爆炸場(chǎng)地面壓力測(cè)試的Wi-Fi無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)*

王 玉，張志杰，王文廉

（1．中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051;2．中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引 言

爆炸過程中的沖擊波動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試是武器研制過程中威力評(píng)估和性能評(píng)價(jià)的重要手段，常用的測(cè)試方法是引線電測(cè)法和存儲(chǔ)測(cè)試法［1］。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，各種傳統(tǒng)測(cè)試方法得到了很大的改善［2］，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸，提高測(cè)試的可靠性和安全性。但是，對(duì)動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試需要較高的信號(hào)采集速率和較大數(shù)據(jù)容量，而且爆炸過程要求測(cè)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(xiàn)研究了沖擊波場(chǎng)的無線測(cè)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(duì)于單節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量達(dá)到幾兆字節(jié)的沖擊波壓力測(cè)試，很難得到實(shí)際應(yīng)用。基于2．4 GHz無線射頻收發(fā)模塊的壓力測(cè)試系統(tǒng)，可以達(dá)到較快的通信速率，但是沒有標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，很難用于多節(jié)點(diǎn)的分布式測(cè)試系統(tǒng)，幾乎不能形成網(wǎng)絡(luò)覆蓋。有些測(cè)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(jì)適合爆炸場(chǎng)的工作模式，更難接受爆炸場(chǎng)惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。針對(duì)目前爆炸場(chǎng)壓力無線測(cè)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(cè)試系統(tǒng)，具有傳輸速率快、傳輸距離遠(yuǎn)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、抗干擾和抗沖擊等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

爆炸場(chǎng)地面壓力測(cè)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(diǎn)、無線接入點(diǎn)AP和主控計(jì)算機(jī)。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(diǎn)直接與無線接入點(diǎn)（AP）連接，不用通過多跳式數(shù)據(jù)傳輸。因?yàn)椴捎昧薟i-Fi無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，最高傳輸速率能達(dá)到54 Mbps，傳感器節(jié)點(diǎn)到無線接入點(diǎn)的傳輸距離可達(dá)到300m。而Wi-Fi具有標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802．11b/g傳輸協(xié)議，可方便地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋或中繼式遠(yuǎn)距離傳輸。主控計(jì)算機(jī)為管理節(jié)點(diǎn)，為用戶提供應(yīng)用界面，可執(zhí)行對(duì)單個(gè)和多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，其單節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2所示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立地工作完成測(cè)試，也可以加入網(wǎng)絡(luò)批量處理。任一節(jié)點(diǎn)打開電源后開始工作，首先做功能自檢，包括對(duì)傳感器的連接、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、接口模塊等電路進(jìn)行檢測(cè);然后搜索無線網(wǎng)絡(luò)，如果長時(shí)間沒有網(wǎng)絡(luò)可用，節(jié)點(diǎn)作定時(shí)搜索，降低功耗;節(jié)點(diǎn)可以連入網(wǎng)絡(luò)后，由主控計(jì)算機(jī)進(jìn)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(jìn)入待觸發(fā)狀態(tài)，等待壓力信號(hào)的到來。系統(tǒng)觸發(fā)，節(jié)點(diǎn)在采集記錄完成后，連接網(wǎng)絡(luò)。由主控計(jì)算機(jī)發(fā)起數(shù)據(jù)的傳輸。

單節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)原理如圖3所示。由壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hào)調(diào)理、采集、存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)與常規(guī)的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)相似，在此不一一贅述。設(shè)計(jì)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(diǎn)采用FPGA作為可編程控制器，完成采集、記錄、存儲(chǔ)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(shí)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(cè)試節(jié)點(diǎn)帶來了最大的挑戰(zhàn)。因?yàn)榈孛嫘?yīng)會(huì)降低無線信號(hào)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(gè)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(diǎn)實(shí)物如圖4所示，貼近地面工作。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Structure diagram of sensor node

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)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(yuǎn)的特點(diǎn)，但是隨之帶來的是較大的功耗。本系統(tǒng)的分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)具有體積小、電池供電的特點(diǎn)，所以，降低功耗延長工作時(shí)間顯得尤為重要。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了事件觸發(fā)的網(wǎng)絡(luò)工作模式，在測(cè)試節(jié)點(diǎn)需要工作參數(shù)配置、狀態(tài)掃描和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，自動(dòng)連入網(wǎng)絡(luò)。其他時(shí)間無線模塊處于休眠狀態(tài)，工作電流為微安級(jí)。

在系統(tǒng)的整個(gè)工作過程中，主要有3種無線通信需求:1）主控計(jì)算機(jī)需要對(duì)單個(gè)或者多個(gè)的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，比如，調(diào)節(jié)測(cè)試量程、采集速率、數(shù)據(jù)容量等;2）需要對(duì)所有的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)掃描檢測(cè)，防止系統(tǒng)的干擾和誤觸發(fā);3）對(duì)單個(gè)或者多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)批量傳輸。根據(jù)以上需求，優(yōu)先保證測(cè)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(gè)階段。第一個(gè)階段可設(shè)置工作參數(shù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)，傳感器節(jié)點(diǎn)作為客戶端發(fā)起連接，主控計(jì)算機(jī)作為服務(wù)器確認(rèn)連接后，可以發(fā)送指令并掃描狀態(tài);如果確認(rèn)系統(tǒng)設(shè)置完成，功能和狀態(tài)正常，可以用于測(cè)試，主控端發(fā)送網(wǎng)絡(luò)斷開指令;傳感器節(jié)點(diǎn)的無線模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)。第二個(gè)階段完成測(cè)試數(shù)據(jù)的批量傳輸，傳感器節(jié)點(diǎn)完成壓力信號(hào)采集存儲(chǔ)后，自動(dòng)連入網(wǎng)絡(luò);主控端確認(rèn)各傳感器節(jié)點(diǎn)連入網(wǎng)絡(luò)后，開始多節(jié)點(diǎn)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(yàn)與數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，在爆炸環(huán)境進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。在距爆炸中心半徑為20，25，30 m的地面上布置了20個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，圖6為一個(gè)方向上的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)測(cè)安裝圖。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)傳感器節(jié)點(diǎn)布置圖Fig 6 Layout of sensor nodes in scene experiment

圖7是通過主控計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件讀取的3個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)曲線。可以清楚地看到，在爆炸開始后環(huán)境對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)有一定的干擾，造成信號(hào)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(hào)的正確性。測(cè)試節(jié)點(diǎn)距離爆炸中心的距離不同，沖擊波壓力信號(hào)達(dá)到的時(shí)刻也不相同，它的時(shí)間差約為9 ms和6 ms。在20 m處的測(cè)點(diǎn)壓力峰值約為 0．06 MPa。

4 結(jié)論

圖7 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試曲線Fig 7 Curves of scene test

設(shè)計(jì)并研制了用于爆炸場(chǎng)地面壓力測(cè)試的Wi-Fi無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)了300 m的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，可以遠(yuǎn)距離進(jìn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的抗干擾能力、測(cè)試可靠性和無線網(wǎng)絡(luò)的性能。

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