王 玉，張志杰，王文廉

（1．中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051;2．中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引 言

爆炸過程中的沖擊波動態(tài)壓力測試是武器研制過程中威力評估和性能評價的重要手段，常用的測試方法是引線電測法和存儲測試法［1］。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，各種傳統(tǒng)測試方法得到了很大的改善［2］，可實現(xiàn)遠距離狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸，提高測試的可靠性和安全性。但是，對動態(tài)壓力測試需要較高的信號采集速率和較大數(shù)據(jù)容量，而且爆炸過程要求測試系統(tǒng)必須具有抗干擾和抗沖擊的性能。常規(guī)的傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低速率、短距離、自組織的特性［3］，很難直接應(yīng)用其中。雖然已有相關(guān)的文獻研究了沖擊波場的無線測試系統(tǒng)，但是，它們大都采用發(fā)展成熟的Zig Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理［4，5］。此類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率低、距離近，對于單節(jié)點數(shù)據(jù)量達到幾兆字節(jié)的沖擊波壓力測試，很難得到實際應(yīng)用?；?．4 GHz無線射頻收發(fā)模塊的壓力測試系統(tǒng)，可以達到較快的通信速率，但是沒有標(biāo)準的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，很難用于多節(jié)點的分布式測試系統(tǒng)，幾乎不能形成網(wǎng)絡(luò)覆蓋。有些測試系統(tǒng)通過商業(yè)化的無線網(wǎng)卡組建了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，但沒有設(shè)計適合爆炸場的工作模式，更難接受爆炸場惡劣環(huán)境的考驗。針對目前爆炸場壓力無線測試系統(tǒng)的不足，本文研究了基于Wi-Fi技術(shù)的無線傳感器測試系統(tǒng)，具有傳輸速率快、傳輸距離遠、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、抗干擾和抗沖擊等特點。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

爆炸場地面壓力測試Wi-Fi無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括分布式傳感器節(jié)點、無線接入點AP和主控計算機。與常規(guī)的無線傳感器網(wǎng)路不同，其采用了Infra的組網(wǎng)方式，傳感器節(jié)點直接與無線接入點（AP）連接，不用通過多跳式數(shù)據(jù)傳輸。因為采用了Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，最高傳輸速率能達到54 Mbps，傳感器節(jié)點到無線接入點的傳輸距離可達到300m。而Wi-Fi具有標(biāo)準IEEE 802．11b/g傳輸協(xié)議，可方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋或中繼式遠距離傳輸。主控計算機為管理節(jié)點，為用戶提供應(yīng)用界面，可執(zhí)行對單個和多個傳感器節(jié)點的參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)控、信息廣播和批量數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 Wi-Fi無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of Wi-Fi WSNs

分布式無線傳感器節(jié)點設(shè)計是系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵，其單節(jié)點的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2所示。每個節(jié)點可以獨立地工作完成測試，也可以加入網(wǎng)絡(luò)批量處理。任一節(jié)點打開電源后開始工作，首先做功能自檢，包括對傳感器的連接、信號采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、接口模塊等電路進行檢測;然后搜索無線網(wǎng)絡(luò)，如果長時間沒有網(wǎng)絡(luò)可用，節(jié)點作定時搜索，降低功耗;節(jié)點可以連入網(wǎng)絡(luò)后，由主控計算機進行工作參數(shù)的配置、狀態(tài)掃描和斷開網(wǎng)絡(luò)的操作，或者直接進入待觸發(fā)狀態(tài)，等待壓力信號的到來。系統(tǒng)觸發(fā)，節(jié)點在采集記錄完成后，連接網(wǎng)絡(luò)。由主控計算機發(fā)起數(shù)據(jù)的傳輸。

單節(jié)點電路設(shè)計原理如圖3所示。由壓力傳感器、信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲器、FPGA控制、Wi-Fi無線通信、增益放大器、定向微帶天線和電池幾部分組成。信號調(diào)理、采集、存儲電路設(shè)計與常規(guī)的分布式存儲系統(tǒng)設(shè)計相似，在此不一一贅述。設(shè)計的功能包括:采集速率100k～2 Msps可調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)容量10 kbyte～8 Mbyte可調(diào)節(jié)、量程可調(diào)節(jié)等。節(jié)點采用FPGA作為可編程控制器，完成采集、記錄、存儲等功能的控制，以及數(shù)據(jù)的預(yù)處理、Wi-Fi協(xié)議控制。FPGA可實現(xiàn)各模塊的多線程工作，有利于提高數(shù)據(jù)的存取速率和無線傳輸速率。

地面工作環(huán)境給無線測試節(jié)點帶來了最大的挑戰(zhàn)。因為地面效應(yīng)會降低無線信號的傳輸功率、改變天線的帶寬和匹配電阻，降低數(shù)據(jù)傳輸距離、傳輸速率和可靠性［6，7］。本系統(tǒng)通過2個方面提高無線傳輸性能:一是定向微帶天線，提高天線的增益;二是增加了有源增益放大器。傳感器節(jié)點實物如圖4所示，貼近地面工作。

圖2 傳感器節(jié)點工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig 2 Working state conversion of sensor node

圖3 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Structure diagram of sensor node

圖4 傳感器節(jié)點實物圖Fig 4 Physical photo of sensor node

2 事件觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)工作模式

Wi-Fi無線傳輸具有速率快和距離遠的特點，但是隨之帶來的是較大的功耗。本系統(tǒng)的分布式測試節(jié)點具有體積小、電池供電的特點，所以，降低功耗延長工作時間顯得尤為重要。本系統(tǒng)設(shè)計了事件觸發(fā)的網(wǎng)絡(luò)工作模式，在測試節(jié)點需要工作參數(shù)配置、狀態(tài)掃描和數(shù)據(jù)傳輸時，自動連入網(wǎng)絡(luò)。其他時間無線模塊處于休眠狀態(tài)，工作電流為微安級。

在系統(tǒng)的整個工作過程中，主要有3種無線通信需求:1）主控計算機需要對單個或者多個的傳感器節(jié)點進行參數(shù)設(shè)置，比如，調(diào)節(jié)測試量程、采集速率、數(shù)據(jù)容量等;2）需要對所有的傳感器節(jié)點進行狀態(tài)掃描檢測，防止系統(tǒng)的干擾和誤觸發(fā);3）對單個或者多個節(jié)點進行數(shù)據(jù)批量傳輸。根據(jù)以上需求，優(yōu)先保證測試數(shù)據(jù)的可靠性傳輸，采用了TCP傳輸協(xié)議。

基于事件觸發(fā)的網(wǎng)絡(luò)工作模式如圖5所示。網(wǎng)絡(luò)工作過程分爆炸前和爆炸后2個階段。第一個階段可設(shè)置工作參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)測，傳感器節(jié)點作為客戶端發(fā)起連接，主控計算機作為服務(wù)器確認連接后，可以發(fā)送指令并掃描狀態(tài);如果確認系統(tǒng)設(shè)置完成，功能和狀態(tài)正常，可以用于測試，主控端發(fā)送網(wǎng)絡(luò)斷開指令;傳感器節(jié)點的無線模塊進入休眠狀態(tài)。第二個階段完成測試數(shù)據(jù)的批量傳輸，傳感器節(jié)點完成壓力信號采集存儲后，自動連入網(wǎng)絡(luò);主控端確認各傳感器節(jié)點連入網(wǎng)絡(luò)后，開始多節(jié)點的批量數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 事件觸發(fā)的網(wǎng)絡(luò)工作模式原理Fig 5 Principle of event-triggered network working mode

3 試驗與數(shù)據(jù)分析

為了驗證系統(tǒng)的可靠性，在爆炸環(huán)境進行了試驗驗證。在距爆炸中心半徑為20，25，30 m的地面上布置了20個傳感器節(jié)點，圖6為一個方向上的多個傳感器節(jié)點實測安裝圖。

圖6 現(xiàn)場試驗傳感器節(jié)點布置圖Fig 6 Layout of sensor nodes in scene experiment

圖7是通過主控計算機應(yīng)用軟件讀取的3個測點的壓力數(shù)據(jù)曲線?？梢郧宄乜吹?，在爆炸開始后環(huán)境對傳感器節(jié)點有一定的干擾，造成信號基線上噪聲很大。但是并沒有發(fā)生漂移，這不影響壓力信號的正確性。測試節(jié)點距離爆炸中心的距離不同，沖擊波壓力信號達到的時刻也不相同，它的時間差約為9 ms和6 ms。在20 m處的測點壓力峰值約為 0．06 MPa。

4 結(jié)論

圖7 現(xiàn)場測試曲線Fig 7 Curves of scene test

設(shè)計并研制了用于爆炸場地面壓力測試的Wi-Fi無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)了300 m的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，可以遠距離進行工作參數(shù)配置、狀態(tài)掃描和數(shù)據(jù)批量傳輸。通過實驗驗證了系統(tǒng)的抗干擾能力、測試可靠性和無線網(wǎng)絡(luò)的性能。

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