用于船載危險品集裝箱監(jiān)測的WSN節(jié)點(diǎn)設(shè)計

張凌寒，繆新穎，2，閔　健，褚金奎

(1．大連理工大學(xué)，遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連　116023；2．大連海洋大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧大連　116023)

0　引言

近年來危險品運(yùn)輸監(jiān)測已得到研究人員的重視，在公路運(yùn)輸領(lǐng)域出現(xiàn)了很多基于GPRS、GPS及GIS等技術(shù)的危險品運(yùn)輸車輛監(jiān)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)輸車輛及危險品的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測[1-2]。然而這些危險品運(yùn)輸車輛監(jiān)測系統(tǒng)在集裝箱船上卻并不適用，其存在的問題有：

(1)作為集裝箱最重要的運(yùn)輸方式之一，在近海、遠(yuǎn)洋航運(yùn)中由于沒有移動信號的覆蓋而無法使用GPRS等通訊手段，船載危險品集裝箱監(jiān)測所采用的通信手段要有足夠的適應(yīng)性及可靠性。

(2)危險品運(yùn)輸車輛多是專用的，監(jiān)測對象固定、單一，但船載集裝箱中的危險品種類多，《國際海運(yùn)危險貨物規(guī)則》列出的危險品貨物達(dá)3 000多種，危險品集裝箱監(jiān)測對象種類多且頻繁更換，所以監(jiān)測對象必須要方便快捷的更換。

(3)危險品運(yùn)輸車輛出現(xiàn)險情時往往重點(diǎn)關(guān)注的是車輛的位置，而船載危險品集裝箱出現(xiàn)險情時更關(guān)注該集裝箱以及周圍集裝箱的內(nèi)部狀態(tài)，其監(jiān)測具有區(qū)域性的特點(diǎn)，需同時關(guān)注區(qū)域內(nèi)所有危險品集裝箱的狀態(tài)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠以無線通信方式形成一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)，并完成感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中信息，這些特性滿足船載危險品集裝箱監(jiān)測對通信以及區(qū)域性監(jiān)測的需求。然而一般的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用監(jiān)測對象相對固定或種類有限，如大壩安全監(jiān)測[3]、溫室大棚環(huán)境監(jiān)測[4]、消防安全監(jiān)測[5]等，其方案中節(jié)點(diǎn)所配置的傳感器多是不能更換的或節(jié)點(diǎn)可采集幾種固定類型的信號，當(dāng)僅有幾個監(jiān)測對象時這是完全可行的，但這完全不能滿足船載危險品集裝箱監(jiān)測對象方便快捷更換的需求。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于船載危險品集裝箱監(jiān)測，設(shè)計了WSN節(jié)點(diǎn)，并針對危險品集裝箱監(jiān)測的實(shí)際情況設(shè)計了一種即插即用的傳感器模塊，可直接根據(jù)集裝箱內(nèi)危險品監(jiān)測的需要給監(jiān)測節(jié)點(diǎn)更換傳感器模塊，提高了監(jiān)測系統(tǒng)的靈活性和實(shí)用性。

1　系統(tǒng)總體方案

船載危險品集裝箱監(jiān)測系統(tǒng)可以分為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及計算機(jī)監(jiān)測中心兩部分，圖1為船載危險品集裝箱監(jiān)測系統(tǒng)總體示意圖。

圖1　船載危險品集裝箱監(jiān)測系統(tǒng)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分主要由監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)組成，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)部署在集裝箱內(nèi)部負(fù)責(zé)傳感器模塊數(shù)據(jù)的采集發(fā)送，配備統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的傳感器接口，可以連接傳感器模塊并實(shí)現(xiàn)即插即用；路由節(jié)點(diǎn)部署在兩列集裝箱之間及船舷等處，負(fù)責(zé)存儲監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)；協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)與計算機(jī)監(jiān)測中心相連，計算機(jī)監(jiān)測中心將其匯總的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲、分析及發(fā)布等。文中主要設(shè)計了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分節(jié)點(diǎn)及傳感器模塊的硬件及軟件。

2　節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

2．1協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)包括通訊及控制模塊、電源模塊及串口模塊，路由節(jié)點(diǎn)除沒有串口模塊外其余硬件結(jié)構(gòu)與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)全部相同，故不再贅述。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)示意圖

為了取得更好的性能及便于開發(fā)，通訊及控制模塊選用JN5148-001-M04模塊。JN5148芯片采用了SoC技術(shù)，在單芯片上集成了32位RISC CPU、128KB RAM、128KB ROM及完整的IEEE802．15．4射頻前端，支持ZigBee-Pro及JenNet等多種無線傳輸協(xié)議，配備多路A/D、串口、I2C接口、看門狗等豐富的片上外設(shè)資源；模塊配備512KB FLASH芯片用于存儲程序及數(shù)據(jù)；該模塊為高功率模塊，理論通信距離達(dá)4 km，整體功耗低，適用于采用電池供電的低功耗應(yīng)用場合。

節(jié)點(diǎn)采用鋰電池或5V外接電源供電兩種供電方式，電源模塊采用TP4056芯片控制鋰電池充電，通過低壓差線性穩(wěn)壓芯片HT7233為其它模塊提供穩(wěn)定的3．3 V供電。串口模塊采用MAX3232芯片來實(shí)現(xiàn)JN5148模塊與計算機(jī)監(jiān)測中心之間的串口通訊。此外為了實(shí)現(xiàn)低功耗，選用低導(dǎo)通電阻的P-MOSFET FDW2508P來控制串口模塊等的供電，在其不需要工作時切斷供電以節(jié)省能量。

2．2監(jiān)測節(jié)點(diǎn)及傳感器模塊設(shè)計

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)包括通訊及控制模塊、電源模塊、多路復(fù)用開關(guān)、傳感器接口組成，其中通訊及控制模塊、電源模塊與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)基本相同。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)及傳感器模塊示意圖如圖3所示。

考慮到船載危險品集裝箱監(jiān)測對象種類多且頻繁更換的實(shí)際情況，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的傳感器接口采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，可以連接相同接口的傳感器模塊，即插即用無需配置。每個標(biāo)準(zhǔn)的傳感器接口由四根線組成，分別為SDA數(shù)據(jù)線、CLK時鐘線、及電源控制線及地電平線。其中SDA數(shù)據(jù)線、CLK時鐘線是監(jiān)測節(jié)點(diǎn)通過多路復(fù)用開關(guān)擴(kuò)展I2C總線得到的，采用了SN74LV4025多路復(fù)用芯片將I2C總線擴(kuò)展為4路，分別對應(yīng)4個傳感器接口，如需更多傳感器接口可以采用I2C多路復(fù)用芯片實(shí)現(xiàn)更多的擴(kuò)展。電源控制線的作用是控制傳感器模塊的供電，由通訊及控制模塊通過幾片F(xiàn)DW2508P來分別控制每個傳感器接口的電源控制線，僅在需要傳感器模塊工作時供電以降低功耗。

圖3　監(jiān)測節(jié)點(diǎn)及傳感器模塊示意圖

傳感器模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括傳感器接口、電源模塊、存儲模塊、A/D模塊及傳感器電路五部分。傳感器模塊通過傳感器接口連接在監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)通過I2C總線讀取其中存儲模塊上的信息，獲取該傳感器模塊的類型及工作參數(shù)等資料，然后通過I2C總線讀取A/D模塊轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)處理，這樣設(shè)計能夠的保證傳感器模塊的兼容性并實(shí)現(xiàn)即插即用，使傳感器模塊部署方便快捷。

傳感器模塊中的電源模塊為其正常工作提供穩(wěn)定的供電，當(dāng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)對某一傳感器接口進(jìn)行操作時相應(yīng)的P-MOSFET導(dǎo)通，其電源控制線與監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的電源相連通，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)通過電源控制線給傳感器模塊供電，如果傳感器模塊自帶電源(電池或外部電源等)，則電源控制線控制電源模塊工作。

對于危險品集裝箱監(jiān)測，溫度濕度的變化一般都會對危險品的安全性產(chǎn)生影響，是需要重點(diǎn)監(jiān)測的量；危險品出現(xiàn)險情或發(fā)生事故時一般都會導(dǎo)致空氣中相關(guān)氣體含量的變化，需要根據(jù)具體的危險品來確定監(jiān)測對象；因此危險品集裝箱監(jiān)測對象一般為溫度濕度及相關(guān)的氣體濃度等。溫度濕度傳感器多為一體化的模塊，其通過單線或雙線直接輸出數(shù)字信號。氣體傳感器種類較多，從功耗、靈敏度等角度考慮，電化學(xué)氣體傳感器及紅外氣體傳感器比較適用于集裝箱危險品監(jiān)測；電化學(xué)氣體傳感器輸出電流或電壓信號；紅外氣體傳感器一般是集成的模塊通過串口等輸出信號；如采用半導(dǎo)體氣體傳感器等需長時間加熱、功耗較高的傳感器，則傳感器模塊需自備電源，否則會很快耗完監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的電池。

從危險品監(jiān)測的傳感器選擇上來看，集成化的溫濕度傳感器及紅外氣體傳感器均輸出的是數(shù)字信號，其傳感器模塊中不需要A/D模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。對于通過單線或雙線輸出數(shù)字信號的溫濕度傳感器可通過I2C總線的SDA及CLK線模擬其時序?qū)ζ溥M(jìn)行操作；對于通過串口或SPI等接口輸出的紅外氣體傳感器及其它傳感器，可通過專用的芯片將I2C總線轉(zhuǎn)為相應(yīng)的接口或總線，或者可通過C8051F，MSP430等單片機(jī)實(shí)現(xiàn)I2C總線與相應(yīng)接口或總線的轉(zhuǎn)換工作。

實(shí)際設(shè)計制作了溫濕度傳感器模塊、溫度傳感器模塊及氧氣傳感器模塊，分別采用了DHT90溫濕度傳感器、不銹鋼封裝的D18B20溫度傳感器及O2-G2氧氣傳感器；電源模塊均采用高精度線性穩(wěn)壓器TPS79933來提供穩(wěn)定的3．3 V供電；存儲模塊采用AT24C02芯片，其為2 K存儲空間的E2PROM芯片；氧氣傳感器的A/D模塊采用ADS1110芯片，其為16位的高精度A/D芯片；DHT90及D18B20均通過SDA及CLK線模擬其時序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)讀取。

3　節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計

節(jié)點(diǎn)所采用的通信及控制模塊JN5148支持IEEE802．15.4、ZigBee、JenNet等多種無線通訊協(xié)議。JenNet與ZigBee協(xié)議一樣底層都是基于IEEE 802．15．4協(xié)議；JenNet協(xié)議是Jennic公司私有的協(xié)議，使用完全免費(fèi)，不需認(rèn)證手續(xù)或費(fèi)用；JenNet相比ZigBee更加精簡且易于開發(fā)；對于JN5148模塊而言，基于JenNet協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)最多可容納1000個節(jié)點(diǎn)，而基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)最多僅可容納250個節(jié)點(diǎn)[7]?；谝陨显?qū)嶋H開發(fā)中選擇了JenNet協(xié)議。

3．1協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是將節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給計算機(jī)監(jiān)測中心，其程序流程如圖4所示。網(wǎng)絡(luò)建立并穩(wěn)定以后，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)定期采集數(shù)據(jù)，并通過轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)存儲在有數(shù)據(jù)存儲服務(wù)的路由節(jié)點(diǎn)上，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)通過查詢數(shù)據(jù)存儲服務(wù)獲取這些路由節(jié)點(diǎn)的地址，之后逐個獲取這些節(jié)點(diǎn)存儲的數(shù)據(jù)，將獲取的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給計算機(jī)監(jiān)測中心。采用這種輪詢的方式能夠避免大量節(jié)點(diǎn)同時向協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下可能發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)堵塞，提高了網(wǎng)絡(luò)的效率和可靠性。

圖4　協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)程序流程圖

圖5　路由節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3．2路由節(jié)點(diǎn)

路由節(jié)點(diǎn)的功能除讓其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)外，還可將監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)暫時保存，并等待協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)來獲取，圖5為路由節(jié)點(diǎn)程序流程圖。當(dāng)有監(jiān)測節(jié)點(diǎn)通過路由節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時，路由節(jié)點(diǎn)會注冊數(shù)據(jù)存儲服務(wù)，以存儲監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，并等待協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)通過數(shù)據(jù)存儲服務(wù)來獲取這些數(shù)據(jù)。

3．3監(jiān)測節(jié)點(diǎn)

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)除具有采集傳感器模塊數(shù)據(jù)的功能外，其它監(jiān)測節(jié)點(diǎn)可通過它加入網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)將自己和子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過向父節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，最終把數(shù)據(jù)保存在有數(shù)據(jù)存儲服務(wù)的路由節(jié)點(diǎn)上，圖6所示為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的程序流程圖。

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集傳感器模塊數(shù)據(jù)的流程如圖7所示，首先監(jiān)測節(jié)點(diǎn)打開一個傳感器端口，然后讀取其中E2PROM記錄的序號作為一個簡單的校驗(yàn)，如讀取到的為0xFF，則說明該端口未連接傳感器模塊；如讀取的數(shù)據(jù)與記錄的序號相同，則說明仍是原來的傳感器模塊；如讀取到的數(shù)據(jù)與記錄不同，則說明可能已經(jīng)更換傳感器模塊，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)需重新讀取里面數(shù)據(jù)，并更新關(guān)于該端口的記錄。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)根據(jù)該端口的相關(guān)記錄即可獲取關(guān)于該傳感器模塊的信息，然后進(jìn)入讀取相關(guān)傳感器的模式讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)完成采集任務(wù)并轉(zhuǎn)發(fā)完所有子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以后，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)會進(jìn)入休眠模式以節(jié)省能量。為防止休眠結(jié)束以后，子節(jié)點(diǎn)無法找到原來的父節(jié)點(diǎn)而重新加入網(wǎng)絡(luò)，父節(jié)點(diǎn)的休眠時間是根據(jù)其所有子節(jié)點(diǎn)休眠時間而定的，保證在子節(jié)點(diǎn)結(jié)束休眠之前能恢復(fù)正常工作。

4　節(jié)點(diǎn)測試

為了驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的各項功能在戶外進(jìn)行組網(wǎng)測試，該網(wǎng)絡(luò)包括1個協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、2個路由節(jié)點(diǎn)、3個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)所連接的傳感器模塊有溫濕度傳感器模塊、溫度傳感器模塊、氧氣傳感器模塊三種。節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)順利，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)能夠準(zhǔn)確識別傳感器模塊，并在完成數(shù)據(jù)讀取及發(fā)送后進(jìn)入休眠模式，路由節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)存儲工作并最終將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。

圖6　監(jiān)測節(jié)點(diǎn)程序流程圖

圖7　讀取傳感器模塊數(shù)據(jù)流程圖

節(jié)點(diǎn)的功耗對網(wǎng)絡(luò)的壽命至關(guān)重要，這也是在設(shè)計節(jié)點(diǎn)硬件和軟件時所著重考慮的，由于協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)及路由節(jié)點(diǎn)是固定在船上的可以采用太陽能電池或外接電源供電，故僅對監(jiān)測節(jié)點(diǎn)幾種狀態(tài)下的電流進(jìn)行了測定。將監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的開關(guān)用1個實(shí)測阻值為2．9 Ω的電阻短接，通過測定電阻上的電壓估算出節(jié)點(diǎn)各種狀態(tài)下的電流，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集溫濕度傳感器模塊、溫度傳感器模塊、氧氣傳感器模塊的數(shù)據(jù)并發(fā)送出去，在收到父節(jié)點(diǎn)的回應(yīng)之后進(jìn)入休眠，休眠時間為1 min，根據(jù)相關(guān)資料[7]測得或計算出每個狀態(tài)時間，最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　功耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可計算出平均電流：

≈0.273 mA

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用3 000 mAh的鋰離子電池供電，則在實(shí)驗(yàn)情況下，不計電池?fù)p耗，理論上節(jié)點(diǎn)可以工作的時間為：

實(shí)驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)的休眠時間為1 min，在實(shí)際使用中監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的采集頻率一般不需要這么快，而且休眠時間也會更長，所以節(jié)點(diǎn)工作時間會再長一點(diǎn)，完全滿足實(shí)際需求。

5　結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有低成本、低功耗、自組織，自修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，在危險品集裝箱監(jiān)測領(lǐng)域有很大的發(fā)展前景。針對船載危險品集裝箱監(jiān)測的實(shí)際情況設(shè)計三種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)了傳感器模塊的即插即用及數(shù)據(jù)采集，能夠根據(jù)實(shí)際需求方便地更換監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的傳感器模塊。在實(shí)際應(yīng)用中還需研究該監(jiān)測系統(tǒng)與現(xiàn)有的集裝箱船和港口的集裝箱管理系統(tǒng)的整合，與集裝箱無源、有源RFID技術(shù)結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)集裝箱的自動識別與監(jiān)測，讓集裝箱變得更加安全和智能。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦玉，姚振強(qiáng)．危險品集裝箱狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計．機(jī)械設(shè)計與研究，2008，24(6)：98-101．

[2]吳志華，唐禎敏．危險品運(yùn)輸綜合監(jiān)測系統(tǒng)研究．鐵路計算機(jī)應(yīng)用，2008，24(6)：7-9．

[3]喬靜．基于ZIGBEE的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[學(xué)位論文]．大連：大連理工大學(xué)，2012．

[4]張小斌，鄭可鋒，張建成，等．無線傳感網(wǎng)在浙江設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚中的應(yīng)用探討．浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2011，23(2)：400-403．

[5]沈佳棟，唐明浩，章力，等．無線傳感網(wǎng)在智能樓宇系統(tǒng)中的應(yīng)用．2008系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議，太原，2008．

[6]JENNIC．JN-UG-3042-Jenie-API-1v8[EB/OL]．[2013-01-13]．http：//www．jennic．com/files/support_files/JN-UG-3042-Jenie-API-1v8．pdf．

[7]JENNIC．JN-AN-1001-Power-Estimation[EB/OL]．[2013-01-13]．http：//www．jennic．com/download_file．phpsupportFile=JN-AN-1001-Power-Estimation．pdf．