨控发动机阀芯位移量无线检测系统，该系统结合了ZigBee技术自组网能力强、网络容量大以及GPRS技术网络覆盖范围广、永久在线等特点，工作可靠，实时性强，易于组建和维护。通过无线传输技术将位移传感器检测的位移电压信号实时发送到外场上位机，实现阀芯位移量的实时检测与远程存储及分析。

1 系统方案设计

本文设计的轨控发动机阀芯位移量无线检测系统主要由检测节点、协调器节点和监控中心构成，系统总体结构如图1所示。检测节点主要由位移传感器和ZigBee终端模块组成，传感器对阀芯位移量实时采集并将匹配电压信号发送给ZigBee终端模块，各ZigBee终端模块将检测数据汇聚到协调器节点。协调器节点主要由ZigBee协调器模块和GPRS模块组成，协调器模块负责建立ZigBee网络和GPRS网络，并将接收的各检测节点数据通过GPRS网络传送至监控计算机（上位机）。监控计算机安装有数据处理软件，可实现对各阀芯位移量信号的格式转换、存储和显示。

2 系统硬件设计

2.1 检测节点硬件设计

2.1.1 位移传感器

系统选择WDM21-5型直滑式精密导电塑料电位器（直线位移传感器）测量轨控发动机各阀芯运动位移量，并将位移量分别转换成直流电压信号。该阀门电压信号经调理电路处理后，输入到ZigBee终端模块的A/D采集接口进行采样。

2.1.2 ZigBee终端模块

检测节点的ZigBee终端模块以及协调器节点的ZigBee协调器模块皆选用美国TI公司生产的CC2530芯片作为核心单元。CC2530芯片结合一个高性能RF收发器与一个8051微处理器，拥有256 KB的闪存和8 KB的RAM，可以满足测试现场对数据处理能力的要求[3]。

2.2 协调器节点硬件设计

协调器节点中的GPRS模块选用GTM900-B型号的三频段GSM/GPRS无线模块，其具有性能稳定、成本低、性价比高等优点，实际传输速率可达40 Kb/s，可满足大多数高速率传输应用需求。

ZigBee协调器模块与GPRS模块通过RS 232串口通信，需要将协调器模块串口的RX，TX端分别与GPRS模块的TTL-TX和TTL-RX端连接。协调器节点的硬件组成如图2所示。

3 系统软件设计

检测节点和协调器节点的软件设计通过在IAR开发环境下对TI公司提供的Z-Stack协议栈进行编程实现[4]。

3.1 检测节点软件设计

检测节点启动后，首先进行ZigBee终端模块初始化和传感器初始化。然后检测周围是否存在ZigBee无线网络：如果存在，则发送入网请求;如果不存在，则继续检测。终端模块入网成功后，从应用层中周期性地调用电压信号读取函数实现数据采集，并通过用户定义的格式将数据打包发送给协调器模块。检测节点工作流程如图3所示。

ZigBee终端模块的数据发送主要通过调用无线数据发送函数AF_DataRequest（ ）实现，所使用的数据发送函数及各语句的功能介绍如下：

AF_DataRequest （&my_DstAddr，

//获取目的节点网络地址和发送数据方式

&GenericApp_epDesc，//获取目的端口号

GENERICAPP_CLUSTERID，//不同控制命令的命令号

sizeof（ValveDC），//计算所发送电压信号的长度

（uint8 *）&ValveDC，//获取存放电压信号缓冲区的地址

&GenericApp_TransID，//指向发送序号的指针

AF_DISCV_ROUTE，//默认值

AF_DEFAULT_RADIUS//默认值

上述函数中的参数“ValveDC”用来定义存放电压信号的数组名称。

3.2 协调器节点软件设计

协调器节点启动后，首先对ZigBee模块和GPRS模块进行初始化，此时ZigBee协议栈会自动建立ZigBee无线网络，通过AT命令控制GPRS模块建立GPRS网络[5]。然后检测是否有ZigBee终端模块发送入网请求，如果有入网请求，则允许终端模块加入ZigBee网络并为其分配一个16位的网络地址。当终端模块向协调器发送数据时，协调器调用协议栈中的数据接收函数完成数据接收，将打包后的数据通过GPRS网络发送至监控中心网关。协调器节点工作流程如图4所示。

协调器模块利用GPRS网络通过协议栈中的数据处理函数GenericApp_MessageMSGCB（ ）向因特网中的上位机发送数据，该函数主要结构如下：

void GenericApp_MessageMSGCB（ afIncomingMSGPacket_t *pkt ）

{ switch （ pkt->clusterId）

//根據所接收消息的ID号判断消息类型

{case GENERICAPP_CLUSTERID：//判断消息ID

（基本功能部分）

break;

}

}

以上函数中汉字标示部分为协调器模块所要实现基本功能的指令区，包括对终端模块发来数据进行接收的指令和控制GPRS模块建立GPRS网络及向上位机发送数据的指令。

4 网络拓扑结构设计及网关配置

4.1 网络拓扑结构设计

ZigBee网络支持星型、树型和网型三种网络拓扑结构[6]。其中，星型拓扑结构易于组网实现，且能较好地契合检测现场的地理环境，因此选择星型拓扑结构组网。每个星型网络都由一个协调器模块和多个终端模块组成，所有终端模块都将采集到的数据发送给协调器模块，而各终端模块之间不能互相通信。在检测现场，采取人工布点方式在合适位置部署一个协调器节点，与发动机各阀门附近的检测节点组建星型拓扑结构的传感子网。检测节点实现阀芯位移量采集和转换;协调器节点负责汇集和转发所有检测节点数据，是星型网络的中心。

4.2 系统网关配置

监控中心的上位机通过GPRS模块建立的TCP连接与协调器节点进行通信，因此需要上位机在因特网中具有固定的IP地址[7]。当上位机安装在局域网内时，由于其无相对固定的IP地址，需要经常修改协调器程序段中的目标方IP地址。为了使上位机能够连续接收协调器节点发送的数据，需要在路由器上设置虚拟映射，如图5所示。其中，IP地址“192.168.1.100”是局域网内的上位机地址，“服务端口”需与AT命令中发送的端口号以及上位机端口号一致。

5 结 语

针对轨控发动机阀芯位移量检测过程中采用有线传输方式存在的不足，基于ZigBee和GPRS无线通信技术，设计了由检测节点、协调器节点和监控中心组成的阀门电压信号无线传感系统。在监控计算机中使用网络调试助手软件作为网络服务器进行测试，结果表明该系统工作稳定、数据传输可靠，在固体火箭发动机测试方面具有一定的参考意义。

参考文献

[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]陈新岗，赵唐，马骏，等.基于ZigBee无线组网的真空断路器温度在线监测系统设计[J].仪表技术与传感器，2018（8）：39-42.

[3]刘坤，崔永俊，张祥.基于ZigBee和Qt的高精度无线温控系统[J].仪表技术与传感器，2018（12）：115-119.

[4]李雪峰.基于ZigBee无线技术的矿井环境突变预警系统设计[J].物联网技术，2018，8（9）：34-38.

[5]王明超，王明芳.基于ZigBee和GPRS的远程环境监测系统的设计和实现[J].电子设计工程，2018，26（19）：138-141.

[6]周华妹，周华安，李端峰，等.基于ZigBee的隧道照明智能控制系统研究与实现[J].测控技术，2019，38（2）：69-74.

[7]孙小春，孙小迎.温室信息传输技术研究[J].机械制造与自动化，2013，42（6）：145-147.

[8]车波，喻林.基于谱特征提取的汽车发动机故障诊断系统[J].物联网技术，2015，5（11）：36-38.

[9]弭艳，张红霞，马兵兵，等.一种姿/轨控发动机控制监测系统的设计[J].航天制造技术，2019（2）：32-37.

[10]孙宝元，任宗金，钱敏，等.轨/姿控火箭发动机推力动态测试系统建模分析[J].大连理工大学学报，2008（5）：668-672.