基于WSNs 的軍用機場倉庫環境監測系統設計

唐希浪，肖明清，宋海方，姚 鵬

(空軍工程大學 航空航天工程學院，陜西 西安710038)

0 引 言

軍用機場的后方倉庫擔負著武器、彈藥和裝備等各類軍品的保管任務，通常十分隱蔽，主要以洞庫、半地面庫和地面庫等形式存在。倉庫大多地處深山，環境比較惡劣，如晝夜溫差大、空氣潮濕、氣壓不穩定等，這些環境因素可能導致武器裝備壽命縮短，甚至引發安全事故［1，2］，所以，對這些環境參數進行實時監測具有重要的意義。然而，軍用機場的后方倉庫具有點多面廣、較分散、交通不便和人員少等特點，給環境監測帶來了巨大的困難［3］。

目前，空軍部隊主要通過人工方式測量并記錄后方倉庫的環境參數，這不僅耗費大量人力物力，且歷史數據往往不能被很好地保存和利用［3］。鑒于此，某些空軍部隊采用了基于RS—485 總線的環境監測系統［4］，可實現對環境參數的自動測量和實時監控，并具有報警功能，但這種監測系統對于分布較散的軍用機場倉庫來說布線困難、成本高。近些年來，一種基于無線傳感器網絡(wireless sensor networks，WSNs)的自組網溫濕度監控系統被某些空軍部隊采用［5］，克服了有線通信布線困難的缺點。但是該系統僅依靠“多級跳”的短距離無線通信方式，如需長距離組網，則需布局大量路由節點，不適合應用在深山倉庫的環境監測上。

目前，大部分軍用機場的后方倉庫都已經組建了視頻監控局域網［6］，如果環境監測系統可以利用現有的局域網，將節省大量的組網資金。與“多級跳”和ZigBee、藍牙等其他幾種無線通信方式相比，WiFi 傳輸速率更高、使用維護更方便，近幾年在環境監測系統中得到了廣泛應用［7～9］。同時，WiFi 采用的IEEE 802.11b 無線網絡規范是IEEE 802.11 網絡規范的變種，非常方便與現有的視頻監控局域網整合。本文設計了基于WSNs 的軍用機場倉庫環境監測系統，經測試滿足設計要求。

1 系統總體設計

本文設計的監測系統在結構上主要包括傳感器節點、監測中心和用戶終端三部分，如圖1 所示。傳感器節點負責獲取機場倉庫的環境參數，通常會集中在彈藥庫、軍械庫和油料庫等重點安全區域，它們在系統中處于被動的等待連接狀態，作為TCP Server 端。每個傳感器節點始終實時地采集數據，但并不會馬上將數據上傳，而是暫存在存儲卡中。監測中心的服務器作為TCP Client 端，會周期性地主動連接傳感器節點并請求上傳數據，這時傳感器節點將最新的數據通過WiFi 上傳至服務器。監測中心接收到數據后，對數據進行分析、處理、存儲和顯示。為了便于不同專業的工作人員可以非常方便地監測自己專業所處的環境情況，監測軟件采用了一種B/S(Browser/Server)結構，以Web應用程序的方式提供給用戶端。各專業分隊人員只需將安裝了瀏覽器的設備接入到監測局域網，就可以實時監視指定地點的環境情況。

圖1 系統總體結構Fig 1 System overall structure

2 傳感器節點硬件設計

傳感器節點在組成上包括供電模塊、處理器模塊、SD卡存儲模塊、無線通信模塊、傳感器和信號調理模塊，其組成框圖如圖2 所示。

2.1 供電模塊

由于環境參數的監測位置分散，采用有線電源供給會造成大量浪費，所以，本文設計采用了5 V，18 000 mAh 的超大容量鋰電池進行供電。傳感器和信號調理模塊可直接采用5 V 供電，而STM32 需2 ～3.6 V 供電，WiFi 模塊需3.3 V供電。因此，本文設計采用了直流穩壓芯片SPX1117，將5 V電壓轉換為穩定的3.3 V。

圖2 傳感器節點硬件框圖Fig 2 Hardware block diagram of sensor node

2.2 無線通信模塊

HLK—WiFi—M03 是海凌科電子推出的全新的第三代嵌入式Uart—WiFi 模塊產品，它是基于Uart 接口的復合WiFi無線網絡標準的嵌入式模塊，內置無線網絡協議IEEE 802.11 協議棧和TCP/IP 協議棧，能夠實現串口數據到無線網絡之間的轉換。HLK—WiFi—M03 模塊提供雙列直插8 針引腳，和STM32 的具體連線電路如圖3 所示。

2.3 處理器模塊

處理器采用STM32F103 增強型系單片機，它們使用高性能的ARM Cortex－M3 32 位的RISC 內核，具有功能齊全、成本低廉和功耗超低等特性，且擁有極高運算能力和中斷響應能力。考慮到節約成本，選用了36 管腳封裝的微控制器STM32F103TB，主要接口電路如圖3 所示，圖中省略了STM32 的最小系統設計。

2.4 存儲模塊

存儲模塊采用通用的SD 卡，與STM32F103TB 之間使用SPI 總線進行通信。其電路設計如圖3 所示，PA4 作為SD 卡的選通信號。

圖3 存儲模塊和WiFi 模塊電路Fig 3 Saving module and WiFi module circuit

2.5 傳感器和信號調理模塊

本文僅給出溫度傳感器模塊的設計，其他傳感器模塊類似。該設計采用的溫度傳感器為LM35DZ，它可用于測量0 ～100 ℃的溫度，線性變化系數為+10 mV/℃，線性模擬信號輸出，可用于彈藥庫等室內溫度的監控。

由于LM35DZ 輸出的范圍為0 ～1 V，而STM32 的AD采用3.3 V 的參考電壓，直接連接到STM32 的AD 通道會造成較大的誤差，輸出端需加入放大電路如圖4 所示，對信號進行調理后送入AD 通道，測量精度會更高，放大倍數可通過調節圖中的RW1 來調節。

3 系統軟件設計

3.1 傳感器節點軟件設計

圖4 信號調理電路Fig 4 Signal modulating circuit

傳感器節點在服務器請求訪問數據之前的軟件設計流程如圖5 所示。首先，軟件需要進行一系列的初始化，包括STM32 的時鐘配置和中斷配置，SPI，AD 和DMA 等外設配置，以及SD 卡初始化等。為了降低功耗，設計采用了DMA通道，A/D 轉換后的數據直接通過DMA 通道傳輸到SPI 的發送數據寄存器中，進而保存在SD 卡中，CPU 可處于睡眠模式。完成所有配置后啟動外設開始采集數據，并通過控制WiFi 模塊發起聯網操作，聯網成功后建立監聽socket。CPU 完成所有的準備工作后，進入睡眠狀態，外設繼續運行。

圖5 傳感器節點軟件流程Fig 5 Sensor node software process

當服務器發起數據訪問請求時，串口會發生數據接收中斷，喚醒CPU，此后的軟件流程設計如圖6 所示。傳感器節點接收到完整的數據訪問請求指令后，先暫停AD 和DMA 等外設，避免造成SD 卡讀寫沖突，每次從SD 卡中取出最新的5 000 個數據，并通過WiFi 模塊發往服務器。當所有數據發送完畢后，斷開socket 連接，重新啟動AD 和DMA 等外設，CPU 再次進入睡眠模式。

3.2 監測中心軟件設計

監測中心作為后臺服務器，實現系統功能的核心部分，訪問傳感器節點獲取的環境數據，并對數據進行分析、處理、存儲和顯示。為了簡化監測軟件的開發、維護和使用，軟 件 采 用 B/S 結 構［10］，基 于.NET Framework 和 NI Measurement Studio 設計，在Visual Studio 環境中編寫［11］。監測服務器定時向傳感器節點發起數據訪問請求，并對數據進行處理、顯示和存儲，其邏輯流程如圖7 所示。對數據的處理和實現可以借助于NI Measurement Studio 提供的.NET控件，數據存儲使用SQL Server 數據庫，對數據庫的訪問使用ADO.NET 技術。

圖6 傳感器節點軟件流程圖Fig 6 Sensor node software process

圖7 監測軟件流程圖Fig 7 Monitoring software process

監測系統用戶終端界面如圖8 所示，用戶不需要特定的設備，只要設備能夠接入監測局域網，就可以通過瀏覽器實時地監視指定位置的環境參數，并且對系統進行管理。監視界面簡單友好，且具有報警功能。

圖8 用戶終端Fig 8 User terminal

4 系統測試

為了測試系統的可用性和可靠性，在彈藥庫放置了3 個溫度傳感器節點、3 個濕度傳感器節點和3 個氣壓傳感器節點，以及用于人工測量的高精度溫度計、濕度計和氣壓計。每隔2 h 從監測軟件中讀取一個樣本均值(3 個傳感器節點的平均值)，并與人工測量的數據進行比較，實驗時間為00:00 ～18:00，記錄結果如表1 所示。

表1 監測樣本值Tab 1 Monitoring sample values

系統測量值和人工測量值之間的誤差圖如圖9 所示。誤差均在1.5%以內，表明終端的數據顯示能夠真實地反映彈藥庫的環境狀況。實驗還對丟包率進行了測試，結果顯示:傳感器節點的平均丟包率僅為0.02%，表明監測服務器和傳感器節點能夠穩定通信。

圖9 監測誤差圖Fig 9 Monitoring error chart

5 結束語

本文將WiFiWSNs應用在軍用機場倉庫的環境監測系統中，與現有的視頻監控局域網融合，解決了后方倉庫點多、面廣、較分散等特點給監測系統帶來的組網難、成本高等問題。監測軟件采用B/S 結構，工作人員只需將設備接入監測局域網，就可以通過瀏覽器不限地點、不限時間、不限平臺地對機場環境參數進行監視，有效地保證了武器裝備的正常存儲。

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