无线传感器节点信号线的电磁防护实验研究

江长建，陈雯柏，郝 翠，兰少峰

(北京信息科技大学 自动化学院， 北京 100020)

无线传感器网络因免布线、易于安装、网络组网方式灵活和场地适应性强等特点在军事应用、智能安防和环境监测等众多领域得到广泛的应用[1-3]。但随着微电子技术的发展，尤其是特大及超大规模集成电路的发展，加之日益严峻的电磁环境，电子系统工作的可靠性和安全性受到了严重的威胁[4]。强电磁脉冲因其功率高、上升时间短和频带宽等特点一旦通过天线、信号线等耦合进入无线传感器节点内部，会对节点敏感单元造成严重的干扰和破坏作用[5-6]。无线传感器网络如何保证在经受强电磁脉冲干扰时节点不失效是一个重要的研究问题[7-9]。

近些年，大量学者及科研机构对无线传感器节点的强电磁脉冲效应及防护方法进行了研究。如侯民胜[10]研究了单片机系统的强电磁脉冲效应；陈子鹏博士[11]研究了无线传感器节点电脉冲辐照效应；安勃[12]研究了无线传感器的电磁兼容问题；南京理工大学、西安电子科技大学、中北大学、北京交通大学[13-16]等也从不同应用场景、不同方向对无线传感器节点的电磁脉冲效应及防护进行了研究。这些研究都没有从信号线端对无线传感器的电磁脉冲效应及防护进行究。无线传感器节点在实际部署应用时，受应用场景(比如高温、高湿)、自身尺寸(PCB布线)和应用方向(光强检测、烟雾报警)等因素的影响，传感器模块需要放在屏蔽盒外边，通过导线和微处理器相连而成为薄弱环节。因此，本文主要分析强电磁脉冲通过信号线耦合进入节点内部对节点的干扰及其防。

本文先构建具有故障自动检测功能的测试平台，微处理器选用在物联网领域应用广泛的CC2530,后使用强电磁脉冲发生器进行辐照实验来测试节点可能出现的故障现象。并在此基础上设计一套软硬件相结合的防护方法，提高节点抗强电磁脉冲能力。

1 强电磁脉冲效应实验测试平台构建

强电磁脉冲经过信号线耦合进入节点内部，瞬时过电流在节点内部产生过电压，干扰节点正常工作。本文主要从重启、死机、Flash值和信号传输，4个方面来探究无线传感器节点信号线的强电磁脉冲效应。

硬件为基于CC2530的最小系统单元，尺寸为2 cm×3 cm内部包含256 k Flash、4 k RAM、3组22个通用IO口、SPI、UART和ADC等接口。本实验以SPI口为实验接口，节点自身放在铜盒子内，排除节点自身受辐照的影响；传感器通过信号线穿过铜盒与节点SPI口连接，信号线为长10 cm，直径1 mm的杜邦线；其中电源线和天线已添加浪涌保护器(SPD)防护模块，排除强电磁脉冲通过这两个模块对节点产生影响，简单硬件结构如图1所示。

监控软件烧写在节点微处理器内部，通过定时轮询的方式逐项检测节点故障，并将检测结果通过天线发送到协调器端，基本流程如图2所示。

图1 简单硬件结构

测试系统主要有强电磁脉冲发生器、模拟光纤测试系统和示波器，结构如图3所示，图4为现场测试图。脉冲发生系统为强电磁脉冲发生器，高压脉冲源产生高压脉冲沿着传输线传播形成一个垂直极化的横向波，其绝大部分能量局限在照射器的结构中；本实验强电磁脉冲时间特性为：上升时间小于3 ns，脉宽小于50 ns。远场光纤测试系统将信号线感应电流转换为电压信号，通过示波器显示；示波器型号为MDO3000，采集频率5 GS/s，带宽达1 GHz。

图3 测试系统结构

图4 现场测试图

2 节点信号接口强电磁脉冲辐照效应分析

使用强电磁脉冲发生器对无线传感器节点进行辐照实验，测试区5～50 kV/m，被测节点的信号线垂直向上放置，与电场方向平行，此时耦合进入节点内部的强电磁脉冲能量最大；使用的传感器为热电偶，型号为MAX6675，通过SPI口和节点相连；节点每50 ms采集1次传感器数据。通过光纤电流采集器来测试通过信号线SCK耦合进入节点内部的电流，测试结果如表1所示。

表1 节点辐照实验结果

由表1可知：

1) 节点信号线端口自身有一定的抗强电磁脉冲能力，电场峰值场强在低于26 kV/m时，节点只会出现通信数据错误现象，而且是否出错呈不确定性。数据出现暂时性错误主要是因为：信号线感应电压和实际信号叠加； 传感器瞬时故障。故障现象不确定性主要是因为节点连续读取2次传感器数据之间的间隔为50 ms，强电磁脉冲持续时间为70 ns左右，强电磁脉冲干扰时节点可能处在采集间隔期或者采集期。

2) 在场强峰值达到32 kV/m左右时，节点出现死机、重启现象；节点故障率随着峰值场强的增大而增大；由图5可知强电磁脉冲通过信号线灌入节点内部电流随着脉冲峰值场强的增大而增大，大电流的灌入造成节点故障。同时在故障阈值点，灌入的电流峰值增加到1.84 A左右，信号端口的对地直流阻抗约为120 Ω，因此接口耐压值约为200 V。

重启原因：CC2530内部集成多个复位源，其中与本实验相关的外部复位代号为1，上电、掉电复位代号为0；由表1可知节点复位原因为强电磁脉冲通过信号线耦合进入节点内部，在复位引脚上产生了有效的外部复位信号，从而导致节点复位。

死机原因：耦合进入节点内部高电压导致PC指针发生意外跳转，当PC跳转到一条指令内部时，会导致CPU指令解析错误，从而出现死机现象。

3) 在5～50 kV/m内节点Flash值未出现改变，也未出现永久性损伤，主要原因可能是强电磁脉冲辐照强度未达到节点Flash改变阈值及节点永久性损伤阈值。

3 信号线防护方案设计

由图5可知，无线传感器节点故障主要是由于强电磁脉冲通过信号线耦合进入节点内部的瞬时大电流和大电压引起，因此主要防护思路是通过瞬态抑制器件来阻止瞬态大电流或者高电压耦合进入系统内部，从而保护系统稳定工作；主要要求有两个： 防护电路要能保证节点工作状态正常；传感器信号不失真。

图5 节点灌入电流曲线

3.1 无线传感器信号接口防护设计

针对强电磁脉冲导致节点信号瞬时性错误现象，因CC2530接口种类多，其通信速率从直流到10 M不等，通信频段和强电磁脉冲主要能量频段重合，硬件滤波电路效果差而且结构复杂。而且在测试的480组数据中，只出现1次数据错误现象，出错率非常低，因此本文采用数字滤波来剔除错误信号。常用的数字滤波方法有算数均值滤波、递推均值滤波、中值滤波、限幅滤波，其中算数均值滤波通过求几组数据的平局值来降低异常信号干扰，并不能剔除异常信号；递推平均值滤波对周期性干扰有较好抑制作用，但对瞬时脉冲信号干扰抑制作用差；限幅滤波适合变化幅度慢的信号滤波；中值滤波通过信号排序，然后取中间值的方式来剔除错误信号，本实验干扰信号的特点： 瞬时性； 可能突然增大也可能突然减小，非常适合采用中值滤波。本文通过连续读取5个传感器数据，然后采用中值滤波选出有效值。

针对强电磁脉冲导致节点故障的现象主要采用瞬态抑制器件来防护。目前主流的瞬态抑制器件主要有压敏电阻、瞬态抑制二极管和气体放电管等；压敏电阻可防护功率高、可泄放电流大，但是在大容量时极间电容太大，会导致信号畸形；气体放电管电流吸收能力强但是反应时间长，不适合瞬态强电磁脉冲的防护。TVS管反应时间短可达ps级别，钳位电压为几伏到几百伏不等，最大泄放功率可达30～50 kW，而且极间电容低，适合用于信号线的强电磁脉冲防护。

3.2 TVS管的选择

节点的正常工作电压为3.3 V，正常工作时可承受的最大脉冲电压峰值为200 V左右,强电磁脉冲通过信号线耦合进入节点内部的电流为交流；又因为TVS管的钳位电压会随着泄放电流的增大而增大，最大钳位电压会大于标称钳位电压，并且其极间电容会随着电流泄放能力的增大而增大[17-18]，因此选择的TVS管标称钳位电压应在5～150 V之间；强电磁脉冲为大功率脉冲，功率选用15 kW和30 kW两种型号。基于此选择了15 kW5CA、15 kW33CA、15 kW51CA、15 kW100CA、30 kW10CA、30 kW24CA、30 kW100CA型号的TVS管。

TVS管的极间电容往往难以测量，且会造成高频信号畸形和乱码，因此本文以实验的方式来研究以上各TVS管极间电容对SPI口通信的影响以选择合适的TVS管。将TVS管接在信号线和地线之间，SDA为数据线，SCK为时钟线，结构如图6所示。

1号节点在SDA线和GND之间分别接不同型号的TVS，2号节点在SCK和GND之间接不同型号的TVS，测试结果如表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均能满足要求，但是15kW51CA的结电容比15kW100CA大，因此选用15kW100CA型号的TVS管继续进行脉冲辐照实验。

图6 防护电路结构

3.3 防护方法验证及结果分析

在1号节点SCK、SDA和地之间分别添加15 kW100CA的TVS，在微处理器里对采集的信号进行中值滤波。后进行强电磁脉冲辐照实验，使用光纤测试系统测试经过TVS泄放后经过SCK进入节点内部的电流。由前边实验结果可知节点故障阈值为30 kV/m左右，因此本实验从25 kV/m开始打击，实验结果如表3所示。

表2 极间电容对节点采集数据的影响

表3 强电磁脉冲辐照实验结果

受脉冲模拟发生器自身因素的影响，本实验测试场强峰值最大值为65 kV/m左右。由表3可知，耦合进入节点内部的电流大大减小，整个节点的故障阈值由30 kV/m增加到66 kV/m，并且未检测到信号错误现象，达到了节点防护要求。

节点出现故障主要原因是通过信号线耦合进入节点大电流，添加TVS后，强电磁脉冲打击时，TVS在短时间内导通构成低阻通道，使信号线耦合的电流大部分通过TVS管导走，从而保护节点不受损害，图7反映了添加TVS前后通过SCK信号线灌入节点内部电流。

由图7可知，在20 kV/m以前，防护前后耦合进入节点内部电流基本不变，是因为此时TVS两端电压没有达到导通电压，呈现高阻态，可视为开路；在20 kV/m以后TVS导通，在故障点30 kV/m处灌入节点内部的电流峰值由1.8 A降低到1.2 A左右，经过TVS管泄放的电流达0.6 A，泄放量达33%；故障阈值有30 kV/m提高到66 kV/m，大大提高了节点抗强电磁脉冲的能力。

图7 防护前后节点灌入

4 结论

1) 本文提出了一种软硬件相结合的防护方法，针对节点死机、重启现象，在深入分析故障原因及TVS管的防护特性基础上，采用一级15 kW51CA的TVS管进行防护，使节点在故障阈值点30 kV/m时，通过导线耦合进入节点内部的电流峰值由1.8 A降低到1.2 A，最终将节点的故障阈值从30 kV/m增加到66 kV/m。

2) 针对节点在经受强电磁脉冲打击时，出现通信数据暂时性错误现象，由于数据通信速率和强电磁脉冲能量主要集中频段相重叠，硬件滤波无法达到滤除杂波效果，本文通过对比不同滤波方法的优缺点，选用中频数字滤波来剔除干扰数据，在脉冲辐照实验中未采集到干扰信号，滤波效果较好。

3) 该方案简单、有效，其实验结果和防护方案对无线传感器节点信号线端的防护具有参考意义。