无线传感器网络技术在炮口冲击波测试中的应用

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(1.中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051；2.中国人民解放军 第四三二八工厂,山西 长治 046000)

0 引 言

随着信息化战争的不断发展，炮口冲击波测试技术已从传统的引线电测系统和存储式测试系统[1]，发展到基于无线传感器网络技术的测试系统[2，3]。测试的目的和意义也从战前为火炮的试验研究、设计定型、鉴定验收、炮手防护等提供统一的技术措施和规范化的试验数据[4]，扩展到战时战场信息获取进行武器识别和反射手狙击等战术高度[5]。传统的引线电测法[6]存在的问题是:布设电缆繁琐且费时费力、测试系统集成度低、不易校准、现场试验时机动性和稳定性差。存储测试法[7]没有引线，能很好地实现电磁屏蔽，但存在各测试系统之间无统一时基的问题。本文将无线传感器网络技术与存储式测试系统结合起来，提出了一种基于无线传感器网络技术的炮口冲击波测试系统，在膛口噪声防治和特种作战领域具有一定的应用价值。

1 系统总体构成

如图1所示为测试系统原理框图，系统主要是有主控制台和多个相同的智能传感器测点(子系统)组成。系统主控制台通过无线中心传感器网络控制智能传感器的工作状态，并负责数据的传输、记录和处理。无线终端传感器网络主要负责接收主控制台的指令和回传数据。MSP430主要是为智能传感器设置参数、控制无线模块的上下电以及读取测试装置的数据。

图1 测试系统原理框图

智能传感器完成信号的采集与存储，是整个测试系统的核心。它包括传感器、电源管理模块、信号调理电路、A/D转换器、FPGA控制中心、FLASH存储器、触发系统等模块。信号调理电路将传感器输出的信号进行放大、滤波等处理后输入A/D转换器，FPGA控制A/D转换器和FLASH闪存进行存储操作。智能传感器原理框图如图2所示。

图2 智能传感器原理框图

在靶场实测时，主控制台放置在安全距离外的掩体中，智能传感器测点布设于炮口冲击波场中，主控制台通过无线的方式对各智能传感器测点进行远程监控来完成炮口冲击波的测试。

2 关键技术

2.1 无线模块电源智能化管理

图3 无线模块智能化管理拓扑图

2.2 无线传感器网络通信实现

2.2.1 无线模块配置

根据国军标要求，要完整地测量评价炮口冲击波，需要数量超过20只以上的传感器组成点阵[8]。在本次设计中采用了一个中心网络节点，20多个终端无线传感器网络节点组成的星型传感器网络。无线模块中心、终端节点内部设置如表1所示。

无线传感器网络采用2.4 G DSSS扩频技术，抗干扰能力强；16个信道可选，65 535个网络ID可任意设置，网络容量较大，系统扩展性良好。

表1 无线模块内部设置

2.2.2 无线传输协议

试验前智能传感器要接收计算机的编程数据给测试系统编程，试验后测试系统由单片机控制将装置RAM中的数据传送给计算机。为了在计算机、无线模块以及单片机之间可靠地进行通信，设计稳定可靠的通信协议是必须的[9]，如图4所示为系统所设计通信协议(握手协议)。

图4 无线传感器网络通信程序流程图

计算机通过中心节点发送编程数据，当计算机准备好了数据，通过无线模块主动向单片机系统发送一个请求接收数据信号，如为数据0x0A(这个数不唯一),再紧接着发送一组数据，当单片机收到这组数据后，判断第一个数据是否是0x0A，若是，则接收随后的数据，然后向计算机发送接收完毕确认信号0x0A。如为数据0xBB，再紧接着发送刚收到的数据，当计算机收到0x0A信号且为0xBB，并接收其后的数据并验证数据正确后，则开始第二次请求发送数据。若计算机判断出单片机收到的数据发生了错误，则执行重发操作，单片机接收正确后再开始下一个数据发送过程。MSP430在此设计中作为中央控制单元，起到了一个桥梁和纽带的作用。

2.2.3 无线传感器网络工况设计

如图5所示，系统从断电态进入到供电态后，无线传感器网络的主、从节点均进行初始化。节点初始化后主动组网，得到从节点响应信号后确定星型网络组建成功。组网成功后系统分为命令给出和测试数据传输2个阶段。

命令给出阶段控制信号分为系统初始化信号和同步触发信号。测试系统初始化信号包括触发方式选择信号、采样频率选择信号、增益放大选择信号等。测试系统初始化信号由上位机给出，经过MCU处理后给无线发射模块，模块以点对点传输模式发送给指定节点完成测试系统初始化操作。同步触发信号通过中断方式给出，主节点接收到中断信号(保持200 ms)后以广播方式发送，保证触发信号的同步性，同步性误差在10 ms以内。

从节点在命令给出阶段始终保持低功耗状态等待中断信号。收到测试系统初始化信号后通过串口送进MCU，MCU经过转换后送给电路完成初始化操作。接收到同步触发信号后触发管脚立即变低控制测试电路触发，保持600 ms后恢复高电平，这时停止无线模块供电，防止火炮射击时的电磁场对无线通信的影响。30 s后打开无线模块电源，重新初始化无线模块并重新组网，然后再进行数据传输。

图5 无线传感器网络工况状态图

3 试验验证

3.1 无线触发同步性试验

测试系统在使用前，必须进行测量超压范围内的动态校准[10]。本系统是在激波管中进行动态校准的，系统进行校准后为检验系统的无线触发同步性，将测试装置P1,P2,P3的传感器放于激波管中进行相关试验，如图6所示。

图6 激波管中无线同步性试验

手动控制无线传感器网络的中心节点触发按钮，终端无线传感器网络接收到信号以后，使存储测试系统进入工作状态，然后给激波管充压压缩气体，获得一个水平的冲击波作用在低压室。这时P1,P2,P3受到的水平冲击波是同时的。因此，如果触发是同步，那么，获得的时基基本上是一致的，误差在μs数量级。水平冲击波作用在测试装置P1,P2,P3的曲线图如图7所示。

图7 3套装置的响应曲线

从图中可以看出:垂直于时间轴的3条曲线基本上重合，时间点显示在20.53 ms左右，误差为μs数量级。因此,证明了无线触发的同步性。

3.2 现场试验

为了评估该炮口冲击波测试系统的可靠性，进行了某型号车载炮的炮口冲击波超压测试试验，如图8所示。参考国军标对炮口冲击波测试的测点布设要求[4,10]，选取了2套测试装置进行了对比试验，传感器的敏感面均朝上，安装距地高度为2 m，距离炮口径向距离均为7.5 m。火炮射击前，主控制台通过无线给各测点进行增益、采样频率、触发方式等参数的配置，并在射击前采用无线触发方式触发系统，系统进入数据采集存储状态；射击结束后回收装置读取数据。

图8 测试现场

试验数据通过Matlab整理如图9所示，7.5 m处2个测点的超压峰值和到达时间分别是50.29 kPa，28.37 ms和54.53 kPa，28.59 ms。同一位置2测点的时间同步性较好，无线触发的同步性在实弹测试中表现稳定可靠。此外，同一测点处所测炮口冲击波均有多个超压峰值，属于典型炮口冲击波超压曲线，很好地反映了炮口冲击波的衰减规律，对火炮动力学研究具有一定参考意义。

图9 典型测量曲线

4 结 论

将无线传感器网络技术和存储测试技术结合进行集成创新，本文开发了一种新型的炮口冲击波测试系统，经过现场试验证明：该系统操作简单、测试效率高，扩展性好。这种新的炮口冲击波测试方法在膛口噪声评估和火炮动力学研究等方面有较好的应用前景。随着无线传感器网络技术的进一步研究和相关算法的开发，该炮口冲击波测试系统还可应用于战场武器识别和射手定位反狙击等特种作战领域。

参考文献:

[1] 马铁华,祖 静.冲击波超压存储测试技术研究[J].仪器仪表学报,2004,8(4):288-293.

[2] Sallai Janos,Volgyesi Peter,Pence Ken,et al.Fusing distributed muzzle blast and shockwave detections[C]∥14th International Conference on Information Fusion,Chicago,Illinois,USA,2011:748-755.

[3] 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,2013,26(4):516-517.

[4] GJB 349.28—90常规兵器定型实验方法炮口冲击波超压测试[S].1990.

[5] Sallai Janos，Hedgecock Will,Volgyesi Peter,et al.Weapon cla-ssification and shooter localization using distributed multichannel acoustic sensors[J].Journal of Systems Architecture,2011,57:869-885.

[6] 范泽辉,田 忠,庸 剑.冲击波压力存储测试系统研究[J].中国核科技报告,1999(11):1-10.

[7] 张文栋.存储测试系统的设计理论及其应用[M].北京：高等教育出版社,2002.

[8] 曹红亚.炮口冲击波信号测试与分析[D].长沙：国防科技大学,1999.

[9] 刘 强.无线传感器网络组网关键技术研究[D].成都：电子科技大学,2012.

[10] 黄俊钦.测试系统动力学[M].北京：国防工业出版社，1996:18-55.

[11] GJB 1158—91炮口冲击波对人员非听觉器官损伤的安全限值[S].1992.