（通信与信息系统专业论文）冲击波场无线传感器节点的设计与实现.pdf

中北大学学位论文 冲击波场无线传感器节点的设计与实现 摘要 准确测量炸药爆炸产生的冲击波超压峰值和冲量，可以为武器研制过程中的爆炸类 型判别、威力对比、性能评价提供依据。本文针对当前冲击波场超压测量中存在通用测 试系统布设不方便、存储测试系统需要回收读数的问题，设计和开发了应用于冲击波场 超压测试的无线传感器节点，探索具有无线数据传输与控制功能的爆炸冲击波场测试新 方法。 本文在分析相关领域研究现状的基础上，根据冲击波场超压测试的要求，提出了基 于p i c l 6 f 8 7 7 微控制器、c p l d 复杂可编程逻辑器件以及n r f 2 4 l 0 1 无线传输芯片的传感 器节点设计方案。对节点数据采集存储模块中的模拟电路和数字电路进行设计和调试， 选择i c p 传感器，并解决其低电池电压供电问题。重点研究了低功耗高速无线通信模块、 爆炸环境下可靠生存的微型天线、保证数据传输无误的无线通信协议以及适用于冲击波 场测量的主从式网络拓扑结构。 最后对节点数据传输的平均速率及通信距离进行了测试，并将节点应用于冲击波静 爆试验，获取了冲击波场超压实测数据，验证了节点系统的有效性。实测试验表明，该 节点具有低功耗、结构简单、使用方便、无线通信可靠和数据捕获率高等特点，在冲击 波超压测试领域具有很好的应用前景和推广价值。 关键字：冲击波超压测试，传感器节点，无线数据传输，微带天线 i 中北大学学位论文 t h ed e s i g na n d i m p l e m e n to fw i r e l e s ss e n s o rn o d ef o rs h o c k w a v e a b s t r a c t t h ea c c u r a t em e a s u r e m e n to ft h eo v e r p r e s s u r ea n dt h ei m p u l s ep r o d u c e db ye x p l o s i v e b l a s t i n g ，m a yp r o v i d et h eb a s i sf o rd i s t i n g u i s h i n gt h et y p e so ft h ee x p l o s i v e ，t h ep o w e r c o n t r a s to ft h ee x p l o s i v ea n dt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni nt h ew e a p o n sr e s e a r c hp r o c e s s t o s o l v e t h ep r o b l e mo ft h eu n i v e r s a lt e s ts y s t e me m p l a c e di n c o n v e n i e n t l ya n dt h es t o r e d t e s t i n gs y s t e mn e e dt ob er e c y c l e d , t h i sp a p e rh a sd e s i g n sa n dd e v e l o p st h ew i r e l e s ss e l l s o r n o d ea p p l i e di nt h es h o c kw a v et e s t , a n de x p l o r e san e wm e t h o do fs h o c kw a v et e s t ，w h i c h h a st h ef u n c t i o no fw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o na n dc o n t r 0 1 t h i sp a p e rh a sa n a l y s i st h ed e v e l o p m e n to fr e l a t e df i e l d s ，g i v e sas e n s o rn o d ed e s i g n p r o p o s a lb a s e do nt h ep i c 16 f 8 7 7m i c r oc o n t r o l l e r ，t h ec p l dc o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c ea n dt h en r f 2 4 l 0 1w i r e l e s st r a n s m i s s i o nc t l i 由a c c o r d i n gt ot h es h o c kw a v et e s t r e q u i r e m e n t s id e s i g n sa n dd e b u g st h ea n a l o gc i r c u i ta n dt h ed i g i t a lc i r c u i to ft h en o d ed a t a a c q u i s i t i o ns t o r a g em o d u l e ，c h o o s e st h ei c ps e n s o r , a n ds o l v e si t sl o wb a t t e r yv o l t a g ep o w e r s u p p l yp r o b l e m t h i sa r t i c l eh a ss t u d i e do nt h el o wp o w e rc o n s u m p t i o nh i g hs p e e dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nm o d u l e , t h er e l i a b l es u r v i v a lm i c r o a n t e n n aw h i c ha p p l i e di nt h ee x p l o s i o n e n v i r o n m e n t , t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sp r o t o c o lt o 黜l s u l ea c c u r a t ed a t at r a n s m i s s i o n , a n d t h em a s t e r - s l a v en e t w o r kt o p o l o g ya p p l yt os h o c kw a v et e s t f i n a l l y , ih a sc a r r i e do nat e s t t om e a s u r et h ea v e r a g ed a t at r a n s m i s s i o nr a t ea n dt h e c o m m u n i c a t i o nd i s t a n c eo fs e n s o rn o d e t h en o d eh a da p p l i e di ne x p l o d i n ge x p e r i m e n t , g a i n s t h eo v e r p r e s s u r em e a s u r e dd a t aa n dc o n f i r m st h en o d es y s t e m sv a l i d i t y t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h i sn o d eh a sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha st h el o wp o w e rc o n s u m p t i o n , s i m p l et h e s t r u c t u r e ，e a s yt oo p e r a t e ，s t a b l ea n dr e l i a b l e ，a n dt h eh i g h e rd a t ac a p t u r er a t a s oi th a sav e r y g o o da p p l i c a t i o np r o s p e c ta n dt h ep r o m o t e dv a l u ei nt h eo v e r p r e s s u r eo fs h o c kw a v et e s t k e y w o r d s ：s h o c kw a v eo v e r p r e s s u r et e s t ，s e l l s o r n o d e ，w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n ， m i e r o s t r i pa n t e n n a i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：主选堑日期： 囝：兰孑 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名： 导师签名：域乏乡盘- e t 其t l ：型阻扯 中北大学学位论文 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论 炸药、炮弹、炸弹( 包括核弹) 和导弹等在距地面或水面一定高度处爆炸，炸后在 空气中形成冲击波( 即激波) ，向四周传播，碰到地面经过反射后沿地面传播，冲击波 遇到物体时发生反射，同时物体受到冲击载荷。炸药在空中爆炸时产生的空气冲击波超 压峰值和冲量是炸药能量特性的一项重要参数，也是衡量弹药特别是爆破及杀伤爆 破战斗部损伤效果的一项重要指标，因此准确测量可以为武器研制过程中的爆炸类型判 别、威力对比、性能评价提供依据【1 j 【2 】。 近年来，国内外研究人员利用各种测试方法对爆炸冲击波进行了大量的研究，由于 测试环境恶劣，目前常用的冲击波场超压测试方法包括引线电测法和存储测试法。 引线电测法是将压力传感器置于爆炸测试现场，前置适配器、信号记录仪及计算机 等设备置于远离现场的掩体内，爆炸冲击波作用于压力传感器产生的电信号通过长电线 传输到测试仪器上，经适配器转换放大后由瞬态记录仪进行数据采集和存储记录，最后 由计算机对测试数据进行分析处理和再现。通过测试结果来分析冲击波压力的大小和分 布情况，而且能完整记录冲击波的传播过程。 引线电测法存在的不足：系统标定和校准复杂。组成测试系统的仪器彼此都是分 离的，整个测试系统的标定繁琐、校准困难。干扰噪声大。测试信号通过电缆长距离 传输必然受到爆炸冲击波强火光、强冲击波场和强电离场的干扰，同时冲击波作用于信 号传输电缆会因“电缆效应”产生虚假信号叠加在被测信号上引起干扰。现场布设不 方便。冲击波破坏性大，尤其是大当量航弹、云雾弹等静爆冲击波超压高，且有碎片， 传输电缆及其接插件常常遭到破坏，因此现场固定和保护要求高，造成布设非常不方便。 可以看出在引线电测法中，长电线成为整个测试系统中的薄弱环节【3 】。 存储测试法是把传感器、适配电路、a d 转换器、存储器、控制电路、接口电路以 及电源等集合在一起，组成一个微型化测试系统。在实际应用中，要将存储测试系统预 先置入被测环境，待记录完毕后回收测试系统，并连接读数电缆以读取测试数据【4 1 。存 储测试技术具有体积小、低功耗、抗干扰、不需要外接引线、标定和校准方便等特点。 中北大学学位论文 存储测试法存在的不足：无法实时监测系统状态。测试系统置入爆炸现场后，测 试人员撤离试验场，就无法确知系统状态，一旦系统不正常，易导致测试失败。不能 第一时间获取测试数据。爆炸结束后，需要回收测试系统，才能读取存储数据。回收过 程可能存在耗时长、回收困难或意外掉电等风险。实验效率低。由于短时间需要多次 进行相同的实验，但每次试验后测试人员要取出装置进行读数，完后要再次进行装置防 护，耽误很长时间，降低总体实验效率。可以看出，存储测试法克服了引线电测法的一 些缺点，但系统在智能化、数据传输等方面仍存在一些问题【5 】。 基于以上分析，本文应用存储测试技术、无线传感器网络技术、无线通信技术和天 线技术等，设计和开发了应用于冲击波场超压测试的无线传感器节点，拟弥补现有方法 的不足并解决爆炸环境中测量数据的无线传输与控制问题，探索具有无线数据传输与控 制功能的爆炸冲击波场测试新方法，在测试系统领域有很好的应用前景和推广价值。 1 2 相关研究进展 通过查阅国内外文献资料，分别从冲击波存储测试技术、近距离无线通信技术、无 线传感器网络技术三个方面来介绍相关研究进展。 1 2 1 冲击波存储测试技术发展现状 1 9 9 7 年中北大学( 原华北工学院) 测试技术实验室基于动态测试理论，提出一种冲 击波超压的存储测试方法，对实验曲线进行了分析与处理，在测试系统动态特性的补偿 问题上作了探讨 0 3 。1 9 9 8 年，该实验室根据测试系统存在超调而无法给出冲击波超压峰 值误差的难题，设计了兼顾被测信号的有效带宽和测试系统特性的滤波器，能够得到被 测信号误差很小的估计值【刀。同年，北京理工大学提出了基于燃料空气炸药( f a e ) 爆 炸压力场的基本特征及爆轰波、冲击波压力测量理论，系统地研究了f a e 的爆炸压力 测试技术。在综合分析研究多种f a e 爆炸压力测试方法的基础上，提出了以内装电压 放大器的测压系统代替电荷放大器的测压系统和数字存储式的压力测试系统为主要的 两种测试方法【8 】。1 9 9 9 年，中国工程物理研究院也在冲击波存储测试方面提出了一些相 关的看法f 9 】。2 0 0 2 年，北京理工大学针对爆炸冲击波存储测试问题，提出了一种新型数 字存储式测压系统设计思想，建立了存储测试系统信息传输模型及测试通道信息有效性 2 中北大学学位论文 准则，引入了信息的真和率失真函数概念进行测试通道设计【1 0 1 。2 0 0 4 年，中北大学动 态测试和智能仪器实验室研制成功了可同时测速测压的存储式冲击波测试系统，并进行 了多次实爆实验，标志着冲击波存储测试技术已基本成熟。 1 2 2 各种短距离无线通信技术现状 目前，短距离无线数据传输的技术主要有i e e e s 0 2 1 l b ( w i f i ) 、蓝牙技术、红外 通信技术、超宽带技术、h o m e r f 技术和低功率近距离无线通信技术。 ( 1 ) i e e e 8 0 2 1 l b ( w i f i 无线高保真)i e e e 8 0 2 1 1 b 技术标准是无线局域网的国 际标准，使用2 4 g h z 的i s m 频段，采用直接序列扩频技术( d s s s ) 进行调制解调，从 而增强了抗干扰能力，提高了传输速度【1 1 1 ，8 0 2 1 l b 无线网络的最大优点是兼容性强。 ( 2 ) 蓝牙技术( b l u e t o o t h )蓝牙技术使用全球统一开放的2 4 g h z 的i s m 频段， 采用跳频扩频f h s s 技术实现设备之间的无线互连，有穿透能力，能够全方位传送，主 要面对网络中各种数据和语音设备。蓝牙技术主要具有以下特点：规范的开放性、产品 的互操作性及兼容性、公用通信频段以及提供大容量的语音和数据网络。蓝牙技术目前 只是一种行业联盟制定的短距离无线通信规范【1 2 1 。 ( 3 ) 红外通信技术红外通信技术i r d a ( i n f r a - r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 采用人眼看不 到的红外线传输信息，是使用最广泛的短距离无线通信技术。它采用点到点的连接方式， 发射、接收具有方向性，具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、 速度快、保密性强、成本低廉的特点。广泛应用于各种遥控器，笔记本电脑，p d a ，移 动电话等移动设备。 ( 4 ) 超宽带技术超宽带无线技术u w b ( u l t r aw i d eb a n d ) 又称脉冲无线电 ( i m p u l s er a d i o ) 技术。u w b 是一种无载波通信技术，即它不采用载波，而是利用纳 秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。u w b 被允许在 3 1 - - - ，1 0 6 g h z 的波段内工作，主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身 体的雷达和图像系统中。 ( 5 ) h o m e r f 技术家庭射频( h o m e r f ) 技术是无绳电话技术( d e c t ) 和无线 局域网( w u 州) 技术相互融合发展的产物。家庭射频系统的设计目的就是为了在家用 电器设备之间传送话音和数据，并且能够与公众交换电话网( p s t n ) 和互联网进行交 3 中北大学学位论文 互式操作，它工作于2 4 g h zi s m 频段，采用数字跳频扩频技术。 ( 6 ) 低功率近距离无线通信技术随着大规模集成电路技术的发展，近距离无线 通信系统的大部分功能都可以集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯 片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，所有高频元件包括电 感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界影响【1 3 】。该 通信技术一般采用f s k 调制方式，工作于i s m 频段，包含简单透明的数据传输协议或使 用简单的加密协议，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令 字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。新一代近距离无线数据通信系统具有体 积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入 到各种设备中，实现设备间的无线连接。 从以上介绍可以看出，各种不同的近距离无线通信标准都是根据不同的使用场合、 不同的用户需求而制定的。有的是为了增加带宽和传输距离，有的则是考虑移动性和经 济性。通过比较本系统选用低功率短距离无线通信技术作为无线通信解决方案。 1 2 3 无线传感器网络发展现状 从2 1 世纪开始，无线传感器网络( w s n ) 引起了各国军事部门、工业界和学术界 的极大关注，欧美国家，特别是美国相继启动了多项关于无线传感器网络的研究计划。 随着研究的深入，它正在逐渐深入到人类生活的各个应用领域【1 4 】。 为使传感器网络能在军事和民用领域被广泛应用，美国国防预研局( d 姚) 在 1 9 7 9 年提出了“分布式传感器网络计划d s n 。在传感器、网络通信协议、信息处理 和分布式系统设计等技术领域开展了研究。主要成果包括：卡内基梅隆大学面向通信的 网络操作系统a c c “1 5 l 以及后来的m a c h ；麻省理工学院基于知识的信号处理技术1 6 1 ； 麻省理工学院林肯实验室面向低空飞行器，基于声音信号的实时跟踪测试平台【1 7 】等。 加州大学洛杉矶分校和r o c k w e l l 研究中心的w i n s 项目，主要目标是构建分布式 传感节点网络，提供各种环境下的节点操作能力，并与i n t e r n e t 互联；加州大学伯克利 分校的“智能微尘一( s m a r td u s t ) 1 1 8 】，试图实现如尘埃般悬浮在空中的微型传感节点， 已成功研制出m a c r om o t e 、l a s e rm o t e 和m i n im o t e 等多种节点，并己商业化；随后启 动的n e s t 项目则在传感节点的嵌入式操作系统t i n y o s 、编译器n e s c 和仿真环境等领 4 中北大学学位论文 域开展工作；1 9 9 5 年，美国海军提出协同作战能力( c e c ) 系统；2 0 0 0 年，美国陆军 的无人地面传感器网络( u g s ) 项目，主要目标是根据需要将传感器节点灵活部署到任 何区域，实施战场监控以扩展陆军的视野。2 1 世纪初，d a r p a 提出“c 4 k i s r ，主要 目标是整合“指挥、控制、通信、计算机、杀伤、情报及监视与侦察 各网络平台，强 调战场情报的获取能力、信息的综合处理和利用能力，旨在缩短目前发现、定位、跟踪、 瞄准、交战和评估各步骤之间的延迟，传感器网络是该系统的重要研究领域之一。随后， d a r p a 启动了s e n s l t 项目，主要研究可应用于战场环境下以a dh o e 形式快速部署， 适应高度动态变化环境的网络技术，以及准确、可靠、快速的网络信息处理技术，建立 一个廉价的无处不在的网络系统。 欧盟在第6 个框架计划中将“信息融合技术 作为有限发展领域之一，其中多处涉 及到对w s n 的研究。p h i l i p s 、s i e m e n s 、e r i c s s o n 、z m d 、f r a n c et e l e c o m 、c h i p c o n 等 公司都在对w s n 进行研发，并在相关应用领域为用户提供w s n 的解决方案。其他许 多研究机构和公司也都展开了w s n 研究，i n t e l 、f r e e s c f l e 、c r o s s b o w 、d u s tn e t w o r k s ( 恤) 、e m b e r 、c h i p s 等公司推出了商用w s n 芯片、节点设备和解决方案。不同的节 点设计针对不同的应用场合，硬件大小、功耗、设计代价也不尽相同【1 9 1 。 中国2 0 1 0 年远景规划和“十五计划中将传感器列为重点发展的产业之一。与此 同时，中国下一代互联网( c n g i ) 项目、国家自然科学基金、国家“8 6 3 计划基金都 支持w s n 研究。中国的一些研究机构也开展无线传感器网络领域的研究，包括中国科 学技术大学、清华大学、中科院计算所、上海微系统所、沈阳自动化所以及合肥智能所 等单位【2 0 】。国内的一些科技公司也基于无线传感器网络技术开发出环境检测系统、桥梁 振动测试系统【2 1 】等。通过查询国内外资料，目前还没有基于冲击波超压测试的无线传感 器节点，因此本文探索和研究爆炸环境下无线传感器节点的关键技术有一定的创新。 1 3 本文的主要工作及章节安排 本课题主要是对适用于冲击波场超压测试的无线传感器节点进行研究，重点开展了 以下工作。根据实际测试需求，查阅大量的文献资料，进行了无线传感器节点方案的论 证；选择i c p 传感器，并解决其低电池电压供电问题；对无线传感器系统中数据采集存 储模块中的模拟电路和数字电路进行设计和调试；设计和开发低功耗高速无线通信模块 5 中北大学学位论文 电路并完成调试，设计出在恶劣环境下可靠通信的无线通信协议：开展天线技术研究， 解决爆炸环境下的天线生存问题，保证无线信号的可靠传输；最后进行节点的通信距离 和速率测试，并将节点应用于冲击波静爆试验。 本文的章节安排如下： 第一章主要是在查阅大量相关文献的基础上，介绍了选题的背景及意义，以及国内 外冲击波存储测试技术、短距离无线通信技术和无线传感器网络技术的发展现状。 第二章介绍无线传感器节点的设计原理和无线通信系统相关基础知识，根据具体测 试需求，提出了冲击波场无线传感器节点的总体设计方案。 第三章是节点的硬件设计部分，包括数据采集存储模块、无线通信模块、u s b 接口 电路、微带天线等。 第四章是节点的软件设计部分，包括无线通信程序设计、u s b 接口通信软件设计和 串口通信程序设计，研究了适宜该节点的无线通信协议。 第五章对节点的通信距离及数据传输速率进行测试，并将节点应用于冲击波静爆试 验，验证节点的有效性。 第六章对论文的研究设计工作进行了总结和展望。 1 4 本章小结 本章首先从课题的研究背景出发，剖析了当前冲击波测试方法的不足和弊端，强调 了设计冲击波场无线传感器节点的必要性。通过查询大量的文献资料，为设计提供了正 确的方向。最后对论文的主要工作及章节安排做了简要介绍。 6 中北大学学位论文 第二章冲击波场无线传感器节点的设计原理及方案 本章研究了无线传感器节点的设计原理，介绍了近距离无线数据传输技术的相关知 识，分析了f s k 信号调制解调的性能指标和在传输过程中的干扰因素和差错控制技术。 最后通过需求分析，提出了冲击波场无线传感器节点的设计方案。 2 1 无线传感器节点的设计原理 无线传感器节点是构成无线传感器网络的基础，因此本节首先介绍无线传感器网 络，然后给出无线传感器节点的结构组成和特点，为后面的设计奠定基础。 2 1 1 无线传感器网络简介 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 是指由分布在特定区域内足够多 的无线传感器节点构成的一种新型信息获取系统。每一个传感器节点配备有一种或多种 传感器( 例如温度传感器、湿度传感器、声音感应器、光照传感器、红外线感应器、磁 感应器、震动传感器等) 并且具有一定的运算处理能力。各个节点之间通过专用网络协 议实现信息的交流、汇集和处理，并通过无线通信方式形成一个特殊的a d h o e 网络， 从而实现在特定区域内目标的探测、识别、定位与跟踪。传感器网络的应用前景十分广 阔，在军事、工农业、环境监测、医疗护理、抢险救灾、危险区域远程控制以及智能家 居等领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视【2 2 1 。 无线传感器网络系统通常包括传感器节点( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点( s ；i n kn o d e ) 和 管理节点，其网络结构如图2 1 所示。 图2 1 无线传感器网络结构 7 中北大学学位论文 大量传感器节点随机部署在监测区域( s e n s o rf i e l d ) 内部或附近，能够通过自组织 方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输到达汇聚节 点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和 管理，发布监测任务以及收集监测数据。 对于无线传感器网络的研究，可分为底层硬件平台的设计和上层网络应用协议的开 发两大部分。硬件平台中最重要的部分就是传感器节点的设计和开发，它是搭建无线传 感器网络监测系统的基础。同时，传感器网络使用的各种算法协议，包括数据融合、数 据路由、目标定位、跟踪等等，都受制于传感器节点的硬件性能。因此，传感器节点在 无线传感器网络中扮演着非常重要的角色。对于传感器节点的研究，可以推动整个无线 传感器网络技术的向前发展。 2 1 2 无线传感器节点的结构和特点 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，单个传感器节点的基本功能包括：准确 地采集环境参数的值，并进行初步的处理；接收监控中心的数据请求命令，将采集的数 据发往监控中心等。虽然根据具体应用的不同，传感器节点的设计也不尽相同，但是其 设计理念是一样的。 无线传感器节点一般包括传感器模块、数据采集处理模块、无线通信模块和电源管 理模块四个基本单元，如图2 2 所示。 图2 2 无线传感器节点组成图 传感器模块负责监测区域信息的采集；数据采集处理模块负责控制传感器节点的操 作，转换、存储和处理本地采集的数据；通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信， 交换控制消息和收发采集数据；电源管理模块为传感器节点提供运行所需要的能量，通 常采用微型电池【2 3 】。根据具体应用需求，给节点配置不同的辅助模块，例如：增加定位 8 中北大学学位论文 系统以确定节点自身的物理位置；增加动力模块使得节点可以在待监测地域中进行有限 地移动；增加能源补充模块使得节点可以从环境中补充自身的能源。 总体来说，传感器节点作为无线传感器网络的重要组成部分，在设计时要考虑以下 特点：微型化、低功耗、低成本、高强壮性( 受到自然环境的影响，因此要求节点具有 一定的抗毁性) 、可扩展性高( 传感器节点可根据任务的不同，搭载多种传感器，节点 预留的扩展接口必须能满足这种要求) 。 对于冲击波无线传感器节点的设计，其他模块技术相对成熟，关键在于无线通信 模块的设计，保证其在冲击波测试环境中可靠通信。下面将对节点所采用无线通信技术 的相关理论进行介绍。 2 2 无线通信技术相关理论 本设计采用低功率近距离无线通信技术，因此本节将介绍其无线通信系统的组成， 分析无线通信系统性能指标及调制方式，最后研究无线信号的编码，使之符合一定的通 信协议。 2 2 1 无线通信系统组成 实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。最基本的无线 通信系统由发送设备、接收设备和通常作为无线连接的信道组成，以基本的点对点无线 通信为例，无线通信系统的组成【矧如图2 3 所示。 图2 3 无线通信系统组成框图 信源的作用是把待传输的消息转换成原始电信号，信源输出的信号称为基带信号， 所谓基带信号是指没有经过调制( 进行频谱搬移和变换) 的原始电信号。 发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的基带信号变换成适 合在信道中传输的信号。发射设备任务就是完成基带信号对信源编码和信道编码、调制， 将其变为通带信号并搬移到所需的频段上，且有足够的功率发射。发送设备的基本结构 9 中北大学学位论文 如图2 4 所示。 图2 4 发送设备组成框图 无线信道是指信号传输的通道，无线信道中电磁波的传播有几种方式：直射、反射、 折射、绕射和散射。电磁波在传播的过程中能量还会被雨点、树叶等小的障碍物吸收， 形成电波的损耗，无线电波的传播与环境有着密切的联系。图中的噪声源是信道中的所 有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。 接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码、解码。它的任务是从带有干 扰的接收信号中恢复出相应的原始信号来。接收设备的基本结构如图2 5 所示。图中低 噪声放大器是接收机前端的主要部分，主要对接收的微弱射频信号进行降噪、放大处理。 图2 5 接收设备组成框图 信宿是将复原的原始电信号转换成相应的消息。 2 2 2 无线通信系统性能指标 本论文的无线通信系统是由射频电路实现的，射频( r a d i of r e q u e n c y , r f ) 是指所有 频率高于1 0 k h z ，可以向外辐射电磁能量的信号。在现代电路设计和通信系统应用中， 通常将射频的频率范围定义为3 0 m f f z - - 一4 g h z ，这个频段覆盖了大多数电子通信系统载 波的频率嘲。 1 0 中北大学学位论文 ( 1 ) 调制速率 调制速率又称为信号速率，记为o ，它表示单位时间内( 每秒) 信道上实际传输 的码元个数或脉冲个数( 可以是多进制) ，单位是波特。 n o5 高灯喘 ( 式2 j ) ( 2 ) 数据传输速率 数据传输速率是指每秒能传输的比特数，又称比特率，单位是比特秒( b i t s 或b p s ) 。 数据传输速率的计算公式如下： s = ( 1 0 9 2n ) r ( 式2 2 ) 其中n 表示一个脉冲所能表示的有效状态数，丁表示单位脉冲宽度。 ( 3 ) 频带利用率 通信系统占用的频带愈宽，传输信息的能力应该愈大。通常情况下，可以认为二者 成比例，用单位频带内的符号速率描述系统的传输效率，即每赫兹的波特数： 驴蓊黼川。 c式2371z ) = 一x l w nin j 1 系统的频带宽度一 一。 。 ( 4 ) 差错率 衡量数据传输质量的最终指标是差错率。由于数据信号在传输过程中不可避免地会 受到外界的噪声干扰，信道的不理想也会带来信号的畸变失真，因此当干扰信号和信号 畸变达到一定程度就可能导致接收的差错f 2 6 】。差错率有两种表达方法：误码率和误信率。 误码率是指错误接收的码元数在传输总码元数中所占的比例。 ：笔型辫1 0 0 ( 式2 4 ) r = 一x i ，4j 1 传输总码元数 一一 误信率是指错误接收的信息量在传送信息总量中所占的比例，它是码元的信息量在 传输系统中被丢失的概率。 p b - - 需圳。 c 式2 5 ， 一天u u 7 n i j 传输消息的总比特数一 一 。 中北大学学位论文 2 2 3 无线信号的调制与解调 调制的实现方法多种多样，按照调制方式有模拟调制和数字调制，按照调制参数分 调频、调幅和调相。数字信号调制中称为：振幅键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 、相移 键控( p s k ) 2 7 1 。本文的无线信号调制部分使用了频移键控( f s k ) ，或称为数字频率调 制，它是数字通信中较常用的一种调制方式，是利用数字基带信号控制载波信号的频率， 即以不同频率的频振荡来表示不同的数字基带信息。f s k 抗干扰能力强，硬件设备简单、 调制与解调方法具有抗多径时延性能，在无线短波通信中应用广泛。 ( 1 ) 调制 按数字信号的类型，数字调制可分为二进制和多进制数字调制。本文选用的无线芯 片采用二进制频移键控，即2 f s k 。所谓二进制频移键控，指载波频率随信码“0 或“l 而改变，当发送“0 时对应于某个载波频率岛，发送“l 刀时对应于另一个载频l 【2 3 1 。 f s k 的时域表达式为： o ) = i a 。g ( t 一疗丁) l c o s ( q ，+ 仇) + i 动o 一刀z ) l c o s ( 吐f + 幺) ( 式2 6 ) l 月jlnj 式中，g o ) 为单个矩形脉冲，脉宽为t 。 设信息源发出的是由二进制符号0 、1 组成的序列，且假定0 符号出现的概率为p ， 1 符号出现的概率为l p ，它们彼此独立。g o ) 是持续时间为丁的矩形脉冲，4 。取值服 从下述关系： = f ：! 概髫加p )( 式2 7 a n ( 1 - ) 2 1l ，概率为 p ) 【瓦 ) a 是a 。的反码，即若a 。= 0 ，则口。= 1 ；若a 。= 1 ，则口。= 0 ，于是 ：= 倍概慧 c2 8 ， 口1l ，概率为p j 吼和眈是第n 个码元的初始相位。 二进制频移键控信号可以看成是两个不同载频的幅度键控信号之和。显然，它的频 带宽度是两倍基带信号带宽与l 石- - ：o l 的和。值得注意的是，这个信号自身的带宽应足 12 中北大学学位论文 够窄以避免频谱混叠。此外，为使信号正常接收，还应该保证信号间的带宽小于调幅接 收机的中放带宽。 这种方法的特点是：转换速度可以提高，波形好，频率稳定度可以做得很高；它只 需一个稳定频率源，其余各种不同频率可用频率综合器产生。但这种方法产生的是不连 续的f s k 信号，通常叫离散相位2 f s k 波形。由于相位不连续，使它的频带加宽，浪费 了信道的频带资源。频率键控法的另一个好处是可以用数字电路实现，便于集成化。 ( 2 ) 解调 f s k 按处理方式分类，可分为相干解调( 图2 6 ) 和非相干解调( 图2 7 ) ，特别是 非相干解调方式，实现简单，无需恢复出同步的载波。其解调原理是将二进制移频键控 信号分解为上下两路二进制振幅键控信号，分别进行解调，通过对上下两路的抽样值进 行比较最终判决输出信号。 图2 62 f s k 相干解调原理图 广1 = f , l r i = 广口一一 土 一 + h 竺兰h 抽样判决f 丘2 t 一。嗣一网同 图2 72 f s k 非相干解调原理图 相干数字解调接收质量最佳，但在其解调过程中恢复出具有精确频率和相位的相干 信号较为困难，所需设备也较复杂。而采用非相干数字解调方法，可根据数字频移键控 信号的特点，在接收端不需要相干信号，因而被广泛使用。 1 3 中北大学学位论文 综上所述，f s k 是利用基带数字信号去控制电子开关，使之在不同振荡频率的振荡 器之间进行切换，从而输出不同频率的信号，再与载波进行混频，从而实现频率调制。 近年来随着数字集成电路和微电子技术的快速发展，一种新的频率合成技术直接数 字频率合成( d d s ) 迅速兴起。它将先进的数字信号处理d s p 理论和方法引入到频率 合成领域中，从而有效解决了许多模拟合成技术无法解决的问题，直接数字频率合成的 兴起标志着第三代频率合成技术的形成。d d s 是基于数字域，基本原理是利用采样定理 通过查表法直接产生相应频率的正弦波。它具有频率范围宽，频率分辨率高，可用软件 方便地控制输出频率、频率切换速度快且切换频率时相位保持连续等优点，从而在线性 调频、扩频和跳频系统、多普勒响应模拟等领域得到了广泛应用【2 9 】。 2 2 4 无线通信协议 通信可能在发射端和接收端之间受到外界的干扰而使数据发生错误，因此需要协议 来保证接收端能正确接收到从发射端来的数据，并确定所接收数据是否是实际数据。因 此协议的第一件事就是能够识别噪声和有效数据。 噪声是以随机字节出现的，没有明显的方式，一个理想的噪声源应该能够产生每一 种可能字节信息的结合。噪声的这种特性使得很难去找一种字节组合来作为有效数据包 的开始，实际中的噪声并不是理想的。为此在实际的通信协议的制定过程中，我们只需 要根据测试经验在数据包前加上噪声中不容易产生的数据作为包头，就可以大大提高数 据传输的准确性与可靠性。但由于信号传播的开放性、发射接收地理环境的复杂性与多 样性、发射源与目标系统可能存在的相对移动等因素使无线信道表现出很大的复杂性和 随机性，因此传播的信号将产生空间、时间、频率选择性衰落等问题，故接收端在复原 发送端的信息时会产生错误，因此需要进行差错控制。 差错控制就是发送端按照某种相互关联的规则给被传输的信息附加一些监督位，接 收端则按照约定的规则来检验信息码元和监督码元之间的关系，从而可以达到发现乃至 纠正错误的目的。差错控制方案通常有三种：前向纠错( f e c ) 、自动请求重传( a r q ) 、 以及综合f e c 与a r q 的混合方案( 又称为混合a r q ) 和信息反馈( i r q ) 。 常用检错码有定比码、奇偶校验码、方阵码及群计数法。 在数据通信领域中最常用的一种差错校验码是循环校验码( c r c 码) ，即通过某种 1 4 中北大学学位论文 数学算法对整个消息模块进行计算。循环校验码附加到消息的后面，一起传送到接收端。 接收端重新计算消息块，并对两个c r c 进行比较。如果匹配，通信过程继续；如果不 匹配，接收端就请求重传直到问题解决，如果在规定的时间内不能解决，就终止会话。 2 3 冲击波场无线传感器总体设计方案 本论文研究的无线传感器节点有别于传统意义上的无线传感器节点，主要构想就是 将存储测试技术和无线传感器技术融合，在数据采集存储模块的基础上，研究可靠的无 线通信模块和微型天线，最终实现对冲击波场超压的测试。 节点的总体设计方案应在满足整体性能指标的前提下，充分考虑节点使用的环境， 所选的结构要尽量简单实用、易于实现，器件的选用要着眼于合适的参数、稳定的性能、 较低的功耗、低廉的成本以及较好的互换性能。 2 3 1 设计需求分析 由于本文设计的传感器节点专用于冲击波超压测试，因此有相应的设计要求如下： ，( 1 ) 节点传感器量程为o 1 6 9 m p a ，系统放大电路增益可编程，满足距离爆点不 同地方的测试需求；爆炸冲击波信号包含丰富的频率分量，要求a d 采样频率为1 m i - i z ， 系统带宽为2 0 0 k h z ；为了提高测试精度，a d 转换的分辨率为1 2 b i t ；为了获取较长时 间的信号，存储器的容量为5 1 2 k 字节；为避免误触发，系统采取内触发、外触发等多 种触发方式并且触发电平可编程。 ( 2 ) 由于节点存储器容量大、节点多，要求无线数据传输速度快，以便第一时间 获取测试数据；针对爆炸当量较小的冲击波测试，要求最短防护距离2 0 0 米，因此节点 通信距离应在5 0 0 米以上，但增大发射功率又与系统的低功耗要求矛盾，开发低功耗的 无线传输技术成为必然要求。 ( 3 )由于测试现场的地形、地貌复杂，通信环境恶劣，爆炸存在极大的破坏性， 传感器节点通常需要防护于地面以下，这使得无线传输信道变得复杂，信号衰减严重。 为了使测试数据能够正确、可靠的传输，必须进行专用无线通信协议的开发，以满足节 点的通信需求。 ( 4 ) 传感器节点工作在爆炸冲击波场中，一般的天线置于该环境中难以幸存，必 1 5 中北大学学位论文 须开发一种适用于该环境的微小体积天线，来满足节点与用户之间的通信。 ( 5 ) 由于节点无线通信需要高速传输，功耗大，但是为了避免节点受到冲击波的 伤害，要求节点体积要小，在节点自供电的情况下，为了延长传感器的工作时间，因此 需要选用大容量电池并对电源进行管理，来满足节点各部分的能量需求。 2 3 2 总体方案设计及器件选择 通过以上的需求分析，本文确定了无线传感器节点的总体设计方案。 根据无线传感器节点原理，冲击波场无线传感器节点的硬件由i c p 压力传感器及其 供电电路、数据采集存储模块( 模拟电路和数字电路) 、无线通信模块( 无线收发机) 和电源供给这四个部分组成。 由于冲击波测试的环境比较恶劣，并且各个节点不需要移动、不需要长时间工作， 因此对附加设备要求不高。但是传感器节点处在爆炸场中，需要节点在设计上采取一些 特殊的防护措施。 ( 1 ) 传感器的选取 可用于压力测试的压力传感器类型有很多种，包括压电式传感器、压阻式传感器、 电容式传感器和电感式传感器等。但是因为不同类型的传感器其特性有所差异，所以选 择一种最合理的压力传感器是很必要的。在目前的冲击波压力测试中，大多采用了压电 式传感器。它具有固有频率高、灵敏度高和信噪比高等优点，但又有不可避免的缺点就 是无静态输出、电输出阻抗要求高、对电缆的电容和噪声要求很高【划。 本文采用的传感器是p c b 公司的i c p 压电传感器，这种传感器内置集成电路，通 过模拟输入信号调理模块