朱耀杰,張曉明,閆佳暉,耿煜琛

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051;2.北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

0 引言

在靶場試驗(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[1-3]。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)的高效采集測試具有十分重要的意義。當(dāng)前，常用引線電測法和存儲(chǔ)測試法進(jìn)行爆炸場多參數(shù)測試[4-6]。存儲(chǔ)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(hào)[7]。該方法無法實(shí)時(shí)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(hào)的零點(diǎn)時(shí)間無法統(tǒng)一，在廣域測試環(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。引線電測法是在測點(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)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(yàn)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(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?；诖?，本文在存儲(chǔ)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(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)測試節(jié)點(diǎn)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(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)測系統(tǒng)通過傳感測試節(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1所示，包括分布式傳感測試節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)橋和控制中心?；跓o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(duì)分散在測試區(qū)域內(nèi)所有測試節(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。分布式測試節(jié)點(diǎn)按照仿真優(yōu)化布局方案[9]布署在測試區(qū)域完成對(duì)爆炸場振動(dòng)信號(hào)的獲取與傳輸，測試節(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)測試節(jié)點(diǎn)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(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試數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 無線傳感測試節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在地下爆炸振動(dòng)信號(hào)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(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)際測試需求，測試節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

由于爆炸振動(dòng)波在土壤介質(zhì)中的傳播是多方向的，因此傳感測試節(jié)點(diǎn)必須具備能夠同時(shí)采集三軸振動(dòng)信號(hào)的能力，同時(shí)測試節(jié)點(diǎn)具備測姿定位等敏感單元。無線傳感節(jié)點(diǎn)遵循模塊化的設(shè)計(jì)思路，不同模塊功能不同，各模塊獨(dú)立運(yùn)行完成各自工作任務(wù)同時(shí)可根據(jù)工作流程進(jìn)行互相協(xié)作。模塊化的設(shè)計(jì)思路降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試的復(fù)雜程度，保證爆炸場振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的高效性。

無線傳感節(jié)點(diǎn)主要包括數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊、傳感模塊和無線通信模塊。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)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(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是測試節(jié)點(diǎn)的核心組件。其搭載基于ARM CortexTM-M4內(nèi)核的STM32F405處理器，主時(shí)鐘頻率最高可達(dá)168 MHz，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8通道的AD7771高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0.39 μV[11]，采用SPI接口進(jìn)行芯片配置和數(shù)據(jù)傳輸，為提高ADC采集時(shí)的運(yùn)算效率，利用DMA (Direct Memory Access,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AD采集，采樣速率可達(dá)50 kHz。在完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理后，主控將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于SD卡中，本系統(tǒng)采用SDIO接口協(xié)議，SD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FATFS文件系統(tǒng)，便于在PC端對(duì)SD卡存儲(chǔ)文件進(jìn)行操作。數(shù)據(jù)采集儀利用GNSS模塊1PPS同步秒脈沖，使各分布式測試節(jié)點(diǎn)可在統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)下工作，同步精度達(dá)到17 ns，實(shí)際性能分析與測試表明該同步誤差小于100 ns；同時(shí)還可通過RTK技術(shù)完成對(duì)各測試節(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30 mm*30 mm*30 mm。3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，3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RM3100，與加速度計(jì)組合構(gòu)成電子羅盤以便獲取測試節(jié)點(diǎn)在爆炸場布設(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LigoWave公司高帶寬無線網(wǎng)橋，該網(wǎng)橋支持IEEE802.11 n/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[12]。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)4線SPI接口與主機(jī)進(jìn)行通信，通過RJ-45接口與無線網(wǎng)橋連接。無線測試節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖3所示。

圖3 無線測試節(jié)點(diǎn)實(shí)物

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(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。在該無線測試網(wǎng)絡(luò)中采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[13]，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4所示。無線網(wǎng)絡(luò)中的各測試節(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。測試節(jié)點(diǎn)加入無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)會(huì)被分配唯一固定IP地址。無線網(wǎng)橋設(shè)備工作在5.8 GHz 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(RJ-45)連接，安裝于測試現(xiàn)場安全區(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%。

圖4 無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳感測試節(jié)點(diǎn)和控制中心之間采用客戶端/服務(wù)器(Client/Server)的網(wǎng)絡(luò)模型，采用UDP 協(xié)議的Socket 通信機(jī)制[15-17]，控制中心通過網(wǎng)絡(luò)廣播和向指定IP設(shè)備發(fā)送消息兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。無線網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)由控制中心發(fā)起請(qǐng)求，測試節(jié)點(diǎn)監(jiān)控接收到的指令，并且對(duì)指令進(jìn)行解析，完成對(duì)應(yīng)指令的工作任務(wù)。為防止控制中心連續(xù)重復(fù)發(fā)送相同指令導(dǎo)致測試節(jié)點(diǎn)執(zhí)行錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)指令有效性識(shí)別功能。根據(jù)相應(yīng)通信機(jī)制為傳感器測試節(jié)點(diǎn)和控制中心分配相應(yīng)的 IP地址，為便于統(tǒng)一管理，傳感測試節(jié)點(diǎn)IP使用192.168.2.1XX，XX為01～99以內(nèi)的任意整數(shù)，代表了部署的傳感測試節(jié)點(diǎn)編號(hào)；控制中心IP為192.168.2.150。

4 測控軟件設(shè)計(jì)

測控軟件包括測試節(jié)點(diǎn)下位機(jī)程序和PC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(diǎn)和控制臺(tái)間的消息通信。

4.1 測試節(jié)點(diǎn)控制程序設(shè)計(jì)

測試節(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。測試節(jié)點(diǎn)程序包含讀和寫功能指令，讀指令用于查詢測試節(jié)點(diǎn)當(dāng)前執(zhí)行任務(wù)，寫指令用于命令測試節(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)。測試節(jié)點(diǎn)控制程序流程圖如圖5所示。

圖5 測試節(jié)點(diǎn)控制程序流程圖

4.2 控制臺(tái)程序設(shè)計(jì)

控制臺(tái)上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)測試系統(tǒng)與用戶間的人機(jī)交互，在Windows系統(tǒng)Visual Studio開發(fā)環(huán)境下基于C#設(shè)計(jì)，能夠完成參數(shù)配置、設(shè)備自檢、狀態(tài)掃描檢測、采集模式設(shè)置、指令下發(fā)、數(shù)據(jù)回傳等功能；同時(shí)各測試節(jié)點(diǎn)執(zhí)行接收指令后，可向控制臺(tái)以時(shí)間戳的形式反饋當(dāng)前節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息，實(shí)驗(yàn)人員可實(shí)時(shí)監(jiān)控到各測試節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，若存在異?？杉皶r(shí)標(biāo)記并對(duì)狀態(tài)重新設(shè)定，提高系統(tǒng)的可靠性。

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試試驗(yàn)。測試節(jié)點(diǎn)按照?qǐng)D6布局方案布設(shè)，試驗(yàn)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(chǎn)生的地震波。使用集成的測試節(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。圖7為模擬測試試驗(yàn)現(xiàn)場圖。

圖6 測試節(jié)點(diǎn)布置圖

圖7 模擬測試試驗(yàn)現(xiàn)場

測試節(jié)點(diǎn)布設(shè)完成后，各節(jié)點(diǎn)上電啟動(dòng)，節(jié)點(diǎn)初始化完成等待任務(wù)指令的到來。在距離模擬炸點(diǎn)100 m處部署控制臺(tái)，進(jìn)行指令的下發(fā)等操作。經(jīng)過5次夯擊試驗(yàn)，測試節(jié)點(diǎn)回傳數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理，得到了各測試節(jié)點(diǎn)采集的振動(dòng)信號(hào)，圖8給出了2#節(jié)點(diǎn)測試數(shù)據(jù)結(jié)果，可以看出隨著重錘下落高度的增高，振動(dòng)信號(hào)的幅值也越來越大。模擬測試試驗(yàn)表明，系統(tǒng)整體功能運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期效果，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性及有效性。

圖8 測試節(jié)點(diǎn)加速度曲線圖

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(jì)了爆炸場振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。模塊化測試節(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。PPS秒脈沖的應(yīng)用在一定程度上提高了多測試節(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)為爆炸場的振動(dòng)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(yàn)與爆炸點(diǎn)定位提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。