朱耀杰,張曉明,閆佳暉,耿煜琛

(1.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051;2.北京航天計量測試技術研究所，北京 100076)

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[1-3]。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(fā)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(tài)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[4-6]。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[7]。該方法無法實時監(jiān)測采集設備狀態(tài),各裝置間無法進行同步采集，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(tǒng)，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(qū)域覆蓋面積大、安全距離遠給整個采集系統(tǒng)的數據傳輸、質量控制以及管理等帶來了新的問題。另一方面，由于外場試驗的特殊性，采集測試系統(tǒng)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(yè)，提高試驗的效率。基于此，本文在存儲測試系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)，實現了對測試節(jié)點遠程管理、參數配置、狀態(tài)監(jiān)測和數據的無線傳輸，同時實現了多節(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)作實現對監(jiān)控區(qū)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(tǒng)總體結構框圖如圖1所示，包括分布式傳感測試節(jié)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(tǒng)可通過無線網絡對分散在測試區(qū)域內所有測試節(jié)點進行管理和控制，實現分散操作、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[9]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?？刂浦行耐ㄟ^點對多點的無線拓撲方式實現對多個測試節(jié)點的遠距離管理、控制和監(jiān)測，包括測試準備階段的各節(jié)點工作參數配置；等待爆炸階段的工作各節(jié)點工作狀態(tài)監(jiān)控和復位等；以及爆炸完成后的測試數據傳輸。

圖1 系統(tǒng)總體結構框圖

2 無線傳感測試節(jié)點設計

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，信號微弱，需具備較強的續(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(jié)點設計參數如表1所示。

表1 設計參數

由于爆炸振動波在土壤介質中的傳播是多方向的，因此傳感測試節(jié)點必須具備能夠同時采集三軸振動信號的能力，同時測試節(jié)點具備測姿定位等敏感單元。無線傳感節(jié)點遵循模塊化的設計思路，不同模塊功能不同，各模塊獨立運行完成各自工作任務同時可根據工作流程進行互相協(xié)作。模塊化的設計思路降低系統(tǒng)設計調試的復雜程度，保證爆炸場振動監(jiān)測系統(tǒng)的高效性。

無線傳感節(jié)點主要包括數據采集存儲模塊、傳感模塊和無線通信模塊。節(jié)點結構框圖如圖2所示。本節(jié)中將具體闡述各模塊的功能作用。

圖2 無線傳感測試節(jié)點結構框圖

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊是測試節(jié)點的核心組件。其搭載基于ARM CortexTM-M4內核的STM32F405處理器，主時鐘頻率最高可達168 MHz，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8通道的AD7771高精度模數轉換芯片，轉換精度可達0.39 μV[11]，采用SPI接口進行芯片配置和數據傳輸，為提高ADC采集時的運算效率，利用DMA (Direct Memory Access,直接存儲區(qū)訪問)的方式，實現高效多通道、高采樣率的AD采集，采樣速率可達50 kHz。在完成對數據的處理后，主控將數據存儲于SD卡中，本系統(tǒng)采用SDIO接口協(xié)議，SD卡容量可根據實際存儲容量選定，在固件程序中移植了FATFS文件系統(tǒng)，便于在PC端對SD卡存儲文件進行操作。數據采集儀利用GNSS模塊1PPS同步秒脈沖，使各分布式測試節(jié)點可在統(tǒng)一時間基準下工作，同步精度達到17 ns，實際性能分析與測試表明該同步誤差小于100 ns；同時還可通過RTK技術完成對各測試節(jié)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(jié)點的功能前端，其重要性不言而喻。為提高傳感器的環(huán)境適應能力，基于小型化的設計理念，傳感器外形尺寸僅為30 mm*30 mm*30 mm。3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，3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RM3100，與加速度計組合構成電子羅盤以便獲取測試節(jié)點在爆炸場布設后的姿態(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(jié)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(jié)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(huán)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IEEE802.11 n/ac協(xié)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(wěn)定的接入[12]。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(lián)。W5500支持高速標準4線SPI接口與主機進行通信，通過RJ-45接口與無線網橋連接。無線測試節(jié)點實物如圖3所示。

圖3 無線測試節(jié)點實物

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(jié)點之間架起通訊橋梁，完成指令轉發(fā)和數據回傳等功能，由各測試節(jié)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[13]，即點對多點，一個中心無線網橋與多個無線傳感器測試節(jié)點通信的組網方式，無線網絡拓撲結構如圖4所示。無線網絡中的各測試節(jié)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(jié)點加入無線網絡時會被分配唯一固定IP地址。無線網橋設備工作在5.8 GHz 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(RJ-45)連接，安裝于測試現場安全區(qū)域。此外，無線電磁波信號傳輸過程極易受現場環(huán)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(guī)劃無線通信設備的布設位置以及高度，一般來說設備收發(fā)天線的高度要求滿足障礙物不超過菲尼爾區(qū)[14]的40%。

圖4 無線網絡拓撲結構

傳感測試節(jié)點和控制中心之間采用客戶端/服務器(Client/Server)的網絡模型，采用UDP 協(xié)議的Socket 通信機制[15-17]，控制中心通過網絡廣播和向指定IP設備發(fā)送消息兩種方式進行數據通信。無線網絡通信時由控制中心發(fā)起請求，測試節(jié)點監(jiān)控接收到的指令，并且對指令進行解析，完成對應指令的工作任務。為防止控制中心連續(xù)重復發(fā)送相同指令導致測試節(jié)點執(zhí)行錯誤，設計指令有效性識別功能。根據相應通信機制為傳感器測試節(jié)點和控制中心分配相應的 IP地址，為便于統(tǒng)一管理，傳感測試節(jié)點IP使用192.168.2.1XX，XX為01～99以內的任意整數，代表了部署的傳感測試節(jié)點編號；控制中心IP為192.168.2.150。

4 測控軟件設計

測控軟件包括測試節(jié)點下位機程序和PC上運行的控制中心上位機軟件，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(fā)的指令進行接收、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)點當前執(zhí)行任務，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。指令控制測試節(jié)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(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，響應接收，根據指令開始執(zhí)行任務。測試節(jié)點控制程序流程圖如圖5所示。

圖5 測試節(jié)點控制程序流程圖

4.2 控制臺程序設計

控制臺上位機程序實現測試系統(tǒng)與用戶間的人機交互，在Windows系統(tǒng)Visual Studio開發(fā)環(huán)境下基于C#設計，能夠完成參數配置、設備自檢、狀態(tài)掃描檢測、采集模式設置、指令下發(fā)、數據回傳等功能；同時各測試節(jié)點執(zhí)行接收指令后，可向控制臺以時間戳的形式反饋當前節(jié)點狀態(tài)信息，實驗人員可實時監(jiān)控到各測試節(jié)點的工作狀態(tài)，若存在異?？杉皶r標記并對狀態(tài)重新設定，提高系統(tǒng)的可靠性。

5 實驗結果與分析

為驗證設計的振動監(jiān)測系統(tǒng)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(jié)點按照圖6布局方案布設，試驗選用5 kg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(jié)點對夯擊產生的振動波采集，進而驗證所設計系統(tǒng)的無線傳輸、信號采集等功能。圖7為模擬測試試驗現場圖。

圖6 測試節(jié)點布置圖

圖7 模擬測試試驗現場

測試節(jié)點布設完成后，各節(jié)點上電啟動，節(jié)點初始化完成等待任務指令的到來。在距離模擬炸點100 m處部署控制臺，進行指令的下發(fā)等操作。經過5次夯擊試驗，測試節(jié)點回傳數據，經過數據預處理，得到了各測試節(jié)點采集的振動信號，圖8給出了2#節(jié)點測試數據結果，可以看出隨著重錘下落高度的增高，振動信號的幅值也越來越大。模擬測試試驗表明，系統(tǒng)整體功能運行良好，達到了預期效果，驗證了系統(tǒng)的可靠性及有效性。

圖8 測試節(jié)點加速度曲線圖

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(fā)設計了爆炸場振動監(jiān)測系統(tǒng)。模塊化測試節(jié)點不僅能夠采集振動數據，而且還可實現對自身空間和姿態(tài)信息的感知，同時能夠及時響應控制臺的指令。PPS秒脈沖的應用在一定程度上提高了多測試節(jié)點間的同步精度。搭建的無線傳感網絡，性能可靠，組網方便，實現了遠距離下對測試節(jié)點的管理與狀態(tài)監(jiān)控。系統(tǒng)功能設計滿足實際工程需求，具有較高的應用價值。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據支撐。