本文摘要：摘要：爆炸場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試中節(jié)點(diǎn)分布范圍廣、數(shù)量多，對(duì)各測(cè)試節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)控及全局管理難以有效實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)測(cè)試方案中節(jié)點(diǎn)部署后難以快速更改狀態(tài)。針對(duì)上述問題，依據(jù)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和穩(wěn)定性原則，設(shè)計(jì)了一種基于無線技術(shù)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。給出了爆炸場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)
摘要：爆炸場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試中節(jié)點(diǎn)分布范圍廣、數(shù)量多，對(duì)各測(cè)試節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)監(jiān)控及全局管理難以有效實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)測(cè)試方案中節(jié)點(diǎn)部署后難以快速更改狀態(tài)。針對(duì)上述問題，依據(jù)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和穩(wěn)定性原則，設(shè)計(jì)了一種基于無線技術(shù)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。給出了爆炸場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本功能單元，包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備、無線組網(wǎng)設(shè)備。數(shù)據(jù)采集設(shè)備具有高精度采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、高精度同步、定位定姿等功能;利用無線網(wǎng)橋技術(shù)構(gòu)建了覆蓋廣域范圍的無線網(wǎng)絡(luò)，支持IEEE802.11n/ac協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)程分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)的集中管理、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸，也可對(duì)指定測(cè)試節(jié)點(diǎn)的工作模式進(jìn)行快速設(shè)置，以滿足測(cè)試需求。測(cè)試節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)測(cè)量范圍為0~10g，室外公里數(shù)據(jù)傳輸。通過模擬測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性，各項(xiàng)功能滿足工程需要。
關(guān)鍵詞：WSN、無線網(wǎng)橋、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、分布式測(cè)試、STM32
0引言
在靶場(chǎng)試驗(yàn)中，彈藥爆炸過程中的振動(dòng)參數(shù)能夠?yàn)閺椝帤υu(píng)估及炸點(diǎn)定位提供重要的設(shè)計(jì)依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐[13]。利用爆炸產(chǎn)生的振動(dòng)波進(jìn)行爆炸點(diǎn)定位，為武器裝備的研制和部隊(duì)訓(xùn)練發(fā)揮關(guān)鍵性作用。由于爆炸試驗(yàn)存在不可重復(fù)性、投入大、危險(xiǎn)系數(shù)高等問題，因此對(duì)爆炸瞬態(tài)振動(dòng)參數(shù)的高效采集測(cè)試具有十分重要的意義。當(dāng)前，常用引線電測(cè)法和存儲(chǔ)測(cè)試法進(jìn)行爆炸場(chǎng)多參數(shù)測(cè)試[4。存儲(chǔ)測(cè)試法是將微型化測(cè)試裝置置于爆炸現(xiàn)場(chǎng)，記錄結(jié)束后回收測(cè)試設(shè)備讀取信號(hào)。
該方法無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集設(shè)備狀態(tài),各裝置間無法進(jìn)行同步采集，測(cè)試信號(hào)的零點(diǎn)時(shí)間無法統(tǒng)一，在廣域測(cè)試環(huán)境下試驗(yàn)結(jié)束后無法第一時(shí)間獲取數(shù)據(jù)，需要操作人員回收來讀取數(shù)據(jù)，試驗(yàn)效率較低。引線電測(cè)法是在測(cè)點(diǎn)處布置傳感器，通過電纜將信號(hào)接入采集系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)布線不靈活、易引入噪聲等問題限制該方法的廣泛應(yīng)用。在大當(dāng)量的武器試驗(yàn)中，測(cè)試區(qū)域覆蓋面積大、安全距離遠(yuǎn)給整個(gè)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、質(zhì)由于外場(chǎng)試驗(yàn)的特殊性，采集測(cè)試系統(tǒng)一次性布設(shè)完成后，應(yīng)具備滿足多次試驗(yàn)需求的能力，從而減少人員的重復(fù)作業(yè)，提高試驗(yàn)的效率。
基于此，本文在存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合無線網(wǎng)橋技術(shù)[8]，研制出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的爆炸場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程管理、參數(shù)配置、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的無線傳輸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步。
1系統(tǒng)總體框架
基于WSN的爆炸振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過傳感測(cè)試節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控區(qū)域中目標(biāo)信息的感知、采集和處理，并將處理后的信息傳送給控制中心，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖所示，包括分布式傳感測(cè)試節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)橋和控制中心。
基于無線通信技術(shù)的分布式測(cè)試系統(tǒng)可通過無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)分散在測(cè)試區(qū)域內(nèi)所有測(cè)試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理和控制，實(shí)現(xiàn)分散操作、協(xié)同工作和集中控制。分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)按照仿真優(yōu)化布局方案布署在測(cè)試區(qū)域完成對(duì)爆炸場(chǎng)振動(dòng)信號(hào)的獲取與傳輸，測(cè)試節(jié)點(diǎn)自身可通過GNSS定位模塊和電子羅盤確定自身空間和姿態(tài)信息。控制中心通過點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線拓?fù)浞绞綄?shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離管理、控制和監(jiān)測(cè)，包括測(cè)試準(zhǔn)備階段的各節(jié)點(diǎn)工作參數(shù)配置;等待爆炸階段的工作各節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)監(jiān)控和復(fù)位等;以及爆炸完成后的測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸。
2無線傳感測(cè)試節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
在地下爆炸振動(dòng)信號(hào)的采集測(cè)試中，測(cè)試區(qū)域覆蓋范圍較大，地震波傳播距離遠(yuǎn)，信號(hào)微弱，需具備較強(qiáng)的續(xù)航能力。為高效實(shí)時(shí)完成對(duì)廣域環(huán)中的振動(dòng)信號(hào)采集，對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的采集精度、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)能力等提出了較高的要求10。結(jié)合實(shí)際測(cè)試需求，測(cè)試節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)如下表1所示。
2.1數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊是測(cè)試節(jié)點(diǎn)的核心組件。其搭載基于RMCortexTMM4內(nèi)核的TM32F405處理器，主時(shí)鐘頻率最高可達(dá)68MH，運(yùn)算速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)與外部設(shè)備的高速通訊。為保證對(duì)振動(dòng)信號(hào)的高精度采集，采集儀集成了24位通道的AD7771高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換精度可達(dá).3911，采用SPI接口進(jìn)行芯片配置和數(shù)據(jù)傳輸，為提高DC采集時(shí)的運(yùn)算效率，利用MA(DirectMemoryAccess,直接存儲(chǔ)區(qū)訪問的方式，實(shí)現(xiàn)高效多通道、高采樣率的采集，采樣速率可達(dá)50kHz。
在完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理后，主控將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于卡中，本系統(tǒng)采用DIO接口協(xié)議，卡容量可根據(jù)實(shí)際存儲(chǔ)容量選定，在固件程序中移植了ATFS文件系統(tǒng)，便于在端對(duì)卡存儲(chǔ)文件進(jìn)行操作。數(shù)據(jù)采集儀利用NSS模塊PPS同步秒脈沖，使各分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)可在統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)下工作，同步精度達(dá)到ns，實(shí)際性能分析與測(cè)試表明該同步誤差小于00ns;同時(shí)還可通過TK技術(shù)完成對(duì)各測(cè)試節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)的高精度定位。
2.2傳感模塊
傳感模塊作為測(cè)試節(jié)點(diǎn)的功能前端，其重要性不言而喻。為提高傳感器的環(huán)境適應(yīng)能力，基于小型化的設(shè)計(jì)理念，傳感器外形尺寸僅為30mm×30mm×30mm。三個(gè)高精度單軸微振動(dòng)傳感器以及三軸加速度計(jì)，用于爆炸振動(dòng)波的精確采集。由于振動(dòng)波具有矢量性，三個(gè)微振動(dòng)傳感器在殼體內(nèi)部垂直安裝構(gòu)成矢量傳感器。同時(shí)內(nèi)部安裝三軸磁傳感器M3100，與加速度計(jì)組合構(gòu)成電子羅盤以便獲取測(cè)試節(jié)點(diǎn)在爆炸場(chǎng)布設(shè)后的姿態(tài)信息。為了避免模組外殼對(duì)磁傳感器感知地球磁場(chǎng)的影響，模組結(jié)構(gòu)選用硬鋁材質(zhì)加工。本著低功耗的設(shè)計(jì)理念，傳感模組中的電源板智能供電模式，在需要測(cè)試節(jié)點(diǎn)待機(jī)時(shí)，可切斷傳感模組中的電源供應(yīng)。
2.3無線通訊模塊
無線通訊模塊負(fù)責(zé)完成測(cè)試節(jié)點(diǎn)與控制中心間的控制指令下達(dá)與數(shù)據(jù)傳輸，無線通訊模塊是構(gòu)建可靠的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。為了滿足在遠(yuǎn)距離環(huán)境下的高效數(shù)據(jù)傳輸，選用了美國(guó)LigoWave公司高帶寬無線網(wǎng)橋，該網(wǎng)橋支持IEEE802.11n/ac協(xié)議、MIMO2×2傳輸模式、內(nèi)置高增益雙極化天線，其抗干擾能力強(qiáng)，即使有較強(qiáng)的干擾仍能保障穩(wěn)定的接入。因無線網(wǎng)橋需連接以太網(wǎng)口進(jìn)行才能數(shù)據(jù)讀寫，選用W5500以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的以太網(wǎng)接入功能，從而實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)橋與數(shù)據(jù)采集儀的關(guān)聯(lián)。W5500支持高速標(biāo)準(zhǔn)線SPI接口與主機(jī)進(jìn)行通信，通過RJ45接口與無線網(wǎng)橋連接。
3無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建
無線通信網(wǎng)絡(luò)主要是在控制中心與分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)之間架起通訊橋梁，完成指令轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)回傳等功能，由各測(cè)試節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)橋和控制中心計(jì)算機(jī)組成。在該無線測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，一個(gè)中心無線網(wǎng)橋與多個(gè)無線傳感器測(cè)試節(jié)點(diǎn)通信的組網(wǎng)方式，無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。無線網(wǎng)絡(luò)中的各測(cè)試節(jié)點(diǎn)連接到中心網(wǎng)橋后，由無線網(wǎng)橋進(jìn)行指令廣播和網(wǎng)絡(luò)配置。
測(cè)試節(jié)點(diǎn)加入無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)會(huì)被分配唯一固定地址。無線網(wǎng)橋設(shè)備工作在5.8GHz頻段，無需申請(qǐng)頻段，便于部署，中心無線網(wǎng)橋和控制中心通過網(wǎng)線RJ45)連接，安裝于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)安全區(qū)域。此外，無線電磁波信號(hào)傳輸過程極易受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾，引起信號(hào)的衰減和多徑效應(yīng)，因此需根據(jù)爆炸試驗(yàn)場(chǎng)地的地形合理規(guī)劃無線通信設(shè)備的布設(shè)位置以及高度，一般來說設(shè)備收發(fā)天線的高度要求滿足障礙物不超過菲尼爾區(qū)14的40%。
4測(cè)控軟件設(shè)計(jì)
測(cè)控軟件包括測(cè)試節(jié)點(diǎn)下位機(jī)程序和上運(yùn)行的控制中心上位機(jī)軟件，二者相互協(xié)作，完成終端測(cè)試節(jié)點(diǎn)和控制臺(tái)間的消息通信。
4.1測(cè)試節(jié)點(diǎn)控制程序設(shè)計(jì)
測(cè)試節(jié)點(diǎn)控制程序主要功能是消息處理，即可以完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、無線接入等功能，同時(shí)還能夠?qū)刂婆_(tái)下發(fā)的指令進(jìn)行接收、解析。測(cè)試節(jié)點(diǎn)程序包含讀和寫功能指令，讀指令用于查詢測(cè)試節(jié)點(diǎn)當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)，寫指令用于命令測(cè)試節(jié)點(diǎn)執(zhí)行控制臺(tái)下發(fā)指令任務(wù)。指令控制測(cè)試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位數(shù)據(jù)采集、定姿數(shù)據(jù)采集、振動(dòng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)回傳等任務(wù)。采用不同短指令標(biāo)記不同任務(wù);指令共三字節(jié)，幀頭占兩個(gè)字節(jié)，指令占一個(gè)字節(jié)。指令發(fā)送完成后，測(cè)試節(jié)點(diǎn)喚醒，響應(yīng)接收，根據(jù)指令開始執(zhí)行任務(wù)。
5實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求和預(yù)期效果，進(jìn)行了爆炸地震波模擬測(cè)試試驗(yàn)。測(cè)試節(jié)點(diǎn)按照?qǐng)D布局方案布設(shè)，試驗(yàn)選用5kg的重錘從某一高度落下夯擊地面來模擬地下爆炸產(chǎn)生的地震波。使用集成的測(cè)試節(jié)點(diǎn)對(duì)夯擊產(chǎn)生的振動(dòng)波采集，進(jìn)而驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的無線傳輸、信號(hào)采集等功能。
通訊技術(shù)論文投稿期刊：《儀器儀表學(xué)報(bào)》(月刊)創(chuàng)刊于1980年，是中國(guó)科協(xié)主管、中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)主辦，中國(guó)儀器儀表學(xué)科最具影響力的學(xué)術(shù)性刊物。它所刊登的論文代表了中國(guó)儀器儀表學(xué)科的最高學(xué)術(shù)水平，反映儀器儀表學(xué)科的前沿、研究熱點(diǎn)，標(biāo)志中國(guó)儀器儀表學(xué)科的發(fā)展方向。
6結(jié)束語
本文將無線通訊技術(shù)和傳感測(cè)試技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)設(shè)計(jì)了爆炸場(chǎng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。模塊化測(cè)試節(jié)點(diǎn)不僅能夠采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，而且還可實(shí)現(xiàn)對(duì)自身空間和姿態(tài)信息的感知，同時(shí)能夠及時(shí)響應(yīng)控制臺(tái)的指令。PS秒脈沖的應(yīng)用在一定程度上提高了多測(cè)試節(jié)點(diǎn)間的同步精度。搭建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，性能可靠，組網(wǎng)方便，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離下對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的管理與狀態(tài)監(jiān)控。系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)滿足實(shí)際工程需求，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。該系統(tǒng)為爆炸場(chǎng)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)提供了有效可靠的手段，也可為各類武器彈藥的試驗(yàn)與爆炸點(diǎn)定位提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。
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作者：朱耀杰張曉明閆佳暉耿煜琛
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