赵照，熊建军，冉林，郭向东，李自雨

（中国空气动力研究与发展中心结冰与防除冰重点实验室，四川绵阳 621000）

飞行器穿越含有过冷水滴云层时，其机体迎风面会出现结冰现象，严重影响飞行安全[1-2]。结冰风洞作为重要的地面模拟设施，被广泛应用于结冰与防除冰试验研究中。3 m×2 m 结冰风洞于2013 年建设完成，在飞机适航审定中发挥着重要作用[3]。

温度是结冰风洞中重要的测量参数，试验过程中，风洞内部环境温度最低可达到-40 ℃[4]。风洞总温、洞体内各位置温度以及温度场均匀性都需要布置温度传感器进行测量。目前，结冰风洞温度大多采用温度传感器-线缆-变送器-PLC/PXI 方式进行测量，温度传感器布置在洞体内部，需要铺设大量长距离的线缆进行通信传输，存在如下缺点：

1）长期处于低温潮湿环境导致部分线缆老化严重；

2）洞体内部空间狭小，导致布线复杂，且温度测量点分散导致线缆占用大量空间；

3）长距离线缆连接易受电磁环境干扰。

“有限式”传感器存在局限性，近些年来，无线传感网络凭借体积小、成本低、部署方便等优点得到了广泛关注与研究[5-6]。针对温度无线测量问题，许多研究人员基于无线传感技术做了许多研究工作[7-10]。而ZigBee技术因其功耗低、成本低、网络容量大、灵活性好的优点逐渐成为工业自动化领域的最佳选择[11-14]。

考虑到结冰风洞测温的特殊性，需要采用可以直接与风洞气流接触的温度传感器，因此，文中采用铂电阻探针作为温度传感元件，设计了一种基于ZigBee 技术的结冰风洞温度测量系统，实现了风洞内部多点温度的实时监控。

1 温度无线测量系统整体设计

1.1 结冰风洞测温需求

3 m×2 m 结冰风洞是一座闭口回流式高亚音速风洞，由结冰喷雾系统、制冷系统、高度模拟系统和风机动力系统等多个子系统组成[4]。为了实现对风洞回路温度的测量，如图1 所示，结冰风洞制冷系统、蜂窝器、结冰喷雾系统、各拐角段都需要布置测温点。

图1 3 m×2 m结冰风洞轮廓图

1.2 系统整体设计

基于ZigBee 技术的结冰风洞温度无线测量系统主要由温度采集模块、协调节点模块、监控主机以及配套监控软件组成，功能是实现结冰风洞内部众多测温点温度信号的采集、显示、存储及分析应用，系统整体框架如图2 所示。

图2 系统整体设计图

结冰风洞温度无线测量系统的主要运行流程如下：温度采集模块布置于风洞稳定段、蒸发器等位置，将采集到的风洞内部温度信号转换为无线数字信号，ZigBee 无线网络将每个温度采集模块连接在一起，每个温度采集模块作为一个终端节点，通过无线网络传递给协调节点，协调节点通过串口传递给监控主机，实时监控结冰风洞洞体内部温度。

2 硬件设计

结冰风洞温度无线测量系统硬件部分主要包括终端温度采集模块与协调节点模块。下面分别对终端温度采集模块与协调节点模块的硬件设计进行详细描述。

2.1 终端温度采集模块

终端温度采集模块的主要功能是实现结冰风洞各位置温度的采集，并将采集到的温度信息通过ZigBee 无线网络传送给协调器节点模块。

终端温度采集模块采用模块化设计，主要由温度信号采集板、ZigBee 模块等组成，硬件框架如图3所示。

图3 终端温度采集模块框架

2.1.1 温度信号采集板电路

为提高温度测量精度，温度信号采集电路采用4 线制高精度Pt100 铂电阻作为温度探针，4 线制铂电阻可消除导线电阻对温度信号的影响。Pt100 铂电阻的电阻值与温度存在接近线性的关系[15-17]，如式（1）所示。

其中，RT为当温度为T时铂电阻的电阻值，R0为当温度为0 ℃时铂电阻的电阻值，a、b、c为转换系数，a=3.908 3×10-3，b=-5.775×10-7。当-200 ℃≤T＜0 ℃时，c=-4.183×10-12；当0 ℃≤T＜850 ℃时，c=0。

采用Max31865 芯片将Pt100 电阻值转换为数字信号。Max31865 是一款将铂电阻阻值转换至数字信号的芯片，且可实现与2 线、3 线及4 线铂电阻传感器的连接，温度采集范围为-40～125 ℃，满足风洞内部的测温需求。该芯片具备SPI 接口，通过微控制器采用SPI 协议即可读取铂电阻的电阻值。

温度信号采集电路图如图4 所示，4 线制铂电阻连接至FORCE+、RTDIN+、RTDIN-及FORCE-接口，Max31865 模块通过SPI 接口连接至微控制器。

图4 温度信号采集电路

2.1.2 ZigBee模块电路

1）ZigBee 核心模块电路

ZigBee 核心电路主要包括CC2530 芯片、天线等。CC2530 芯片是德州仪器（TI）公司生产的基于2.4 GHz IEEE 802.15.4 ZigBee 协议的小型低功率无线模块，内置8051微控制器，支持2.0～3.6 V电压供电，结合Z-stack 协议可以实现远程无线组网通信[18]。ZigBee 模块通过I/O 接口与Max31865 连接，采用SPI通信协议读取电阻值，根据式（1）可计算出温度信号值，进而可将温度值通过ZigBee 无线网路发送给协调器。ZigBee 核心模块电路如图5 所示。

图5 ZigBee核心模块电路

2）底板电路

ZigBee底板主要包括供电电路、下载接口电路及与温度信号采集板和核心模块连接接口。温度信号采集板与ZigBee 核心模块可以直接插在底板上，实现模块化设计。终端温度采集模块实物如图6所示。

图6 终端温度采集模块实物

2.2 协调节点模块

协调节点主要用于接收温度终端传感器发送的温度数据，硬件主要由ZigBee 核心电路、串口通信电路等组成，协调节点框架如图7 所示。

图7 协调节点框架

协调器将无线模块获取的温度数据通过串口发送给监控主机，通过监控主机编写程序实现对所有温度测量数据的显示与存储。

3 软件设计

结冰风洞温度无线测量系统的软件主要包括终端温度节点采集程序与协调节点程序的设计。终端温度节点采集程序主要实现终端节点对Pt100 电阻值的采集，用于获取温度值、终端节点与协调器之间的数据通信。协调节点程序主要实现无线通信获取终端节点发送的温度值，并通过串口实现与监控主机的通信。无线传感网络节点程序基于Z-stack 协议，采用IAR 软件进行编程，在一个框架里完成终端温度采集程序与协调器程序设计。

3.1 终端温度节点采集程序设计

终端温度节点采集程序里面主要包含Max31865采集Pt100 电阻值驱动程序、温度转换程序、Max31865 与ZigBee 控制器通信程序以及ZigBee 传输程序，运行流程图如图8 所示。

图8 终端温度采集程序流程图

终端温度模块启动后，各模块开始初始化，加入ZigBee 网络，Max31865 开始读取Pt100 电阻值，将电阻值转化成温度值后，通过ZigBee 通信向协调节点发送温度值。

3.2 协调节点程序设计

协调节点程序主要包括ZigBee 传输程序与串口UART 通信程序，运行流程图如图9 所示。

图9 协调节点程序流程图

协调节点上电后，进行初始化，建立ZigBee 网络，等待ZigBee 终端节点加入，建立通信后，若接收到终端节点发来的温度信息，立即通过串口发送给监控主机，监控主机获取温度数据后作进一步处理。

4 试验结果与分析

为了验证基于ZigBee 的温度无线测量装置在风洞应用的可行性，首先对温度测量准确性进行标定，然后在风洞选取两个位置，布置温度测量装置，应用于结冰风洞试验中。

4.1 准确性测试

为了验证无线测温装置的准确性，将该装置与现有有线式测温传感器放在低温恒温箱中，通过恒温箱设定温度，比较两者之间的差异，同时验证低温情况下无线测温的可行性，如表1 所示，无线测温装置与有线式温度传感器测量结果相似，最大误差在0.6 ℃以内。

表1 准确性测试

4.2 风洞试验应用

为了验证结冰风洞内温度无线测量系统的组网效果，将两个无线温度传感器分别放置在风洞内不同位置，通过改变风洞总温采集两个测量点的温度值，如图10 所示。从图10 可以看出，随着风洞总温的降低，两个温度点的温度随之降低，应用结果表明，温度无线测量系统具备组网效果，可用于风洞内低温温度测量。

图10 传感器组网温度变化

5 结束语

文中针对“有线式”温度传感器在结冰风洞中应用的局限性，设计了基于ZigBee 技术的结冰风洞温度无线测量系统，通过在不同位置布置无线温度传感器，实现了风洞内低温温度组网测量。实际应用表明，温度无线测量系统在结冰风洞试验中应用良好，测量精度较高。