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摘要：通過對易燃、易爆危險品倉庫存儲特點的分析，結合WSN技術設計出適合危險品倉庫應用的復合無線傳感器節點，可對易燃、易爆危險品狀態信息進行實時監控，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生，保障人民生命財產安全。 引言 隨著石油、化工和能源工業的發展，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。它的安全不僅關系到人民生命安全，更牽涉社會的安定。據統計，在易燃、易爆危險品事故中存儲和運輸環節造成的事故最多。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生事故。目前，僅靠人工方式監控，存在監控準確度低、監控難度大等問題。例如，對于氣體泄漏、溫度超標等安全信息監控，最初很難被捕捉到。其次隨著監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：環境溫濕度、室內光照強度、室內氣體含量、貨架穩定性等。本文設計出針對以上安全信息進行監控的復合型無線傳感器，可有效判斷易燃、易爆危險品倉庫的安全條件是否達標。在安全條件接近危險閾值時，可以及時預警并根據超限危險因素特點得出最佳解決方案。 1 復合傳感器節點的硬件設計 1.1 復合傳感器節點的結構 復合傳感器節點由傳感單元、微處理器單元、存儲單元、無線收發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;微處理器負責控制和協調整個復合傳感器節點的工作;存儲單元用來存儲自身采集的數據以及從其他節點接收到的數據;無線收發器負責與其他復合傳感器節點進行通信，包括交換控制信息和收發采集數據。 1.2 傳感單元設計 本課題的傳感單元集光照強度傳感器、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、易爆危險品對室內氣體含量要求不同，本課題以C02傳感器為例測試室內氣體含量。 1.2.1 光照強度傳感器 本課題選用Toshiba公司的TPS851光照強度傳感器，該傳感器利用PN結的反向特征。在反向偏轉時，PN結產生一個受光控制的電流信號。該輸出量與觸發照明成正比，而不受供應電源的影響。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生產的SHT75溫濕度傳感器，這是一款數字式傳感器，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轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現無縫連接。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、響應時間快、數字量輸出。輸出的數字量通過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，即完成了復合傳感器的硬件設計。更多的傳感器可以根據類似的方法進行添加，本文不再闡述。 1.3 微處理器及無線收發單元設計 本課題選用TI公司的CC2430芯片來控制整個復合傳感器節點的工作和數據傳輸。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為增強型單周期8051微控制核，另外還包括了許多強大的外設資源，如DMA、定時器/計數器、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無線收發模塊核心部分是CC2420射頻收發器，該射頻收發器符合2.4 GHz IEEE 802.15.4標準，擁有104 dB鏈路預算，-101 dB的接收靈敏度和3 dB的傳輸功率，片內發送數據和接收數據的緩沖為128字節，正好滿足IEEE 802.15.4協議規定的最大幀長度127字節的要求，發送時需要加2字節的CRC16校驗碼。
微處理器及無線收發單元硬件原理圖如圖5所示。本課題對于模擬部分設計，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，同時為芯片內部的PA及LNA提供直流偏置。 1.4 電源單元設計
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功能。電池提供的5～9 V電壓經過LDO降壓后電壓穩定輸出3.3 V供應給整個系統使用，D1用來指示電源供電情況。 2 復合傳感器節點軟件設計 2.1 復合傳感器節點操作系統的選擇 本課題選用TinyOS操作系統，其程序采用模塊化設計，所以它的程序核心往往都很小(一般來說核心代碼和數據大概在400字節左右)，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絡上并去執行相應的管理工作等。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據并通過無線網絡來傳輸信息。 2.2 復合傳感器驅動程序設計 復合傳感器驅動程序由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。提供的命令函數和事件函數包括read()命令函數和readDone()事件函數，如表1中所述。其中命令函數由接口提供者實現，事件函數由調用接口者實現。傳感器接口配置文件定義了要實現SHT接口需要哪些組件。傳感器接口實現文件具體實現SHT接口和傳感器驅動。 2.3 復合傳感器節點數據通信設計 復合傳感器節點數據通信協議為分發式、收集式。其中分發式用來傳遞指令和參數給所有傳感器節點;收集式用來收集所有傳感器節點采集到的數據。因此定義了如圖7所示的結構體來存儲需要分發的指令和收集的數據。這些數據只能通過相應的接口才能獲取，從而保證了數據的安全性。
2.3.1 分發式 匯聚節點將新定義好的控制指令和參數裝入數據包后，分發組件調用Send接口將該包發送至各個節點。節點收到包后，會做出相應的調整并反饋當前狀態信息給應用程序。分發式網絡協議工作原理如圖8所示。
分發式協議中用到的組件包括：DisseminationC(分發協議的控制部分)、DisseminatorC(分發協議進行數據分發和接收的部分)、BcastSenderC(向網絡中廣播數據)。分發式協議中用到的接口包括：StdControl(對分發協議進行控制)、DisseminationUpdate(將上層傳來的命令進行分發)、Send(廣播)。 2.3.2 收集式 匯聚節點需要收集各節點采集到的數據時調用收集式協議，應用程序通過AMSend接口將收集消息傳給AMRadio組件，當AM Radio組件經Receive接口收到數據包后由Packet接口打開并取出相關值由應用程序處理。收集式網絡協議工作原理如圖9所示。
收集式協議中用到的組件包括：CollectionC(CTP協議)、PoolC(數據緩沖池)、QueueC(數據緩沖隊列)，收集式協議中用到的接口包括：Packet(對Packet進行操作)、Receive(接收數據)、AMSend(發送數據)。 2.4 復合傳感器節點工作流程 第一個啟動的節點為匯聚節點，該節點負責建立網絡，其他分節點申請加入網絡，加入網絡成功后，分節點就會將自身采集數據傳送到匯聚節點。匯聚節點也可發送指令到各個分節點來完成數據重傳、獲取節點狀態、更改采集周期等任務。系統的工作流程如圖10所示。
3 復合傳感器節點測試 3.1 復合傳感器節點功耗測試 復合傳感器節點采用TinyOS2操作系統，具有電源管理能力。在關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，可見系統在開啟電源管理的情況下使用時間可延長近10倍。 3.2 復合傳感器節點網絡性能測試 3.2.1 節點通信距離測試 節點通信距離測試情況如表2所列。
3.2.2 節點組網測試 測試匯聚節點能否正常的啟動網絡，各分節點能否正常加入網絡，并將自己的網絡ID傳送至匯聚節點。測試選用一個匯聚節點，10個分節點。 測試結果：分節點平均接入時間1 s，最長接入時間2 s，節點組網正常。 3.2.3 節點數據傳輸測試 測試匯聚節點和各分節點間的數據通信，包括匯聚節點向各分節點發送各種控制命令，以及匯聚各分節點采集數據。 測試結果：匯聚節點和各分節點問的數據通信正常。 3.3 復合傳感器節點現場測試 本試驗中使用了5個采集節點和1個匯聚節點，每個采集節點上安裝有4個傳感器，分別是溫濕度傳感器、光敏傳感器和CO2傳感器。節點布設于面積為100 m2左右的倉庫內，節點成多邊形布設，節點間距離為25 m左右。 測試結果如表3所列。復合傳感器節點可在無人值守的情況下實時、準確地獲取易燃、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控要求。
結語 本課題設計的復合傳感器節點集多種針對易燃、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該復合傳感器節點后能準確獲取該倉庫的易燃、易爆危險品安全信息，解決了僅靠人工監控存在的準確度低、監控難度大等問題。節點軟件基于TinyOS設計，具有硬件無關性，可以方便地更換硬件平臺以及傳感器，具有良好的擴展性。復合傳感器節點經過簡單調整可以方便地應用到其他危險品存儲、運輸監控場所。 |
