危險(xiǎn)品倉庫的復(fù)合無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

摘要：通過對易燃、易爆危險(xiǎn)品倉庫存儲(chǔ)特點(diǎn)的分析，結(jié)合WSN技術(shù)設(shè)計(jì)出適合危險(xiǎn)品倉庫應(yīng)用的復(fù)合無線傳感器節(jié)點(diǎn)，可對易燃、易爆危險(xiǎn)品狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而確保危險(xiǎn)品的安全存儲(chǔ)和運(yùn)輸，減少危險(xiǎn)品安全事故的發(fā)生，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。
關(guān)鍵詞：WSN技術(shù)；危險(xiǎn)品存儲(chǔ)；復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)

引言
    隨著石油、化工和能源工業(yè)的發(fā)展，作為原材料、能源和消費(fèi)品使用的易燃、易爆危險(xiǎn)品的流通量和存儲(chǔ)量越來越大。它的安全不僅關(guān)系到人民生命安全，更牽涉社會(huì)的安定。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在易燃、易爆危險(xiǎn)品事故中存儲(chǔ)和運(yùn)輸環(huán)節(jié)造成的事故最多。易燃、易爆危險(xiǎn)品存儲(chǔ)、運(yùn)輸有很多安全條件，一旦安全條件超出閾值就極易產(chǎn)生事故。目前，僅靠人工方式監(jiān)控，存在監(jiān)控準(zhǔn)確度低、監(jiān)控難度大等問題。例如，對于氣體泄漏、溫度超標(biāo)等安全信息監(jiān)控，最初很難被捕捉到。其次隨著監(jiān)測時(shí)間的推移人的警惕性很容易下降，從而影響危險(xiǎn)品的安全存儲(chǔ)。易燃、易爆危險(xiǎn)品存儲(chǔ)的安全條件包括：環(huán)境溫濕度、室內(nèi)光照強(qiáng)度、室內(nèi)氣體含量、貨架穩(wěn)定性等。本文設(shè)計(jì)出針對以上安全信息進(jìn)行監(jiān)控的復(fù)合型無線傳感器，可有效判斷易燃、易爆危險(xiǎn)品倉庫的安全條件是否達(dá)標(biāo)。在安全條件接近危險(xiǎn)閾值時(shí)，可以及時(shí)預(yù)警并根據(jù)超限危險(xiǎn)因素特點(diǎn)得出最佳解決方案。

1 復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
1．1 復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)
    復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感單元、微處理器單元、存儲(chǔ)單元、無線收發(fā)單元和電源單元等組成，如圖1所示。

    傳感單元用來獲取倉庫指定位置的多種不安全信息；微處理器負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)整個(gè)復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)的工作；存儲(chǔ)單元用來存儲(chǔ)自身采集的數(shù)據(jù)以及從其他節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)；無線收發(fā)器負(fù)責(zé)與其他復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，包括交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。
1．2 傳感單元設(shè)計(jì)
    本課題的傳感單元集光照強(qiáng)度傳感器、溫濕度傳感器、氣體傳感器、加速度傳感器于一體，綜合監(jiān)測易燃易爆危險(xiǎn)品倉庫的安全條律。由于不同易燃、易爆危險(xiǎn)品對室內(nèi)氣體含量要求不同，本課題以C02傳感器為例測試室內(nèi)氣體含量。
1．2．1 光照強(qiáng)度傳感器
    本課題選用Toshiba公司的TPS851光照強(qiáng)度傳感器，該傳感器利用PN結(jié)的反向特征。在反向偏轉(zhuǎn)時(shí)，PN結(jié)產(chǎn)生一個(gè)受光控制的電流信號(hào)。該輸出量與觸發(fā)照明成正比，而不受供應(yīng)電源的影響。TPS851輸出的模擬量接到微處理器的A／D通道。TPS851和微處理器的連接電路如圖2所示。

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1．2．2 溫濕度傳感器
    本課題選用瑞士Sensirion生產(chǎn)的SHT75溫濕度傳感器，這是一款數(shù)字式傳感器，具有體積小、功耗低的特點(diǎn)。該傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測濕元件和一個(gè)能隙式測溫元件，并與一個(gè)14位的A／D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無縫連接。該芯片通過兩線制的串行接口與微處理器通信。SHT75芯片和微處理器的連接電路如圖3所示。

1．2．3 CO2傳感器
    本課題選用Telaire公司的6004型CO2傳感器，該傳感器具有以下特點(diǎn)：功耗低、壽命長、測量范圍廣、精度高、響應(yīng)時(shí)間快、數(shù)字量輸出。輸出的數(shù)字量通過TXD、RXD接口連接到微處理器的MOSI、MISO接口。6004和微處理器的連接電路如圖4所示。

    將以上單元電路組合，即完成了復(fù)合傳感器的硬件設(shè)計(jì)。更多的傳感器可以根據(jù)類似的方法進(jìn)行添加，本文不再闡述。
1．3 微處理器及無線收發(fā)單元設(shè)計(jì)
    本課題選用TI公司的CC2430芯片來控制整個(gè)復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)的工作和數(shù)據(jù)傳輸。CC2430芯片保持了CC2420所包括的卓越射頻性能，包括超低功耗、高靈敏度、出眾的抗噪聲及抗干擾能力。它所包含的MCU為增強(qiáng)型單周期8051微控制核，另外還包括了許多強(qiáng)大的外設(shè)資源，如DMA、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、8～14位ADC、USART、21個(gè)可編程I／O引腳等。它的時(shí)鐘源可以選取外部晶振或內(nèi)部RC振蕩器。本課題采用兩個(gè)外部晶振，工作時(shí)鐘選用7．372 8 MHz晶振；實(shí)時(shí)時(shí)鐘選用32．768 kHz晶振。
    CC2430無線收發(fā)模塊核心部分是CC2420射頻收發(fā)器，該射頻收發(fā)器符合2．4 GHz IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)，擁有104 dB鏈路預(yù)算，-101 dB的接收靈敏度和3 dB的傳輸功率，片內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的緩沖為128字節(jié)，正好滿足IEEE 802．15．4協(xié)議規(guī)定的最大幀長度127字節(jié)的要求，發(fā)送時(shí)需要加2字節(jié)的CRC16校驗(yàn)碼。
    微處理器及無線收發(fā)單元硬件原理圖如圖5所示。本課題對于模擬部分設(shè)計(jì)，為了降低其他部分的干擾，提高RF性能，需要采取抗干擾措施。例如，模擬電源輸入端增加磁珠或電感；濾波用的電容要盡量靠近芯片。

    另外，要注意阻抗匹配，CC2420射頻輸入／輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入／輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50 Ω，同時(shí)為芯片內(nèi)部的PA及LNA提供直流偏置。
1．4 電源單元設(shè)計(jì)
    電路采用電池供電方式，電源電路如圖6所示。其中的低壓差線性調(diào)壓器(LDO)選用LM1117芯片，該芯片可提供4個(gè)固定電壓輸出(1．8 V、2．5 V、2．85 V、3．3 V)，具有電流限制和熱保護(hù)功能。電池提供的5～9 V電壓經(jīng)過LDO降壓后電壓穩(wěn)定輸出3．3 V供應(yīng)給整個(gè)系統(tǒng)使用，D1用來指示電源供電情況。

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2 復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
2．1 復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的選擇
    本課題選用TinyOS操作系統(tǒng)，其程序采用模塊化設(shè)計(jì)，所以它的程序核心往往都很小(一般來說核心代碼和數(shù)據(jù)大概在400字節(jié)左右)，能夠突破傳感器存儲(chǔ)資源少的限制，這能夠讓TinyOS很有效地運(yùn)行在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上并去執(zhí)行相應(yīng)的管理工作等。TinyOS本身提供了一系列的組件，可以很方便地編制程序，用來獲取和處理傳感器的數(shù)據(jù)并通過無線網(wǎng)絡(luò)來傳輸信息。
2．2 復(fù)合傳感器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
    復(fù)合傳感器驅(qū)動(dòng)程序由3部分組成：傳感器接口定義文件、傳感器接口配置文件、傳感器接口實(shí)現(xiàn)文件，如表1所列。

    傳感器接口定義文件聲明了傳感器與外界的接口。提供的命令函數(shù)和事件函數(shù)包括read()命令函數(shù)和readDone()事件函數(shù)，如表1中所述。其中命令函數(shù)由接口提供者實(shí)現(xiàn)，事件函數(shù)由調(diào)用接口者實(shí)現(xiàn)。傳感器接口配置文件定義了要實(shí)現(xiàn)SHT接口需要哪些組件。傳感器接口
實(shí)現(xiàn)文件具體實(shí)現(xiàn)SHT接口和傳感器驅(qū)動(dòng)。
2．3 復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)
    復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議為分發(fā)式、收集式。其中分發(fā)式用來傳遞指令和參數(shù)給所有傳感器節(jié)點(diǎn)；收集式用來收集所有傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)。因此定義了如圖7所示的結(jié)構(gòu)體來存儲(chǔ)需要分發(fā)的指令和收集的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)只能通過相應(yīng)的接口才能獲取，從而保證了數(shù)據(jù)的安全性。

2．3．1 分發(fā)式
    匯聚節(jié)點(diǎn)將新定義好的控制指令和參數(shù)裝入數(shù)據(jù)包后，分發(fā)組件調(diào)用Send接口將該包發(fā)送至各個(gè)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)收到包后，會(huì)做出相應(yīng)的調(diào)整并反饋當(dāng)前狀態(tài)信息給應(yīng)用程序。分發(fā)式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工作原理如圖8所示。

    分發(fā)式協(xié)議中用到的組件包括：DisseminationC(分發(fā)協(xié)議的控制部分)、DisseminatorC(分發(fā)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)和接收的部分)、BcastSenderC(向網(wǎng)絡(luò)中廣播數(shù)據(jù))。
    分發(fā)式協(xié)議中用到的接口包括：StdControl(對分發(fā)協(xié)議進(jìn)行控制)、DisseminationUpdate(將上層傳來的命令進(jìn)行分發(fā))、Send(廣播)。
2．3．2 收集式
    匯聚節(jié)點(diǎn)需要收集各節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)用收集式協(xié)議，應(yīng)用程序通過AMSend接口將收集消息傳給AMRadio組件，當(dāng)AM Radio組件經(jīng)Receive接口收到數(shù)據(jù)包后由Packet接口打開并取出相關(guān)值由應(yīng)用程序處理。收集式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工作原理如圖9所示。

    收集式協(xié)議中用到的組件包括：CollectionC(CTP協(xié)議)、PoolC(數(shù)據(jù)緩沖池)、QueueC(數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列)，收集式協(xié)議中用到的接口包括：Packet(對Packet進(jìn)行操作)、Receive(接收數(shù)據(jù))、AMSend(發(fā)送數(shù)據(jù))。

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2．4 復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程
    第一個(gè)啟動(dòng)的節(jié)點(diǎn)為匯聚節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，其他分節(jié)點(diǎn)申請加入網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)成功后，分節(jié)點(diǎn)就會(huì)將自身采集數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)也可發(fā)送指令到各個(gè)分節(jié)點(diǎn)來完成數(shù)據(jù)重傳、獲取節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、更改采集周期等任務(wù)。系統(tǒng)的工作流程如圖10所示。

3 復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)測試
3．1 復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)功耗測試
    復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)采用TinyOS2操作系統(tǒng)，具有電源管理能力。在關(guān)閉電源管理的情況下，傳感器功耗平均每秒11．92 mA；在開啟電源管理的情況下，傳感器功耗每秒1．04 mA，功耗相差10倍，可見系統(tǒng)在開啟電源管理的情況下使用時(shí)間可延長近10倍。
3．2 復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)性能測試
3．2．1 節(jié)點(diǎn)通信距離測試
    節(jié)點(diǎn)通信距離測試情況如表2所列。

3．2．2 節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)測試
    測試匯聚節(jié)點(diǎn)能否正常的啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，各分節(jié)點(diǎn)能否正常加入網(wǎng)絡(luò)，并將自己的網(wǎng)絡(luò)ID傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)。測試選用一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，10個(gè)分節(jié)點(diǎn)。
    測試結(jié)果：分節(jié)點(diǎn)平均接入時(shí)間1 s，最長接入時(shí)間2 s，節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)正常。
3．2．3 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸測試
    測試匯聚節(jié)點(diǎn)和各分節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信，包括匯聚節(jié)點(diǎn)向各分節(jié)點(diǎn)發(fā)送各種控制命令，以及匯聚各分節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。
    測試結(jié)果：匯聚節(jié)點(diǎn)和各分節(jié)點(diǎn)問的數(shù)據(jù)通信正常。
3．3 復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場測試
    本試驗(yàn)中使用了5個(gè)采集節(jié)點(diǎn)和1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)上安裝有4個(gè)傳感器，分別是溫濕度傳感器、光敏傳感器和CO2傳感器。節(jié)點(diǎn)布設(shè)于面積為100 m2左右的倉庫內(nèi)，節(jié)點(diǎn)成多邊形布設(shè)，節(jié)點(diǎn)間距離為25 m左右。
    測試結(jié)果如表3所列。復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)可在無人值守的情況下實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取易燃、易爆危險(xiǎn)品倉庫中的安全信息，測量值精確度在0．3％和5％之間，能夠滿足易燃、易爆危險(xiǎn)品各項(xiàng)安全信息的監(jiān)控要求。

結(jié)語
    本課題設(shè)計(jì)的復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)集多種針對易燃、易爆危險(xiǎn)品安全信息的傳感器于一體，在易燃、易爆危險(xiǎn)品存儲(chǔ)倉庫中布設(shè)該復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)后能準(zhǔn)確獲取該倉庫的易燃、易爆危險(xiǎn)品安全信息，解決了僅靠人工監(jiān)控存在的準(zhǔn)確度低、監(jiān)控難度大等問題。節(jié)點(diǎn)軟件基于TinyOS設(shè)計(jì)，具有硬件無關(guān)性，可以方便地更換硬件平臺(tái)以及傳感器，具有良好的擴(kuò)展性。復(fù)合傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)過簡單調(diào)整可以方便地應(yīng)用到其他危險(xiǎn)品存儲(chǔ)、運(yùn)輸監(jiān)控場所。