基于WSN與Android的工業倉儲環境監測系統設計

文/林永宏 卓國峰 梁桃華 王華

針對目前工業品倉庫注重物流效率而忽視倉庫環境安全的問題，本文在結合實際項目需求的情況下，設計了基于無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)與Android系統的工業倉庫環境監測系統，論述了整體框架方案及硬件和軟件的設計，并驗證了整體設計的正確性和有效性，具有良好的應用價值。

0.引言。

目前工業倉庫的管理存儲過程中，不僅存在著許多容易與空氣混合達到爆炸極限濃度的可燃物質[1]，而且在工業倉庫中貯存印染、造紙、化學原料和化學制品等空間內，部分有機物會揮發形成有機蒸氣[2]，以及來自有色金屬冶煉和采礦等行業的倉儲氣體污染，若不采取及時有效的保護措施，將對環境和人員造成嚴重危害[3]，所以對倉庫環境氣體環境的監測及治理顯得尤為重要。為此，本文設計了基于無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSN)與Android系統的工業倉庫環境監測系統，實現了對目前工業品倉儲污染的實時監測，彌補了倉儲精準化管理中安全靈活布局監測的不足。

1.監測系統總體設計。

WSN是一種分布式傳感網絡，它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器，并通過無線方式通信形成的一個多跳自組織網絡；Android系統在開發中，選擇PAD開發板（6188）及Android手機，作為用戶的監測平臺和數據顯示平臺。基于WSN與ANDROID的工業倉庫污染監測系統框圖如圖1示：

圖1基于WSN與ANDROID的工業倉庫污染監測系統框圖

基于工業品倉儲空間的限制，線纜方式的物理不足，該系統可通過無線網絡對分散在測試區域內所有測試節點進行監測，實現分散操作、協同工作和集中控制。

2.硬件及軟件設計

2.1 硬件設計。匯聚節點是整個監測網絡的核心，主要負責建立、啟動網絡，當整個網絡啟動和配置完成之后，接收并處理終端節點采集到的數據[4]。匯聚節點實現WIFI通信，可以將倉庫污染是否安全的所有采集信息上傳至ANDROID系統平臺，我們以CC2530方案作為SINK節點方案，是可靠、經濟且節能的技術方案。終端節點即為傳感器終端節點，作用是采集倉庫里某點位環境數據參數。傳感器終端節點主要以射頻模塊（RF）、電源模塊以及存儲模塊組成。終端節點的主要功能是將倉庫里采集到的數據傳送至匯聚節點，與此同時增加了休眠功能，在沒有信號的情況下減小功率的消耗[4]，我們選以IEEE 802.15.4協議的CC2530芯片方案作為傳感網傳感節點，其本身自帶RF和微處理器，可連接不同的傳感器。節點硬件設計示意圖如2示。

圖2倉儲采樣節點硬件框圖

2.2 軟件設計。軟件設計包括兩大部分，一部分是WSN節點以及匯聚節點的傳輸與采集，我們用Z_STACK協議棧進行相應的裁剪；另外一部分軟件的設計是Android系統的APP采集數據監測軟件，APP軟件開發包括用戶界面UI設計和TCP Socket數據流通信，UI布局采用XML設計控件，TCP數據流處理采用Java Socket網絡編程開發TCP/IP數據傳輸功能[5-6]。

2.2.1 WSN節點采集發送與匯聚節點發送端軟件設計。調試平臺的軟件設計利用串口與PAD之間進行通信，我們選用型號為CH340G的芯片作為串口模塊的核心芯片。工業倉庫氣體監測的傳感器，一般輸出為模擬量或者以I2C接口作為數字量輸出，而CC2530內部就帶有12位分辨率的AD轉換，因此，節省了不少硬件開銷。

2.2.2 Android系統端軟件設計。傳感匯聚節點和Android控制中心之間采用客戶端/服務器（Client/Server）的網絡模型，采用UDP協議的Socket通信機制[7-8]。

串口連接調試與Android系統端軟件設計流程框圖如圖3所示。

圖3串口連接調試與Android系統端軟件設計流程框圖

3.測試與結果

3.1 采集數據處理。解決數據受到干擾的波動問題，接收到的數據還需要在人們決策前進行一系列的濾波算法。考慮到溫度、空氣質量、污染物倉儲釋放等參數變化比較緩慢的特點，我們使用限幅濾波和固定窗長滑動均值濾波算法來消除干擾[9]，系統采用的滑動均值濾波算法如下：V（K）=1/N∑A

式中A為以固定長度的數組，其數據來自于采樣值利用數值拼接的思路，實現限幅后采樣數組固定窗口的移動：A[N-1∶0]={A[N-2∶1]，X[K]}

即A[0]的數值來源于限幅濾波算法的X[K]，N=12[9]；限幅濾波算法的數學表達式如下：

其中，X（K）為第K次取值，S（K）為第K次采樣原始數值，S（K-1）為第K-1次采樣原始數值，R為前后兩次采樣數值的差，濾掉不合常理脈沖干擾造成的采樣失真；實驗結果證明采樣數據得到了很好的平滑。

在實驗結果圖4中可以看到單個傳感節點、匯聚節點與Android系統的調試情況，圖片數據顯示的是每5秒采樣一次的空氣質量傳感器輸出的實時電壓值（0-3.3v）。

3.2 客戶端多點測試。將傳感器模塊CCR 4CO-1000一氧化碳傳感器，MIX1016半導體硫化氫氣體傳感器，MQ135空氣質量傳感器，CCR 4HCN-50氰化氫傳感器，與4個不同的傳感節點IO口連接，下載至節點（EndDevice），復位重啟；將匯聚節點程序下載至采集匯總節點（Coordinator），連接串口和WIFI模塊，采樣6種傳感器輸出在Android手機端實時的截圖如圖4中所示。測試結果均能顯示傳感器的動態變化情況，倉儲環境正常時傳感器數字周邊圈圈為綠色，當數字周邊的圈圈變成紅色時，即是監測環境危險提示報警。

結語。

本文針對工業倉庫安全的系統性需求，設計了一款在線實時的基于WSN與Android的監測的系統，通過選用不同的氣體污染傳感器、及IEEE802.15.4、IEEE802.11通訊作為主要的檢測和傳輸手段，以CC2530和Android平臺作為數據處理和監測顯示的核心，設計和測試了該工業品倉庫氣體污染監測系統，結果符合預期，能實現靈活布點即監測的功能，具有一定的推廣借鑒價值。