基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大學(xué)實驗室風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

郎乾雯 朱林

摘? 要： 針對傳統(tǒng)風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警范圍過小的問題，設(shè)計一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大學(xué)實驗室風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)。傳感器使用多個CC2420射頻芯片，連接多個ZigBee協(xié)調(diào)器，整合為一個ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)，使用XBee?PRO S2B上的UART串行接口，連接邏輯電平兼容的串行設(shè)備。設(shè)計數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件，計算實驗室環(huán)境狀態(tài)量，得出實驗室環(huán)境的風(fēng)險系數(shù)，將風(fēng)險參數(shù)值使用Java編程輸入到實驗室監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中心的客戶端口，完成實驗室風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計。實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的實驗室風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)相比，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大學(xué)實驗室風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警范圍更大，更適合實驗室的風(fēng)險預(yù)警。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng); 大學(xué)實驗室; 無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 狀態(tài)量; 風(fēng)險系數(shù); 預(yù)警范圍

中圖分類號： TN915.02?34; TP393? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）11?0076?03

Design of university laboratory risk early warning system

based on wireless sensor network

LANG Qianwen， ZHU Lin

（School of Electronic & Communication Engineering， Guiyang University， Guiyang 550005， China）

Abstract： Since the early warning range of traditional risk early warning system is extremely small， a university laboratory risk early warning system based on wireless sensor network is designed. In terms of the system hardware， several CC2420 RF （radio frequency） chips in the sensor are connected with corresponding quantity of ZigBee coordinators， which is integrated into a ZigBee sensor network， and the UART serial interface on XBee?PRO S2B is used to connect the serial device with logic level compatibility. In terms of the system software， the data monitoring software is designed， the state quantity of the laboratory environment is calculated to obtain the risk coefficient of the laboratory environment， and the risk parameter value is input into the client port of the laboratory monitoring network center by Java programming. The above contributes to the design of the laboratory risk early warning system. The experimental results show that， in comparison with the traditional laboratory risk early warning system， the university laboratory risk early warning system based on wireless sensor network has a wider range of early warning and is more suitable for laboratory risk early warning.

Keywords： risk early warning system; university laboratory; wireless sensor network; state quantity; risk coefficient; early warning range

0? 引? 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點是一個可感知世界的傳感器[1]。傳感器之間使用無線方式傳輸信息，這種分布式傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活，可以使用有線或是無線的方式與互聯(lián)網(wǎng)連接，形成一個可以實時傳輸感知數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部含有以傳感器為節(jié)點的不同功能單元，不同單元之間相互作用，完成數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸[2]。本文設(shè)計一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大學(xué)實驗室風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)，使用靈敏的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格監(jiān)控實驗室環(huán)境中的各項數(shù)據(jù)，預(yù)防安全事故的發(fā)生，保障人身財產(chǎn)安全[3]。

1? 預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1? 設(shè)計傳感器終端結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件部分使用多個傳感器，將采集終端與匯聚終端分單元設(shè)計。將傳感器數(shù)據(jù)采集單元、MCU控制單元與ZigBee發(fā)送單元、電源供給單元連接，構(gòu)成一個整體傳感器末端，具體的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

傳感器數(shù)據(jù)采集單元使用功耗低的CC2420射頻芯片，外圍電路設(shè)計一個晶振時鐘電路，一個與射頻芯片相匹配的射頻輸入/輸出電路，以及一個接口電路[4]。引腳連通內(nèi)部晶振振蕩器，產(chǎn)生一個16 MHz的參考時鐘。使用射頻輸入/輸出匹配電路，匹配芯片的輸入輸出阻抗，給芯片內(nèi)部提供直流偏置。多個傳感器使用RS 484總線與STM32處理器相連[5]。為了抑制共模干擾，選用iCoupler磁隔離技術(shù)的磁隔離芯片ADM2587E連接集成了DC/DC電源的外觀電路。芯片的集成電路如圖2所示。

1.2? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

將幾個ZigBee協(xié)調(diào)器連接傳感器終端，不斷調(diào)整協(xié)調(diào)器與傳感器的位置，組成一個ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

讓一個協(xié)調(diào)器外接多個路由器設(shè)備，形成一個完整的功能設(shè)備，利用這個設(shè)備建立、管理ZigBee網(wǎng)絡(luò)，確定網(wǎng)絡(luò)中的PAN標(biāo)識符與整個網(wǎng)絡(luò)的物理通信，儲存網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息，保持網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備間的通信[6]。使用一個定時器監(jiān)控主程序運行，定時復(fù)位定時器，防止PC指針無法復(fù)位的問題。使用XBee?PRO S2B實現(xiàn)傳感器之間的無線通信。XBee?PRO S2B性能參數(shù)如表1所示。

使用XBee?PRO S2B上的UART串行接口，連接邏輯電平兼容的串行設(shè)備，轉(zhuǎn)換電平設(shè)備，并連接其他串行設(shè)備，UART串行接口連接XBee?PRO S2B的DI和DO引腳[7]。使用3G無線發(fā)送模塊，利用內(nèi)含的GPS技術(shù)獲取實驗室的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，STM32處理器接收部分信息，并將采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程監(jiān)控中心，使用SD卡儲存接收到的數(shù)據(jù)[8]。連接采集終端與匯聚終端兩部分的硬件，完成預(yù)警系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計。

2? 預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1? 計算實驗室環(huán)境風(fēng)險系數(shù)

軟件部分設(shè)計一款實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件，實現(xiàn)服務(wù)器數(shù)據(jù)實時遠程共享[9]。多點監(jiān)控同一局域網(wǎng)實驗室內(nèi)的風(fēng)險因素數(shù)據(jù)變化，設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)集合為[W=W1，W2，…，Wn]。

定義此時實驗室環(huán)境狀態(tài)量為[S]，時間為[t]，無線采集器網(wǎng)絡(luò)采集開始到結(jié)束共有[i]個時間段，計算[i]個時間段內(nèi)實驗室環(huán)境的狀態(tài)量[S]的風(fēng)險穩(wěn)定系數(shù)[fi]，得到：

[fi=i=1nai（St-Si）] （1）

式中：[ai]是相關(guān)性系數(shù);[Si]是[i]時間段的狀態(tài)量;[St]為[t]時刻的狀態(tài)量[10]。假設(shè)[j]時刻傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)為[yj]，計算[j+1]時刻實驗室環(huán)境的變化量為：

[yj+1=yj+t=1j+1utSt] （2）

式中[ut]為[t]時刻實驗室風(fēng)險狀態(tài)的參數(shù)值。

2.2? 設(shè)計預(yù)警數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

預(yù)警數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)使用兩層C/S架構(gòu)，接入到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，此時數(shù)據(jù)監(jiān)控中心具備兩種工作模式[11]：一種可以讓數(shù)據(jù)監(jiān)控中心作為客戶端連接ZigBee?WiFi網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心與網(wǎng)關(guān)相互通信，采集實驗室風(fēng)險數(shù)據(jù)并儲存[12];另一種模式以數(shù)據(jù)監(jiān)控中心為服務(wù)器，讓區(qū)域網(wǎng)中的其他客戶端使用IP地址和端口號連接數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，監(jiān)控中心接收實時數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)至客戶端口中[13]。數(shù)據(jù)傳輸C/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

程序根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)，分析風(fēng)險系數(shù)[14]。使用圖4中的架構(gòu)傳輸風(fēng)險數(shù)據(jù)，客戶端根據(jù)接收到的風(fēng)險數(shù)據(jù)，提示實驗室風(fēng)險預(yù)警[15]。綜合軟硬件的設(shè)計，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大學(xué)實驗室風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計完成。

3? 智能教學(xué)系統(tǒng)的性能測試

3.1? 準(zhǔn)備階段

實驗開始前調(diào)試ZigBee組網(wǎng)，準(zhǔn)備一個協(xié)調(diào)器和兩個終端設(shè)備，將傳感器搭載采集終端的串口，讀取實驗室風(fēng)險數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到協(xié)調(diào)器的匯聚終端，將采集終端發(fā)送實驗室風(fēng)險數(shù)據(jù)的時間間隔設(shè)置為15 min。匯聚終端將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心PC機串口，PC機通過串口調(diào)試助手查看接收到的風(fēng)險數(shù)據(jù)，風(fēng)險數(shù)據(jù)以指定幀格式表現(xiàn)實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)。定義發(fā)送環(huán)境數(shù)據(jù)幀格式為：[DATA終端設(shè)備ID號傳感器數(shù)據(jù)]，使用調(diào)試助手的調(diào)試頁面如圖5所示。

圖5中，[DATA0138]為傳感器采集到的風(fēng)險數(shù)據(jù)，DATA為風(fēng)險數(shù)據(jù)幀頭，01是傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器號碼，38是傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)使用“|”相隔。調(diào)試完畢后，使用傳統(tǒng)實驗室風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)與基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大學(xué)生實驗室風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)進行對比，使用一個面積為100 m2的實驗室，檢測系統(tǒng)可預(yù)警的實驗室范圍。

3.2? 測試結(jié)果

將實驗室面積切分為多個大小相同的網(wǎng)格，兩種系統(tǒng)可監(jiān)控的實驗室面積結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖6，圖7可知，使用面積為100 m2的實驗室，傳統(tǒng)風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警范圍小，而基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的大學(xué)生實驗室風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警范圍大，改善了傳統(tǒng)風(fēng)險預(yù)測系統(tǒng)預(yù)警范圍小的問題，可嚴(yán)格監(jiān)測實驗室潛在危險。

4? 結(jié)? 語

大學(xué)實驗室是高等學(xué)校進行教學(xué)與研究的重要場所，隨著高?？蒲辛α坎粩嘣鰪姡瑢嶒炇沂褂妙l繁，人員流動性大，實驗室存在很大的安全隱患。本文設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大學(xué)生實驗室風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)，使用傳感器網(wǎng)絡(luò)實時傳輸實驗室風(fēng)險數(shù)據(jù)，靈敏監(jiān)測實驗室內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)變化，改善了傳統(tǒng)風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測實驗室面積過小的問題，在一定程度上減少了實驗室安全事故的發(fā)生。

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