無線傳感器節點信號線的電磁防護實驗研究

江長建，陳雯柏，郝 翠，蘭少峰

(北京信息科技大學 自動化學院， 北京 100020)

無線傳感器網絡因免布線、易于安裝、網絡組網方式靈活和場地適應性強等特點在軍事應用、智能安防和環境監測等眾多領域得到廣泛的應用[1-3]。但隨著微電子技術的發展，尤其是特大及超大規模集成電路的發展，加之日益嚴峻的電磁環境，電子系統工作的可靠性和安全性受到了嚴重的威脅[4]。強電磁脈沖因其功率高、上升時間短和頻帶寬等特點一旦通過天線、信號線等耦合進入無線傳感器節點內部，會對節點敏感單元造成嚴重的干擾和破壞作用[5-6]。無線傳感器網絡如何保證在經受強電磁脈沖干擾時節點不失效是一個重要的研究問題[7-9]。

近些年，大量學者及科研機構對無線傳感器節點的強電磁脈沖效應及防護方法進行了研究。如侯民勝[10]研究了單片機系統的強電磁脈沖效應；陳子鵬博士[11]研究了無線傳感器節點電脈沖輻照效應；安勃[12]研究了無線傳感器的電磁兼容問題；南京理工大學、西安電子科技大學、中北大學、北京交通大學[13-16]等也從不同應用場景、不同方向對無線傳感器節點的電磁脈沖效應及防護進行了研究。這些研究都沒有從信號線端對無線傳感器的電磁脈沖效應及防護進行究。無線傳感器節點在實際部署應用時，受應用場景(比如高溫、高濕)、自身尺寸(PCB布線)和應用方向(光強檢測、煙霧報警)等因素的影響，傳感器模塊需要放在屏蔽盒外邊，通過導線和微處理器相連而成為薄弱環節。因此，本文主要分析強電磁脈沖通過信號線耦合進入節點內部對節點的干擾及其防。

本文先構建具有故障自動檢測功能的測試平臺，微處理器選用在物聯網領域應用廣泛的CC2530,后使用強電磁脈沖發生器進行輻照實驗來測試節點可能出現的故障現象。并在此基礎上設計一套軟硬件相結合的防護方法，提高節點抗強電磁脈沖能力。

1 強電磁脈沖效應實驗測試平臺構建

強電磁脈沖經過信號線耦合進入節點內部，瞬時過電流在節點內部產生過電壓，干擾節點正常工作。本文主要從重啟、死機、Flash值和信號傳輸，4個方面來探究無線傳感器節點信號線的強電磁脈沖效應。

硬件為基于CC2530的最小系統單元，尺寸為2 cm×3 cm內部包含256 k Flash、4 k RAM、3組22個通用IO口、SPI、UART和ADC等接口。本實驗以SPI口為實驗接口，節點自身放在銅盒子內，排除節點自身受輻照的影響；傳感器通過信號線穿過銅盒與節點SPI口連接，信號線為長10 cm，直徑1 mm的杜邦線；其中電源線和天線已添加浪涌保護器(SPD)防護模塊，排除強電磁脈沖通過這兩個模塊對節點產生影響，簡單硬件結構如圖1所示。

監控軟件燒寫在節點微處理器內部，通過定時輪詢的方式逐項檢測節點故障，并將檢測結果通過天線發送到協調器端，基本流程如圖2所示。

圖1 簡單硬件結構

測試系統主要有強電磁脈沖發生器、模擬光纖測試系統和示波器，結構如圖3所示，圖4為現場測試圖。脈沖發生系統為強電磁脈沖發生器，高壓脈沖源產生高壓脈沖沿著傳輸線傳播形成一個垂直極化的橫向波，其絕大部分能量局限在照射器的結構中；本實驗強電磁脈沖時間特性為：上升時間小于3 ns，脈寬小于50 ns。遠場光纖測試系統將信號線感應電流轉換為電壓信號，通過示波器顯示；示波器型號為MDO3000，采集頻率5 GS/s，帶寬達1 GHz。

圖3 測試系統結構

圖4 現場測試圖

2 節點信號接口強電磁脈沖輻照效應分析

使用強電磁脈沖發生器對無線傳感器節點進行輻照實驗，測試區5～50 kV/m，被測節點的信號線垂直向上放置，與電場方向平行，此時耦合進入節點內部的強電磁脈沖能量最大；使用的傳感器為熱電偶，型號為MAX6675，通過SPI口和節點相連；節點每50 ms采集1次傳感器數據。通過光纖電流采集器來測試通過信號線SCK耦合進入節點內部的電流，測試結果如表1所示。

表1 節點輻照實驗結果

由表1可知：

1) 節點信號線端口自身有一定的抗強電磁脈沖能力，電場峰值場強在低于26 kV/m時，節點只會出現通信數據錯誤現象，而且是否出錯呈不確定性。數據出現暫時性錯誤主要是因為：信號線感應電壓和實際信號疊加； 傳感器瞬時故障。故障現象不確定性主要是因為節點連續讀取2次傳感器數據之間的間隔為50 ms，強電磁脈沖持續時間為70 ns左右，強電磁脈沖干擾時節點可能處在采集間隔期或者采集期。

2) 在場強峰值達到32 kV/m左右時，節點出現死機、重啟現象；節點故障率隨著峰值場強的增大而增大；由圖5可知強電磁脈沖通過信號線灌入節點內部電流隨著脈沖峰值場強的增大而增大，大電流的灌入造成節點故障。同時在故障閾值點，灌入的電流峰值增加到1.84 A左右，信號端口的對地直流阻抗約為120 Ω，因此接口耐壓值約為200 V。

重啟原因：CC2530內部集成多個復位源，其中與本實驗相關的外部復位代號為1，上電、掉電復位代號為0；由表1可知節點復位原因為強電磁脈沖通過信號線耦合進入節點內部，在復位引腳上產生了有效的外部復位信號，從而導致節點復位。

死機原因：耦合進入節點內部高電壓導致PC指針發生意外跳轉，當PC跳轉到一條指令內部時，會導致CPU指令解析錯誤，從而出現死機現象。

3) 在5～50 kV/m內節點Flash值未出現改變，也未出現永久性損傷，主要原因可能是強電磁脈沖輻照強度未達到節點Flash改變閾值及節點永久性損傷閾值。

3 信號線防護方案設計

由圖5可知，無線傳感器節點故障主要是由于強電磁脈沖通過信號線耦合進入節點內部的瞬時大電流和大電壓引起，因此主要防護思路是通過瞬態抑制器件來阻止瞬態大電流或者高電壓耦合進入系統內部，從而保護系統穩定工作；主要要求有兩個： 防護電路要能保證節點工作狀態正常；傳感器信號不失真。

圖5 節點灌入電流曲線

3.1 無線傳感器信號接口防護設計

針對強電磁脈沖導致節點信號瞬時性錯誤現象，因CC2530接口種類多，其通信速率從直流到10 M不等，通信頻段和強電磁脈沖主要能量頻段重合，硬件濾波電路效果差而且結構復雜。而且在測試的480組數據中，只出現1次數據錯誤現象，出錯率非常低，因此本文采用數字濾波來剔除錯誤信號。常用的數字濾波方法有算數均值濾波、遞推均值濾波、中值濾波、限幅濾波，其中算數均值濾波通過求幾組數據的平局值來降低異常信號干擾，并不能剔除異常信號；遞推平均值濾波對周期性干擾有較好抑制作用，但對瞬時脈沖信號干擾抑制作用差；限幅濾波適合變化幅度慢的信號濾波；中值濾波通過信號排序，然后取中間值的方式來剔除錯誤信號，本實驗干擾信號的特點： 瞬時性； 可能突然增大也可能突然減小，非常適合采用中值濾波。本文通過連續讀取5個傳感器數據，然后采用中值濾波選出有效值。

針對強電磁脈沖導致節點故障的現象主要采用瞬態抑制器件來防護。目前主流的瞬態抑制器件主要有壓敏電阻、瞬態抑制二極管和氣體放電管等；壓敏電阻可防護功率高、可泄放電流大，但是在大容量時極間電容太大，會導致信號畸形；氣體放電管電流吸收能力強但是反應時間長，不適合瞬態強電磁脈沖的防護。TVS管反應時間短可達ps級別，鉗位電壓為幾伏到幾百伏不等，最大泄放功率可達30～50 kW，而且極間電容低，適合用于信號線的強電磁脈沖防護。

3.2 TVS管的選擇

節點的正常工作電壓為3.3 V，正常工作時可承受的最大脈沖電壓峰值為200 V左右,強電磁脈沖通過信號線耦合進入節點內部的電流為交流；又因為TVS管的鉗位電壓會隨著泄放電流的增大而增大，最大鉗位電壓會大于標稱鉗位電壓，并且其極間電容會隨著電流泄放能力的增大而增大[17-18]，因此選擇的TVS管標稱鉗位電壓應在5～150 V之間；強電磁脈沖為大功率脈沖，功率選用15 kW和30 kW兩種型號。基于此選擇了15 kW5CA、15 kW33CA、15 kW51CA、15 kW100CA、30 kW10CA、30 kW24CA、30 kW100CA型號的TVS管。

TVS管的極間電容往往難以測量，且會造成高頻信號畸形和亂碼，因此本文以實驗的方式來研究以上各TVS管極間電容對SPI口通信的影響以選擇合適的TVS管。將TVS管接在信號線和地線之間，SDA為數據線，SCK為時鐘線，結構如圖6所示。

1號節點在SDA線和GND之間分別接不同型號的TVS，2號節點在SCK和GND之間接不同型號的TVS，測試結果如表2所示，其中“OK”表示能正常通信，“NO”表示不能正常通信。

由表2可知，15kW51CA和15kW100CA均能滿足要求，但是15kW51CA的結電容比15kW100CA大，因此選用15kW100CA型號的TVS管繼續進行脈沖輻照實驗。

圖6 防護電路結構

3.3 防護方法驗證及結果分析

在1號節點SCK、SDA和地之間分別添加15 kW100CA的TVS，在微處理器里對采集的信號進行中值濾波。后進行強電磁脈沖輻照實驗，使用光纖測試系統測試經過TVS泄放后經過SCK進入節點內部的電流。由前邊實驗結果可知節點故障閾值為30 kV/m左右，因此本實驗從25 kV/m開始打擊，實驗結果如表3所示。

表2 極間電容對節點采集數據的影響

表3 強電磁脈沖輻照實驗結果

受脈沖模擬發生器自身因素的影響，本實驗測試場強峰值最大值為65 kV/m左右。由表3可知，耦合進入節點內部的電流大大減小，整個節點的故障閾值由30 kV/m增加到66 kV/m，并且未檢測到信號錯誤現象，達到了節點防護要求。

節點出現故障主要原因是通過信號線耦合進入節點大電流，添加TVS后，強電磁脈沖打擊時，TVS在短時間內導通構成低阻通道，使信號線耦合的電流大部分通過TVS管導走，從而保護節點不受損害，圖7反映了添加TVS前后通過SCK信號線灌入節點內部電流。

由圖7可知，在20 kV/m以前，防護前后耦合進入節點內部電流基本不變，是因為此時TVS兩端電壓沒有達到導通電壓，呈現高阻態，可視為開路；在20 kV/m以后TVS導通，在故障點30 kV/m處灌入節點內部的電流峰值由1.8 A降低到1.2 A左右，經過TVS管泄放的電流達0.6 A，泄放量達33%；故障閾值有30 kV/m提高到66 kV/m，大大提高了節點抗強電磁脈沖的能力。

圖7 防護前后節點灌入

4 結論

1) 本文提出了一種軟硬件相結合的防護方法，針對節點死機、重啟現象，在深入分析故障原因及TVS管的防護特性基礎上，采用一級15 kW51CA的TVS管進行防護，使節點在故障閾值點30 kV/m時，通過導線耦合進入節點內部的電流峰值由1.8 A降低到1.2 A，最終將節點的故障閾值從30 kV/m增加到66 kV/m。

2) 針對節點在經受強電磁脈沖打擊時，出現通信數據暫時性錯誤現象，由于數據通信速率和強電磁脈沖能量主要集中頻段相重疊，硬件濾波無法達到濾除雜波效果，本文通過對比不同濾波方法的優缺點，選用中頻數字濾波來剔除干擾數據，在脈沖輻照實驗中未采集到干擾信號，濾波效果較好。

3) 該方案簡單、有效，其實驗結果和防護方案對無線傳感器節點信號線端的防護具有參考意義。