FFD模式下一种基于WSNs的实验室安全防护系统设计

陈雪芳

（闽西职业技术学院，福建 龙岩 364021）

0 引言

实验室是新技术和新科研成果的主要输出基地，无论是科研机构还是高等院校，实验室的教学与研究在科技创新过程中都发挥着核心作用。尤其是在高等院校教育教学与人才培养中，实验教学所占课时比例和受重视程度逐年提高，高校实验室的总数量和总投入也在逐年攀升。实验室的空间有限，但内部构造极为复杂，包括复杂的电路系统、机械运动系统、还储存了大量有毒有害甚至有辐射性化工实验原料，因此实验室的监控管理和安全防护是一项十分艰巨的任务。为解决多个实验室运行数据实时监控与安全管理问题，本文在FFD（完整功能设备）传感器模式下，设计了一种实验室安全防护与监控管理系统研究，利用WSNs（无线传感网络）在实验室空间内布置多种类型、多种用途的传感器，实时采集实验室的各项安全数据，监控数据是否正常，如果出现异常情况实时报警，提醒实验室管理人员及时排除险情，保证实验室的安全运转。

1 FFD模式下实验室安全防护系统总体框架设计

实验室安全防护系统的主要目的是，全天候采集和监控实验室各项传感数据，并将预处理后的实验室数据上传到上位机系统。

本文设计的实验室防护系统无线节点模块，在功能性方面要更强，涵盖了实验室多种指标监控的要求。协调器模块对各种传感器的数据做初步的分类和预处理，并通过串口通信模块将信息上传到到上位机系统。由于实验室WSNs网络节点的工作环境，要明显优于传统野外环境，因此节点的功能性要更强、电池容量更大且可更换，节点购置与替换成本也要更高。

为保证实验室通信数据采集的准确性和兼容性，节点的模式架构设定为具有完整功能的FFD模式，保证通信数据传输路径的稳定性。在实验室监控管理和安全防护的环境下，WSNs节点拓扑结构的设计方面本文选用了星型结构的通信方式。

2 基于WSNs的实验室防护系统硬件设计

实验室安全防护系统的硬件部分主要包括FFD节点和协调器的硬件电路，其中FFD节点主要负责采集各种传感器数据，协调器负责汇总数据并通过串口将数据传输到上位机。FFD节点的硬件部分包括STM32F1型单片机，时钟电路、前置功率放大电路、数据显示电路和射频供电电路。在WSNs网络的应用过程中，控制后台上位机系统管理员，除了要实时监控各类实验设备的运行状态之外，还要特别关注传感器节点数据的更新周期。其中STM32F1型芯片是WSNs网络传感器节点的核心组成分，该芯片还自带始终监控系统，内置了时钟电路模块，芯片的引脚设计。

实验室的监控区域较小，传感器节点中设置功率放大电路的目的不是延长传输距离，而是要增强采集信号的强度，在通信节点的前端设置功率放大器，该装置受STM32F1型单片机的控制，提高信号发生功率和强度。信号功率大小将决定采集信号和传输信号的清晰度，节点模块利用单片机检测电流大小，判断功率放大器的工作状态。实验室中的实验设备电流值较大，不便于传感器的采集和信号处理，在传感器信号采集中还需要做电流的转换，降低信号的电流强度。由于安全防护系统的协调器模块采用交流电供电，经过电感互感输出的信号呈现出交替变化的规律，传感器节点无法直接得到实际的电流值，还要将信号放大器的工作电流模式转换为直流模式。

为了进一步减少信号放大后的失真情况，电流互感器的绕组圈，与系统保护电路及信号测量电路并联，这样在互感器工作时电压要远远高于一次电流回路，提高测量电路的阻抗值，避免信号传感器电流放大后导致节点发生短路。信号放大器的工作电压设置为5V，为了确保电压值恒定并保护芯片的引脚安全，在电路的输入端和输出端都安装了3V的LV8859型稳压芯片，该芯片的电压、电流转换效率高，且自带保护电路防止电压和电流过载而影响传感器节点的正常工作。显示电路直接连接显示器，连接的单片机引进方式采用串联，便于后台监控人员的数据监控。

3 系统软件开发

实验室WSNs网络通信协议的设计包括网络命令的设计、时间同步设计、各种控制指令的设计等，为提高系统软件的兼容性，统一全部节点的信息收发和传递模式。在局域网通信协议的设计上，采用美国德州仪器公司的Z-Stack协议栈，该软件版本兼容IEEE802.18.6通信行业标准，操作简单。Z-Stack协议采用类似电脑操作系统的运行方式，每一个事件对应一个函数，当事件发生时触发函数机制按照事件的优先级依次处理，基于WSNs网络的实验室安全防护软件系统的总体操作流程如图1所示。

WSNs系统的节点通信过程中，路由算法是最核心的技术之一，路由算法在节点之间通信和节点与协调器模块通信中，提供了一套完整的运转机制。为更好地均衡节点能耗，提高节点通信质量，本文选用分层路由协议中的LEACH算法，依据WSNs系统节点之间距离的远近随机分簇，簇首节点在其辐射范围内采集成员节点的各种传感信息，并向成员节点传递上位机的指令。簇间节点操作以轮为单位，每一轮设定一个启动阶段和稳定传输阶段。程序启动后普通节点按照事先设定好的参数和通信距离的远近加入某一个簇，完成一轮的数据采集工作后按照传输数据类别的不同，重新分簇自动进入下一轮工作。每个随机簇的簇首节点的位置为簇内最优，其他成员节点产生一个0或1的随机数，设定簇内全部节点数量为n，那么簇首节点为T（n）的计算公式为：

式中，为WSNs系统范围内簇首节点的比例；r簇首节点选举的轮数。LEACH算法协议的优势在于均衡了簇内各节点的能量消耗，有效节省通信过程中的能量分配，保证了WSNs网络的生存时间，进而实现对实验室安全系统全天候无人监控。

4 结束语

由于实验室的内部空间布局紧凑、结构复杂，包含大量潜在的危险因素，近年来实验室事故频发，甚至造成了人员的伤亡，这使实验室安全防护问题受到了越来越多的关注。本文利用WSNs系统和FFD全功能节点，设计了一种实验室安全防护系统，利用各种不同类型的传感器节点，有效采集监控实验室的各种指标，能够更准确地识别与排除实验室的安全隐患。