基于无线传感器网络的仓库智能安保系统设计

1 引言
    随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微机电系统制造技术的飞速发展，具有感知、计算存储和通信能力的微型传感器应用于军事、工业、农业和宇航各领域。无线网络传感器是集传感器执行器、控制器和通信装置于一体。集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源(计算、存储和能源)受限的嵌入式设备。由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息，并对这些信息进行处理，传送给需要这些信息的用户。无线传感器网络具有价格低廉、体积小、组网方便、灵活等特点。这里将无线传感器网络引入安全保护系统，充分发挥无线传感器网络的优点，以提高智能仓库安全保护系统的整体性能。智能仓库安全保护系统具有自身的特点。其传感器节点可以有针对性的预先布置，因而具有相对固定的网络拓扑结构，网络通信和路由协议等也具有其特点。因此，在系统设计时应仔细考虑这些问题。

2 智能仓库安保系统
    无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中的感知对象的信息，并发给观察者。应用无线传感器网络技术的智能仓库安保系统网络由红外传感器、门磁开关、温度传感器、湿度传感器、煤气泄漏传感器、火灾烟感传感器、玻璃破碎传感器等传感器网络节点组成。在安保网络中采用星型拓扑结构，南多个与计算机相连的无线通信模块作为网络的中心节点，可以和下层网络中的任何一个节点通信，网络节点对环境中的各个参数进行测量、采样，将采集到的数据发往中心节点，并分析、处理中心节点发来的数据、命令，完成相应操作。图1为单个智能仓库安保系统总体框架。

    以此为扩展，将图1中的中间节点作为小节点(一个仓库)，构成整个仓库区域的无线传感器网络，如图2所示。

    传感器在整个系统中起着非常重要的作用。常用的传感器有火灾检测类的烟感传感器HIS-07、NIS-09C，感温传感器TPS-333、TPS- 334，防盗报警类的热释电红外线传感器PIS-209S、RE200B，玻璃破碎传感器BS-02，门磁开关传感器FD系列，煤气泄漏类的煤气传感器 MQ-5、MQ-216等。

3 无线传感器网络节点的设计
    设计传感器节点时，需考虑微型化，扩展性和灵活性，稳定性和安全性，低成本等。智能仓库安保系统的无线传感器网络节点是基本单位，是智能仓库安保系统的基础。无线传感器网络节点要完成数据的采集和传递功能，节点内部的电源模块负责供给能量，电池的使用时间决定节点的使用时间。考虑到扩展性和灵活性，选择常用的元件。系统设计采用模块化设计，通过各功能模块，实现正常工作。传感器节点包括数据采集，数据处理，无线通信和电池等模块，图3为其结构。

3．1 数据处理模块
    数据处理模块是无线传感器节点的计算核心。所有设备控制，任务调度，能量计算和功能协调，通信协议，数据融合和数据转储程序都在该模块的支持下完成。所以处理器的选择在传感器节点的设计中至关重要。传感器网络节点使用的处理器应尽量满足：外形小，集成度高，功耗低且支持睡眠模式，运行速度要尽量快，要有足够的外部通用端口和通信接口，成本低，有安全性保证等。
    目前使用较多的TI公司的MSP430超低功耗系列处理器，不仅功能完整，集成度高，而且根据存储容量提供多种引脚兼容的处理器，使开发者容易根据应用对象平滑升级系统。这里采用MSP430F149型处理器。供电电压仅1．8～3．6 V，具有16位RISC结构、125 ns指令同周期、多达60 KB Flash ROM和2 KB RAM。另外该器件还配有：12位200 kS／s的MD转换器(自带采样保持)、内部温度传感器、具有3个捕获／比较寄存器的16位定时器Timer_A／Timer__B、2个串口(工作于 UART或SPI模式)、6个8位并口(2个具有中断能力)和硬件乘法器，整个电路结构紧凑且高效。其丰富的寻址方式。简洁的内核指令。较高的处理速度，大量的寄存器及数据存储器使之具有强大的处理能力，丰富的器件内外设接口可简化整个电路设计，减少节点功耗和体积，非常适于节点设计。
3．2 无线通信模块
    无线通信模块负责与其他节点无线通信。交换控制信息，收集采集数据。另外，通信模块消耗的能量在传感器节点中占主要部分，所以考虑无线通信模块的工作模式和收费能耗很重要。无线收发器件采用的调制模式、数据率、发射功耗和操作周期等都是影响通信能量消耗的关键因素。选择无线收发器件时应考虑功耗、发射功率、接收灵敏度、收发器件所需外围元件数，以及器件成本等因素。
    这里采用CC2420型无线收发器。CC2420是Chipcon公司推出的一款兼容2．4 Hz IEEE 802．15．4的无线收发器。CC2420基于的SmartRF03技术，采用0．18μm CMOS工艺生产，集成度高。CC2420是首款符合ZigBee技术的高集成度工业型射频收发器，其MAC层和PHY层协议符合IEEE 802．15．4规范，工作于免授权的2．4 GHz频段。利用此器件开发的短距离射频传输系统成本低、功耗小，适于电池长期供电；并具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点，可为传感器网络节点提供理想的解决方案。

4 信号采集
4．1 传感器节点信号采集
    任何有温度的物体都在不断向外界辐射红外线，人体表面温度一般在37°C，其大部分辐射能量集中在10μm波长范围内。如果把人的红外辐射直接照射在热释电红外传感器上也会引起温度变化而输出信号，但探测距离不够远。为加长探测距离，需附加光学系统来收集红外辐射，通常采用塑料菲涅尔透镜作为红外辐射的聚焦系统。
    门磁开关传感器实际上是一个干簧管，它由两个靠得很近的金属弹簧片构成。这两个金属弹簧片为软磁性材料，当干簧管靠近磁场时，金属弹簧片被磁化，相互吸引、接触，当干簧管远离磁场时弹簧片失去磁性，由于弹力作用两个金属弹簧片分开，发出信号。玻璃破碎时会发出特定声波。玻璃破碎传感器主要根据声波作出报警。该方法是防止非法入侵的一种辅助手段，是否安装视具体情况而定。
4．2 火灾报警信号采集
    物质燃烧过程中，一般都有热(温度)、气体与烟雾、火焰等现象产生，针对不同现象有不同火灾信号检测方法。离子感烟传感器利用放射性元素产生的射线，并检测空气电离产生的微电流。
    目前大部分离子感烟传感器采用单源双室丁作，即采用1个放射源，2个工作室，分别为参考室和探测室。没有烟雾进入探测室时，两室的微电流保持平衡：当烟雾进入探测室时，探测室电流发生变化。平衡被破坏，传感器将检测到的信号送到一个正反馈电路，产生报警。
    感温传感器根据物质燃烧释放出的热量所引起的环境温度升高或其变化率大小，并通过热敏元件与电子线路来探测火灾。
4．3 煤气报警信号采集
    液化气(俗称煤气)是碳原子数为4的碳氢化合物的混合物，其主要成分是甲烷。采用煤气传感器能有效检测是否有煤气泄漏，并产生报警信号。

5 智能仓库安保系统的软件设计
    该系统软件设计包括节点软件和控制PC软件两部分。节点软件主要用于实现采集数据，控制能量消耗，控制节点状态等。
    控制PC机软件实现的功能包括：接收节点传输的数据，通过处理子程序显示并存储在上位机，控制节点功耗．实时动态监测环境。节点软件设计流程如图4所示，控制PC机软件设计流程如图5所示。

6 结束语
    根据无线传感器网络的特点，设计一种基于无线传感器网络的仓库安保系统。该系统可实时监控整个仓库的安全环境。该系统组网方便灵活，容易升级，价格低廉，也适用于其他的类似应用。可对仓库的火灾报警，防盗，煤气泄漏等一系列不安全事件进行有效监控。一旦发生威胁安全的事件，系统自动发出相应的报警。管理人员立即就可以知道并采取有效措施，对安全事故进行紧急处理，避免人员财产损失。通过对实验室储藏仓库内搭建的小型安保系统进行试验，结果表明：使用无线传感器网络的安保系统具有很高的安全性和稳定性，系统升级方便，具有广泛的实际应用前景。