爆炸场地面压力测试的Wi-Fi无线传感器网络实现*

王 玉，张志杰，王文廉

（1．中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051;2．中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051）

0 引 言

爆炸过程中的冲击波动态压力测试是武器研制过程中威力评估和性能评价的重要手段，常用的测试方法是引线电测法和存储测试法［1］。随着无线传感器网络的发展，各种传统测试方法得到了很大的改善［2］，可实现远距离状态监控和数据传输，提高测试的可靠性和安全性。但是，对动态压力测试需要较高的信号采集速率和较大数据容量，而且爆炸过程要求测试系统必须具有抗干扰和抗冲击的性能。常规的传感器网络具有低速率、短距离、自组织的特性［3］，很难直接应用其中。虽然已有相关的文献研究了冲击波场的无线测试系统，但是，它们大都采用发展成熟的Zig Bee无线传感器网络原理［4，5］。此类无线传感器网络的传输速率低、距离近，对于单节点数据量达到几兆字节的冲击波压力测试，很难得到实际应用。基于2．4 GHz无线射频收发模块的压力测试系统，可以达到较快的通信速率，但是没有标准的网络协议，很难用于多节点的分布式测试系统，几乎不能形成网络覆盖。有些测试系统通过商业化的无线网卡组建了无线传感器网络，但没有设计适合爆炸场的工作模式，更难接受爆炸场恶劣环境的考验。针对目前爆炸场压力无线测试系统的不足，本文研究了基于Wi-Fi技术的无线传感器测试系统，具有传输速率快、传输距离远、网络覆盖、抗干扰和抗冲击等特点。

1 系统组成和工作原理

爆炸场地面压力测试Wi-Fi无线传感器网络结构如图1所示，包括分布式传感器节点、无线接入点AP和主控计算机。与常规的无线传感器网路不同，其采用了Infra的组网方式，传感器节点直接与无线接入点（AP）连接，不用通过多跳式数据传输。因为采用了Wi-Fi无线网络技术，最高传输速率能达到54 Mbps，传感器节点到无线接入点的传输距离可达到300m。而Wi-Fi具有标准IEEE 802．11b/g传输协议，可方便地实现网络覆盖或中继式远距离传输。主控计算机为管理节点，为用户提供应用界面，可执行对单个和多个传感器节点的参数设置、状态监控、信息广播和批量数据传输。

图1 Wi-Fi无线传感器网络结构图Fig 1 Structure diagram of Wi-Fi WSNs

分布式无线传感器节点设计是系统实现的关键，其单节点的工作状态转换如图2所示。每个节点可以独立地工作完成测试，也可以加入网络批量处理。任一节点打开电源后开始工作，首先做功能自检，包括对传感器的连接、信号采集模块、数据存储模块、接口模块等电路进行检测;然后搜索无线网络，如果长时间没有网络可用，节点作定时搜索，降低功耗;节点可以连入网络后，由主控计算机进行工作参数的配置、状态扫描和断开网络的操作，或者直接进入待触发状态，等待压力信号的到来。系统触发，节点在采集记录完成后，连接网络。由主控计算机发起数据的传输。

单节点电路设计原理如图3所示。由压力传感器、信号调理、A/D转换器、数据存储器、FPGA控制、Wi-Fi无线通信、增益放大器、定向微带天线和电池几部分组成。信号调理、采集、存储电路设计与常规的分布式存储系统设计相似，在此不一一赘述。设计的功能包括:采集速率100k～2 Msps可调节、数据容量10 kbyte～8 Mbyte可调节、量程可调节等。节点采用FPGA作为可编程控制器，完成采集、记录、存储等功能的控制，以及数据的预处理、Wi-Fi协议控制。FPGA可实现各模块的多线程工作，有利于提高数据的存取速率和无线传输速率。

地面工作环境给无线测试节点带来了最大的挑战。因为地面效应会降低无线信号的传输功率、改变天线的带宽和匹配电阻，降低数据传输距离、传输速率和可靠性［6，7］。本系统通过2个方面提高无线传输性能:一是定向微带天线，提高天线的增益;二是增加了有源增益放大器。传感器节点实物如图4所示，贴近地面工作。

图2 传感器节点工作状态转换图Fig 2 Working state conversion of sensor node

图3 传感器节点结构图Fig 3 Structure diagram of sensor node

图4 传感器节点实物图Fig 4 Physical photo of sensor node

2 事件触发网络工作模式

Wi-Fi无线传输具有速率快和距离远的特点，但是随之带来的是较大的功耗。本系统的分布式测试节点具有体积小、电池供电的特点，所以，降低功耗延长工作时间显得尤为重要。本系统设计了事件触发的网络工作模式，在测试节点需要工作参数配置、状态扫描和数据传输时，自动连入网络。其他时间无线模块处于休眠状态，工作电流为微安级。

在系统的整个工作过程中，主要有3种无线通信需求:1）主控计算机需要对单个或者多个的传感器节点进行参数设置，比如，调节测试量程、采集速率、数据容量等;2）需要对所有的传感器节点进行状态扫描检测，防止系统的干扰和误触发;3）对单个或者多个节点进行数据批量传输。根据以上需求，优先保证测试数据的可靠性传输，采用了TCP传输协议。

基于事件触发的网络工作模式如图5所示。网络工作过程分爆炸前和爆炸后2个阶段。第一个阶段可设置工作参数、状态监测，传感器节点作为客户端发起连接，主控计算机作为服务器确认连接后，可以发送指令并扫描状态;如果确认系统设置完成，功能和状态正常，可以用于测试，主控端发送网络断开指令;传感器节点的无线模块进入休眠状态。第二个阶段完成测试数据的批量传输，传感器节点完成压力信号采集存储后，自动连入网络;主控端确认各传感器节点连入网络后，开始多节点的批量数据传输。

图5 事件触发的网络工作模式原理Fig 5 Principle of event-triggered network working mode

3 试验与数据分析

为了验证系统的可靠性，在爆炸环境进行了试验验证。在距爆炸中心半径为20，25，30 m的地面上布置了20个传感器节点，图6为一个方向上的多个传感器节点实测安装图。

图6 现场试验传感器节点布置图Fig 6 Layout of sensor nodes in scene experiment

图7是通过主控计算机应用软件读取的3个测点的压力数据曲线。可以清楚地看到，在爆炸开始后环境对传感器节点有一定的干扰，造成信号基线上噪声很大。但是并没有发生漂移，这不影响压力信号的正确性。测试节点距离爆炸中心的距离不同，冲击波压力信号达到的时刻也不相同，它的时间差约为9 ms和6 ms。在20 m处的测点压力峰值约为 0．06 MPa。

4 结论

图7 现场测试曲线Fig 7 Curves of scene test

设计并研制了用于爆炸场地面压力测试的Wi-Fi无线传感器网络。实现了300 m的网络覆盖，可以远距离进行工作参数配置、状态扫描和数据批量传输。通过实验验证了系统的抗干扰能力、测试可靠性和无线网络的性能。

［1］ 王文廉．同时测速测压的存储式冲击波测试系统研究［D］．太原:中北大学，2004．

［2］ Han B G，Yu Y，Han B Z，et al．Development of a wireless stress/strain measurement system integrated with pressure-sensitive nickel powder-filled cement-based sensors［J］．Sensors and Actuators，2008，147（2）:536 －543．

［3］ 孙利民，李建中，陈 渝，等．无线传感器网络［M］．北京:清华大学出版社，2005．

［4］ 赵 岩，杜红棉，马铁华．参数可变的无线式冲击波超压测试系统的研究［J］．传感器与微系统，2011，30（5）:58 －60．

［5］ 董冰玉，杜红棉，祖 静．基于无线控制的冲击波超压测试系统［J］．传感技术学报，2010，23（2）:279 －281．

［6］ Aslam M I，Zekavat S A．New channel path loss model for nearground antenna sensor networks［J］．Wireless Sensor Systems，2012，2（2）:103 －107．

［7］ Fanimokun A，Frolik J．Effects of natural propagation environments on wireless sensor network coverage area［C］∥The 35th Southeastern Symposium on System Theory，Morgantown，USA，2003:16－20．