基于无线传感器技术的加注信号采集系统设计

李春林，郑国昆，张劲松，冯 超，王华生

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

0 引 言

运载火箭进行常规推进剂加注时需要重点监测加泄连接器的活门打开状态、加注零液位信号、溢出液位信号及贮箱各级液位信号，这些信号用于完成火箭常规推进剂加注过程的启动、停止控制以及加注过程中对加注流量的控制。以往在火箭加注前需要进行加注信号电缆铺设工作，在加注完成后进行相应的撤收工作，耗费大量的人力资源。

本文设计了一套基于无线传感器技术的加注信号采集系统，通过“双路采集+双通道传输”的冗余设计方式，采用基于470～510 MHz 频段的LoRa 协议，实现了加注液位信号的无线传输及采集，简化了运载火箭常规加注的测试流程。

1 无线网络协议

在自组网无线传感网络中［1］，目前应用最广泛最成熟的是ZigBee 协议及LoRa 协议。ZigBee 协议适用于中距离传输、低延迟、数据量较少的网络［2］；Lo-Ra 是一种非授权频谱的LP-WAN 无线技术，具有远距离、低功耗、低成本、覆盖容量大等特点［3-5］。

加注系统采集的信号均为开关量信号，采用触发回传的方式，由于并非连续采集，对信号实时性要求不高且对数据传输量要求不高，因此，为减少中继节点布置数量、提高信号强度，采用基于470～510 MHz频段的LoRa协议进行设计开发。

2 无线加注信号采集系统组成

无线加注信号采集系统由无线采集器、无线中继器、无线网关构成。无线采集器：采集加注系统传感器信号，将采集到的传感器数据及无线模块电池电量等信息打包传送。无线中继器：进行数据转发，实现网络扩展功能。无线网关：接收汇总采集到的数据，上传至上位机。无线加注信号采集系统组成见图1。

图1 无线加注信号采集系统组成Fig.1 Composition of wireless filling signal acquisition system

2.1 无线采集器设计

无线采集器主要工作频段在470～510 MHz，较长的波长使得信号具有更强穿墙和绕射能力，有效降低现场2.4 G 网络的干扰。无线采集器主要包含射频及MCU、电源电路及外围电路等模块，无线采集器的组成如图2所示。

2.2 无线中继器设计

无线中继器完成数据转发，用以无线采集系统拓展通信距离。系统可工作于有中继和无中继两种工作模式下，当采集器信号强度大于-100 dBm 时，采集器信号良好，可不设置中继器。

无线中继器分为高、低频段两个中继器，用以实现不同频段信号的中继。高频模块为500 MHz中心频点，低频模块为470 MHz中心频点。两路中继分开布置于不同位置，从而避免干扰对两路信号同时产生影响的情况，提高系统的可靠性。

无线中继器的路由网络事件处理流程由其软件实现，流程如图3 所示。首先判断LoRa 模块硬件设置是否成功，若硬件返回错误就重启模块。硬件初始化成功后，开始接收数据包，判断接收到的数据包是否合法，校验通过后识别数据包的类型，进行应答。如果目的地址是本机，则处理相关数据，否则根据位掩码识别目的地址是上行或下行节点，进行智能转发。如果某一时刻需要中继单播或者广播数据包，则进行相应操作。

图3 路由网络事件处理流程Fig.3 Process of routing network event handling

2.3 无线网关设计

无线网关是整个无线传感网络的汇聚节点，主要实现设备地址分配、实时数据接收、协议解析、数据处理以及数据上传，同时配备系统管理与参数配置操作模块，完成人机交互等功能。网关采用485接口进行通信，将采集到的传感器信息上传到上位机。

网关按功能划分可解耦成各个模块，包括本地事件处理、通信协议转换、网络事件处理、故障报警、数据持久化、资源管理等功能。其整体结构如图4所示。

图4 网关结构Fig.4 Structure of gateway

a）本地事件处理完成设备上电初始化、网关上的硬件操控与系统的状态指示等功能。

b）通信协议转换主要进行通信数据的封装和解析，实现将LoRa无线网络通信的数据包重组和融合，再转换成应用层协议，通过RS485接口发送到上位机。

c）网络事件处理主要对网关各个通信接口传入的数据进行识别并转化为对应的事件，然后进行下一步操作。例如LoRa网络事件、配置事件等。

d）数据持久化功能通过将网络的配置参数存储在EEPROM（非易失性存储器）中，实现掉电不丢失，该部分主要涉及到对配置参数的增加、删除、修改和查看等操作。

e）故障报警模块用于提示用户网络异常，网络工作时，节点由于某些原因死机，或由于物理遮挡和电磁干扰导致通信链路中断，造成整个网络运行异常。此模块通过识别提示故障节点所在位置以及故障信息，进行故障诊断。

2.4 采集算法设计

无线采集器采用基于CSMA（Carrier Sense Multiple Access）算法的主动上报机制完成数据交互［6］，提供避免碰撞的无线信道分时访问。监测节点发送数据前，先检测信道状态，检测到信道空闲后，等待一段时间再次检测信道是否空闲，如果还是空闲，那么立刻发送数据；否则，随机等待一定时间，等时间到期后，再次检测，直到成功发送数据。协议采用待确认的发送机制，如果发送方接收到对方回复的ACK确认，表示本次发送成功，否则重发之前的数据。随机发送和确认机制可以很好地解决数据包冲突问题［7］。CSMA算法原理如图5所示。

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

由于现场的动作状态为随机事件，动作间隔可能经过很长的时间，为了保证连接的有效性，及时有效地检测到无线节点的非正常断开并确保连接的资源被有效利用，系统提供一种基于心跳策略的保活机制。网关节点按照每隔60 s的周期向下属节点发送一个心跳查询数据包，当超过设置的超时时间，网关节点还未接收到对应节点的应答包时，网关生成故障信息并及时通知上位机节点异常。

3 系统冗余抗干扰设计

针对现场可能存在的多径效应和突发干扰问题，为了进一步增强通信系统的可靠性，采用双频通信模式的数据传输链路，拓宽现有通信系统的频段和模式。通过引入双射频通信技术，无线侧利用隔离频段实现多个数据链路的并行建立，可以有效提高时变信道的传输可靠性，解决单一频段下干扰和碰撞导致的丢包问题，提高空间频分复用率。高频模块以500 MHz为中心频点，低频模块以470 MHz为中心频点，两路信号采集、传输、接收完全隔离开，保证两路信号传递不会相互影响。如图6所示，每路信号采用两路采集器分别进行多次采集，每路的多次采集结果策略性判断，将结果通过各自传输通道发出，确保在发射端信号采集环节具有冗余设计。将传感器状态信息采用双通道传输的方式，经两个不同频段经中继器传输到网关节点。网关节点接收到两通道信号后，进行与或判断确定传感器状态，保证传感器信号无线传输环节具有冗余设计。网关节点确定传感器状态后，将信号经RS485接口传递到上位机。

图6 冗余传输链路Fig.6 Redundant transmission link

现有协议下，建立稳定通信连接后，单包数据发送延时为10 ms 左右，在考虑上传数据、下行命令情况下，一个完整的通信周期延时约为20 ms。

节点具有丢包重发机制与ACK 发送成功确认机制，遇丢包情况可自动识别并重发数据。在信号链路良好的情况下，数据丢包概率极低。

节点发送延时主要由多点数据并发引起。发送节点采用LBT（Listen Before Talk）机制，发送数据之前先探测空中是否有其他节点正在发送数据，如果有则延时20 ms 发送，直到空中没有同频段其他节点发送数据才占用信道进行数据传输，LBT机制可以有效避免空中数据包碰撞导致的数据传输失败［8］。

由上述内容可知，在单次通信阻塞的情况下，并发的节点延迟约为20 ms。如果遇到多次重发，则延迟时间依次递增。

对多点并发进行了试验验证，试验节点采用按键模拟开关量电平变化，多点数据并发最大延时时间测量结果平均值如表1所示。

表1 多点数据并发延时验证试验Tab.1 Multi-point data concurrent delay verification test

单点信号延迟为120 ms 是3 次间隔为30 ms 的信号消抖判断导致，为节点固有延迟。随着并发节点数增加，信号碰撞情况增加，信号延迟变大。采用双频段同时进行数据传输的策略，最终产品任一信道通信成功就会结束本次通信，将进一步降低通信冲突概率，减少延时时间。

4 系统验证情况

无线加注信号采集系统完成硬件和软件开发设计后，在发射场对无线采集器、无线中继器、无线网关进行了布置及测试。将无线网关接收节点放置于位置1 即501 房间内，将无线中继节点分别放置于位置3、4 处，将无线采集器节点2、3、4 分别放置于位置5、6、7处，如图7所示。

图7 各测试节点布置Fig.7 Arrangement of each test node

测试各节点信号强度，与表2 所示结果基本一致，接收信号强度大于-80 dBm，信号可稳定传输，无丢包情况。试验结果表明，无线网关接收节点放置于位置1的501房间内，无线中继器节点放置于位置3或者位置4处，均可以满足无线信号可靠传输。

5 结束语

本文设计了一套基于无线传感技术的加注信号采集系统，无线加注信号采集系统完成硬件和软件开发设计后，在运载火箭常规加注测控系统进行了应用，通过双射频通信技术有效提高了系统传输的稳定性和可靠性，无线传感技术的应用提高了加注流程的测试效率，对运载火箭常规加注系统具有较高的推广价值。