基于WSN與Android的工業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/林永宏 卓國(guó)峰 梁桃華 王華

針對(duì)目前工業(yè)品倉(cāng)庫(kù)注重物流效率而忽視倉(cāng)庫(kù)環(huán)境安全的問(wèn)題，本文在結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目需求的情況下，設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)與Android系統(tǒng)的工業(yè)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，論述了整體框架方案及硬件和軟件的設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證了整體設(shè)計(jì)的正確性和有效性，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

0.引言。

目前工業(yè)倉(cāng)庫(kù)的管理存儲(chǔ)過(guò)程中，不僅存在著許多容易與空氣混合達(dá)到爆炸極限濃度的可燃物質(zhì)[1]，而且在工業(yè)倉(cāng)庫(kù)中貯存印染、造紙、化學(xué)原料和化學(xué)制品等空間內(nèi)，部分有機(jī)物會(huì)揮發(fā)形成有機(jī)蒸氣[2]，以及來(lái)自有色金屬冶煉和采礦等行業(yè)的倉(cāng)儲(chǔ)氣體污染，若不采取及時(shí)有效的保護(hù)措施，將對(duì)環(huán)境和人員造成嚴(yán)重危害[3]，所以對(duì)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境氣體環(huán)境的監(jiān)測(cè)及治理顯得尤為重要。為此，本文設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)與Android系統(tǒng)的工業(yè)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目前工業(yè)品倉(cāng)儲(chǔ)污染的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)了倉(cāng)儲(chǔ)精準(zhǔn)化管理中安全靈活布局監(jiān)測(cè)的不足。

1.監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

WSN是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器，并通過(guò)無(wú)線方式通信形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)；Android系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)中，選擇PAD開(kāi)發(fā)板（6188）及Android手機(jī)，作為用戶的監(jiān)測(cè)平臺(tái)和數(shù)據(jù)顯示平臺(tái)。基于WSN與ANDROID的工業(yè)倉(cāng)庫(kù)污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1示：

圖1基于WSN與ANDROID的工業(yè)倉(cāng)庫(kù)污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

基于工業(yè)品倉(cāng)儲(chǔ)空間的限制，線纜方式的物理不足，該系統(tǒng)可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)分散在測(cè)試區(qū)域內(nèi)所有測(cè)試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)分散操作、協(xié)同工作和集中控制。

2.硬件及軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)。匯聚節(jié)點(diǎn)是整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的核心，主要負(fù)責(zé)建立、啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)和配置完成之后，接收并處理終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)[4]。匯聚節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)WIFI通信，可以將倉(cāng)庫(kù)污染是否安全的所有采集信息上傳至ANDROID系統(tǒng)平臺(tái)，我們以CC2530方案作為SINK節(jié)點(diǎn)方案，是可靠、經(jīng)濟(jì)且節(jié)能的技術(shù)方案。終端節(jié)點(diǎn)即為傳感器終端節(jié)點(diǎn)，作用是采集倉(cāng)庫(kù)里某點(diǎn)位環(huán)境數(shù)據(jù)參數(shù)。傳感器終端節(jié)點(diǎn)主要以射頻模塊（RF）、電源模塊以及存儲(chǔ)模塊組成。終端節(jié)點(diǎn)的主要功能是將倉(cāng)庫(kù)里采集到的數(shù)據(jù)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)，與此同時(shí)增加了休眠功能，在沒(méi)有信號(hào)的情況下減小功率的消耗[4]，我們選以IEEE 802.15.4協(xié)議的CC2530芯片方案作為傳感網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)，其本身自帶RF和微處理器，可連接不同的傳感器。節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)示意圖如2示。

圖2倉(cāng)儲(chǔ)采樣節(jié)點(diǎn)硬件框圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括兩大部分，一部分是WSN節(jié)點(diǎn)以及匯聚節(jié)點(diǎn)的傳輸與采集，我們用Z_STACK協(xié)議棧進(jìn)行相應(yīng)的裁剪；另外一部分軟件的設(shè)計(jì)是Android系統(tǒng)的APP采集數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)軟件，APP軟件開(kāi)發(fā)包括用戶界面UI設(shè)計(jì)和TCP Socket數(shù)據(jù)流通信，UI布局采用XML設(shè)計(jì)控件，TCP數(shù)據(jù)流處理采用Java Socket網(wǎng)絡(luò)編程開(kāi)發(fā)TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸功能[5-6]。

2.2.1 WSN節(jié)點(diǎn)采集發(fā)送與匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送端軟件設(shè)計(jì)。調(diào)試平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)利用串口與PAD之間進(jìn)行通信，我們選用型號(hào)為CH340G的芯片作為串口模塊的核心芯片。工業(yè)倉(cāng)庫(kù)氣體監(jiān)測(cè)的傳感器，一般輸出為模擬量或者以I2C接口作為數(shù)字量輸出，而CC2530內(nèi)部就帶有12位分辨率的AD轉(zhuǎn)換，因此，節(jié)省了不少硬件開(kāi)銷。

2.2.2 Android系統(tǒng)端軟件設(shè)計(jì)。傳感匯聚節(jié)點(diǎn)和Android控制中心之間采用客戶端/服務(wù)器（Client/Server）的網(wǎng)絡(luò)模型，采用UDP協(xié)議的Socket通信機(jī)制[7-8]。

串口連接調(diào)試與Android系統(tǒng)端軟件設(shè)計(jì)流程框圖如圖3所示。

圖3串口連接調(diào)試與Android系統(tǒng)端軟件設(shè)計(jì)流程框圖

3.測(cè)試與結(jié)果

3.1 采集數(shù)據(jù)處理。解決數(shù)據(jù)受到干擾的波動(dòng)問(wèn)題，接收到的數(shù)據(jù)還需要在人們決策前進(jìn)行一系列的濾波算法。考慮到溫度、空氣質(zhì)量、污染物倉(cāng)儲(chǔ)釋放等參數(shù)變化比較緩慢的特點(diǎn)，我們使用限幅濾波和固定窗長(zhǎng)滑動(dòng)均值濾波算法來(lái)消除干擾[9]，系統(tǒng)采用的滑動(dòng)均值濾波算法如下：V（K）=1/N∑A

式中A為以固定長(zhǎng)度的數(shù)組，其數(shù)據(jù)來(lái)自于采樣值利用數(shù)值拼接的思路，實(shí)現(xiàn)限幅后采樣數(shù)組固定窗口的移動(dòng)：A[N-1∶0]={A[N-2∶1]，X[K]}

即A[0]的數(shù)值來(lái)源于限幅濾波算法的X[K]，N=12[9]；限幅濾波算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中，X（K）為第K次取值，S（K）為第K次采樣原始數(shù)值，S（K-1）為第K-1次采樣原始數(shù)值，R為前后兩次采樣數(shù)值的差，濾掉不合常理脈沖干擾造成的采樣失真；實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明采樣數(shù)據(jù)得到了很好的平滑。

在實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖4中可以看到單個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)與Android系統(tǒng)的調(diào)試情況，圖片數(shù)據(jù)顯示的是每5秒采樣一次的空氣質(zhì)量傳感器輸出的實(shí)時(shí)電壓值（0-3.3v）。

3.2 客戶端多點(diǎn)測(cè)試。將傳感器模塊CCR 4CO-1000一氧化碳傳感器，MIX1016半導(dǎo)體硫化氫氣體傳感器，MQ135空氣質(zhì)量傳感器，CCR 4HCN-50氰化氫傳感器，與4個(gè)不同的傳感節(jié)點(diǎn)IO口連接，下載至節(jié)點(diǎn)（EndDevice），復(fù)位重啟；將匯聚節(jié)點(diǎn)程序下載至采集匯總節(jié)點(diǎn)（Coordinator），連接串口和WIFI模塊，采樣6種傳感器輸出在Android手機(jī)端實(shí)時(shí)的截圖如圖4中所示。測(cè)試結(jié)果均能顯示傳感器的動(dòng)態(tài)變化情況，倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境正常時(shí)傳感器數(shù)字周邊圈圈為綠色，當(dāng)數(shù)字周邊的圈圈變成紅色時(shí)，即是監(jiān)測(cè)環(huán)境危險(xiǎn)提示報(bào)警。

結(jié)語(yǔ)。

本文針對(duì)工業(yè)倉(cāng)庫(kù)安全的系統(tǒng)性需求，設(shè)計(jì)了一款在線實(shí)時(shí)的基于WSN與Android的監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，通過(guò)選用不同的氣體污染傳感器、及IEEE802.15.4、IEEE802.11通訊作為主要的檢測(cè)和傳輸手段，以CC2530和Android平臺(tái)作為數(shù)據(jù)處理和監(jiān)測(cè)顯示的核心，設(shè)計(jì)和測(cè)試了該工業(yè)品倉(cāng)庫(kù)氣體污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)果符合預(yù)期，能實(shí)現(xiàn)靈活布點(diǎn)即監(jiān)測(cè)的功能，具有一定的推廣借鑒價(jià)值。