基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的倉庫智能安保系統設計

1 引言
隨著(zhù)傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、通信技術(shù)和半導體與微機電系統制造技術(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用于軍事、工業(yè)、農業(yè)和宇航各領(lǐng)域。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳感器是集傳感器執行器、控制器和通信裝置于一體。集傳感與驅動(dòng)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)受限的嵌入式設備。由這些微型傳感器構成的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )能夠實(shí)時(shí)監測、感知和采集網(wǎng)絡(luò )分布區域內的各種監測對象信息，并對這些信息進(jìn)行處理，傳送給需要這些信息的用戶(hù)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有價(jià)格低廉、體積小、組網(wǎng)方便、靈活等特點(diǎn)。這里將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )引入安全保護系統，充分發(fā)揮無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)點(diǎn)，以提高智能倉庫安全保護系統的整體性能。智能倉庫安全保護系統具有自身的特點(diǎn)。其傳感器節點(diǎn)可以有針對性的預先布置，因而具有相對固定的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，網(wǎng)絡(luò )通信和路由協(xié)議等也具有其特點(diǎn)。因此，在系統設計時(shí)應仔細考慮這些問(wèn)題。

2 智能倉庫安保系統
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )WSN(Wireless Sensor Network)就是由部署在監測區域內大量的廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信形成一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò )系統，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中的感知對象的信息，并發(fā)給觀(guān)察者。應用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的智能倉庫安保系統網(wǎng)絡(luò )由紅外傳感器、門(mén)磁開(kāi)關(guān)、溫度傳感器、濕度傳感器、煤氣泄漏傳感器、火災煙感傳感器、玻璃破碎傳感器等傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)組成。在安保網(wǎng)絡(luò )中采用星型拓撲結構，南多個(gè)與計算機相連的無(wú)線(xiàn)通信模塊作為網(wǎng)絡(luò )的中心節點(diǎn)，可以和下層網(wǎng)絡(luò )中的任何一個(gè)節點(diǎn)通信，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)對環(huán)境中的各個(gè)參數進(jìn)行測量、采樣，將采集到的數據發(fā)往中心節點(diǎn)，并分析、處理中心節點(diǎn)發(fā)來(lái)的數據、命令，完成相應操作。圖1為單個(gè)智能倉庫安保系統總體框架。

以此為擴展，將圖1中的中間節點(diǎn)作為小節點(diǎn)(一個(gè)倉庫)，構成整個(gè)倉庫區域的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，如圖2所示。

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

3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計
設計傳感器節點(diǎn)時(shí)，需考慮微型化，擴展性和靈活性，穩定性和安全性，低成本等。智能倉庫安保系統的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)是基本單位，是智能倉庫安保系統的基礎。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)要完成數據的采集和傳遞功能，節點(diǎn)內部的電源模塊負責供給能量，電池的使用時(shí)間決定節點(diǎn)的使用時(shí)間?？紤]到擴展性和靈活性，選擇常用的元件。系統設計采用模塊化設計，通過(guò)各功能模塊，實(shí)現正常工作。傳感器節點(diǎn)包括數據采集，數據處理，無(wú)線(xiàn)通信和電池等模塊，圖3為其結構。

感溫傳感器根據物質(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(guò)熱敏元件與電子線(xiàn)路來(lái)探測火災。
4．3 煤氣報警信號采集
液化氣(俗稱(chēng)煤氣)是碳原子數為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 智能倉庫安保系統的軟件設計
該系統軟件設計包括節點(diǎn)軟件和控制PC軟件兩部分。節點(diǎn)軟件主要用于實(shí)現采集數據，控制能量消耗，控制節點(diǎn)狀態(tài)等。
控制PC機軟件實(shí)現的功能包括：接收節點(diǎn)傳輸的數據，通過(guò)處理子程序顯示并存儲在上位機，控制節點(diǎn)功耗．實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監測環(huán)境。節點(diǎn)軟件設計流程如圖4所示，控制PC機軟件設計流程如圖5所示。

6 結束語(yǔ)
根據無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，設計一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的倉庫安保系統。該系統可實(shí)時(shí)監控整個(gè)倉庫的安全環(huán)境。該系統組網(wǎng)方便靈活，容易升級，價(jià)格低廉，也適用于其他的類(lèi)似應用?？蓪}庫的火災報警，防盜，煤氣泄漏等一系列不安全事件進(jìn)行有效監控。一旦發(fā)生威脅安全的事件，系統自動(dòng)發(fā)出相應的報警。管理人員立即就可以知道并采取有效措施，對安全事故進(jìn)行緊急處理，避免人員財產(chǎn)損失。通過(guò)對實(shí)驗室儲藏倉庫內搭建的小型安保系統進(jìn)行試驗，結果表明：使用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的安保系統具有很高的安全性和穩定性，系統升級方便，具有廣泛的實(shí)際應用前景。

3．1 數據處理模塊
數據處理模塊是無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的計算核心。所有設備控制，任務(wù)調度，能量計算和功能協(xié)調，通信協(xié)議，數據融合和數據轉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點(diǎn)的設計中至關(guān)重要。傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)使用的處理器應盡量滿(mǎn)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，而且根據存儲容量提供多種引腳兼容的處理器，使開(kāi)發(fā)者容易根據應用對象平滑升級系統。這里采用MSP430F149型處理器。供電電壓僅1．8～3．6 V，具有16位RISC結構、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轉換器(自帶采樣保持)、內部溫度傳感器、具有3個(gè)捕獲／比較寄存器的16位定時(shí)器Timer_A／Timer__B、2個(gè)串口(工作于 UART或SPI模式)、6個(gè)8位并口(2個(gè)具有中斷能力)和硬件乘法器，整個(gè)電路結構緊湊且高效。其豐富的尋址方式。簡(jiǎn)潔的內核指令。較高的處理速度，大量的寄存器及數據存儲器使之具有強大的處理能力，豐富的器件內外設接口可簡(jiǎn)化整個(gè)電路設計，減少節點(diǎn)功耗和體積，非常適于節點(diǎn)設計。
3．2 無(wú)線(xiàn)通信模塊
無(wú)線(xiàn)通信模塊負責與其他節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通信。交換控制信息，收集采集數據。另外，通信模塊消耗的能量在傳感器節點(diǎn)中占主要部分，所以考慮無(wú)線(xiàn)通信模塊的工作模式和收費能耗很重要。無(wú)線(xiàn)收發(fā)器件采用的調制模式、數據率、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(wú)線(xiàn)收發(fā)器件時(shí)應考慮功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)器件所需外圍元件數，以及器件成本等因素。
這里采用CC2420型無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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規范，工作于免授權的2．4 GHz頻段。利用此器件開(kāi)發(fā)的短距離射頻傳輸系統成本低、功耗小，適于電池長(cháng)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(diǎn)，可為傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)提供理想的解決方案。

4 信號采集
4．1 傳感器節點(diǎn)信號采集
任何有溫度的物體都在不斷向外界輻射紅外線(xiàn)，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(cháng)范圍內。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(huì )引起溫度變化而輸出信號，但探測距離不夠遠。為加長(cháng)探測距離，需附加光學(xué)系統來(lái)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。
門(mén)磁開(kāi)關(guān)傳感器實(shí)際上是一個(gè)干簧管，它由兩個(gè)靠得很近的金屬彈簧片構成。這兩個(gè)金屬彈簧片為軟磁性材料，當干簧管靠近磁場(chǎng)時(shí)，金屬彈簧片被磁化，相互吸引、接觸，當干簧管遠離磁場(chǎng)時(shí)彈簧片失去磁性，由于彈力作用兩個(gè)金屬彈簧片分開(kāi)，發(fā)出信號。玻璃破碎時(shí)會(huì )發(fā)出特定聲波。玻璃破碎傳感器主要根據聲波作出報警。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 火災報警信號采集
物質(zhì)燃燒過(guò)程中，一般都有熱(溫度)、氣體與煙霧、火焰等現象產(chǎn)生，針對不同現象有不同火災信號檢測方法。離子感煙傳感器利用放射性元素產(chǎn)生的射線(xiàn)，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(gè)放射源，2個(gè)工作室，分別為參考室和探測室。沒(méi)有煙霧進(jìn)入探測室時(shí)，兩室的微電流保持平衡：當煙霧進(jìn)入探測室時(shí)，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(gè)正反饋電路，產(chǎn)生報警。