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随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微机电系统制造技术的飞速发展,具有感知、计算存储和通信能力的微型传感器应用于军事、工业、农业和宇航各领域。无线网络传感器是集传感器执行器、控制器和通信装置于一体。集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源(计算、存储和能源)受限的嵌入式设备。由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息,并对这些信息进行处理,传送给需要这些信息的用户。无线传感器网络具有价格低廉、体积小、组网方便、灵活等特点。这里将无线传感器网络引入安全保护系统,充分发挥无线传感器网络的优点,以提高智能仓库安全保护系统的整体性能。智能仓库安全保护系统具有自身的特点。其传感器节点可以有针对性的预先布置,因而具有相对固定的网络拓扑结构,网络通信和路由协议等也具有其特点。因此,在系统设计时应仔细考虑这些问题。
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1 引言
随着传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术和半导体与微机电系统制造技术的飞速发展,具有感知、计算存储和通信能力的微型传感器应用于军事、工业、农业和宇航各领域。无线网络传感器是集传感器执行器、控制器和通信装置于一体。集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的资源(计算、存储和能源)受限的嵌入式设备。由这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种监测对象信息,并对这些信息进行处理,传送给需要这些信息的用户。无线传感器网络具有价格低廉、体积小、组网方便、灵活等特点。这里将无线传感器网络引入安全保护系统,充分发挥无线传感器网络的优点,以提高智能仓库安全保护系统的整体性能。智能仓库安全保护系统具有自身的特点。其传感器节点可以有针对性的预先布置,因而具有相对固定的网络拓扑结构,网络通信和路由协议等也具有其特点。因此,在系统设计时应仔细考虑这些问题。 2 智能仓库安保系统 无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信形成一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中的感知对象的信息,并发给观察者。应用无线传感器网络技术的智能仓库安保系统网络由红外传感器、门磁开关、温度传感器、湿度传感器、煤气泄漏传感器、火灾烟感传感器、玻璃破碎传感器等传感器网络节点组成。在安保网络中采用星型拓扑结构,南多个与计算机相连的无线通信模块作为网络的中心节点,可以和下层网络中的任何一个节点通信,网络节点对环境中的各个参数进行测量、采样,将采集到的数据发往中心节点,并分析、处理中心节点发来的数据、命令,完成相应操作。图1为单个智能仓库安保系统总体框架。 以此为扩展,将图1中的中间节点作为小节点(一个仓库),构成整个仓库区域的无线传感器网络,如图2所示。 传感器在整个系统中起着非常重要的作用。常用的传感器有火灾检测类的烟感传感器HIS-07、NIS-09C,感温传感器TPS-333、TPS- 334,防盗报警类的热释电红外线传感器PIS-209S、RE200B,玻璃破碎传感器BS-02,门磁开关传感器FD系列,煤气泄漏类的煤气传感器 MQ-5、MQ-216等。 |
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3 无线传感器网络节点的设计
设计传感器节点时,需考虑微型化,扩展性和灵活性,稳定性和安全性,低成本等。智能仓库安保系统的无线传感器网络节点是基本单位,是智能仓库安保系统的基础。无线传感器网络节点要完成数据的采集和传递功能,节点内部的电源模块负责供给能量,电池的使用时间决定节点的使用时间。考虑到扩展性和灵活性,选择常用的元件。系统设计采用模块化设计,通过各功能模块,实现正常工作。传感器节点包括数据采集,数据处理,无线通信和电池等模块,图3为其结构。 3.1 数据处理模块 数据处理模块是无线传感器节点的计算核心。所有设备控制,任务调度,能量计算和功能协调,通信协议,数据融合和数据转储程序都在该模块的支持下完成。所以处理器的选择在传感器节点的设计中至关重要。传感器网络节点使用的处理器应尽量满足:外形小,集成度高,功耗低且支持睡眠模式,运行速度要尽量快,要有足够的外部通用端口和通信接口,成本低,有安全性保证等。 目前使用较多的TI公司的MSP430超低功耗系列处理器,不仅功能完整,集成度高,而且根据存储容量提供多种引脚兼容的处理器,使开发者容易根据应用对象平滑升级系统。这里采用MSP430F149型处理器。供电电压仅1.8~3.6 V,具有16位RISC结构、125 ns指令同周期、多达60 KB Flash ROM和2 KB RAM。另外该器件还配有:12位200 kS/s的MD转换器(自带采样保持)、内部温度传感器、具有3个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_A/Timer__B、2个串口(工作于 UART或SPI模式)、6个8位并口(2个具有中断能力)和硬件乘法器,整个电路结构紧凑且高效。其丰富的寻址方式。简洁的内核指令。较高的处理速度,大量的寄存器及数据存储器使之具有强大的处理能力,丰富的器件内外设接口可简化整个电路设计,减少节点功耗和体积,非常适于节点设计。 3.2 无线通信模块 无线通信模块负责与其他节点无线通信。交换控制信息,收集采集数据。另外,通信模块消耗的能量在传感器节点中占主要部分,所以考虑无线通信模块的工作模式和收费能耗很重要。无线收发器件采用的调制模式、数据率、发射功耗和操作周期等都是影响通信能量消耗的关键因素。选择无线收发器件时应考虑功耗、发射功率、接收灵敏度、收发器件所需外围元件数,以及器件成本等因素。 这里采用CC2420型无线收发器。CC2420是Chipcon公司推出的一款兼容2.4 Hz IEEE 802.15.4的无线收发器。CC2420基于的SmartRF03技术,采用0.18μm CMOS工艺生产,集成度高。CC2420是首款符合ZigBee技术的高集成度工业型射频收发器,其MAC层和PHY层协议符合IEEE 802.15.4规范,工作于免授权的2.4 GHz频段。利用此器件开发的短距离射频传输系统成本低、功耗小,适于电池长期供电;并具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点,可为传感器网络节点提供理想的解决方案。 |
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