基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔平

摘 ?要： 為了提高實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警能力，提出一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)部署模型，采用最短路由協(xié)議部署方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警的網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)控制，采用全網(wǎng)能量均衡控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)室內(nèi)定位和信道均衡控制。結(jié)合K?鄰居節(jié)點(diǎn)覆蓋方法提高實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控的信道均衡性，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的傳輸功耗特征檢測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署和室內(nèi)定位。結(jié)合嵌入式的ARM實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的誤碼率較低，監(jiān)控性能較好。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控; 實(shí)驗(yàn)室安全; 預(yù)警系統(tǒng); 節(jié)點(diǎn)部署; 信道均衡控制; 室內(nèi)定位

中圖分類號(hào)： TN919?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）12?0037?03

Abstract： A design scheme of the laboratory security early?warning system based on the wireless network monitoring technology is proposed to improve the laboratory security early warning ability. The wireless network monitoring node deployment model is constructed for laboratory security early warning. The shortest routing protocol deployment method is used to conduct network transmission node control for laboratory security early?warning. The control method of whole network energy equalization is adopted to conduct indoor location of wireless monitoring network nodes and channel equalization control for laboratory security early?warning. The K?neighbor node coverage method is combined to improve the wireless monitoring channel equalization of laboratory security early?warning. The optimal deployment and indoor location of wireless monitoring network nodes are realized for laboratory security early?warning according to the transmission power dissipation feature detection results of nodes. The hardware design of the laboratory security early?warning system is realized in combination with the embedded ARM. The test results show that the laboratory security early?warning system designed with the wireless network monitoring method has a low error rate and good monitoring performance.

Keywords： wireless network monitoring; laboratory security; early?warning system; node deployment; channel equalization control; indoor positioning

0 ?引 ?言

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，需要進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下的實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計(jì)和傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，提高網(wǎng)絡(luò)的連通性和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)控制能力[1]。結(jié)合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的安全管理中具有重要意義。實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)部組網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的資源信息調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化組網(wǎng)控制，構(gòu)建基于ZigBee組網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警系統(tǒng)[2]，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)部署模型，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的傳輸功耗特征檢測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署和室內(nèi)定位，結(jié)合嵌入式的ARM實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，展示了本文方法在提高實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警能力方面的優(yōu)越性能。

1 ?實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)信道模型分析

1.1 ?網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)均衡控制模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用最短收發(fā)路徑控制方法建立實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)均衡控制的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。假設(shè)研究的實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在室內(nèi)分布的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)邊長(zhǎng)為M的正方形區(qū)域，實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行安全預(yù)警監(jiān)控的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的帶寬為[Ts=NfTf]，初始網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的Sink節(jié)點(diǎn)和Source節(jié)點(diǎn)的初始能量開(kāi)銷分別為：

1.2 ?無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的信道均衡設(shè)計(jì)

在分簇路由傳輸協(xié)議下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中資源低功耗調(diào)度[5]，得到在最短路徑和最小能量損失約束條件下實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均衡控制的能量傳導(dǎo)控制模型為：

2 ?無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)室內(nèi)定位優(yōu)化

2.1 ?節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署

結(jié)合K?鄰居節(jié)點(diǎn)覆蓋方法提高實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控的信道均衡性，采用全網(wǎng)功耗均衡模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均衡控制，結(jié)合空間路由規(guī)劃方法[7]，得到監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的分簇調(diào)度模型為：

2.2 ?實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控的全網(wǎng)均衡控制

采用最小網(wǎng)格均衡控制法得到實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的安全性傳輸信道均衡控制模型描述為：

3 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用VIX總線傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)控制[9]，得到實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 ?實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架

采用ADSP?BF537BBC?5A實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)原始信息采集[10]，得到設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

圖2 ?實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警系統(tǒng)的硬件組成

4 ?仿真實(shí)驗(yàn)分析

采用TP?ASW作為實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞抡鎴?chǎng)景，結(jié)合Matlab進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，監(jiān)控預(yù)警性能測(cè)試。仿真參數(shù)配置見(jiàn)表1。

表1 ?實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境配置參數(shù)

圖3 ?監(jiān)控預(yù)警信息輸出

以圖3的數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，輸入到實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警系統(tǒng)中，分析預(yù)警檢測(cè)性能，得到預(yù)警檢測(cè)輸出見(jiàn)圖4。

圖4 ?監(jiān)控預(yù)警異常特點(diǎn)輸出

分析圖4得知，本文系統(tǒng)能有效檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的安全預(yù)警信息，安全預(yù)警監(jiān)控的定位性能較好，對(duì)異常部位的準(zhǔn)確檢測(cè)精度較高，提高了監(jiān)控能力。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文采用網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計(jì)和傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，提高網(wǎng)絡(luò)的連通性和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)控制能力。采用最短路由協(xié)議部署方法控制實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警的網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)，采用全網(wǎng)能量均衡控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位的信道均衡控制，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的傳輸功耗特征檢測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署和室內(nèi)定位。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)主要由實(shí)驗(yàn)室安全預(yù)警的工況檢測(cè)模塊、A/D模塊、信息集成處理模塊和人機(jī)交互模塊構(gòu)成。研究得知，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的安全預(yù)警監(jiān)控。

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