基于無線傳感網絡的爆炸場振動監測系統

　　摘要：爆炸場振動測試中節點分布范圍廣、數量多，對各測試節點的狀態監控及全局管理難以有效實現，傳統測試方案中節點部署后難以快速更改狀態。針對上述問題，依據模塊化、標準化和穩定性原則，設計了一種基于無線技術的振動監測系統。給出了爆炸場振動監測系統的基本功能單元，包括數據采集設備、無線組網設備。數據采集設備具有高精度采集、數據存儲、高精度同步、定位定姿等功能;利用無線網橋技術構建了覆蓋廣域范圍的無線網絡，支持IEEE802.11n/ac協議，實現了對遠程分布式測試節點的集中管理、狀態監控、數據傳輸，也可對指定測試節點的工作模式進行快速設置，以滿足測試需求。測試節點的振動測量范圍為0~10g，室外公里數據傳輸。通過模擬測試試驗驗證了系統的有效性，各項功能滿足工程需要。

　　關鍵詞：WSN、無線網橋、振動監測、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能夠為彈藥毀傷威力評估及炸點定位提供重要的設計依據與數據支撐[13]。利用爆炸產生的振動波進行爆炸點定位，為武器裝備的研制和部隊訓練發揮關鍵性作用。由于爆炸試驗存在不可重復性、投入大、危險系數高等問題，因此對爆炸瞬態振動參數的高效采集測試具有十分重要的意義。當前，常用引線電測法和存儲測試法進行爆炸場多參數測試[4。存儲測試法是將微型化測試裝置置于爆炸現場，記錄結束后回收測試設備讀取信號。

　　該方法無法實時監測采集設備狀態,各裝置間無法進行同步采集，測試信號的零點時間無法統一，在廣域測試環境下試驗結束后無法第一時間獲取數據，需要操作人員回收來讀取數據，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，現場布線不靈活、易引入噪聲等問題限制該方法的廣泛應用。在大當量的武器試驗中，測試區域覆蓋面積大、安全距離遠給整個采集系統的數據傳輸、質由于外場試驗的特殊性，采集測試系統一次性布設完成后，應具備滿足多次試驗需求的能力，從而減少人員的重復作業，提高試驗的效率。

　　基于此，本文在存儲測試系統基礎上，結合無線網橋技術[8]，研制出基于無線傳感器網絡的爆炸場振動監測系統，實現了對測試節點遠程管理、參數配置、狀態監測和數據的無線傳輸，同時實現了多節點間的時間同步。

　　1系統總體框架

　　基于WSN的爆炸振動監測系統通過傳感測試節點間的相互協作實現對監控區域中目標信息的感知、采集和處理，并將處理后的信息傳送給控制中心，系統總體結構框圖如圖所示，包括分布式傳感測試節點、無線網橋和控制中心。

　　基于無線通信技術的分布式測試系統可通過無線網絡對分散在測試區域內所有測試節點進行管理和控制，實現分散操作、協同工作和集中控制。分布式測試節點按照仿真優化布局方案布署在測試區域完成對爆炸場振動信號的獲取與傳輸，測試節點自身可通過GNSS定位模塊和電子羅盤確定自身空間和姿態信息。控制中心通過點對多點的無線拓撲方式實現對多個測試節點的遠距離管理、控制和監測，包括測試準備階段的各節點工作參數配置;等待爆炸階段的工作各節點工作狀態監控和復位等;以及爆炸完成后的測試數據傳輸。

　　2無線傳感測試節點設計

　　在地下爆炸振動信號的采集測試中，測試區域覆蓋范圍較大，地震波傳播距離遠，信號微弱，需具備較強的續航能力。為高效實時完成對廣域環中的振動信號采集，對測試節點的采集精度、數據傳輸和存儲能力等提出了較高的要求10。結合實際測試需求，測試節點設計參數如下表1所示。

　　2.1數據采集模塊

　　數據采集模塊是測試節點的核心組件。其搭載基于RMCortexTMM4內核的TM32F405處理器，主時鐘頻率最高可達68MH，運算速度快，能夠實現與外部設備的高速通訊。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高精度模數轉換芯片，轉換精度可達.3911，采用SPI接口進行芯片配置和數據傳輸，為提高DC采集時的運算效率，利用MA(DirectMemoryAccess,直接存儲區訪問的方式，實現高效多通道、高采樣率的采集，采樣速率可達50kHz。

　　在完成對數據的處理后，主控將數據存儲于卡中，本系統采用DIO接口協議，卡容量可根據實際存儲容量選定，在固件程序中移植了ATFS文件系統，便于在端對卡存儲文件進行操作。數據采集儀利用NSS模塊PPS同步秒脈沖，使各分布式測試節點可在統一時間基準下工作，同步精度達到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技術完成對各測試節點位置坐標的高精度定位。

　　2.2傳感模塊

　　傳感模塊作為測試節點的功能前端，其重要性不言而喻。為提高傳感器的環境適應能力，基于小型化的設計理念，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部垂直安裝構成矢量傳感器。同時內部安裝三軸磁傳感器M3100，與加速度計組合構成電子羅盤以便獲取測試節點在爆炸場布設后的姿態信息。為了避免模組外殼對磁傳感器感知地球磁場的影響，模組結構選用硬鋁材質加工。本著低功耗的設計理念，傳感模組中的電源板智能供電模式，在需要測試節點待機時，可切斷傳感模組中的電源供應。

　　2.3無線通訊模塊

　　無線通訊模塊負責完成測試節點與控制中心間的控制指令下達與數據傳輸，無線通訊模塊是構建可靠的無線傳感網絡的關鍵。為了滿足在遠距離環境下的高效數據傳輸，選用了美國LigoWave公司高帶寬無線網橋，該網橋支持IEEE802.11n/ac協議、MIMO2×2傳輸模式、內置高增益雙極化天線，其抗干擾能力強，即使有較強的干擾仍能保障穩定的接入。因無線網橋需連接以太網口進行才能數據讀寫，選用W5500以太網模塊實現單片機的以太網接入功能，從而實現無線網橋與數據采集儀的關聯。W5500支持高速標準線SPI接口與主機進行通信，通過RJ45接口與無線網橋連接。

　　3無線通信網絡構建

　　無線通信網絡主要是在控制中心與分布式測試節點之間架起通訊橋梁，完成指令轉發和數據回傳等功能，由各測試節點、無線網橋和控制中心計算機組成。在該無線測試網絡中采用星型拓撲結構，即點對多點，一個中心無線網橋與多個無線傳感器測試節點通信的組網方式，無線網絡拓撲結構如圖所示。無線網絡中的各測試節點連接到中心網橋后，由無線網橋進行指令廣播和網絡配置。

　　測試節點加入無線網絡時會被分配唯一固定地址。無線網橋設備工作在5.8GHz頻段，無需申請頻段，便于部署，中心無線網橋和控制中心通過網線RJ45)連接，安裝于測試現場安全區域。此外，無線電磁波信號傳輸過程極易受現場環境干擾，引起信號的衰減和多徑效應，因此需根據爆炸試驗場地的地形合理規劃無線通信設備的布設位置以及高度，一般來說設備收發天線的高度要求滿足障礙物不超過菲尼爾區14的40%。

　　4測控軟件設計

　　測控軟件包括測試節點下位機程序和上運行的控制中心上位機軟件，二者相互協作，完成終端測試節點和控制臺間的消息通信。

　　4.1測試節點控制程序設計

　　測試節點控制程序主要功能是消息處理，即可以完成數據采集、數據存儲、無線接入等功能，同時還能夠對控制臺下發的指令進行接收、解析。測試節點程序包含讀和寫功能指令，讀指令用于查詢測試節點當前執行任務，寫指令用于命令測試節點執行控制臺下發指令任務。指令控制測試節點進行定位數據采集、定姿數據采集、振動數據采集、數據回傳等任務。采用不同短指令標記不同任務;指令共三字節，幀頭占兩個字節，指令占一個字節。指令發送完成后，測試節點喚醒，響應接收，根據指令開始執行任務。

　　5實驗結果與分析

　　為驗證設計的振動監測系統能否達到設計要求和預期效果，進行了爆炸地震波模擬測試試驗。測試節點按照圖布局方案布設，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生的地震波。使用集成的測試節點對夯擊產生的振動波采集，進而驗證所設計系統的無線傳輸、信號采集等功能。

　　通訊技術論文投稿期刊：《儀器儀表學報》(月刊)創刊于1980年，是中國科協主管、中國儀器儀表學會主辦，中國儀器儀表學科最具影響力的學術性刊物。它所刊登的論文代表了中國儀器儀表學科的最高學術水平，反映儀器儀表學科的前沿、研究熱點，標志中國儀器儀表學科的發展方向。

　　6結束語

　　本文將無線通訊技術和傳感測試技術相結合，開發設計了爆炸場振動監測系統。模塊化測試節點不僅能夠采集振動數據，而且還可實現對自身空間和姿態信息的感知，同時能夠及時響應控制臺的指令。PS秒脈沖的應用在一定程度上提高了多測試節點間的同步精度。搭建的無線傳感網絡，性能可靠，組網方便，實現了遠距離下對測試節點的管理與狀態監控。系統功能設計滿足實際工程需求，具有較高的應用價值。該系統為爆炸場的振動監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據支撐。

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　　作者：朱耀杰張曉明閆佳暉耿煜琛

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