基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的爆炸場振動監(jiān)測系統(tǒng)

　　摘要：爆炸場振動測試中節(jié)點分布范圍廣、數(shù)量多，對各測試節(jié)點的狀態(tài)監(jiān)控及全局管理難以有效實現(xiàn)，傳統(tǒng)測試方案中節(jié)點部署后難以快速更改狀態(tài)。針對上述問題，依據(jù)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和穩(wěn)定性原則，設(shè)計了一種基于無線技術(shù)的振動監(jiān)測系統(tǒng)。給出了爆炸場振動監(jiān)測系統(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、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，實現(xiàn)了對遠(yuǎn)程分布式測試節(jié)點的集中管理、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸，也可對指定測試節(jié)點的工作模式進(jìn)行快速設(shè)置，以滿足測試需求。測試節(jié)點的振動測量范圍為0~10g，室外公里數(shù)據(jù)傳輸。通過模擬測試試驗驗證了系統(tǒng)的有效性，各項功能滿足工程需要。

　　關(guān)鍵詞：WSN、無線網(wǎng)橋、振動監(jiān)測、分布式測試、STM32

　　0引言

　　在靶場試驗中，彈藥爆炸過程中的振動參數(shù)能夠為彈藥毀傷威力評估及炸點定位提供重要的設(shè)計依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐[13]。利用爆炸產(chǎn)生的振動波進(jìn)行爆炸點定位，為武器裝備的研制和部隊訓(xùn)練發(fā)揮關(guān)鍵性作用。由于爆炸試驗存在不可重復(fù)性、投入大、危險系數(shù)高等問題，因此對爆炸瞬態(tài)振動參數(shù)的高效采集測試具有十分重要的意義。當(dāng)前，常用引線電測法和存儲測試法進(jìn)行爆炸場多參數(shù)測試[4。存儲測試法是將微型化測試裝置置于爆炸現(xiàn)場，記錄結(jié)束后回收測試設(shè)備讀取信號。

　　該方法無法實時監(jiān)測采集設(shè)備狀態(tài),各裝置間無法進(jìn)行同步采集，測試信號的零點時間無法統(tǒng)一，在廣域測試環(huán)境下試驗結(jié)束后無法第一時間獲取數(shù)據(jù)，需要操作人員回收來讀取數(shù)據(jù)，試驗效率較低。引線電測法是在測點處布置傳感器，通過電纜將信號接入采集系統(tǒng)，現(xiàn)場布線不靈活、易引入噪聲等問題限制該方法的廣泛應(yīng)用。在大當(dāng)量的武器試驗中，測試區(qū)域覆蓋面積大、安全距離遠(yuǎn)給整個采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、質(zhì)由于外場試驗的特殊性，采集測試系統(tǒng)一次性布設(shè)完成后，應(yīng)具備滿足多次試驗需求的能力，從而減少人員的重復(fù)作業(yè)，提高試驗的效率。

　　基于此，本文在存儲測試系統(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)的爆炸場振動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對測試節(jié)點遠(yuǎn)程管理、參數(shù)配置、狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)的無線傳輸，同時實現(xiàn)了多節(jié)點間的時間同步。

　　1系統(tǒng)總體框架

　　基于WSN的爆炸振動監(jiān)測系統(tǒng)通過傳感測試節(jié)點間的相互協(xié)作實現(xiàn)對監(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，包括分布式傳感測試節(jié)點、無線網(wǎng)橋和控制中心。

　　基于無線通信技術(shù)的分布式測試系統(tǒng)可通過無線網(wǎng)絡(luò)對分散在測試區(qū)域內(nèi)所有測試節(jié)點進(jìn)行管理和控制，實現(xiàn)分散操作、協(xié)同工作和集中控制。分布式測試節(jié)點按照仿真優(yōu)化布局方案布署在測試區(qū)域完成對爆炸場振動信號的獲取與傳輸，測試節(jié)點自身可通過GNSS定位模塊和電子羅盤確定自身空間和姿態(tài)信息。控制中心通過點對多點的無線拓?fù)浞绞綄崿F(xiàn)對多個測試節(jié)點的遠(yuǎn)距離管理、控制和監(jiān)測，包括測試準(zhǔn)備階段的各節(jié)點工作參數(shù)配置;等待爆炸階段的工作各節(jié)點工作狀態(tài)監(jiān)控和復(fù)位等;以及爆炸完成后的測試數(shù)據(jù)傳輸。

　　2無線傳感測試節(jié)點設(shè)計

　　在地下爆炸振動信號的采集測試中，測試區(qū)域覆蓋范圍較大，地震波傳播距離遠(yuǎn)，信號微弱，需具備較強(qiáng)的續(xù)航能力。為高效實時完成對廣域環(huán)中的振動信號采集，對測試節(jié)點的采集精度、數(shù)據(jù)傳輸和存儲能力等提出了較高的要求10。結(jié)合實際測試需求，測試節(jié)點設(shè)計參數(shù)如下表1所示。

　　2.1數(shù)據(jù)采集模塊

　　數(shù)據(jù)采集模塊是測試節(jié)點的核心組件。其搭載基于RMCortexTMM4內(nèi)核的TM32F405處理器，主時鐘頻率最高可達(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。為保證對振動信號的高精度采集，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).3911，采用SPI接口進(jìn)行芯片配置和數(shù)據(jù)傳輸，為提高DC采集時的運(yùn)算效率，利用MA(DirectMemoryAccess,直接存儲區(qū)訪問的方式，實現(xiàn)高效多通道、高采樣率的采集，采樣速率可達(dá)50kHz。

　　在完成對數(shù)據(jù)的處理后，主控將數(shù)據(jù)存儲于卡中，本系統(tǒng)采用DIO接口協(xié)議，卡容量可根據(jù)實際存儲容量選定，在固件程序中移植了ATFS文件系統(tǒng)，便于在端對卡存儲文件進(jìn)行操作。數(shù)據(jù)采集儀利用NSS模塊PPS同步秒脈沖，使各分布式測試節(jié)點可在統(tǒng)一時間基準(zhǔn)下工作，同步精度達(dá)到ns，實際性能分析與測試表明該同步誤差小于00ns;同時還可通過TK技術(shù)完成對各測試節(jié)點位置坐標(biāo)的高精度定位。

　　2.2傳感模塊

　　傳感模塊作為測試節(jié)點的功能前端，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)計理念，傳感器外形尺寸僅為30mm×30mm×30mm。三個高精度單軸微振動傳感器以及三軸加速度計，用于爆炸振動波的精確采集。由于振動波具有矢量性，三個微振動傳感器在殼體內(nèi)部垂直安裝構(gòu)成矢量傳感器。同時內(nèi)部安裝三軸磁傳感器M3100，與加速度計組合構(gòu)成電子羅盤以便獲取測試節(jié)點在爆炸場布設(shè)后的姿態(tài)信息。為了避免模組外殼對磁傳感器感知地球磁場的影響，模組結(jié)構(gòu)選用硬鋁材質(zhì)加工。本著低功耗的設(shè)計理念，傳感模組中的電源板智能供電模式，在需要測試節(jié)點待機(jī)時，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)完成測試節(jié)點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)模塊實現(xiàn)單片機(jī)的以太網(wǎng)接入功能，從而實現(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試節(jié)點之間架起通訊橋梁，完成指令轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)回傳等功能，由各測試節(jié)點、無線網(wǎng)橋和控制中心計算機(jī)組成。在該無線測試網(wǎng)絡(luò)中采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即點對多點，一個中心無線網(wǎng)橋與多個無線傳感器測試節(jié)點通信的組網(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)中的各測試節(jié)點連接到中心網(wǎng)橋后，由無線網(wǎng)橋進(jìn)行指令廣播和網(wǎng)絡(luò)配置。

　　測試節(jié)點加入無線網(wǎng)絡(luò)時會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，安裝于測試現(xiàn)場安全區(qū)域。此外，無線電磁波信號傳輸過程極易受現(xiàn)場環(huán)境干擾，引起信號的衰減和多徑效應(yīng)，因此需根據(jù)爆炸試驗場地的地形合理規(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測控軟件設(shè)計

　　測控軟件包括測試節(jié)點下位機(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，完成終端測試節(jié)點和控制臺間的消息通信。

　　4.1測試節(jié)點控制程序設(shè)計

　　測試節(jié)點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、無線接入等功能，同時還能夠?qū)�控制臺下發(fā)的指令進(jìn)行接收、解析。測試節(jié)點程序包含讀和寫功能指令，讀指令用于查詢測試節(jié)點當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)，寫指令用于命令測試節(jié)點執(zhí)行控制臺下發(fā)指令任務(wù)。指令控制測試節(jié)點進(jìn)行定位數(shù)據(jù)采集、定姿數(shù)據(jù)采集、振動數(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)，幀頭占兩個字節(jié)，指令占一個字節(jié)。指令發(fā)送完成后，測試節(jié)點喚醒，響應(yīng)接收，根據(jù)指令開始執(zhí)行任務(wù)。

　　5實驗結(jié)果與分析

　　為驗證設(shè)計的振動監(jiān)測系統(tǒng)能否達(dá)到設(shè)計要求和預(yù)期效果，進(jìn)行了爆炸地震波模擬測試試驗。測試節(jié)點按照圖布局方案布設(shè)，試驗選用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。使用集成的測試節(jié)點對夯擊產(chǎn)生的振動波采集，進(jìn)而驗證所設(shè)計系統(tǒng)的無線傳輸、信號采集等功能。

　　通訊技術(shù)論文投稿期刊：《儀器儀表學(xué)報》(月刊)創(chuàng)刊于1980年，是中國科協(xié)主管、中國儀器儀表學(xué)會主辦，中國儀器儀表學(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，標(biāo)志中國儀器儀表學(xué)科的發(fā)展方向。

　　6結(jié)束語

　　本文將無線通訊技術(shù)和傳感測試技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)設(shè)計了爆炸場振動監(jiān)測系統(tǒng)。模塊化測試節(jié)點不僅能夠采集振動數(shù)據(jù)，而且還可實現(xiàn)對自身空間和姿態(tài)信息的感知，同時能夠及時響應(yīng)控制臺的指令。PS秒脈沖的應(yīng)用在一定程度上提高了多測試節(jié)點間的同步精度。搭建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，性能可靠，組網(wǎng)方便，實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離下對測試節(jié)點的管理與狀態(tài)監(jiān)控。系統(tǒng)功能設(shè)計滿足實際工程需求，具有較高的應(yīng)用價值。該系統(tǒng)為爆炸場的振動監(jiān)測提供了有效可靠的手段，也可為各類武器彈藥的試驗與爆炸點定位提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]梁國棟鉆地彈攻擊地下目標(biāo)的效能評估[D].南京南京理工大學(xué),2007.

　　[2]高根偉李錦明胡常青近地炸點定位技術(shù)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2015,15(30):155159.

　　[3]馬朝軍基于地震波的彈丸落點定位方法研究[D].南京理工大學(xué),2012.馬鐵華祖靜沖擊波超壓存儲測試技術(shù)研究[J].儀器儀表學(xué)報,2004,25(4)134136.

　　[4]張哲李寶珠王存寶等基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_擊波超壓測試系統(tǒng)的研究[J].傳感器與微系統(tǒng)2009286):79.

　　[6]KlaseboerEHungKCWangCetal.ExperimentalandNumericalInvestigationoftheDynamicsofAnUnderwaterExplosionBubbleNearAResilient/igidStructure[J].JournalofFluidMechanics,2005537;387413.

　　[5]郭士旭陳晉央周會娟余尚江無線量測系統(tǒng)在大當(dāng)量靜爆測試中的應(yīng)用[J].中國測試,2016,42(10):132137.

　　[8]王健裴東興王薇.XXX爆炸威力場遠(yuǎn)距離多參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)J]傳感技術(shù)學(xué)報201326(4):516517.

　　作者：朱耀杰張曉明閆佳暉耿煜琛

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