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

引言
    隨著石油、化工和能源工業(yè)的發(fā)展，作為原材料、能源和消費品使用的易燃、易爆危險品的流通量和存儲量越來越大。它的安全不僅關(guān)系到人民生命安全，更牽涉社會的安定。據(jù)統(tǒng)計，在易燃、易爆危險品事故中存儲和運輸環(huán)節(jié)造成的事故最多。易燃、易爆危險品存儲、運輸有很多安全條件，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)測時間的推移人的警惕性很容易下降，從而影響危險品的安全存儲。易燃、易爆危險品存儲的安全條件包括：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、易爆危險品倉庫的安全條件是否達(dá)標(biāo)。在安全條件接近危險閾值時，可以及時預(yù)警并根據(jù)超限危險因素特點得出最佳解決方案。

1 復(fù)合傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計
1．1 復(fù)合傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)
    復(fù)合傳感器節(jié)點由傳感單元、微處理器單元、存儲單元、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)整個復(fù)合傳感器節(jié)點的工作；存儲單元用來存儲自身采集的數(shù)據(jù)以及從其他節(jié)點接收到的數(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
    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)測易燃易爆危險品倉庫的安全條律。由于不同易燃、易爆危險品對室內(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，PN結(jié)產(chǎn)生一個受光控制的電流信號。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。

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。該傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A／D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(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：功耗低、壽命長、測量范圍廣、精度高、響應(yīng)時間快、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。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
    本課題選用TI公司的CC2430芯片來控制整個復(fù)合傳感器節(jié)點的工作和數(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、定時器／計數(shù)器、8～14位ADC、USART、21個可編程I／O引腳等。它的時鐘源可以選取外部晶振或內(nèi)部RC振蕩器。本課題采用兩個外部晶振，工作時鐘選用7．372 8 MHz晶振；實時時鐘選用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)送時需要加2字節(jié)的CRC16校驗碼。
    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，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
    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)給整個系統(tǒng)使用，D1用來指示電源供電情況。

2 復(fù)合傳感器節(jié)點軟件設(shè)計
2．1 復(fù)合傳感器節(jié)點操作系統(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，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資源少的限制，這能夠讓TinyOS很有效地運行在無線傳感器網(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)動程序設(shè)計
    復(fù)合傳感器驅(qū)動程序由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)由接口提供者實現(xiàn)，事件函數(shù)由調(diào)用接口者實現(xiàn)。傳感器接口配置文件定義了要實現(xiàn)SHT接口需要哪些組件。傳感器接口
實現(xiàn)文件具體實現(xiàn)SHT接口和傳感器驅(qū)動。
2．3 復(fù)合傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)通信設(shè)計
    復(fù)合傳感器節(jié)點數(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；收集式用來收集所有傳感器節(jié)點采集到的數(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)送至各個節(jié)點。節(jié)點收到包后，會做出相應(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)點需要收集各節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)時調(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))。

2．4 復(fù)合傳感器節(jié)點工作流程
    第一個啟動的節(jié)點為匯聚節(jié)點，該節(jié)點負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，其他分節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)成功后，分節(jié)點就會將自身采集數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點也可發(fā)送指令到各個分節(jié)點來完成數(shù)據(jù)重傳、獲取節(jié)點狀態(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)點測試
3．1 復(fù)合傳感器節(jié)點功耗測試
    復(fù)合傳感器節(jié)點采用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間可延長近10倍。
3．2 復(fù)合傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)性能測試
3．2．1 節(jié)點通信距離測試
    節(jié)點通信距離測試情況如表2所列。

3．2．2 節(jié)點組網(wǎng)測試
    測試匯聚節(jié)點能否正常的啟動網(wǎng)絡(luò)，各分節(jié)點能否正常加入網(wǎng)絡(luò)，并將自己的網(wǎng)絡(luò)ID傳送至匯聚節(jié)點。測試選用一個匯聚節(jié)點，10個分節(jié)點。
    測試結(jié)果：分節(jié)點平均接入時間1 s，最長接入時間2 s，節(jié)點組網(wǎng)正常。
3．2．3 節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸測試
    測試匯聚節(jié)點和各分節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信，包括匯聚節(jié)點向各分節(jié)點發(fā)送各種控制命令，以及匯聚各分節(jié)點采集數(shù)據(jù)。
    測試結(jié)果：匯聚節(jié)點和各分節(jié)點問的數(shù)據(jù)通信正常。
3．3 復(fù)合傳感器節(jié)點現(xiàn)場測試
    本試驗中使用了5個采集節(jié)點和1個匯聚節(jié)點，每個采集節(jié)點上安裝有4個傳感器，分別是溫濕度傳感器、光敏傳感器和CO2傳感器。節(jié)點布設(shè)于面積為100 m2左右的倉庫內(nèi)，節(jié)點成多邊形布設(shè)，節(jié)點間距離為25 m左右。
    測試結(jié)果如表3所列。復(fù)合傳感器節(jié)點可在無人值守的情況下實時、準(zhǔn)確地獲取易燃、易爆危險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、易爆危險品各項安全信息的監(jiān)控要求。

結(jié)語
    本課題設(shè)計的復(fù)合傳感器節(jié)點集多種針對易燃、易爆危險品安全信息的傳感器于一體，在易燃、易爆危險品存儲倉庫中布設(shè)該復(fù)合傳感器節(jié)點后能準(zhǔn)確獲取該倉庫的易燃、易爆危險品安全信息，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)點軟件基于TinyOS設(shè)計，具有硬件無關(guān)性，可以方便地更換硬件平臺以及傳感器，具有良好的擴(kuò)展性。復(fù)合傳感器節(jié)點經(jīng)過簡單調(diào)整可以方便地應(yīng)用到其他危險品存儲、運輸監(jiān)控場所。