实验室安全监测无线传感器网络应用设计

于 标, 缪德俊, 许 郡

(扬州职业大学, 江苏 扬州 225009)

无线传感器网络(WSN)是一种分布式网络,传感器节点布置方便,广泛应用于工农业生产、医疗卫生、科技军事等许多领域。[1]长期以来,实验室安全问题一直是人们关注的重要问题。实验室安全保障除实验人员按操作规范工作外,另一个方面就是实验室环境参数的科学检测与及时报告。无线传感器网络组网灵活,覆盖度高,成本低,将WSN技术用于实验室环境监测,可提高实验室安全管理的信息化程度与实时性,具有现实意义与实用价值。干线式层次型网络扩展性好,路由明确。其网络拓扑为信息传输层与数据采集层两层，[2]适合于实验室安全监测网络使用。实验室安全环境检测涉及多个方面,普通实验室一般会考虑到用电管理、空气质量检测、温湿度检测、防火报警、防淹水报警等安全问题。本文从普通实验室情况出发,设计了干线式层次型网络路由协议,并对簇首节点进行了分析设计。

1 干线式层次型网络

实验室的地理位置分布往往并不规律,一般情况下,各实验室在同一幢楼内是常见的一种布置。这种布置从几何关系来讲,是一维队列关系。当被测对象在地理上以队列形式分布时,干线式层次型网络是自然的选择。当相邻被测对象相距较远时,可在二者之间增加中继节点传输数据,使数据传输层信号保持联通。

1.1 干线式层次型网络拓扑

图1是干线式层次型网络拓扑图,是一棵没有分支的有向树。[3]干线式层次型网络继承了树型结构存储信息的分布性与信息搜索的顺序性特点。[4]簇首与成员是星型结构,簇首与成员的能量由直流稳压电源供给或人工更换电池,不存在能量均衡使用问题。簇首之间组成一条单向有向通路,实现远距离多跳数据传输。成员节点采集环境参数,与簇首组成下层网络。簇内节点采用码分制识别,成员与簇首的无线频道地址互为收发配置地址,由簇首负责簇内数据的传输。设有32个簇首组成上层网络,可对32个实验室进行数据检测。预留3个中继节点适应不同传输距离的需要。干线式层次型无线传感器网络以事件驱动方式工作，[5]簇首可自主上传数据,也可被动上传数据。管理人员通过数据终端查询上传的实验室检测数据,也可由数据终端节点上传数据至上位计算机查询。

1.2 干线式层次型网络路由

路由决定了数据传输的路径,是无线传感器网络关键技术之一,涉及到网络能量消耗、信息传输延迟等问题。[6]无线传感器网络的数据是多跳传输方式,干线式层次型网络数据的上行与下行路径相同,路由计算简明,数据传输速度快。定义干线式层次型网络路由协议为:上行数据,高编号簇首向低编号簇首发送数据,对频道接收地址递减实现。下行数据,低编号簇首向高编号簇首发送数据,对频道接收地址递增实现。无线芯片nRF24L01自身具有地址ID识别功能,各传感器节点共有同一个频道,用码分制识别个体是合理的选择,消除了无线数据传输频道竞争问题。

1.2.1 中继节点频道地址安排

中继节点发送频道,按1号中继节点、2号中继节点、3号中继节点的顺序依次为{9F,01,AA,AA,AA}、{9F,02,AA,AA,AA}、{9F,03,AA,AA,AA}。

中继节点接收频道,按1号中继节点、2号中继节点、3号中继节点的顺序依次为{9F,00,AA,AA,AA}、{9F,01,AA,AA,AA}、{9F,02,AA,AA,AA}。

1.2.2 数据终端节点频道地址安排

数据终端节点发送频道{9F,04,AA,AA,AA},数据终端节点接收频道{9F,03,AA,AA,AA}。

1.2.3 簇首频道地址安排

簇首接收频道{ZZ,01,AA,AA,AA},其中ZZ为本机跳线确定的数据。簇首发送频道{WW,01,AA,AA,AA},WW=ZZ-1。仅当ZZ>1时,计算WW的值。当ZZ=0时,该簇首发送频道为{9F,00,AA,AA,AA},即第一级中继节点。

1.2.4 成员频道地址安排

成员接收频道{ZZ,02,AA,AA,AA},成员发送频道{ZZ,01,AA,AA,AA},其中ZZ为本机跳线确定的数据。成员发送频道就是成员所在实验室簇首的接收频道,成员的识别,由簇首发给成员的数据帧中第二字节数据确定。

1.3 干线式层次型网络路由算法

定义数据帧格式为16字节长,第一字节为命令字节,F1为上行命令,F2为下行命令。上行命令是将实验室的检测数据传送至数据终端,下行命令要求上传某实验室的检测数据,由数据终端发出。

1.3.1 数据上传算法

①第i个簇首发F1命令数据帧,i∈(0,1,2…,31)；

②第i-1个簇首转发F1命令数据帧,i∈(0,1,2…,31)；

③if(i-1=0)then(转发1号中继,转④)else(转②)；

④if(命令字节=F1)then(转发2号中继,转⑤)else(不响应)；

⑤if(命令字节=F1)then(转发3号中继,转⑥)else(不响应)；

⑥if(命令字节=F1)then(转发数据终端)else(不响应)。

1.3.2 数据下传算法

①数据终端向3号中继节点发(F2+簇首号)数据帧；

②if(命令字节=F2)then(转发2号中继,转③)else(不响应)；

③if(命令字节=F2)then(转发1号中继,转④)else(不响应)；

④if((命令字节=F2)&(i=簇首号))then(本簇接收)else(转⑤)；

⑤if((命令字节=F2)&(i≠簇首号))then(转发数据帧,转④)else(不响应)。

2 传感器节点电路设计

图1为环境参数检测与传送无线传感器网络,可作为实验室安全监测网络使用,本文对该网络的功能与实现进行讨论。簇首节点的功能有数据传输、实验人员工号维护与使用、实验室电源使用管理、实验时长控制管理。成员节点的功能是检测实验室环境参数,可以根据实验室的需要选取。

2.1 簇首节点电路设计

簇首节点是一个实时多任务应用电路,考虑到无线数据收发与实验时长计时的实时性要求,防止多任务冲突产生,选择双CPU的控制单元架构。设计有三个硬件单元:用电管理、数据传输与人机通道。用电管理单元对实验通电权限授权,实验结束断电监测保护。数据传输单元选用nRF24L01收发一体无线芯片通信模块实现。人机通道单元选用ZLG600A-T2射频读写模块、廉价的按键和LED数码管电路组成,输入与显示实验人员身份信息及相关提示信息。簇首电路的设计在实现电路功能的基础上,应考虑使用的便捷性与可靠性,其次是性价比的高低。图2为簇首节点电路图,选用STC15F2K60S2单片机。该型单片机具有双串口、60KB的flash程序存储器、1KB的EEPROM和2KB的外部SRAM,无需用户扩展外部存储器。该单片机设计了双数据指针寄存器DPTR与DPTR1,可方便处理表格数据,为簇首软硬件功能扩展留下一定空间。

2.2 簇首人机通道程序设计

簇首除担负用电管理的功能外,还负责本室内成员节点数据上传。为实现用电管理功能,人机通道应用程序是必须完成的任务。程序功能好坏影响操作者使用的便捷性与正确性。图3是人机通道程序流程图。

2.2.1 按键程序设计

实验教师工号输入,密码输入及信息确认,均需按键操作完成。图4为按键处理程序流程图。

定义K1-K3分别为修改/移位、加1、确认功能,实现对任一数据位的修改。在修改状态下,K1作为移位功能键使用。移位操作与加1操作都与被选的数据位相关,每一位数码管显示的数据均存放在其对应的显示缓冲区单元中,只要记下当前被选数据位,就能确定待修改数据位,也就是闪烁显示位。按键操作的灵敏性取决于按键扫描周期的长短。在按键处理的多任务应用程序中,各任务执行一遍的周期长短影响按键操作的灵敏性。理论与实践均表明,各任务执行时间越短按键操作越灵敏。

2.2.2 RFID射频卡读卡程序设计

在已具有某种应用功能的电子产品上进行二次开发,是一种高效可靠的电子产品研发方法,本设计选用ZLG600A-T2型射频读卡模块,定义为从机,根据ZLG600A-T2 的接口协议与主机进行电气连接。通信的开始由ZLG600A-T2自动侦测主机波特率,与主机通信成功则发06H,主机配置模块为自动读卡模式。

2.2.3 显示程序设计

显示程序通用性要好,定义显示缓冲区为24H～2AH。有显示要求的任务程序,只需计算出待显示数据在字形码表中的偏移量,并存放在相应显示缓冲单元即可。图5是7位LED闪烁显示程序流程图,闪烁位为可修改数据位。DISP为7位显示程序,DISP-1为6位显示程序。DISP-2通过调用DISP和DISP-1不同的次数获得不同的闪烁效果,以实际调试情况确定。

3 结语

干线式层次型网络适合实验室环境参数检测与传输的要求,具有组网灵活和扩展性[7]等优点。实验室安全监测无线传感器网络是提高实验室信息化管理的重要手段,它完成了对实验室的安全状况进行实时监测与报警。干线式层次型网络可以作为一种基础网络,可在此基础上组成大型实验室安全监测系统。干线式层次型网络设计合理,便于工程实施,具有实用价值。