基于WSN与Android的工业仓储环境监测系统设计

文/林永宏 卓国峰 梁桃华 王华

针对目前工业品仓库注重物流效率而忽视仓库环境安全的问题，本文在结合实际项目需求的情况下，设计了基于无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)与Android系统的工业仓库环境监测系统，论述了整体框架方案及硬件和软件的设计，并验证了整体设计的正确性和有效性，具有良好的应用价值。

0.引言。

目前工业仓库的管理存储过程中，不仅存在着许多容易与空气混合达到爆炸极限浓度的可燃物质[1]，而且在工业仓库中贮存印染、造纸、化学原料和化学制品等空间内，部分有机物会挥发形成有机蒸气[2]，以及来自有色金属冶炼和采矿等行业的仓储气体污染，若不采取及时有效的保护措施，将对环境和人员造成严重危害[3]，所以对仓库环境气体环境的监测及治理显得尤为重要。为此，本文设计了基于无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)与Android系统的工业仓库环境监测系统，实现了对目前工业品仓储污染的实时监测，弥补了仓储精准化管理中安全灵活布局监测的不足。

1.监测系统总体设计。

WSN是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器，并通过无线方式通信形成的一个多跳自组织网络；Android系统在开发中，选择PAD开发板（6188）及Android手机，作为用户的监测平台和数据显示平台。基于WSN与ANDROID的工业仓库污染监测系统框图如图1示：

图1基于WSN与ANDROID的工业仓库污染监测系统框图

基于工业品仓储空间的限制，线缆方式的物理不足，该系统可通过无线网络对分散在测试区域内所有测试节点进行监测，实现分散操作、协同工作和集中控制。

2.硬件及软件设计

2.1 硬件设计。汇聚节点是整个监测网络的核心，主要负责建立、启动网络，当整个网络启动和配置完成之后，接收并处理终端节点采集到的数据[4]。汇聚节点实现WIFI通信，可以将仓库污染是否安全的所有采集信息上传至ANDROID系统平台，我们以CC2530方案作为SINK节点方案，是可靠、经济且节能的技术方案。终端节点即为传感器终端节点，作用是采集仓库里某点位环境数据参数。传感器终端节点主要以射频模块（RF）、电源模块以及存储模块组成。终端节点的主要功能是将仓库里采集到的数据传送至汇聚节点，与此同时增加了休眠功能，在没有信号的情况下减小功率的消耗[4]，我们选以IEEE 802.15.4协议的CC2530芯片方案作为传感网传感节点，其本身自带RF和微处理器，可连接不同的传感器。节点硬件设计示意图如2示。

图2仓储采样节点硬件框图

2.2 软件设计。软件设计包括两大部分，一部分是WSN节点以及汇聚节点的传输与采集，我们用Z_STACK协议栈进行相应的裁剪；另外一部分软件的设计是Android系统的APP采集数据监测软件，APP软件开发包括用户界面UI设计和TCP Socket数据流通信，UI布局采用XML设计控件，TCP数据流处理采用Java Socket网络编程开发TCP/IP数据传输功能[5-6]。

2.2.1 WSN节点采集发送与汇聚节点发送端软件设计。调试平台的软件设计利用串口与PAD之间进行通信，我们选用型号为CH340G的芯片作为串口模块的核心芯片。工业仓库气体监测的传感器，一般输出为模拟量或者以I2C接口作为数字量输出，而CC2530内部就带有12位分辨率的AD转换，因此，节省了不少硬件开销。

2.2.2 Android系统端软件设计。传感汇聚节点和Android控制中心之间采用客户端/服务器（Client/Server）的网络模型，采用UDP协议的Socket通信机制[7-8]。

串口连接调试与Android系统端软件设计流程框图如图3所示。

图3串口连接调试与Android系统端软件设计流程框图

3.测试与结果

3.1 采集数据处理。解决数据受到干扰的波动问题，接收到的数据还需要在人们决策前进行一系列的滤波算法。考虑到温度、空气质量、污染物仓储释放等参数变化比较缓慢的特点，我们使用限幅滤波和固定窗长滑动均值滤波算法来消除干扰[9]，系统采用的滑动均值滤波算法如下：V（K）=1/N∑A

式中A为以固定长度的数组，其数据来自于采样值利用数值拼接的思路，实现限幅后采样数组固定窗口的移动：A[N-1∶0]={A[N-2∶1]，X[K]}

即A[0]的数值来源于限幅滤波算法的X[K]，N=12[9]；限幅滤波算法的数学表达式如下：

其中，X（K）为第K次取值，S（K）为第K次采样原始数值，S（K-1）为第K-1次采样原始数值，R为前后两次采样数值的差，滤掉不合常理脉冲干扰造成的采样失真；实验结果证明采样数据得到了很好的平滑。

在实验结果图4中可以看到单个传感节点、汇聚节点与Android系统的调试情况，图片数据显示的是每5秒采样一次的空气质量传感器输出的实时电压值（0-3.3v）。

3.2 客户端多点测试。将传感器模块CCR 4CO-1000一氧化碳传感器，MIX1016半导体硫化氢气体传感器，MQ135空气质量传感器，CCR 4HCN-50氰化氢传感器，与4个不同的传感节点IO口连接，下载至节点（EndDevice），复位重启；将汇聚节点程序下载至采集汇总节点（Coordinator），连接串口和WIFI模块，采样6种传感器输出在Android手机端实时的截图如图4中所示。测试结果均能显示传感器的动态变化情况，仓储环境正常时传感器数字周边圈圈为绿色，当数字周边的圈圈变成红色时，即是监测环境危险提示报警。

结语。

本文针对工业仓库安全的系统性需求，设计了一款在线实时的基于WSN与Android的监测的系统，通过选用不同的气体污染传感器、及IEEE802.15.4、IEEE802.11通讯作为主要的检测和传输手段，以CC2530和Android平台作为数据处理和监测显示的核心，设计和测试了该工业品仓库气体污染监测系统，结果符合预期，能实现灵活布点即监测的功能，具有一定的推广借鉴价值。