危险品仓库的复合无线传感器节点设计

　　摘要：通过对易燃、易爆危险品仓库存储特点的分析，结合WSN技术设计出适合危险品仓库应用的复合无线传感器节点，可对易燃、易爆危险品状态信息进行实时监控，从而确保危险品的安全存储和运输，减少危险品安全事故的发生，保障人民生命财产安全。
　　引言
　　随着石油、化工和能源工业的发展，作为原材料、能源和消费品使用的易燃、易爆危险品的流通量和存储量越来越大。它的安全不仅关系到人民生命安全，更牵涉社会的安定。据统计，在易燃、易爆危险品事故中存储和运输环节造成的事故最多。易燃、易爆危险品存储、运输有很多安全条件，一旦安全条件超出阈值就极易产生事故。目前，仅靠人工方式监控，存在监控准确度低、监控难度大等问题。例如，对于气体泄漏、温度超标等安全信息监控，最初很难被捕捉到。其次随着监测时间的推移人的警惕性很容易下降，从而影响危险品的安全存储。易燃、易爆危险品存储的安全条件包括：环境温湿度、室内光照强度、室内气体含量、货架稳定性等。本文设计出针对以上安全信息进行监控的复合型无线传感器，可有效判断易燃、易爆危险品仓库的安全条件是否达标。在安全条件接近危险阈值时，可以及时预警并根据超限危险因素特点得出最佳解决方案。
　　1 复合传感器节点的硬件设计
　　1.1 复合传感器节点的结构
　　复合传感器节点由传感单元、微处理器单元、存储单元、无线收发单元和电源单元等组成，如图1所示。

　　传感单元用来获取仓库指定位置的多种不安全信息;微处理器负责控制和协调整个复合传感器节点的工作;存储单元用来存储自身采集的数据以及从其他节点接收到的数据;无线收发器负责与其他复合传感器节点进行通信，包括交换控制信息和收发采集数据。
　　1.2 传感单元设计
　　本课题的传感单元集光照强度传感器、温湿度传感器、气体传感器、加速度传感器于一体，综合监测易燃易爆危险品仓库的安全条律。由于不同易燃、易爆危险品对室内气体含量要求不同，本课题以C02传感器为例测试室内气体含量。
　　1.2.1 光照强度传感器
　　本课题选用Toshiba公司的TPS851光照强度传感器，该传感器利用PN结的反向特征。在反向偏转时，PN结产生一个受光控制的电流信号。该输出量与触发照明成正比，而不受供应电源的影响。TPS851输出的模拟量接到微处理器的A/D通道。TPS851和微处理器的连接电路如图2所示。

　　1.2.2 温湿度传感器
　　本课题选用瑞士Sensirion生产的SHT75温湿度传感器，这是一款数字式传感器，具有体积小、功耗低的特点。该传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。该芯片通过两线制的串行接口与微处理器通信。SHT75芯片和微处理器的连接电路如图3所示。

　　1.2.3 CO2传感器
　　本课题选用Telaire公司的6004型CO2传感器，该传感器具有以下特点：功耗低、寿命长、测量范围广、精度高、响应时间快、数字量输出。输出的数字量通过TXD、RXD接口连接到微处理器的MOSI、MISO接口。6004和微处理器的连接电路如图4所示。

　　将以上单元电路组合，即完成了复合传感器的硬件设计。更多的传感器可以根据类似的方法进行添加，本文不再阐述。
　　1.3 微处理器及无线收发单元设计
　　本课题选用TI公司的CC2430芯片来控制整个复合传感器节点的工作和数据传输。CC2430芯片保持了CC2420所包括的卓越射频性能，包括超低功耗、高灵敏度、出众的抗噪声及抗干扰能力。它所包含的MCU为增强型单周期8051微控制核，另外还包括了许多强大的外设资源，如DMA、定时器/计数器、8～14位ADC、USART、21个可编程I/O引脚等。它的时钟源可以选取外部晶振或内部RC振荡器。本课题采用两个外部晶振，工作时钟选用7.372 8 MHz晶振;实时时钟选用32.768 kHz晶振。
　　CC2430无线收发模块核心部分是CC2420射频收发器，该射频收发器符合2.4 GHz IEEE 802.15.4标准，拥有104 dB链路预算，-101 dB的接收灵敏度和3 dB的传输功率，片内发送数据和接收数据的缓冲为128字节，正好满足IEEE 802.15.4协议规定的最大帧长度127字节的要求，发送时需要加2字节的CRC16校验码。

　　微处理器及无线收发单元硬件原理图如图5所示。本课题对于模拟部分设计，为了降低其他部分的干扰，提高RF性能，需要采取抗干扰措施。例如，模拟电源输入端增加磁珠或电感;滤波用的电容要尽量靠近芯片。
　　另外，要注意阻抗匹配，CC2420射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入/输出阻抗，使其输入输出阻抗为50 Ω，同时为芯片内部的PA及LNA提供直流偏置。
　　1.4 电源单元设计