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危险品仓库的复合无线传感器节点设计
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摘要：通过对易燃、易爆危险品仓库存储特点的分析，结合WSN技术设计出适合危险品仓库应用的复合无线传感器节点，可对易燃、易爆危险品状态信息进行实时监控，从而确保危险品的安全存储和运输，减少危险品安全事故的发生，保障人民生命财产安全。
引言
随着石油、化工和能源工业的发展，作为原材料、能源和消费品使用的易燃、易爆危险品的流通量和存储量越来越大。它的安全不仅关系到人民生命安全，更牵涉社会的安定。据统计，在易燃、易爆危险品事故中存储和运输环节造成的事故最多。易燃、易爆危险品存储、运输有很多安全条件，一旦安全条件超出阈值就极易产生事故。目前，仅靠人工方式监控，存在监控准确度低、监控难度大等问题。例如，对于气体泄漏、温度超标等安全信息监控，最初很难被捕捉到。其次随着监测时间的推移人的警惕性很容易下降，从而影响危险品的安全存储。易燃、易爆危险品存储的安全条件包括：环境温湿度、室内光照强度、室内气体含量、货架稳定性等。本文设计出针对以上安全信息进行监控的复合型无线传感器，可有效判断易燃、易爆危险品仓库的安全条件是否达标。在安全条件接近危险阈值时，可以及时预警并根据超限危险因素特点得出最佳解决方案。
1 复合传感器节点的硬件设计
1.1 复合传感器节点的结构
复合传感器节点由传感单元、微处理器单元、存储单元、无线收发单元和电源单元等组成，如图1所示。
传感单元用来获取仓库指定位置的多种不安全信息;微处理器负责控制和协调整个复合传感器节点的工作;存储单元用来存储自身采集的数据以及从其他节点接收到的数据;无线收发器负责与其他复合传感器节点进行通信，包括交换控制信息和收发采集数据。
1.2 传感单元设计
本课题的传感单元集光照强度传感器、温湿度传感器、气体传感器、加速度传感器于一体，综合监测易燃易爆危险品仓库的安全条律。由于不同易燃、易爆危险品对室内气体含量要求不同，本课题以C02传感器为例测试室内气体含量。
1.2.1 光照强度传感器
本课题选用Toshiba公司的TPS851光照强度传感器，该传感器利用PN结的反向特征。在反向偏转时，PN结产生一个受光控制的电流信号。该输出量与触发照明成正比，而不受供应电源的影响。TPS851输出的模拟量接到微处理器的A/D通道。TPS851和微处理器的连接电路如图2所示。
1.2.2 温湿度传感器
本课题选用瑞士Sensirion生产的SHT75温湿度传感器，这是一款数字式传感器，具有体积小、功耗低的特点。该传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。该芯片通过两线制的串行接口与微处理器通信。SHT75芯片和微处理器的连接电路如图3所示。
1.2.3 CO2传感器
本课题选用Telaire公司的6004型CO2传感器，该传感器具有以下特点：功耗低、寿命长、测量范围广、精度高、响应时间快、数字量输出。输出的数字量通过TXD、RXD接口连接到微处理器的MOSI、MISO接口。6004和微处理器的连接电路如图4所示。
将以上单元电路组合，即完成了复合传感器的硬件设计。更多的传感器可以根据类似的方法进行添加，本文不再阐述。
1.3 微处理器及无线收发单元设计
本课题选用TI公司的CC2430芯片来控制整个复合传感器节点的工作和数据传输。CC2430芯片保持了CC2420所包括的卓越射频性能，包括超低功耗、高灵敏度、出众的抗噪声及抗干扰能力。它所包含的MCU为增强型单周期8051微控制核，另外还包括了许多强大的外设资源，如DMA、定时器/计数器、8～14位ADC、USART、21个可编程I/O引脚等。它的时钟源可以选取外部晶振或内部RC振荡器。本课题采用两个外部晶振，工作时钟选用7.372 8 MHz晶振;实时时钟选用32.768 kHz晶振。
CC2430无线收发模块核心部分是CC2420射频收发器，该射频收发器符合2.4 GHz IEEE 802.15.4标准，拥有104 dB链路预算，-101 dB的接收灵敏度和3 dB的传输功率，片内发送数据和接收数据的缓冲为128字节，正好满足IEEE 802.15.4协议规定的最大帧长度127字节的要求，发送时需要加2字节的CRC16校验码。
微处理器及无线收发单元硬件原理图如图5所示。本课题对于模拟部分设计，为了降低其他部分的干扰，提高RF性能，需要采取抗干扰措施。例如，模拟电源输入端增加磁珠或电感;滤波用的电容要尽量靠近芯片。
另外，要注意阻抗匹配，CC2420射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入/输出阻抗，使其输入输出阻抗为50 Ω，同时为芯片内部的PA及LNA提供直流偏置。
1.4 电源单元设计
电路采用电池供电方式，电源电路如图6所示。其中的低压差线性调压器(LDO)选用LM1117芯片，该芯片可提供4个固定电压输出(1.8 V、2.5 V、2.85 V、3.3 V)，具有电流限制和热保护功能。电池提供的5～9 V电压经过LDO降压后电压稳定输出3.3 V供应给整个系统使用，D1用来指示电源供电情况。
2 复合传感器节点软件设计
2.1 复合传感器节点操作系统的选择
本课题选用TinyOS操作系统，其程序采用模块化设计，所以它的程序核心往往都很小(一般来说核心代码和数据大概在400字节左右)，能够突破传感器存储资源少的限制，这能够让TinyOS很有效地运行在无线传感器网络上并去执行相应的管理工作等。TinyOS本身提供了一系列的组件，可以很方便地编制程序，用来获取和处理传感器的数据并通过无线网络来传输信息。
2.2 复合传感器驱动程序设计
复合传感器驱动程序由3部分组成：传感器接口定义文件、传感器接口配置文件、传感器接口实现文件，如表1所列。
传感器接口定义文件声明了传感器与外界的接口。提供的命令函数和事件函数包括read()命令函数和readDone()事件函数，如表1中所述。其中命令函数由接口提供者实现，事件函数由调用接口者实现。传感器接口配置文件定义了要实现SHT接口需要哪些组件。传感器接口实现文件具体实现SHT接口和传感器驱动。
2.3 复合传感器节点数据通信设计
复合传感器节点数据通信协议为分发式、收集式。其中分发式用来传递指令和参数给所有传感器节点;收集式用来收集所有传感器节点采集到的数据。因此定义了如图7所示的结构体来存储需要分发的指令和收集的数据。这些数据只能通过相应的接口才能获取，从而保证了数据的安全性。
2.3.1 分发式
汇聚节点将新定义好的控制指令和参数装入数据包后，分发组件调用Send接口将该包发送至各个节点。节点收到包后，会做出相应的调整并反馈当前状态信息给应用程序。分发式网络协议工作原理如图8所示。
分发式协议中用到的组件包括：DisseminationC(分发协议的控制部分)、DisseminatorC(分发协议进行数据分发和接收的部分)、BcastSenderC(向网络中广播数据)。分发式协议中用到的接口包括：StdControl(对分发协议进行控制)、DisseminationUpdate(将上层传来的命令进行分发)、Send(广播)。
2.3.2 收集式
汇聚节点需要收集各节点采集到的数据时调用收集式协议，应用程序通过AMSend接口将收集消息传给AMRadio组件，当AM Radio组件经Receive接口收到数据包后由Packet接口打开并取出相关值由应用程序处理。收集式网络协议工作原理如图9所示。
收集式协议中用到的组件包括：CollectionC(CTP协议)、PoolC(数据缓冲池)、QueueC(数据缓冲队列)，收集式协议中用到的接口包括：Packet(对Packet进行操作)、Receive(接收数据)、AMSend(发送数据)。
2.4 复合传感器节点工作流程
第一个启动的节点为汇聚节点，该节点负责建立网络，其他分节点申请加入网络，加入网络成功后，分节点就会将自身采集数据传送到汇聚节点。汇聚节点也可发送指令到各个分节点来完成数据重传、获取节点状态、更改采集周期等任务。系统的工作流程如图10所示。
3 复合传感器节点测试
3.1 复合传感器节点功耗测试
复合传感器节点采用TinyOS2操作系统，具有电源管理能力。在关闭电源管理的情况下，传感器功耗平均每秒11.92 mA;在开启电源管理的情况下，传感器功耗每秒1.04 mA，功耗相差10倍，可见系统在开启电源管理的情况下使用时间可延长近10倍。
3.2 复合传感器节点网络性能测试
3.2.1 节点通信距离测试
节点通信距离测试情况如表2所列。
3.2.2 节点组网测试
测试汇聚节点能否正常的启动网络，各分节点能否正常加入网络，并将自己的网络ID传送至汇聚节点。测试选用一个汇聚节点，10个分节点。
测试结果：分节点平均接入时间1 s，最长接入时间2 s，节点组网正常。
3.2.3 节点数据传输测试
测试汇聚节点和各分节点间的数据通信，包括汇聚节点向各分节点发送各种控制命令，以及汇聚各分节点采集数据。
测试结果：汇聚节点和各分节点问的数据通信正常。
3.3 复合传感器节点现场测试
本试验中使用了5个采集节点和1个汇聚节点，每个采集节点上安装有4个传感器，分别是温湿度传感器、光敏传感器和CO2传感器。节点布设于面积为100 m2左右的仓库内，节点成多边形布设，节点间距离为25 m左右。
测试结果如表3所列。复合传感器节点可在无人值守的情况下实时、准确地获取易燃、易爆危险品仓库中的安全信息，测量值精确度在0.3%和5%之间，能够满足易燃、易爆危险品各项安全信息的监控要求。
结语
本课题设计的复合传感器节点集多种针对易燃、易爆危险品安全信息的传感器于一体，在易燃、易爆危险品存储仓库中布设该复合传感器节点后能准确获取该仓库的易燃、易爆危险品安全信息，解决了仅靠人工监控存在的准确度低、监控难度大等问题。节点软件基于TinyOS设计，具有硬件无关性，可以方便地更换硬件平台以及传感器，具有良好的扩展性。复合传感器节点经过简单调整可以方便地应用到其他危险品存储、运输监控场所。
引言
随着石油、化工和能源工业的发展，作为原材料、能源和消费品使用的易燃、易爆危险品的流通量和存储量越来越大。它的安全不仅关系到人民生命安全，更牵涉社会的安定。据统计，在易燃、易爆危险品事故中存储和运输环节造成的事故最多。易燃、易爆危险品存储、运输有很多安全条件，一旦安全条件超出阈值就极易产生事故。目前，仅靠人工方式监控，存在监控准确度低、监控难度大等问题。例如，对于气体泄漏、温度超标等安全信息监控，最初很难被捕捉到。其次随着监测时间的推移人的警惕性很容易下降，从而影响危险品的安全存储。易燃、易爆危险品存储的安全条件包括：环境温湿度、室内光照强度、室内气体含量、货架稳定性等。本文设计出针对以上安全信息进行监控的复合型无线传感器，可有效判断易燃、易爆危险品仓库的安全条件是否达标。在安全条件接近危险阈值时，可以及时预警并根据超限危险因素特点得出最佳解决方案。
1 复合传感器节点的硬件设计
1.1 复合传感器节点的结构
复合传感器节点由传感单元、微处理器单元、存储单元、无线收发单元和电源单元等组成，如图1所示。
传感单元用来获取仓库指定位置的多种不安全信息;微处理器负责控制和协调整个复合传感器节点的工作;存储单元用来存储自身采集的数据以及从其他节点接收到的数据;无线收发器负责与其他复合传感器节点进行通信，包括交换控制信息和收发采集数据。
1.2 传感单元设计
本课题的传感单元集光照强度传感器、温湿度传感器、气体传感器、加速度传感器于一体，综合监测易燃易爆危险品仓库的安全条律。由于不同易燃、易爆危险品对室内气体含量要求不同，本课题以C02传感器为例测试室内气体含量。
1.2.1 光照强度传感器
本课题选用Toshiba公司的TPS851光照强度传感器，该传感器利用PN结的反向特征。在反向偏转时，PN结产生一个受光控制的电流信号。该输出量与触发照明成正比，而不受供应电源的影响。TPS851输出的模拟量接到微处理器的A/D通道。TPS851和微处理器的连接电路如图2所示。
1.2.2 温湿度传感器
本课题选用瑞士Sensirion生产的SHT75温湿度传感器，这是一款数字式传感器，具有体积小、功耗低的特点。该传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。该芯片通过两线制的串行接口与微处理器通信。SHT75芯片和微处理器的连接电路如图3所示。
1.2.3 CO2传感器
本课题选用Telaire公司的6004型CO2传感器，该传感器具有以下特点：功耗低、寿命长、测量范围广、精度高、响应时间快、数字量输出。输出的数字量通过TXD、RXD接口连接到微处理器的MOSI、MISO接口。6004和微处理器的连接电路如图4所示。
将以上单元电路组合，即完成了复合传感器的硬件设计。更多的传感器可以根据类似的方法进行添加，本文不再阐述。
1.3 微处理器及无线收发单元设计
本课题选用TI公司的CC2430芯片来控制整个复合传感器节点的工作和数据传输。CC2430芯片保持了CC2420所包括的卓越射频性能，包括超低功耗、高灵敏度、出众的抗噪声及抗干扰能力。它所包含的MCU为增强型单周期8051微控制核，另外还包括了许多强大的外设资源，如DMA、定时器/计数器、8～14位ADC、USART、21个可编程I/O引脚等。它的时钟源可以选取外部晶振或内部RC振荡器。本课题采用两个外部晶振，工作时钟选用7.372 8 MHz晶振;实时时钟选用32.768 kHz晶振。
CC2430无线收发模块核心部分是CC2420射频收发器，该射频收发器符合2.4 GHz IEEE 802.15.4标准，拥有104 dB链路预算，-101 dB的接收灵敏度和3 dB的传输功率，片内发送数据和接收数据的缓冲为128字节，正好满足IEEE 802.15.4协议规定的最大帧长度127字节的要求，发送时需要加2字节的CRC16校验码。
微处理器及无线收发单元硬件原理图如图5所示。本课题对于模拟部分设计，为了降低其他部分的干扰，提高RF性能，需要采取抗干扰措施。例如，模拟电源输入端增加磁珠或电感;滤波用的电容要尽量靠近芯片。
另外，要注意阻抗匹配，CC2420射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入/输出阻抗，使其输入输出阻抗为50 Ω，同时为芯片内部的PA及LNA提供直流偏置。
1.4 电源单元设计
电路采用电池供电方式，电源电路如图6所示。其中的低压差线性调压器(LDO)选用LM1117芯片，该芯片可提供4个固定电压输出(1.8 V、2.5 V、2.85 V、3.3 V)，具有电流限制和热保护功能。电池提供的5～9 V电压经过LDO降压后电压稳定输出3.3 V供应给整个系统使用，D1用来指示电源供电情况。
2 复合传感器节点软件设计
2.1 复合传感器节点操作系统的选择
本课题选用TinyOS操作系统，其程序采用模块化设计，所以它的程序核心往往都很小(一般来说核心代码和数据大概在400字节左右)，能够突破传感器存储资源少的限制，这能够让TinyOS很有效地运行在无线传感器网络上并去执行相应的管理工作等。TinyOS本身提供了一系列的组件，可以很方便地编制程序，用来获取和处理传感器的数据并通过无线网络来传输信息。
2.2 复合传感器驱动程序设计
复合传感器驱动程序由3部分组成：传感器接口定义文件、传感器接口配置文件、传感器接口实现文件，如表1所列。
传感器接口定义文件声明了传感器与外界的接口。提供的命令函数和事件函数包括read()命令函数和readDone()事件函数，如表1中所述。其中命令函数由接口提供者实现，事件函数由调用接口者实现。传感器接口配置文件定义了要实现SHT接口需要哪些组件。传感器接口实现文件具体实现SHT接口和传感器驱动。
2.3 复合传感器节点数据通信设计
复合传感器节点数据通信协议为分发式、收集式。其中分发式用来传递指令和参数给所有传感器节点;收集式用来收集所有传感器节点采集到的数据。因此定义了如图7所示的结构体来存储需要分发的指令和收集的数据。这些数据只能通过相应的接口才能获取，从而保证了数据的安全性。
2.3.1 分发式
汇聚节点将新定义好的控制指令和参数装入数据包后，分发组件调用Send接口将该包发送至各个节点。节点收到包后，会做出相应的调整并反馈当前状态信息给应用程序。分发式网络协议工作原理如图8所示。
分发式协议中用到的组件包括：DisseminationC(分发协议的控制部分)、DisseminatorC(分发协议进行数据分发和接收的部分)、BcastSenderC(向网络中广播数据)。分发式协议中用到的接口包括：StdControl(对分发协议进行控制)、DisseminationUpdate(将上层传来的命令进行分发)、Send(广播)。
2.3.2 收集式
汇聚节点需要收集各节点采集到的数据时调用收集式协议，应用程序通过AMSend接口将收集消息传给AMRadio组件，当AM Radio组件经Receive接口收到数据包后由Packet接口打开并取出相关值由应用程序处理。收集式网络协议工作原理如图9所示。
收集式协议中用到的组件包括：CollectionC(CTP协议)、PoolC(数据缓冲池)、QueueC(数据缓冲队列)，收集式协议中用到的接口包括：Packet(对Packet进行操作)、Receive(接收数据)、AMSend(发送数据)。
2.4 复合传感器节点工作流程
第一个启动的节点为汇聚节点，该节点负责建立网络，其他分节点申请加入网络，加入网络成功后，分节点就会将自身采集数据传送到汇聚节点。汇聚节点也可发送指令到各个分节点来完成数据重传、获取节点状态、更改采集周期等任务。系统的工作流程如图10所示。
3 复合传感器节点测试
3.1 复合传感器节点功耗测试
复合传感器节点采用TinyOS2操作系统，具有电源管理能力。在关闭电源管理的情况下，传感器功耗平均每秒11.92 mA;在开启电源管理的情况下，传感器功耗每秒1.04 mA，功耗相差10倍，可见系统在开启电源管理的情况下使用时间可延长近10倍。
3.2 复合传感器节点网络性能测试
3.2.1 节点通信距离测试
节点通信距离测试情况如表2所列。
3.2.2 节点组网测试
测试汇聚节点能否正常的启动网络，各分节点能否正常加入网络，并将自己的网络ID传送至汇聚节点。测试选用一个汇聚节点，10个分节点。
测试结果：分节点平均接入时间1 s，最长接入时间2 s，节点组网正常。
3.2.3 节点数据传输测试
测试汇聚节点和各分节点间的数据通信，包括汇聚节点向各分节点发送各种控制命令，以及汇聚各分节点采集数据。
测试结果：汇聚节点和各分节点问的数据通信正常。
3.3 复合传感器节点现场测试
本试验中使用了5个采集节点和1个汇聚节点，每个采集节点上安装有4个传感器，分别是温湿度传感器、光敏传感器和CO2传感器。节点布设于面积为100 m2左右的仓库内，节点成多边形布设，节点间距离为25 m左右。
测试结果如表3所列。复合传感器节点可在无人值守的情况下实时、准确地获取易燃、易爆危险品仓库中的安全信息，测量值精确度在0.3%和5%之间，能够满足易燃、易爆危险品各项安全信息的监控要求。
结语
本课题设计的复合传感器节点集多种针对易燃、易爆危险品安全信息的传感器于一体，在易燃、易爆危险品存储仓库中布设该复合传感器节点后能准确获取该仓库的易燃、易爆危险品安全信息，解决了仅靠人工监控存在的准确度低、监控难度大等问题。节点软件基于TinyOS设计，具有硬件无关性，可以方便地更换硬件平台以及传感器，具有良好的扩展性。复合传感器节点经过简单调整可以方便地应用到其他危险品存储、运输监控场所。
