超壓場無線組網技術的應用

杜珺

（晉中職業技術學院 山西省晉中市 030600）

彈藥爆炸產生沖擊波是評價武器性能的關鍵指標，靜爆測試是獲取沖擊波超壓參數的重要途徑。針對沖擊波超壓測試，目前國內外主要分為：引線電測法和存儲測試法[1]。存儲法解決了引線法中布線雜亂、抗干擾能力差等問題[2]，但不足是每次實驗后都要人工回收設備獲取數據[3]，費時費力，并且無法事先獲知測試系統狀態。隨著通信技術的發展，在沖擊波測試中無線技術也得到了應用[4-5]，但大多采用單點讀取，測點數增多則難以統一管理，無法現場監測節點測試參數。一旦參數有誤導致測試失敗，增加昂貴的測試成本。

針對以上，本文基于無線組網技術，構建了覆蓋靜爆超壓場的無線局域網絡，實現了遠程無線管理所有測點、參數監測，以及數據傳輸。節點的無線模塊采用多重節能控制，有效降低了系統功耗。對組建好系統，進行了無線網絡功能、性能測試，滿足測試要求。應用到彈藥靜爆中有效測得了超壓，系統穩定、可靠。

1 系統整體設計方案

系統由控制中心（上位機），多個無線測試節點，中心網絡節點（AP），組成的無線局域網絡，系統總體設計框圖如圖1 所示。節點和控制中心采用主從架構，使用socket 連接進行通信，控制中心利用網絡發送命令，配置各節點的測試參數、控制傳輸數據，實現本地存儲。無線測試節點，根據實驗需求在爆炸場中布設，負責測試信號采集與數據傳輸的任務。

圖1：系統總體設計框圖

2 無線傳感器節點設計

無線測試節點是整個網絡的核心，硬件結構由數據采集存儲模塊、無線通信模塊和電源智能管理模塊組成，如圖2 所示。節點具備信號的采集與存儲功能，同時隨時接收無線指令，將數據通過網絡回傳給控制中心。

圖2：數據采集存儲模塊框圖

2.1 數據采集單元

數據采集存儲模塊是測試節點設計的重要環節，其主要由傳感器、可編程調理電路、AD 轉換器、單片機、FPGA、存儲器及USB 芯片等組成。可控調理電路單元由程控放大器、運算放大器、低通濾波器等組成。選用了大存儲量、不易失的閃存作為存儲器，防止因掉電引起的數據丟失。單片機負責管理可編程調理電路，對系統的采樣頻率，負延遲長度，數據存儲大小等測試參數配置，并且支持現場更改參數。測點采集的數據可以通過FPGA 控制無線模塊進行無線傳輸，也可通過單片機控制USB 接口進行有線讀取，雙重保證提高系統可靠性。

2.2 無線通信單元

圖3：主控制程序流程圖

常用的無線傳輸方式中藍牙、紅外、UWB、Zigbee，和Wi-Fi等技術較為成熟且應用廣泛。但藍牙、紅外技術與UWB 技術因單點覆蓋距離近，不適用于帶有破壞性的爆炸場環境[6]。ZigBee 技術功耗低，但因組網復雜、受硬件限制難以滿足較高的傳輸速率要求[7]。Wi-Fi 技術具有組網便捷、傳輸速率快的優點,但功耗大、組網成本高。

無線通信模塊是構建可靠的無線網絡的關鍵，負責上位機和數據采集存儲模塊之間指令和數據的無線傳輸。同時要滿足超壓場在測試距離，快速組網的要求，因此選用無線Wi-Fi 技術實現無線通信。測試節點的主控芯片采用的是FPGA，其對無線網卡進行驅動比較困難且周期較長，因此選用了支持串口透傳的無線Wi-Fi 模塊。該模塊內置TCP/IP 協議棧和Wi-Fi 通訊模塊驅動，可作為TCP 服務器或者客戶端，支持以AP 為中心的星型網絡。

表1：無線通信性能測試結果

表2：實驗測試結果

圖4：無線鏈路監測圖

圖5：多套同時無線傳輸圖

2.3 電源智能管理單元

無線通信單元功耗較大，是影響測試節點的功耗主要因素。設計硬件控制和軟件相結合的雙重管控無線模塊，盡可能降低節點功耗。電路中設有開關硬件控制無線模塊關啟，組建好無線網絡鏈路后，控制中心無線配置節點測試參數并回讀信息，以確保節點處于設定的正確工作參數，下一步則軟件關閉無線模塊，等待節點觸發。一旦測試信號觸發節點，單片機立刻檢測到該狀態，管理開啟無線模塊。同時可根據現場情況，設定節點觸發后無線模塊的定時開啟時間，無線模塊上電后自動重新連接、組建無線網絡，以準備傳輸測試數據。通過硬件控制和軟件觸發的方式對無線模塊進行高效管理，有效降低了系統功耗。系統的整體工作流程如圖3 所示。

圖6：現場節點布置圖

圖7：沖擊波超壓測試曲線

3 無線局域網絡的測試

3.1 無線組網功能測試

將AP 架高1.5 米，選取裝配好的10 套設備，并使其與AP 之間的距離為10m，搭建好無線網絡后，控制中心將通過網口將命令轉接至AP 內，再通過無線網絡發下至各測點，測點收到指令后由根據自身狀態和預設指令做出回應。通過UBNT 公司無線AP 管理軟件，對無線鏈路的信號強度、數據的傳輸、建立情況，進行實時獲取和監控，如圖4 所示，結果表明無線網絡通暢，控制中心，AP，所有測點間無線通信均正常。

對節點的無線功能進行測試。首先對多套設備同時測試設置參數，和監控狀態，回讀參數等功能，然后進行無線數據傳輸功能，觀察無線傳輸的可靠性，如圖5 所示。結果表明：節點正常自動組建無線網絡，系統無線功能各項均正常。

3.2 無線傳輸性能測試

為了驗證無線網絡的傳輸性能，在靶場下進行數據無線傳輸測試。將設備布設于地面，與彈藥實驗測點分布情況相同，無線設置測點待觸發狀態，設定存儲測試數據長度相同。利用軟件觸發后，進行無線讀取數據。以同一測點重復讀取3 次時間的均值作為無線傳輸時間，測試結果見表1，表明：無線數據傳輸正常，無線傳數性能滿足測試要求。

4 靜爆超壓場測試

為測試某彈藥威力，通過木架將其架高2 米處，進行靜爆威力實驗。以彈藥圓心，測試半徑分別是2m 和4m，且互成120 度的3個方向布設測試節點。圖6 是現場所有測點分布示意圖。實驗完成后，利用自組建的無線網絡，通過上位機無線讀取，各測點存儲的沖擊波數據。圖7 是測點1 和記錄沖擊波超壓測試數據。表2 給出了該彈藥各節點的測試結果。

5 結語

針對在超壓場測試，傳統存儲測試技術不足，結合無線組網技術進行創新，以自組網的方式，構建了無線局域網絡，對所有測點的實現了統一管理、遠程監控，以及數據的無線傳輸。可根據不同實驗對象，現場無線配置節點采集參數，提高了系統的靈活性；設計了硬件控制和軟件觸發雙重管控節點無線網絡，有效降低了網絡功耗。系統在多次彈藥靜爆實驗得到很好的應用,為超壓場參數評價提供了有效的新測試方法。