基于WSNs 的军用机场仓库环境监测系统设计

唐希浪，肖明清，宋海方，姚 鹏

(空军工程大学 航空航天工程学院，陕西 西安710038)

0 引 言

军用机场的后方仓库担负着武器、弹药和装备等各类军品的保管任务，通常十分隐蔽，主要以洞库、半地面库和地面库等形式存在。仓库大多地处深山，环境比较恶劣，如昼夜温差大、空气潮湿、气压不稳定等，这些环境因素可能导致武器装备寿命缩短，甚至引发安全事故［1，2］，所以，对这些环境参数进行实时监测具有重要的意义。然而，军用机场的后方仓库具有点多面广、较分散、交通不便和人员少等特点，给环境监测带来了巨大的困难［3］。

目前，空军部队主要通过人工方式测量并记录后方仓库的环境参数，这不仅耗费大量人力物力，且历史数据往往不能被很好地保存和利用［3］。鉴于此，某些空军部队采用了基于RS—485 总线的环境监测系统［4］，可实现对环境参数的自动测量和实时监控，并具有报警功能，但这种监测系统对于分布较散的军用机场仓库来说布线困难、成本高。近些年来，一种基于无线传感器网络(wireless sensor networks，WSNs)的自组网温湿度监控系统被某些空军部队采用［5］，克服了有线通信布线困难的缺点。但是该系统仅依靠“多级跳”的短距离无线通信方式，如需长距离组网，则需布局大量路由节点，不适合应用在深山仓库的环境监测上。

目前，大部分军用机场的后方仓库都已经组建了视频监控局域网［6］，如果环境监测系统可以利用现有的局域网，将节省大量的组网资金。与“多级跳”和ZigBee、蓝牙等其他几种无线通信方式相比，WiFi 传输速率更高、使用维护更方便，近几年在环境监测系统中得到了广泛应用［7～9］。同时，WiFi 采用的IEEE 802.11b 无线网络规范是IEEE 802.11 网络规范的变种，非常方便与现有的视频监控局域网整合。本文设计了基于WSNs 的军用机场仓库环境监测系统，经测试满足设计要求。

1 系统总体设计

本文设计的监测系统在结构上主要包括传感器节点、监测中心和用户终端三部分，如图1 所示。传感器节点负责获取机场仓库的环境参数，通常会集中在弹药库、军械库和油料库等重点安全区域，它们在系统中处于被动的等待连接状态，作为TCP Server 端。每个传感器节点始终实时地采集数据，但并不会马上将数据上传，而是暂存在存储卡中。监测中心的服务器作为TCP Client 端，会周期性地主动连接传感器节点并请求上传数据，这时传感器节点将最新的数据通过WiFi 上传至服务器。监测中心接收到数据后，对数据进行分析、处理、存储和显示。为了便于不同专业的工作人员可以非常方便地监测自己专业所处的环境情况，监测软件采用了一种B/S(Browser/Server)结构，以Web应用程序的方式提供给用户端。各专业分队人员只需将安装了浏览器的设备接入到监测局域网，就可以实时监视指定地点的环境情况。

图1 系统总体结构Fig 1 System overall structure

2 传感器节点硬件设计

传感器节点在组成上包括供电模块、处理器模块、SD卡存储模块、无线通信模块、传感器和信号调理模块，其组成框图如图2 所示。

2.1 供电模块

由于环境参数的监测位置分散，采用有线电源供给会造成大量浪费，所以，本文设计采用了5 V，18 000 mAh 的超大容量锂电池进行供电。传感器和信号调理模块可直接采用5 V 供电，而STM32 需2 ～3.6 V 供电，WiFi 模块需3.3 V供电。因此，本文设计采用了直流稳压芯片SPX1117，将5 V电压转换为稳定的3.3 V。

图2 传感器节点硬件框图Fig 2 Hardware block diagram of sensor node

2.2 无线通信模块

HLK—WiFi—M03 是海凌科电子推出的全新的第三代嵌入式Uart—WiFi 模块产品，它是基于Uart 接口的复合WiFi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE 802.11 协议栈和TCP/IP 协议栈，能够实现串口数据到无线网络之间的转换。HLK—WiFi—M03 模块提供双列直插8 针引脚，和STM32 的具体连线电路如图3 所示。

2.3 处理器模块

处理器采用STM32F103 增强型系单片机，它们使用高性能的ARM Cortex－M3 32 位的RISC 内核，具有功能齐全、成本低廉和功耗超低等特性，且拥有极高运算能力和中断响应能力。考虑到节约成本，选用了36 管脚封装的微控制器STM32F103TB，主要接口电路如图3 所示，图中省略了STM32 的最小系统设计。

2.4 存储模块

存储模块采用通用的SD 卡，与STM32F103TB 之间使用SPI 总线进行通信。其电路设计如图3 所示，PA4 作为SD 卡的选通信号。

图3 存储模块和WiFi 模块电路Fig 3 Saving module and WiFi module circuit

2.5 传感器和信号调理模块

本文仅给出温度传感器模块的设计，其他传感器模块类似。该设计采用的温度传感器为LM35DZ，它可用于测量0 ～100 ℃的温度，线性变化系数为+10 mV/℃，线性模拟信号输出，可用于弹药库等室内温度的监控。

由于LM35DZ 输出的范围为0 ～1 V，而STM32 的AD采用3.3 V 的参考电压，直接连接到STM32 的AD 通道会造成较大的误差，输出端需加入放大电路如图4 所示，对信号进行调理后送入AD 通道，测量精度会更高，放大倍数可通过调节图中的RW1 来调节。

3 系统软件设计

3.1 传感器节点软件设计

图4 信号调理电路Fig 4 Signal modulating circuit

传感器节点在服务器请求访问数据之前的软件设计流程如图5 所示。首先，软件需要进行一系列的初始化，包括STM32 的时钟配置和中断配置，SPI，AD 和DMA 等外设配置，以及SD 卡初始化等。为了降低功耗，设计采用了DMA通道，A/D 转换后的数据直接通过DMA 通道传输到SPI 的发送数据寄存器中，进而保存在SD 卡中，CPU 可处于睡眠模式。完成所有配置后启动外设开始采集数据，并通过控制WiFi 模块发起联网操作，联网成功后建立监听socket。CPU 完成所有的准备工作后，进入睡眠状态，外设继续运行。

图5 传感器节点软件流程Fig 5 Sensor node software process

当服务器发起数据访问请求时，串口会发生数据接收中断，唤醒CPU，此后的软件流程设计如图6 所示。传感器节点接收到完整的数据访问请求指令后，先暂停AD 和DMA 等外设，避免造成SD 卡读写冲突，每次从SD 卡中取出最新的5 000 个数据，并通过WiFi 模块发往服务器。当所有数据发送完毕后，断开socket 连接，重新启动AD 和DMA 等外设，CPU 再次进入睡眠模式。

3.2 监测中心软件设计

监测中心作为后台服务器，实现系统功能的核心部分，访问传感器节点获取的环境数据，并对数据进行分析、处理、存储和显示。为了简化监测软件的开发、维护和使用，软 件 采 用 B/S 结 构［10］，基 于.NET Framework 和 NI Measurement Studio 设计，在Visual Studio 环境中编写［11］。监测服务器定时向传感器节点发起数据访问请求，并对数据进行处理、显示和存储，其逻辑流程如图7 所示。对数据的处理和实现可以借助于NI Measurement Studio 提供的.NET控件，数据存储使用SQL Server 数据库，对数据库的访问使用ADO.NET 技术。

图6 传感器节点软件流程图Fig 6 Sensor node software process

图7 监测软件流程图Fig 7 Monitoring software process

监测系统用户终端界面如图8 所示，用户不需要特定的设备，只要设备能够接入监测局域网，就可以通过浏览器实时地监视指定位置的环境参数，并且对系统进行管理。监视界面简单友好，且具有报警功能。

图8 用户终端Fig 8 User terminal

4 系统测试

为了测试系统的可用性和可靠性，在弹药库放置了3 个温度传感器节点、3 个湿度传感器节点和3 个气压传感器节点，以及用于人工测量的高精度温度计、湿度计和气压计。每隔2 h 从监测软件中读取一个样本均值(3 个传感器节点的平均值)，并与人工测量的数据进行比较，实验时间为00:00 ～18:00，记录结果如表1 所示。

表1 监测样本值Tab 1 Monitoring sample values

系统测量值和人工测量值之间的误差图如图9 所示。误差均在1.5%以内，表明终端的数据显示能够真实地反映弹药库的环境状况。实验还对丢包率进行了测试，结果显示:传感器节点的平均丢包率仅为0.02%，表明监测服务器和传感器节点能够稳定通信。

图9 监测误差图Fig 9 Monitoring error chart

5 结束语

本文将WiFiWSNs应用在军用机场仓库的环境监测系统中，与现有的视频监控局域网融合，解决了后方仓库点多、面广、较分散等特点给监测系统带来的组网难、成本高等问题。监测软件采用B/S 结构，工作人员只需将设备接入监测局域网，就可以通过浏览器不限地点、不限时间、不限平台地对机场环境参数进行监视，有效地保证了武器装备的正常存储。

［1］ 杨延海.仓储弹药安全要素研究［J］.四川兵工学报，2011，32(6):47－51.

［2］ 高玉龙，易建政，王海丹.弹药储存环境对弹药质量的影响［J］.装备环境工程，2010，7(5):77－106.

［3］ 魏 超.军队后方仓库温湿度监控系统的研制［D］.成都:西南交通大学，2013.

［4］ 娄朴银，石 琼，张 静.部队库房温湿度监控系统的设计与实现［J］.微计算机信息，2011，27(8):66－67.

［5］ 徐 坚，张晓蒙，刘克胜，等.军用自组网温湿度监控系统设计［C］∥国际RFID 技术高峰论坛会，北京，2008:36－37.

［6］ 吴德平.军队后方仓库安全管理系统的研究与实现［D］.成都:电子科技大学，2010.

［7］ 周皓东，黄 燕，刘 炜.基于WiFi 无线传感网络的水质监测系统设计［J］.传感器与微系统，2015，34(5):99－105.

［8］ 李 山，杨 波.基于WiFi 的环境监测系统设计［J］.软件，2011，32(1):42－45.

［9］ 郑来波，刘 旭，郑方方，等.基于WiFi 的分布环境监测系统:中国，CN2012049143.5［P］.2013—11—01.

［10］韩雨佟.基于B/S 物联网环境监测系统My SQL 数据库的设计与实现［D］.天津:天津大学，2014.

［11］Nagel Christian，Evjen Bill，Glynn Jay.C#高级编程［M］.7 版.北京:清华大学出版社，2010:391－476.