基于无线传感网络的爆炸场振动监测系统

　　摘要：爆炸场振动测试中节点分布范围广、数量多，对各测试节点的状态监控及全局管理难以有效实现，传统测试方案中节点部署后难以快速更改状态。针对上述问题，依据模块化、标准化和稳定性原则，设计了一种基于无线技术的振动监测系统。给出了爆炸场振动监测系统的基本功能单元，包括数据采集设备、无线组网设备。数据采集设备具有高精度采集、数据存储、高精度同步、定位定姿等功能;利用无线网桥技术构建了覆盖广域范围的无线网络，支持IEEE802.11n/ac协议，实现了对远程分布式测试节点的集中管理、状态监控、数据传输，也可对指定测试节点的工作模式进行快速设置，以满足测试需求。测试节点的振动测量范围为0~10g，室外公里数据传输。通过模拟测试试验验证了系统的有效性，各项功能满足工程需要。

　　关键词：WSN、无线网桥、振动监测、分布式测试、STM32

　　0引言

　　在靶场试验中，弹药爆炸过程中的振动参数能够为弹药毁伤威力评估及炸点定位提供重要的设计依据与数据支撑[13]。利用爆炸产生的振动波进行爆炸点定位，为武器装备的研制和部队训练发挥关键性作用。由于爆炸试验存在不可重复性、投入大、危险系数高等问题，因此对爆炸瞬态振动参数的高效采集测试具有十分重要的意义。当前，常用引线电测法和存储测试法进行爆炸场多参数测试[4。存储测试法是将微型化测试装置置于爆炸现场，记录结束后回收测试设备读取信号。

　　该方法无法实时监测采集设备状态,各装置间无法进行同步采集，测试信号的零点时间无法统一，在广域测试环境下试验结束后无法第一时间获取数据，需要操作人员回收来读取数据，试验效率较低。引线电测法是在测点处布置传感器，通过电缆将信号接入采集系统，现场布线不灵活、易引入噪声等问题限制该方法的广泛应用。在大当量的武器试验中，测试区域覆盖面积大、安全距离远给整个采集系统的数据传输、质由于外场试验的特殊性，采集测试系统一次性布设完成后，应具备满足多次试验需求的能力，从而减少人员的重复作业，提高试验的效率。

　　基于此，本文在存储测试系统基础上，结合无线网桥技术[8]，研制出基于无线传感器网络的爆炸场振动监测系统，实现了对测试节点远程管理、参数配置、状态监测和数据的无线传输，同时实现了多节点间的时间同步。

　　1系统总体框架

　　基于WSN的爆炸振动监测系统通过传感测试节点间的相互协作实现对监控区域中目标信息的感知、采集和处理，并将处理后的信息传送给控制中心，系统总体结构框图如图所示，包括分布式传感测试节点、无线网桥和控制中心。

　　基于无线通信技术的分布式测试系统可通过无线网络对分散在测试区域内所有测试节点进行管理和控制，实现分散操作、协同工作和集中控制。分布式测试节点按照仿真优化布局方案布署在测试区域完成对爆炸场振动信号的获取与传输，测试节点自身可通过GNSS定位模块和电子罗盘确定自身空间和姿态信息。控制中心通过点对多点的无线拓扑方式实现对多个测试节点的远距离管理、控制和监测，包括测试准备阶段的各节点工作参数配置;等待爆炸阶段的工作各节点工作状态监控和复位等;以及爆炸完成后的测试数据传输。

　　2无线传感测试节点设计

　　在地下爆炸振动信号的采集测试中，测试区域覆盖范围较大，地震波传播距离远，信号微弱，需具备较强的续航能力。为高效实时完成对广域环中的振动信号采集，对测试节点的采集精度、数据传输和存储能力等提出了较高的要求10。结合实际测试需求，测试节点设计参数如下表1所示。

　　2.1数据采集模块

　　数据采集模块是测试节点的核心组件。其搭载基于RMCortexTMM4内核的TM32F405处理器，主时钟频率最高可达68MH，运算速度快，能够实现与外部设备的高速通讯。为保证对振动信号的高精度采集，采集仪集成了24位通道的AD7771高精度模数转换芯片，转换精度可达.3911，采用SPI接口进行芯片配置和数据传输，为提高DC采集时的运算效率，利用MA(DirectMemoryAccess,直接存储区访问的方式，实现高效多通道、高采样率的采集，采样速率可达50kHz。

　　在完成对数据的处理后，主控将数据存储于卡中，本系统采用DIO接口协议，卡容量可根据实际存储容量选定，在固件程序中移植了ATFS文件系统，便于在端对卡存储文件进行操作。数据采集仪利用NSS模块PPS同步秒脉冲，使各分布式测试节点可在统一时间基准下工作，同步精度达到ns，实际性能分析与测试表明该同步误差小于00ns;同时还可通过TK技术完成对各测试节点位置坐标的高精度定位。

　　2.2传感模块

　　传感模块作为测试节点的功能前端，其重要性不言而喻。为提高传感器的环境适应能力，基于小型化的设计理念，传感器外形尺寸仅为30mm×30mm×30mm。三个高精度单轴微振动传感器以及三轴加速度计，用于爆炸振动波的精确采集。由于振动波具有矢量性，三个微振动传感器在壳体内部垂直安装构成矢量传感器。同时内部安装三轴磁传感器M3100，与加速度计组合构成电子罗盘以便获取测试节点在爆炸场布设后的姿态信息。为了避免模组外壳对磁传感器感知地球磁场的影响，模组结构选用硬铝材质加工。本着低功耗的设计理念，传感模组中的电源板智能供电模式，在需要测试节点待机时，可切断传感模组中的电源供应。

　　2.3无线通讯模块

　　无线通讯模块负责完成测试节点与控制中心间的控制指令下达与数据传输，无线通讯模块是构建可靠的无线传感网络的关键。为了满足在远距离环境下的高效数据传输，选用了美国LigoWave公司高带宽无线网桥，该网桥支持IEEE802.11n/ac协议、MIMO2×2传输模式、内置高增益双极化天线，其抗干扰能力强，即使有较强的干扰仍能保障稳定的接入。因无线网桥需连接以太网口进行才能数据读写，选用W5500以太网模块实现单片机的以太网接入功能，从而实现无线网桥与数据采集仪的关联。W5500支持高速标准线SPI接口与主机进行通信，通过RJ45接口与无线网桥连接。

　　3无线通信网络构建

　　无线通信网络主要是在控制中心与分布式测试节点之间架起通讯桥梁，完成指令转发和数据回传等功能，由各测试节点、无线网桥和控制中心计算机组成。在该无线测试网络中采用星型拓扑结构，即点对多点，一个中心无线网桥与多个无线传感器测试节点通信的组网方式，无线网络拓扑结构如图所示。无线网络中的各测试节点连接到中心网桥后，由无线网桥进行指令广播和网络配置。

　　测试节点加入无线网络时会被分配唯一固定地址。无线网桥设备工作在5.8GHz频段，无需申请频段，便于部署，中心无线网桥和控制中心通过网线RJ45)连接，安装于测试现场安全区域。此外，无线电磁波信号传输过程极易受现场环境干扰，引起信号的衰减和多径效应，因此需根据爆炸试验场地的地形合理规划无线通信设备的布设位置以及高度，一般来说设备收发天线的高度要求满足障碍物不超过菲尼尔区14的40%。

　　4测控软件设计

　　测控软件包括测试节点下位机程序和上运行的控制中心上位机软件，二者相互协作，完成终端测试节点和控制台间的消息通信。

　　4.1测试节点控制程序设计

　　测试节点控制程序主要功能是消息处理，即可以完成数据采集、数据存储、无线接入等功能，同时还能够对控制台下发的指令进行接收、解析。测试节点程序包含读和写功能指令，读指令用于查询测试节点当前执行任务，写指令用于命令测试节点执行控制台下发指令任务。指令控制测试节点进行定位数据采集、定姿数据采集、振动数据采集、数据回传等任务。采用不同短指令标记不同任务;指令共三字节，帧头占两个字节，指令占一个字节。指令发送完成后，测试节点唤醒，响应接收，根据指令开始执行任务。

　　5实验结果与分析

　　为验证设计的振动监测系统能否达到设计要求和预期效果，进行了爆炸地震波模拟测试试验。测试节点按照图布局方案布设，试验选用5kg的重锤从某一高度落下夯击地面来模拟地下爆炸产生的地震波。使用集成的测试节点对夯击产生的振动波采集，进而验证所设计系统的无线传输、信号采集等功能。

　　通讯技术论文投稿期刊：《仪器仪表学报》(月刊)创刊于1980年，是中国科协主管、中国仪器仪表学会主办，中国仪器仪表学科最具影响力的学术性刊物。它所刊登的论文代表了中国仪器仪表学科的最高学术水平，反映仪器仪表学科的前沿、研究热点，标志中国仪器仪表学科的发展方向。

　　6结束语

　　本文将无线通讯技术和传感测试技术相结合，开发设计了爆炸场振动监测系统。模块化测试节点不仅能够采集振动数据，而且还可实现对自身空间和姿态信息的感知，同时能够及时响应控制台的指令。PS秒脉冲的应用在一定程度上提高了多测试节点间的同步精度。搭建的无线传感网络，性能可靠，组网方便，实现了远距离下对测试节点的管理与状态监控。系统功能设计满足实际工程需求，具有较高的应用价值。该系统为爆炸场的振动监测提供了有效可靠的手段，也可为各类武器弹药的试验与爆炸点定位提供可靠的数据支撑。

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　　[8]王健裴东兴王薇.XXX爆炸威力场远距离多参数数据采集系统J]传感技术学报201326(4):516517.

　　作者：朱耀杰张晓明闫佳晖耿煜琛

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