超压场无线组网技术的应用

杜珺

（晋中职业技术学院 山西省晋中市 030600）

弹药爆炸产生冲击波是评价武器性能的关键指标，静爆测试是获取冲击波超压参数的重要途径。针对冲击波超压测试，目前国内外主要分为：引线电测法和存储测试法[1]。存储法解决了引线法中布线杂乱、抗干扰能力差等问题[2]，但不足是每次实验后都要人工回收设备获取数据[3]，费时费力，并且无法事先获知测试系统状态。随着通信技术的发展，在冲击波测试中无线技术也得到了应用[4-5]，但大多采用单点读取，测点数增多则难以统一管理，无法现场监测节点测试参数。一旦参数有误导致测试失败，增加昂贵的测试成本。

针对以上，本文基于无线组网技术，构建了覆盖静爆超压场的无线局域网络，实现了远程无线管理所有测点、参数监测，以及数据传输。节点的无线模块采用多重节能控制，有效降低了系统功耗。对组建好系统，进行了无线网络功能、性能测试，满足测试要求。应用到弹药静爆中有效测得了超压，系统稳定、可靠。

1 系统整体设计方案

系统由控制中心（上位机），多个无线测试节点，中心网络节点（AP），组成的无线局域网络，系统总体设计框图如图1 所示。节点和控制中心采用主从架构，使用socket 连接进行通信，控制中心利用网络发送命令，配置各节点的测试参数、控制传输数据，实现本地存储。无线测试节点，根据实验需求在爆炸场中布设，负责测试信号采集与数据传输的任务。

图1：系统总体设计框图

2 无线传感器节点设计

无线测试节点是整个网络的核心，硬件结构由数据采集存储模块、无线通信模块和电源智能管理模块组成，如图2 所示。节点具备信号的采集与存储功能，同时随时接收无线指令，将数据通过网络回传给控制中心。

图2：数据采集存储模块框图

2.1 数据采集单元

数据采集存储模块是测试节点设计的重要环节，其主要由传感器、可编程调理电路、AD 转换器、单片机、FPGA、存储器及USB 芯片等组成。可控调理电路单元由程控放大器、运算放大器、低通滤波器等组成。选用了大存储量、不易失的闪存作为存储器，防止因掉电引起的数据丢失。单片机负责管理可编程调理电路，对系统的采样频率，负延迟长度，数据存储大小等测试参数配置，并且支持现场更改参数。测点采集的数据可以通过FPGA 控制无线模块进行无线传输，也可通过单片机控制USB 接口进行有线读取，双重保证提高系统可靠性。

2.2 无线通信单元

图3：主控制程序流程图

常用的无线传输方式中蓝牙、红外、UWB、Zigbee，和Wi-Fi等技术较为成熟且应用广泛。但蓝牙、红外技术与UWB 技术因单点覆盖距离近，不适用于带有破坏性的爆炸场环境[6]。ZigBee 技术功耗低，但因组网复杂、受硬件限制难以满足较高的传输速率要求[7]。Wi-Fi 技术具有组网便捷、传输速率快的优点,但功耗大、组网成本高。

无线通信模块是构建可靠的无线网络的关键，负责上位机和数据采集存储模块之间指令和数据的无线传输。同时要满足超压场在测试距离，快速组网的要求，因此选用无线Wi-Fi 技术实现无线通信。测试节点的主控芯片采用的是FPGA，其对无线网卡进行驱动比较困难且周期较长，因此选用了支持串口透传的无线Wi-Fi 模块。该模块内置TCP/IP 协议栈和Wi-Fi 通讯模块驱动，可作为TCP 服务器或者客户端，支持以AP 为中心的星型网络。

表1：无线通信性能测试结果

表2：实验测试结果

图4：无线链路监测图

图5：多套同时无线传输图

2.3 电源智能管理单元

无线通信单元功耗较大，是影响测试节点的功耗主要因素。设计硬件控制和软件相结合的双重管控无线模块，尽可能降低节点功耗。电路中设有开关硬件控制无线模块关启，组建好无线网络链路后，控制中心无线配置节点测试参数并回读信息，以确保节点处于设定的正确工作参数，下一步则软件关闭无线模块，等待节点触发。一旦测试信号触发节点，单片机立刻检测到该状态，管理开启无线模块。同时可根据现场情况，设定节点触发后无线模块的定时开启时间，无线模块上电后自动重新连接、组建无线网络，以准备传输测试数据。通过硬件控制和软件触发的方式对无线模块进行高效管理，有效降低了系统功耗。系统的整体工作流程如图3 所示。

图6：现场节点布置图

图7：冲击波超压测试曲线

3 无线局域网络的测试

3.1 无线组网功能测试

将AP 架高1.5 米，选取装配好的10 套设备，并使其与AP 之间的距离为10m，搭建好无线网络后，控制中心将通过网口将命令转接至AP 内，再通过无线网络发下至各测点，测点收到指令后由根据自身状态和预设指令做出回应。通过UBNT 公司无线AP 管理软件，对无线链路的信号强度、数据的传输、建立情况，进行实时获取和监控，如图4 所示，结果表明无线网络通畅，控制中心，AP，所有测点间无线通信均正常。

对节点的无线功能进行测试。首先对多套设备同时测试设置参数，和监控状态，回读参数等功能，然后进行无线数据传输功能，观察无线传输的可靠性，如图5 所示。结果表明：节点正常自动组建无线网络，系统无线功能各项均正常。

3.2 无线传输性能测试

为了验证无线网络的传输性能，在靶场下进行数据无线传输测试。将设备布设于地面，与弹药实验测点分布情况相同，无线设置测点待触发状态，设定存储测试数据长度相同。利用软件触发后，进行无线读取数据。以同一测点重复读取3 次时间的均值作为无线传输时间，测试结果见表1，表明：无线数据传输正常，无线传数性能满足测试要求。

4 静爆超压场测试

为测试某弹药威力，通过木架将其架高2 米处，进行静爆威力实验。以弹药圆心，测试半径分别是2m 和4m，且互成120 度的3个方向布设测试节点。图6 是现场所有测点分布示意图。实验完成后，利用自组建的无线网络，通过上位机无线读取，各测点存储的冲击波数据。图7 是测点1 和记录冲击波超压测试数据。表2 给出了该弹药各节点的测试结果。

5 结语

针对在超压场测试，传统存储测试技术不足，结合无线组网技术进行创新，以自组网的方式，构建了无线局域网络，对所有测点的实现了统一管理、远程监控，以及数据的无线传输。可根据不同实验对象，现场无线配置节点采集参数，提高了系统的灵活性；设计了硬件控制和软件触发双重管控节点无线网络，有效降低了网络功耗。系统在多次弹药静爆实验得到很好的应用,为超压场参数评价提供了有效的新测试方法。