基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉庫智能安保系統(tǒng)設(shè)計

1 引言
隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、通信技術(shù)和半導(dǎo)體與微機電系統(tǒng)制造技術(shù)的飛速發(fā)展，具有感知、計算存儲和通信能力的微型傳感器應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和宇航各領(lǐng)域。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器是集傳感器執(zhí)行器、控制器和通信裝置于一體。集傳感與驅(qū)動控制能力、計算能力、通信能力于一身的資源(計算、存儲和能源)受限的嵌入式設(shè)備。由這些微型傳感器構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種監(jiān)測對象信息，并對這些信息進行處理，傳送給需要這些信息的用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有價格低廉、體積小、組網(wǎng)方便、靈活等特點。這里將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入安全保護系統(tǒng)，充分發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，以提高智能倉庫安全保護系統(tǒng)的整體性能。智能倉庫安全保護系統(tǒng)具有自身的特點。其傳感器節(jié)點可以有針對性的預(yù)先布置，因而具有相對固定的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通信和路由協(xié)議等也具有其特點。因此，在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)仔細考慮這些問題。

2 智能倉庫安保系統(tǒng)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信形成一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的感知對象的信息，并發(fā)給觀察者。應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能倉庫安保系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由紅外傳感器、門磁開關(guān)、溫度傳感器、濕度傳感器、煤氣泄漏傳感器、火災(zāi)煙感傳感器、玻璃破碎傳感器等傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成。在安保網(wǎng)絡(luò)中采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，南多個與計算機相連的無線通信模塊作為網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，可以和下層網(wǎng)絡(luò)中的任何一個節(jié)點通信，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對環(huán)境中的各個參數(shù)進行測量、采樣，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)往中心節(jié)點，并分析、處理中心節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)、命令，完成相應(yīng)操作。圖1為單個智能倉庫安保系統(tǒng)總體框架。

以此為擴展，將圖1中的中間節(jié)點作為小節(jié)點(一個倉庫)，構(gòu)成整個倉庫區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

傳感器在整個系統(tǒng)中起著非常重要的作用。常用的傳感器有火災(zāi)檢測類的煙感傳感器HIS-07、NIS-09C，感溫傳感器TPS-333、TPS- 334，防盜報警類的熱釋電紅外線傳感器PIS-209S、RE200B，玻璃破碎傳感器BS-02，門磁開關(guān)傳感器FD系列，煤氣泄漏類的煤氣傳感器 MQ-5、MQ-216等。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計
設(shè)計傳感器節(jié)點時，需考慮微型化，擴展性和靈活性，穩(wěn)定性和安全性，低成本等。智能倉庫安保系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是基本單位，是智能倉庫安保系統(tǒng)的基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要完成數(shù)據(jù)的采集和傳遞功能，節(jié)點內(nèi)部的電源模塊負責供給能量，電池的使用時間決定節(jié)點的使用時間?？紤]到擴展性和靈活性，選擇常用的元件。系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化設(shè)計，通過各功能模塊，實現(xiàn)正常工作。傳感器節(jié)點包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，無線通信和電池等模塊，圖3為其結(jié)構(gòu)。

感溫傳感器根據(jù)物質(zhì)燃燒釋放出的熱量所引起的環(huán)境溫度升高或其變化率大小，并通過熱敏元件與電子線路來探測火災(zāi)。
4．3 煤氣報警信號采集
液化氣(俗稱煤氣)是碳原子數(shù)為4的碳氫化合物的混合物，其主要成分是甲烷。采用煤氣傳感器能有效檢測是否有煤氣泄漏，并產(chǎn)生報警信號。

5 智能倉庫安保系統(tǒng)的軟件設(shè)計
該系統(tǒng)軟件設(shè)計包括節(jié)點軟件和控制PC軟件兩部分。節(jié)點軟件主要用于實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)，控制能量消耗，控制節(jié)點狀態(tài)等。
控制PC機軟件實現(xiàn)的功能包括：接收節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過處理子程序顯示并存儲在上位機，控制節(jié)點功耗．實時動態(tài)監(jiān)測環(huán)境。節(jié)點軟件設(shè)計流程如圖4所示，控制PC機軟件設(shè)計流程如圖5所示。

6 結(jié)束語
根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，設(shè)計一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉庫安保系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實時監(jiān)控整個倉庫的安全環(huán)境。該系統(tǒng)組網(wǎng)方便靈活，容易升級，價格低廉，也適用于其他的類似應(yīng)用?？蓪}庫的火災(zāi)報警，防盜，煤氣泄漏等一系列不安全事件進行有效監(jiān)控。一旦發(fā)生威脅安全的事件，系統(tǒng)自動發(fā)出相應(yīng)的報警。管理人員立即就可以知道并采取有效措施，對安全事故進行緊急處理，避免人員財產(chǎn)損失。通過對實驗室儲藏倉庫內(nèi)搭建的小型安保系統(tǒng)進行試驗，結(jié)果表明：使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安保系統(tǒng)具有很高的安全性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)升級方便，具有廣泛的實際應(yīng)用前景。

3．1 數(shù)據(jù)處理模塊
數(shù)據(jù)處理模塊是無線傳感器節(jié)點的計算核心。所有設(shè)備控制，任務(wù)調(diào)度，能量計算和功能協(xié)調(diào)，通信協(xié)議，數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲程序都在該模塊的支持下完成。所以處理器的選擇在傳感器節(jié)點的設(shè)計中至關(guān)重要。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用的處理器應(yīng)盡量滿足：外形小，集成度高，功耗低且支持睡眠模式，運行速度要盡量快，要有足夠的外部通用端口和通信接口，成本低，有安全性保證等。
目前使用較多的TI公司的MSP430超低功耗系列處理器，不僅功能完整，集成度高，而且根據(jù)存儲容量提供多種引腳兼容的處理器，使開發(fā)者容易根據(jù)應(yīng)用對象平滑升級系統(tǒng)。這里采用MSP430F149型處理器。供電電壓僅1．8～3．6 V，具有16位RISC結(jié)構(gòu)、125 ns指令同周期、多達60 KB Flash ROM和2 KB RAM。另外該器件還配有：12位200 kS／s的MD轉(zhuǎn)換器(自帶采樣保持)、內(nèi)部溫度傳感器、具有3個捕獲／比較寄存器的16位定時器Timer_A／Timer__B、2個串口(工作于 UART或SPI模式)、6個8位并口(2個具有中斷能力)和硬件乘法器，整個電路結(jié)構(gòu)緊湊且高效。其豐富的尋址方式。簡潔的內(nèi)核指令。較高的處理速度，大量的寄存器及數(shù)據(jù)存儲器使之具有強大的處理能力，豐富的器件內(nèi)外設(shè)接口可簡化整個電路設(shè)計，減少節(jié)點功耗和體積，非常適于節(jié)點設(shè)計。
3．2 無線通信模塊
無線通信模塊負責與其他節(jié)點無線通信。交換控制信息，收集采集數(shù)據(jù)。另外，通信模塊消耗的能量在傳感器節(jié)點中占主要部分，所以考慮無線通信模塊的工作模式和收費能耗很重要。無線收發(fā)器件采用的調(diào)制模式、數(shù)據(jù)率、發(fā)射功耗和操作周期等都是影響通信能量消耗的關(guān)鍵因素。選擇無線收發(fā)器件時應(yīng)考慮功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)器件所需外圍元件數(shù)，以及器件成本等因素。
這里采用CC2420型無線收發(fā)器。CC2420是Chipcon公司推出的一款兼容2．4 Hz IEEE 802．15．4的無線收發(fā)器。CC2420基于的SmartRF03技術(shù)，采用0．18μm CMOS工藝生產(chǎn)，集成度高。CC2420是首款符合ZigBee技術(shù)的高集成度工業(yè)型射頻收發(fā)器，其MAC層和PHY層協(xié)議符合IEEE 802．15．4規(guī)范，工作于免授權(quán)的2．4 GHz頻段。利用此器件開發(fā)的短距離射頻傳輸系統(tǒng)成本低、功耗小，適于電池長期供電；并具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強等特點，可為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供理想的解決方案。

4 信號采集
4．1 傳感器節(jié)點信號采集
任何有溫度的物體都在不斷向外界輻射紅外線，人體表面溫度一般在37°C，其大部分輻射能量集中在10μm波長范圍內(nèi)。如果把人的紅外輻射直接照射在熱釋電紅外傳感器上也會引起溫度變化而輸出信號，但探測距離不夠遠。為加長探測距離，需附加光學(xué)系統(tǒng)來收集紅外輻射，通常采用塑料菲涅爾透鏡作為紅外輻射的聚焦系統(tǒng)。
門磁開關(guān)傳感器實際上是一個干簧管，它由兩個靠得很近的金屬彈簧片構(gòu)成。這兩個金屬彈簧片為軟磁性材料，當干簧管靠近磁場時，金屬彈簧片被磁化，相互吸引、接觸，當干簧管遠離磁場時彈簧片失去磁性，由于彈力作用兩個金屬彈簧片分開，發(fā)出信號。玻璃破碎時會發(fā)出特定聲波。玻璃破碎傳感器主要根據(jù)聲波作出報警。該方法是防止非法入侵的一種輔助手段，是否安裝視具體情況而定。
4．2 火災(zāi)報警信號采集
物質(zhì)燃燒過程中，一般都有熱(溫度)、氣體與煙霧、火焰等現(xiàn)象產(chǎn)生，針對不同現(xiàn)象有不同火災(zāi)信號檢測方法。離子感煙傳感器利用放射性元素產(chǎn)生的射線，并檢測空氣電離產(chǎn)生的微電流。
目前大部分離子感煙傳感器采用單源雙室丁作，即采用1個放射源，2個工作室，分別為參考室和探測室。沒有煙霧進入探測室時，兩室的微電流保持平衡：當煙霧進入探測室時，探測室電流發(fā)生變化。平衡被破壞，傳感器將檢測到的信號送到一個正反饋電路，產(chǎn)生報警。