基于Z i g B e e無線傳感網絡瞬態測溫系統的設計

余凱凱 ，杜紅棉，馬鐵華

（中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051）

0 引言

爆溫是評價炸藥性能的參數。目前在彈藥毀傷研究領域，主要集中在對沖擊波和破片作用的研究，而對熱作用的研究相對較少[1]，且現行的接觸式瞬態高溫測試方法都是基于有線的數據傳輸方式，眾多的線纜不僅使布線復雜，而且存在著干擾噪聲大、短路、斷線隱患、成本高，以及易老化等缺點，錯綜復雜的線路還給系統的調試和維護增加了難度[2]。因此，需要迫切研究一種便捷的、能夠實現數據傳輸的無線通信技術，以滿足測試智能化、高效率的要求[3]。

無線通信技術與有線通信技術相比，具有許多突出的優點：首先，無線通信技術可降低投資成本，支持冗余連接配置，數據可靠性強；其次，它具有成熟可靠的系統安全體系，不會因系統增大而出現不可預料的故障；接著，它可實現遠程訪問、遠程診斷，具有互操作性等等。尤其是在有線網絡不通暢或者現場環境因素的限制不便架設線路的情況下，使用無線通信技術進行數據采集、傳輸則顯得更加實用、高效、快捷[4-6]。本文就是在靜態爆轟過程中瞬態高溫測試背景下提出的，將存儲測試技術和新興的ZigBee無線傳感網絡技術相結合，力圖以現場設備的無線化來解決由線纜帶來的諸多問題。

1 系統設計

1.1 系統總體原理框圖

無線傳感網絡存儲測試系統由兩部分組成：（a）上位機和無線ZigBee模塊組成的檢測中心系統；（b）無線ZigBee模塊、Msp430單片機、光藕、存儲測試裝置組成的測試節點硬件系統。其中存儲測試裝置有瞬態測溫電路和傳感器兩部分組成。無線傳感網絡的組網形式是星形網絡，因此只需要一個中心網絡節點即可。整體設計框圖如下圖1所示。

圖1 無線傳感網絡存儲測試系統整體框圖

無線中心傳感網絡主要負責發送設置參數、無線觸發，以及將接收到的數據顯示在主機界面上。無線終端傳感網絡主要負責無線數據的接收，MSP430單片機主要是為存儲測試裝置設置參數以及讀取測試裝置數據。測試裝置主要是存儲瞬態測得的數據。

1.2 存儲測試裝置原理框圖

存儲測試裝置主要由傳感器和記錄儀兩部分組成，存儲測試裝置是整個無線存儲式瞬態測溫測試系統的核心部分。它負責完成瞬態測溫信號的獲取，調整以及存儲工作。

儲測試裝置原理框圖見圖2。

圖2 存儲測試裝置原理框圖

傳感器的作用是將爆炸場溫度信號轉化為電壓信號；信號適配器是將傳感器測得的信號進行適當的處理；模數轉換器(ADC)對波形數據采集量化；數據存儲器(SRAM)存儲記錄數據波形；地址發生器產生存儲器讀寫地址；地址鎖存器鎖存記錄數據波形的首地址；數據讀取控制器主要控制數據的讀取轉儲；數據緩沖器用于數據的緩沖輸出；信號觸發器實現瞬態信號的延遲觸發控制；預置計數器對測試信號的預觸發時間進行設置；電源控制器管理控制系統的電源消耗；采集、存儲控制器是系統的控制中心，控制各部分有效地協調工作。I/O口為了防止無線傳輸出現錯誤而留的。一旦數據無線傳輸有問題，可以通過回收裝置對裝置重新讀數。

2 實驗及分析

進行了現場1.5kg 某溫壓彈瞬態溫度實驗。在瞬態溫度測試系統中無線ZigBee傳感網絡設置的是星形網絡，主要是保證中心傳感網絡發出的觸發信號能夠保證測試系統在相同的時間內接收到。

2.1 測試方法

無線傳感超壓測試系統位于III象限，距爆心0.6m和1.5m處各布2個于彈藥平齊的瞬態高溫測試系統。兩個爆炸起點記錄裝置分別放置在10m和15m處。無線控制平臺在距爆心100m壕溝的掩體內。測試系統傳感器編號及布設位置如圖3。

圖3 1.5kg溫壓彈試驗測溫測點的布置圖

2.2 測試結果

現場觀察，1.5kg 溫壓彈爆炸威力不是很大，實驗數據比較規律；具體統計見表1。

表1 測點情況統計表

2.3 數據分析

從表1可以看出同距離的測點沖擊波到達時間一致，瞬態溫度峰值基本符合溫度指數衰減規律。1#、2#、4#、5#數據都較好，沖擊波到達時間分別為24.2 ms、25.9 ms、38.2 ms、37.7ms，相同距離的1#、2#，4#、5#一致性較好，在無線ZigBee同步算法誤差范圍之內。從上述的數據可以很清楚地得到瞬態溫度到來的時間點，并且相同距離的裝置，瞬態溫度到來的時間是基本相同的。對瞬態高溫信號做出了很好的判斷。測試節點越多，越能顯示無線ZigBee傳感網絡星形組網的優勢。數據也很好的顯示了整個測試系統的實用性和可靠性，爆炸以后通過無線傳輸傳回來的4#、5#數據如圖4所示。

圖4 0.6米處溫度曲線

3 結論

基于ZigBee無線傳感網絡的沖擊瞬態高溫系統是國內首次將無線傳感技術應用到大威力爆炸沖擊波場中。利用無線傳感網絡觸發的同步性使沖擊波電路幾乎同時進入工作狀態并且能實時得到具體位置的瞬態溫度數據，減少了大威力瞬態高溫存儲數據的失誤。較完善的軟硬件設計和抗干擾措施, 保證了系統工作的安全性和可靠性。系統同樣適用于其他爆炸物爆炸壓力等的測量, 有較大的實用價值和推廣價值。

[1] 李幸.基于熱電偶的爆炸溫度場存儲測試技術研究[D].南京：南京理工大學，2009.

[2] 李麗.無線傳輸系統中功率放大電路的設計[D].太原：中北大學,2006.

[3] ZigBeeAlliance.ZigBee-Specifiction[DB/OL].http:// www.ZigBee.org,2006.

[4] ZigBee聯盟.ZigBee技術引領無線新生活[J].電腦知識與技術,2006.

[5] 王成帥.ZigBee無線傳感網絡在沖擊波測試的應用研究[D].太原：中北大學,2009.

[6] 崔遜學，左從菊.無線傳感網絡簡明教程[M]. 北京:清華大學出版社，2009.

[7] 王海福.爆炸沖擊波存儲測試系統研究[D].北京:北京理工大學,2002.

[8] 祖靜,申湘南,張文棟.存儲測試技術[J].測試技術學報,1994(02).