危险品仓库的复合无线传感器节点设计

　　电路采用电池供电方式，电源电路如图6所示。其中的低压差线性调压器(LDO)选用LM1117芯片，该芯片可提供4个固定电压输出(1.8 V、2.5 V、2.85 V、3.3 V)，具有电流限制和热保护功能。电池提供的5～9 V电压经过LDO降压后电压稳定输出3.3 V供应给整个系统使用，D1用来指示电源供电情况。
　　2 复合传感器节点软件设计
　　2.1 复合传感器节点操作系统的选择
　　本课题选用TinyOS操作系统，其程序采用模块化设计，所以它的程序核心往往都很小(一般来说核心代码和数据大概在400字节左右)，能够突破传感器存储资源少的限制，这能够让TinyOS很有效地运行在无线传感器网络上并去执行相应的管理工作等。TinyOS本身提供了一系列的组件，可以很方便地编制程序，用来获取和处理传感器的数据并通过无线网络来传输信息。

　　2.2 复合传感器驱动程序设计
　　复合传感器驱动程序由3部分组成：传感器接口定义文件、传感器接口配置文件、传感器接口实现文件，如表1所列。

　　传感器接口定义文件声明了传感器与外界的接口。提供的命令函数和事件函数包括read()命令函数和readDone()事件函数，如表1中所述。其中命令函数由接口提供者实现，事件函数由调用接口者实现。传感器接口配置文件定义了要实现SHT接口需要哪些组件。传感器接口实现文件具体实现SHT接口和传感器驱动。
　　2.3 复合传感器节点数据通信设计
　　复合传感器节点数据通信协议为分发式、收集式。其中分发式用来传递指令和参数给所有传感器节点;收集式用来收集所有传感器节点采集到的数据。因此定义了如图7所示的结构体来存储需要分发的指令和收集的数据。这些数据只能通过相应的接口才能获取，从而保证了数据的安全性。

　　2.3.1 分发式
　　汇聚节点将新定义好的控制指令和参数装入数据包后，分发组件调用Send接口将该包发送至各个节点。节点收到包后，会做出相应的调整并反馈当前状态信息给应用程序。分发式网络协议工作原理如图8所示。

　　分发式协议中用到的组件包括：DisseminationC(分发协议的控制部分)、DisseminatorC(分发协议进行数据分发和接收的部分)、BcastSenderC(向网络中广播数据)。分发式协议中用到的接口包括：StdControl(对分发协议进行控制)、DisseminationUpdate(将上层传来的命令进行分发)、Send(广播)。
　　2.3.2 收集式
　　汇聚节点需要收集各节点采集到的数据时调用收集式协议，应用程序通过AMSend接口将收集消息传给AMRadio组件，当AM Radio组件经Receive接口收到数据包后由Packet接口打开并取出相关值由应用程序处理。收集式网络协议工作原理如图9所示。

　　收集式协议中用到的组件包括：CollectionC(CTP协议)、PoolC(数据缓冲池)、QueueC(数据缓冲队列)，收集式协议中用到的接口包括：Packet(对Packet进行操作)、Receive(接收数据)、AMSend(发送数据)。
　　2.4 复合传感器节点工作流程
　　第一个启动的节点为汇聚节点，该节点负责建立网络，其他分节点申请加入网络，加入网络成功后，分节点就会将自身采集数据传送到汇聚节点。汇聚节点也可发送指令到各个分节点来完成数据重传、获取节点状态、更改采集周期等任务。系统的工作流程如图10所示。

　　3 复合传感器节点测试
　　3.1 复合传感器节点功耗测试
　　复合传感器节点采用TinyOS2操作系统，具有电源管理能力。在关闭电源管理的情况下，传感器功耗平均每秒11.92 mA;在开启电源管理的情况下，传感器功耗每秒1.04 mA，功耗相差10倍，可见系统在开启电源管理的情况下使用时间可延长近10倍。
　　3.2 复合传感器节点网络性能测试
　　3.2.1 节点通信距离测试
　　节点通信距离测试情况如表2所列。

　　3.2.2 节点组网测试
　　测试汇聚节点能否正常的启动网络，各分节点能否正常加入网络，并将自己的网络ID传送至汇聚节点。测试选用一个汇聚节点，10个分节点。
　　测试结果：分节点平均接入时间1 s，最长接入时间2 s，节点组网正常。
　　3.2.3 节点数据传输测试
　　测试汇聚节点和各分节点间的数据通信，包括汇聚节点向各分节点发送各种控制命令，以及汇聚各分节点采集数据。
　　测试结果：汇聚节点和各分节点问的数据通信正常。
　　3.3 复合传感器节点现场测试
　　本试验中使用了5个采集节点和1个汇聚节点，每个采集节点上安装有4个传感器，分别是温湿度传感器、光敏传感器和CO2传感器。节点布设于面积为100 m2左右的仓库内，节点成多边形布设，节点间距离为25 m左右。
　　测试结果如表3所列。复合传感器节点可在无人值守的情况下实时、准确地获取易燃、易爆危险品仓库中的安全信息，测量值精确度在0.3%和5%之间，能够满足易燃、易爆危险品各项安全信息的监控要求。