基于Z i g B e e无线传感网络瞬态测温系统的设计

余凯凯 ，杜红棉，马铁华

（中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051）

0 引言

爆温是评价炸药性能的参数。目前在弹药毁伤研究领域，主要集中在对冲击波和破片作用的研究，而对热作用的研究相对较少[1]，且现行的接触式瞬态高温测试方法都是基于有线的数据传输方式，众多的线缆不仅使布线复杂，而且存在着干扰噪声大、短路、断线隐患、成本高，以及易老化等缺点，错综复杂的线路还给系统的调试和维护增加了难度[2]。因此，需要迫切研究一种便捷的、能够实现数据传输的无线通信技术，以满足测试智能化、高效率的要求[3]。

无线通信技术与有线通信技术相比，具有许多突出的优点：首先，无线通信技术可降低投资成本，支持冗余连接配置，数据可靠性强；其次，它具有成熟可靠的系统安全体系，不会因系统增大而出现不可预料的故障；接着，它可实现远程访问、远程诊断，具有互操作性等等。尤其是在有线网络不通畅或者现场环境因素的限制不便架设线路的情况下，使用无线通信技术进行数据采集、传输则显得更加实用、高效、快捷[4-6]。本文就是在静态爆轰过程中瞬态高温测试背景下提出的，将存储测试技术和新兴的ZigBee无线传感网络技术相结合，力图以现场设备的无线化来解决由线缆带来的诸多问题。

1 系统设计

1.1 系统总体原理框图

无线传感网络存储测试系统由两部分组成：（a）上位机和无线ZigBee模块组成的检测中心系统；（b）无线ZigBee模块、Msp430单片机、光藕、存储测试装置组成的测试节点硬件系统。其中存储测试装置有瞬态测温电路和传感器两部分组成。无线传感网络的组网形式是星形网络，因此只需要一个中心网络节点即可。整体设计框图如下图1所示。

图1 无线传感网络存储测试系统整体框图

无线中心传感网络主要负责发送设置参数、无线触发，以及将接收到的数据显示在主机界面上。无线终端传感网络主要负责无线数据的接收，MSP430单片机主要是为存储测试装置设置参数以及读取测试装置数据。测试装置主要是存储瞬态测得的数据。

1.2 存储测试装置原理框图

存储测试装置主要由传感器和记录仪两部分组成，存储测试装置是整个无线存储式瞬态测温测试系统的核心部分。它负责完成瞬态测温信号的获取，调整以及存储工作。

储测试装置原理框图见图2。

图2 存储测试装置原理框图

传感器的作用是将爆炸场温度信号转化为电压信号；信号适配器是将传感器测得的信号进行适当的处理；模数转换器(ADC)对波形数据采集量化；数据存储器(SRAM)存储记录数据波形；地址发生器产生存储器读写地址；地址锁存器锁存记录数据波形的首地址；数据读取控制器主要控制数据的读取转储；数据缓冲器用于数据的缓冲输出；信号触发器实现瞬态信号的延迟触发控制；预置计数器对测试信号的预触发时间进行设置；电源控制器管理控制系统的电源消耗；采集、存储控制器是系统的控制中心，控制各部分有效地协调工作。I/O口为了防止无线传输出现错误而留的。一旦数据无线传输有问题，可以通过回收装置对装置重新读数。

2 实验及分析

进行了现场1.5kg 某温压弹瞬态温度实验。在瞬态温度测试系统中无线ZigBee传感网络设置的是星形网络，主要是保证中心传感网络发出的触发信号能够保证测试系统在相同的时间内接收到。

2.1 测试方法

无线传感超压测试系统位于III象限，距爆心0.6m和1.5m处各布2个于弹药平齐的瞬态高温测试系统。两个爆炸起点记录装置分别放置在10m和15m处。无线控制平台在距爆心100m壕沟的掩体内。测试系统传感器编号及布设位置如图3。

图3 1.5kg温压弹试验测温测点的布置图

2.2 测试结果

现场观察，1.5kg 温压弹爆炸威力不是很大，实验数据比较规律；具体统计见表1。

表1 测点情况统计表

2.3 数据分析

从表1可以看出同距离的测点冲击波到达时间一致，瞬态温度峰值基本符合温度指数衰减规律。1#、2#、4#、5#数据都较好，冲击波到达时间分别为24.2 ms、25.9 ms、38.2 ms、37.7ms，相同距离的1#、2#，4#、5#一致性较好，在无线ZigBee同步算法误差范围之内。从上述的数据可以很清楚地得到瞬态温度到来的时间点，并且相同距离的装置，瞬态温度到来的时间是基本相同的。对瞬态高温信号做出了很好的判断。测试节点越多，越能显示无线ZigBee传感网络星形组网的优势。数据也很好的显示了整个测试系统的实用性和可靠性，爆炸以后通过无线传输传回来的4#、5#数据如图4所示。

图4 0.6米处温度曲线

3 结论

基于ZigBee无线传感网络的冲击瞬态高温系统是国内首次将无线传感技术应用到大威力爆炸冲击波场中。利用无线传感网络触发的同步性使冲击波电路几乎同时进入工作状态并且能实时得到具体位置的瞬态温度数据，减少了大威力瞬态高温存储数据的失误。较完善的软硬件设计和抗干扰措施, 保证了系统工作的安全性和可靠性。系统同样适用于其他爆炸物爆炸压力等的测量, 有较大的实用价值和推广价值。

[1] 李幸.基于热电偶的爆炸温度场存储测试技术研究[D].南京：南京理工大学，2009.

[2] 李丽.无线传输系统中功率放大电路的设计[D].太原：中北大学,2006.

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

[4] ZigBee联盟.ZigBee技术引领无线新生活[J].电脑知识与技术,2006.

[5] 王成帅.ZigBee无线传感网络在冲击波测试的应用研究[D].太原：中北大学,2009.

[6] 崔逊学，左从菊.无线传感网络简明教程[M]. 北京:清华大学出版社，2009.

[7] 王海福.爆炸冲击波存储测试系统研究[D].北京:北京理工大学,2002.

[8] 祖静,申湘南,张文栋.存储测试技术[J].测试技术学报,1994(02).