FFD模式下一種基于WSNs的實驗室安全防護系統設計

陳雪芳

（閩西職業技術學院，福建 龍巖 364021）

0 引言

實驗室是新技術和新科研成果的主要輸出基地，無論是科研機構還是高等院校，實驗室的教學與研究在科技創新過程中都發揮著核心作用。尤其是在高等院校教育教學與人才培養中，實驗教學所占課時比例和受重視程度逐年提高，高校實驗室的總數量和總投入也在逐年攀升。實驗室的空間有限，但內部構造極為復雜，包括復雜的電路系統、機械運動系統、還儲存了大量有毒有害甚至有輻射性化工實驗原料，因此實驗室的監控管理和安全防護是一項十分艱巨的任務。為解決多個實驗室運行數據實時監控與安全管理問題，本文在FFD（完整功能設備）傳感器模式下，設計了一種實驗室安全防護與監控管理系統研究，利用WSNs（無線傳感網絡）在實驗室空間內布置多種類型、多種用途的傳感器，實時采集實驗室的各項安全數據，監控數據是否正常，如果出現異常情況實時報警，提醒實驗室管理人員及時排除險情，保證實驗室的安全運轉。

1 FFD模式下實驗室安全防護系統總體框架設計

實驗室安全防護系統的主要目的是，全天候采集和監控實驗室各項傳感數據，并將預處理后的實驗室數據上傳到上位機系統。

本文設計的實驗室防護系統無線節點模塊，在功能性方面要更強，涵蓋了實驗室多種指標監控的要求。協調器模塊對各種傳感器的數據做初步的分類和預處理，并通過串口通信模塊將信息上傳到到上位機系統。由于實驗室WSNs網絡節點的工作環境，要明顯優于傳統野外環境，因此節點的功能性要更強、電池容量更大且可更換，節點購置與替換成本也要更高。

為保證實驗室通信數據采集的準確性和兼容性，節點的模式架構設定為具有完整功能的FFD模式，保證通信數據傳輸路徑的穩定性。在實驗室監控管理和安全防護的環境下，WSNs節點拓撲結構的設計方面本文選用了星型結構的通信方式。

2 基于WSNs的實驗室防護系統硬件設計

實驗室安全防護系統的硬件部分主要包括FFD節點和協調器的硬件電路，其中FFD節點主要負責采集各種傳感器數據，協調器負責匯總數據并通過串口將數據傳輸到上位機。FFD節點的硬件部分包括STM32F1型單片機，時鐘電路、前置功率放大電路、數據顯示電路和射頻供電電路。在WSNs網絡的應用過程中，控制后臺上位機系統管理員，除了要實時監控各類實驗設備的運行狀態之外，還要特別關注傳感器節點數據的更新周期。其中STM32F1型芯片是WSNs網絡傳感器節點的核心組成分，該芯片還自帶始終監控系統，內置了時鐘電路模塊，芯片的引腳設計。

實驗室的監控區域較小，傳感器節點中設置功率放大電路的目的不是延長傳輸距離，而是要增強采集信號的強度，在通信節點的前端設置功率放大器，該裝置受STM32F1型單片機的控制，提高信號發生功率和強度。信號功率大小將決定采集信號和傳輸信號的清晰度，節點模塊利用單片機檢測電流大小，判斷功率放大器的工作狀態。實驗室中的實驗設備電流值較大，不便于傳感器的采集和信號處理，在傳感器信號采集中還需要做電流的轉換，降低信號的電流強度。由于安全防護系統的協調器模塊采用交流電供電，經過電感互感輸出的信號呈現出交替變化的規律，傳感器節點無法直接得到實際的電流值，還要將信號放大器的工作電流模式轉換為直流模式。

為了進一步減少信號放大后的失真情況，電流互感器的繞組圈，與系統保護電路及信號測量電路并聯，這樣在互感器工作時電壓要遠遠高于一次電流回路，提高測量電路的阻抗值，避免信號傳感器電流放大后導致節點發生短路。信號放大器的工作電壓設置為5V，為了確保電壓值恒定并保護芯片的引腳安全，在電路的輸入端和輸出端都安裝了3V的LV8859型穩壓芯片，該芯片的電壓、電流轉換效率高，且自帶保護電路防止電壓和電流過載而影響傳感器節點的正常工作。顯示電路直接連接顯示器，連接的單片機引進方式采用串聯，便于后臺監控人員的數據監控。

3 系統軟件開發

實驗室WSNs網絡通信協議的設計包括網絡命令的設計、時間同步設計、各種控制指令的設計等，為提高系統軟件的兼容性，統一全部節點的信息收發和傳遞模式。在局域網通信協議的設計上，采用美國德州儀器公司的Z-Stack協議棧，該軟件版本兼容IEEE802.18.6通信行業標準，操作簡單。Z-Stack協議采用類似電腦操作系統的運行方式，每一個事件對應一個函數，當事件發生時觸發函數機制按照事件的優先級依次處理，基于WSNs網絡的實驗室安全防護軟件系統的總體操作流程如圖1所示。

WSNs系統的節點通信過程中，路由算法是最核心的技術之一，路由算法在節點之間通信和節點與協調器模塊通信中，提供了一套完整的運轉機制。為更好地均衡節點能耗，提高節點通信質量，本文選用分層路由協議中的LEACH算法，依據WSNs系統節點之間距離的遠近隨機分簇，簇首節點在其輻射范圍內采集成員節點的各種傳感信息，并向成員節點傳遞上位機的指令。簇間節點操作以輪為單位，每一輪設定一個啟動階段和穩定傳輸階段。程序啟動后普通節點按照事先設定好的參數和通信距離的遠近加入某一個簇，完成一輪的數據采集工作后按照傳輸數據類別的不同，重新分簇自動進入下一輪工作。每個隨機簇的簇首節點的位置為簇內最優，其他成員節點產生一個0或1的隨機數，設定簇內全部節點數量為n，那么簇首節點為T（n）的計算公式為：

式中，為WSNs系統范圍內簇首節點的比例；r簇首節點選舉的輪數。LEACH算法協議的優勢在于均衡了簇內各節點的能量消耗，有效節省通信過程中的能量分配，保證了WSNs網絡的生存時間，進而實現對實驗室安全系統全天候無人監控。

4 結束語

由于實驗室的內部空間布局緊湊、結構復雜，包含大量潛在的危險因素，近年來實驗室事故頻發，甚至造成了人員的傷亡，這使實驗室安全防護問題受到了越來越多的關注。本文利用WSNs系統和FFD全功能節點，設計了一種實驗室安全防護系統，利用各種不同類型的傳感器節點，有效采集監控實驗室的各種指標，能夠更準確地識別與排除實驗室的安全隱患。