FFD模式下一種基于WSNs的實驗室安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

陳雪芳

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 龍巖 364021）

0 引言

實驗室是新技術(shù)和新科研成果的主要輸出基地，無論是科研機(jī)構(gòu)還是高等院校，實驗室的教學(xué)與研究在科技創(chuàng)新過程中都發(fā)揮著核心作用。尤其是在高等院校教育教學(xué)與人才培養(yǎng)中，實驗教學(xué)所占課時比例和受重視程度逐年提高，高校實驗室的總數(shù)量和總投入也在逐年攀升。實驗室的空間有限，但內(nèi)部構(gòu)造極為復(fù)雜，包括復(fù)雜的電路系統(tǒng)、機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)、還儲存了大量有毒有害甚至有輻射性化工實驗原料，因此實驗室的監(jiān)控管理和安全防護(hù)是一項十分艱巨的任務(wù)。為解決多個實驗室運(yùn)行數(shù)據(jù)實時監(jiān)控與安全管理問題，本文在FFD（完整功能設(shè)備）傳感器模式下，設(shè)計了一種實驗室安全防護(hù)與監(jiān)控管理系統(tǒng)研究，利用WSNs（無線傳感網(wǎng)絡(luò)）在實驗室空間內(nèi)布置多種類型、多種用途的傳感器，實時采集實驗室的各項安全數(shù)據(jù)，監(jiān)控數(shù)據(jù)是否正常，如果出現(xiàn)異常情況實時報警，提醒實驗室管理人員及時排除險情，保證實驗室的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 FFD模式下實驗室安全防護(hù)系統(tǒng)總體框架設(shè)計

實驗室安全防護(hù)系統(tǒng)的主要目的是，全天候采集和監(jiān)控實驗室各項傳感數(shù)據(jù)，并將預(yù)處理后的實驗室數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)系統(tǒng)。

本文設(shè)計的實驗室防護(hù)系統(tǒng)無線節(jié)點模塊，在功能性方面要更強(qiáng)，涵蓋了實驗室多種指標(biāo)監(jiān)控的要求。協(xié)調(diào)器模塊對各種傳感器的數(shù)據(jù)做初步的分類和預(yù)處理，并通過串口通信模塊將信息上傳到到上位機(jī)系統(tǒng)。由于實驗室WSNs網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作環(huán)境，要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)野外環(huán)境，因此節(jié)點的功能性要更強(qiáng)、電池容量更大且可更換，節(jié)點購置與替換成本也要更高。

為保證實驗室通信數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和兼容性，節(jié)點的模式架構(gòu)設(shè)定為具有完整功能的FFD模式，保證通信數(shù)據(jù)傳輸路徑的穩(wěn)定性。在實驗室監(jiān)控管理和安全防護(hù)的環(huán)境下，WSNs節(jié)點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計方面本文選用了星型結(jié)構(gòu)的通信方式。

2 基于WSNs的實驗室防護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計

實驗室安全防護(hù)系統(tǒng)的硬件部分主要包括FFD節(jié)點和協(xié)調(diào)器的硬件電路，其中FFD節(jié)點主要負(fù)責(zé)采集各種傳感器數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)匯總數(shù)據(jù)并通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。FFD節(jié)點的硬件部分包括STM32F1型單片機(jī)，時鐘電路、前置功率放大電路、數(shù)據(jù)顯示電路和射頻供電電路。在WSNs網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用過程中，控制后臺上位機(jī)系統(tǒng)管理員，除了要實時監(jiān)控各類實驗設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)之外，還要特別關(guān)注傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的更新周期。其中STM32F1型芯片是WSNs網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點的核心組成分，該芯片還自帶始終監(jiān)控系統(tǒng)，內(nèi)置了時鐘電路模塊，芯片的引腳設(shè)計。

實驗室的監(jiān)控區(qū)域較小，傳感器節(jié)點中設(shè)置功率放大電路的目的不是延長傳輸距離，而是要增強(qiáng)采集信號的強(qiáng)度，在通信節(jié)點的前端設(shè)置功率放大器，該裝置受STM32F1型單片機(jī)的控制，提高信號發(fā)生功率和強(qiáng)度。信號功率大小將決定采集信號和傳輸信號的清晰度，節(jié)點模塊利用單片機(jī)檢測電流大小，判斷功率放大器的工作狀態(tài)。實驗室中的實驗設(shè)備電流值較大，不便于傳感器的采集和信號處理，在傳感器信號采集中還需要做電流的轉(zhuǎn)換，降低信號的電流強(qiáng)度。由于安全防護(hù)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器模塊采用交流電供電，經(jīng)過電感互感輸出的信號呈現(xiàn)出交替變化的規(guī)律，傳感器節(jié)點無法直接得到實際的電流值，還要將信號放大器的工作電流模式轉(zhuǎn)換為直流模式。

為了進(jìn)一步減少信號放大后的失真情況，電流互感器的繞組圈，與系統(tǒng)保護(hù)電路及信號測量電路并聯(lián)，這樣在互感器工作時電壓要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一次電流回路，提高測量電路的阻抗值，避免信號傳感器電流放大后導(dǎo)致節(jié)點發(fā)生短路。信號放大器的工作電壓設(shè)置為5V，為了確保電壓值恒定并保護(hù)芯片的引腳安全，在電路的輸入端和輸出端都安裝了3V的LV8859型穩(wěn)壓芯片，該芯片的電壓、電流轉(zhuǎn)換效率高，且自帶保護(hù)電路防止電壓和電流過載而影響傳感器節(jié)點的正常工作。顯示電路直接連接顯示器，連接的單片機(jī)引進(jìn)方式采用串聯(lián)，便于后臺監(jiān)控人員的數(shù)據(jù)監(jiān)控。

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

實驗室WSNs網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計包括網(wǎng)絡(luò)命令的設(shè)計、時間同步設(shè)計、各種控制指令的設(shè)計等，為提高系統(tǒng)軟件的兼容性，統(tǒng)一全部節(jié)點的信息收發(fā)和傳遞模式。在局域網(wǎng)通信協(xié)議的設(shè)計上，采用美國德州儀器公司的Z-Stack協(xié)議棧，該軟件版本兼容IEEE802.18.6通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，操作簡單。Z-Stack協(xié)議采用類似電腦操作系統(tǒng)的運(yùn)行方式，每一個事件對應(yīng)一個函數(shù)，當(dāng)事件發(fā)生時觸發(fā)函數(shù)機(jī)制按照事件的優(yōu)先級依次處理，基于WSNs網(wǎng)絡(luò)的實驗室安全防護(hù)軟件系統(tǒng)的總體操作流程如圖1所示。

WSNs系統(tǒng)的節(jié)點通信過程中，路由算法是最核心的技術(shù)之一，路由算法在節(jié)點之間通信和節(jié)點與協(xié)調(diào)器模塊通信中，提供了一套完整的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制。為更好地均衡節(jié)點能耗，提高節(jié)點通信質(zhì)量，本文選用分層路由協(xié)議中的LEACH算法，依據(jù)WSNs系統(tǒng)節(jié)點之間距離的遠(yuǎn)近隨機(jī)分簇，簇首節(jié)點在其輻射范圍內(nèi)采集成員節(jié)點的各種傳感信息，并向成員節(jié)點傳遞上位機(jī)的指令。簇間節(jié)點操作以輪為單位，每一輪設(shè)定一個啟動階段和穩(wěn)定傳輸階段。程序啟動后普通節(jié)點按照事先設(shè)定好的參數(shù)和通信距離的遠(yuǎn)近加入某一個簇，完成一輪的數(shù)據(jù)采集工作后按照傳輸數(shù)據(jù)類別的不同，重新分簇自動進(jìn)入下一輪工作。每個隨機(jī)簇的簇首節(jié)點的位置為簇內(nèi)最優(yōu)，其他成員節(jié)點產(chǎn)生一個0或1的隨機(jī)數(shù)，設(shè)定簇內(nèi)全部節(jié)點數(shù)量為n，那么簇首節(jié)點為T（n）的計算公式為：

式中，為WSNs系統(tǒng)范圍內(nèi)簇首節(jié)點的比例；r簇首節(jié)點選舉的輪數(shù)。LEACH算法協(xié)議的優(yōu)勢在于均衡了簇內(nèi)各節(jié)點的能量消耗，有效節(jié)省通信過程中的能量分配，保證了WSNs網(wǎng)絡(luò)的生存時間，進(jìn)而實現(xiàn)對實驗室安全系統(tǒng)全天候無人監(jiān)控。

4 結(jié)束語

由于實驗室的內(nèi)部空間布局緊湊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含大量潛在的危險因素，近年來實驗室事故頻發(fā)，甚至造成了人員的傷亡，這使實驗室安全防護(hù)問題受到了越來越多的關(guān)注。本文利用WSNs系統(tǒng)和FFD全功能節(jié)點，設(shè)計了一種實驗室安全防護(hù)系統(tǒng)，利用各種不同類型的傳感器節(jié)點，有效采集監(jiān)控實驗室的各種指標(biāo)，能夠更準(zhǔn)確地識別與排除實驗室的安全隱患。