用于船载危险品集装箱监测的WSN节点设计

张凌寒，缪新颖，2，闵　健，褚金奎

(1．大连理工大学，辽宁省微纳米技术及系统重点实验室，辽宁大连　116023；2．大连海洋大学信息工程学院，辽宁大连　116023)

0　引言

近年来危险品运输监测已得到研究人员的重视，在公路运输领域出现了很多基于GPRS、GPS及GIS等技术的危险品运输车辆监管系统，实现对运输车辆及危险品的状态进行监测[1-2]。然而这些危险品运输车辆监测系统在集装箱船上却并不适用，其存在的问题有：

(1)作为集装箱最重要的运输方式之一，在近海、远洋航运中由于没有移动信号的覆盖而无法使用GPRS等通讯手段，船载危险品集装箱监测所采用的通信手段要有足够的适应性及可靠性。

(2)危险品运输车辆多是专用的，监测对象固定、单一，但船载集装箱中的危险品种类多，《国际海运危险货物规则》列出的危险品货物达3 000多种，危险品集装箱监测对象种类多且频繁更换，所以监测对象必须要方便快捷的更换。

(3)危险品运输车辆出现险情时往往重点关注的是车辆的位置，而船载危险品集装箱出现险情时更关注该集装箱以及周围集装箱的内部状态，其监测具有区域性的特点，需同时关注区域内所有危险品集装箱的状态。

无线传感器网络技术能够以无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络，并完成感知、采集和处理网络覆盖区域中信息，这些特性满足船载危险品集装箱监测对通信以及区域性监测的需求。然而一般的无线传感器网络应用监测对象相对固定或种类有限，如大坝安全监测[3]、温室大棚环境监测[4]、消防安全监测[5]等，其方案中节点所配置的传感器多是不能更换的或节点可采集几种固定类型的信号，当仅有几个监测对象时这是完全可行的，但这完全不能满足船载危险品集装箱监测对象方便快捷更换的需求。将无线传感器网络技术应用于船载危险品集装箱监测，设计了WSN节点，并针对危险品集装箱监测的实际情况设计了一种即插即用的传感器模块，可直接根据集装箱内危险品监测的需要给监测节点更换传感器模块，提高了监测系统的灵活性和实用性。

1　系统总体方案

船载危险品集装箱监测系统可以分为无线传感器网络及计算机监测中心两部分，图1为船载危险品集装箱监测系统总体示意图。

图1　船载危险品集装箱监测系统

无线传感器网络部分主要由监测节点、路由节点和协调节点组成，监测节点部署在集装箱内部负责传感器模块数据的采集发送，配备统一标准的传感器接口，可以连接传感器模块并实现即插即用；路由节点部署在两列集装箱之间及船舷等处，负责存储监测节点采集的数据并转发；协调节点与计算机监测中心相连，计算机监测中心将其汇总的数据进行处理、存储、分析及发布等。文中主要设计了无线传感器网络部分节点及传感器模块的硬件及软件。

2　节点硬件设计

2．1协调节点和路由节点设计

协调节点包括通讯及控制模块、电源模块及串口模块，路由节点除没有串口模块外其余硬件结构与协调节点全部相同，故不再赘述。协调节点结构示意图如图2所示。

图2　协调节点示意图

为了取得更好的性能及便于开发，通讯及控制模块选用JN5148-001-M04模块。JN5148芯片采用了SoC技术，在单芯片上集成了32位RISC CPU、128KB RAM、128KB ROM及完整的IEEE802．15．4射频前端，支持ZigBee-Pro及JenNet等多种无线传输协议，配备多路A/D、串口、I2C接口、看门狗等丰富的片上外设资源；模块配备512KB FLASH芯片用于存储程序及数据；该模块为高功率模块，理论通信距离达4 km，整体功耗低，适用于采用电池供电的低功耗应用场合。

节点采用锂电池或5V外接电源供电两种供电方式，电源模块采用TP4056芯片控制锂电池充电，通过低压差线性稳压芯片HT7233为其它模块提供稳定的3．3 V供电。串口模块采用MAX3232芯片来实现JN5148模块与计算机监测中心之间的串口通讯。此外为了实现低功耗，选用低导通电阻的P-MOSFET FDW2508P来控制串口模块等的供电，在其不需要工作时切断供电以节省能量。

2．2监测节点及传感器模块设计

监测节点包括通讯及控制模块、电源模块、多路复用开关、传感器接口组成，其中通讯及控制模块、电源模块与协调节点、路由节点基本相同。监测节点及传感器模块示意图如图3所示。

考虑到船载危险品集装箱监测对象种类多且频繁更换的实际情况，监测节点的传感器接口采用统一标准，可以连接相同接口的传感器模块，即插即用无需配置。每个标准的传感器接口由四根线组成，分别为SDA数据线、CLK时钟线、及电源控制线及地电平线。其中SDA数据线、CLK时钟线是监测节点通过多路复用开关扩展I2C总线得到的，采用了SN74LV4025多路复用芯片将I2C总线扩展为4路，分别对应4个传感器接口，如需更多传感器接口可以采用I2C多路复用芯片实现更多的扩展。电源控制线的作用是控制传感器模块的供电，由通讯及控制模块通过几片FDW2508P来分别控制每个传感器接口的电源控制线，仅在需要传感器模块工作时供电以降低功耗。

图3　监测节点及传感器模块示意图

传感器模块结构如图3所示，包括传感器接口、电源模块、存储模块、A/D模块及传感器电路五部分。传感器模块通过传感器接口连接在监测节点上，监测节点通过I2C总线读取其中存储模块上的信息，获取该传感器模块的类型及工作参数等资料，然后通过I2C总线读取A/D模块转换的数据并进行相应处理，这样设计能够的保证传感器模块的兼容性并实现即插即用，使传感器模块部署方便快捷。

传感器模块中的电源模块为其正常工作提供稳定的供电，当监测节点对某一传感器接口进行操作时相应的P-MOSFET导通，其电源控制线与监测节点的电源相连通，监测节点通过电源控制线给传感器模块供电，如果传感器模块自带电源(电池或外部电源等)，则电源控制线控制电源模块工作。

对于危险品集装箱监测，温度湿度的变化一般都会对危险品的安全性产生影响，是需要重点监测的量；危险品出现险情或发生事故时一般都会导致空气中相关气体含量的变化，需要根据具体的危险品来确定监测对象；因此危险品集装箱监测对象一般为温度湿度及相关的气体浓度等。温度湿度传感器多为一体化的模块，其通过单线或双线直接输出数字信号。气体传感器种类较多，从功耗、灵敏度等角度考虑，电化学气体传感器及红外气体传感器比较适用于集装箱危险品监测；电化学气体传感器输出电流或电压信号；红外气体传感器一般是集成的模块通过串口等输出信号；如采用半导体气体传感器等需长时间加热、功耗较高的传感器，则传感器模块需自备电源，否则会很快耗完监测节点的电池。

从危险品监测的传感器选择上来看，集成化的温湿度传感器及红外气体传感器均输出的是数字信号，其传感器模块中不需要A/D模块进行模数转换。对于通过单线或双线输出数字信号的温湿度传感器可通过I2C总线的SDA及CLK线模拟其时序对其进行操作；对于通过串口或SPI等接口输出的红外气体传感器及其它传感器，可通过专用的芯片将I2C总线转为相应的接口或总线，或者可通过C8051F，MSP430等单片机实现I2C总线与相应接口或总线的转换工作。

实际设计制作了温湿度传感器模块、温度传感器模块及氧气传感器模块，分别采用了DHT90温湿度传感器、不锈钢封装的D18B20温度传感器及O2-G2氧气传感器；电源模块均采用高精度线性稳压器TPS79933来提供稳定的3．3 V供电；存储模块采用AT24C02芯片，其为2 K存储空间的E2PROM芯片；氧气传感器的A/D模块采用ADS1110芯片，其为16位的高精度A/D芯片；DHT90及D18B20均通过SDA及CLK线模拟其时序实现数据读取。

3　节点软件的设计

节点所采用的通信及控制模块JN5148支持IEEE802．15.4、ZigBee、JenNet等多种无线通讯协议。JenNet与ZigBee协议一样底层都是基于IEEE 802．15．4协议；JenNet协议是Jennic公司私有的协议，使用完全免费，不需认证手续或费用；JenNet相比ZigBee更加精简且易于开发；对于JN5148模块而言，基于JenNet协议的网络最多可容纳1000个节点，而基于ZigBee的网络最多仅可容纳250个节点[7]。基于以上原因实际开发中选择了JenNet协议。

3．1协调节点

协调节点的主要任务是将节点采集的数据通过串口发送给计算机监测中心，其程序流程如图4所示。网络建立并稳定以后，监测节点定期采集数据，并通过转发将数据存储在有数据存储服务的路由节点上，协调节点通过查询数据存储服务获取这些路由节点的地址，之后逐个获取这些节点存储的数据，将获取的数据通过串口发送给计算机监测中心。采用这种轮询的方式能够避免大量节点同时向协调节点发送数据的情况下可能发生的网络堵塞，提高了网络的效率和可靠性。

图4　协调节点程序流程图

图5　路由节点程序流程图

3．2路由节点

路由节点的功能除让其他节点加入网络和转发数据外，还可将监测节点采集到的数据暂时保存，并等待协调者节点来获取，图5为路由节点程序流程图。当有监测节点通过路由节点加入网络时，路由节点会注册数据存储服务，以存储监测节点采集的数据，并等待协调者节点通过数据存储服务来获取这些数据。

3．3监测节点

监测节点除具有采集传感器模块数据的功能外，其它监测节点可通过它加入网络，监测节点将自己和子节点的数据通过向父节点转发，最终把数据保存在有数据存储服务的路由节点上，图6所示为监测节点的程序流程图。

监测节点采集传感器模块数据的流程如图7所示，首先监测节点打开一个传感器端口，然后读取其中E2PROM记录的序号作为一个简单的校验，如读取到的为0xFF，则说明该端口未连接传感器模块；如读取的数据与记录的序号相同，则说明仍是原来的传感器模块；如读取到的数据与记录不同，则说明可能已经更换传感器模块，监测节点需重新读取里面数据，并更新关于该端口的记录。监测节点根据该端口的相关记录即可获取关于该传感器模块的信息，然后进入读取相关传感器的模式读取数据。当完成采集任务并转发完所有子节点的数据以后，监测节点会进入休眠模式以节省能量。为防止休眠结束以后，子节点无法找到原来的父节点而重新加入网络，父节点的休眠时间是根据其所有子节点休眠时间而定的，保证在子节点结束休眠之前能恢复正常工作。

4　节点测试

为了验证节点的各项功能在户外进行组网测试，该网络包括1个协调节点、2个路由节点、3个监测节点，监测节点所连接的传感器模块有温湿度传感器模块、温度传感器模块、氧气传感器模块三种。节点组网顺利，监测节点能够准确识别传感器模块，并在完成数据读取及发送后进入休眠模式，路由节点能够实现数据存储工作并最终将数据发送给协调节点。

图6　监测节点程序流程图

图7　读取传感器模块数据流程图

节点的功耗对网络的寿命至关重要，这也是在设计节点硬件和软件时所着重考虑的，由于协调节点及路由节点是固定在船上的可以采用太阳能电池或外接电源供电，故仅对监测节点几种状态下的电流进行了测定。将监测节点的开关用1个实测阻值为2．9 Ω的电阻短接，通过测定电阻上的电压估算出节点各种状态下的电流，监测节点采集温湿度传感器模块、温度传感器模块、氧气传感器模块的数据并发送出去，在收到父节点的回应之后进入休眠，休眠时间为1 min，根据相关资料[7]测得或计算出每个状态时间，最终实验数据如表1所示。

表1　功耗实验数据

根据表中数据可计算出平均电流：

≈0.273 mA

监测节点采用3 000 mAh的锂离子电池供电，则在实验情况下，不计电池损耗，理论上节点可以工作的时间为：

实验中节点的休眠时间为1 min，在实际使用中监测节点的采集频率一般不需要这么快，而且休眠时间也会更长，所以节点工作时间会再长一点，完全满足实际需求。

5　结束语

无线传感器网络技术具有低成本、低功耗、自组织，自修复等优点，在危险品集装箱监测领域有很大的发展前景。针对船载危险品集装箱监测的实际情况设计三种网络节点及传感器模块，实现了传感器模块的即插即用及数据采集，能够根据实际需求方便地更换监测节点的传感器模块。在实际应用中还需研究该监测系统与现有的集装箱船和港口的集装箱管理系统的整合，与集装箱无源、有源RFID技术结合在一起实现集装箱的自动识别与监测，让集装箱变得更加安全和智能。

参考文献：

[1]秦玉，姚振强．危险品集装箱状态实时监测系统设计．机械设计与研究，2008，24(6)：98-101．

[2]吴志华，唐祯敏．危险品运输综合监测系统研究．铁路计算机应用，2008，24(6)：7-9．

[3]乔静．基于ZIGBEE的大坝安全监测系统设计[学位论文]．大连：大连理工大学，2012．

[4]张小斌，郑可锋，张建成，等．无线传感网在浙江设施农业大棚中的应用探讨．浙江农业学报，2011，23(2)：400-403．

[5]沈佳栋，唐明浩，章力，等．无线传感网在智能楼宇系统中的应用．2008系统仿真技术及其应用学术会议，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．