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1、无线传感器网络在实时监测危险化学物品运输中的应用摘要：对危险品的监视和跟踪使水路运输危险货物时的安全性有了很大的改善。在本文中，我们提出了一个完整的监测和跟踪系统，该系统能够在检查危险品船舶的位置和实时状态的同时，确定货舱的情况。该系统应用的是电池供电的环境传感器（温度，湿度，压力，气体浓度和液位），这些传感器通过一个基于ZigBee的无线传感器网络进行连接。此方法在保证灵活性的同时，又具有易于部署和低功耗的优点。收集到的数据通过GPRS连接，从船舶发送到一个固定的服务器。GPS定位系统是通过导航系统来进行集成的，这保证了当GPS信号微弱或暂时失去时，依然能够进行精确的位置估计。当危险货物的船
2、舶开始泄漏，系统可以根据当时的情况制定一个方案来解决事故。提出的解决方案已经部署在实际环境中，并且展开了一些性能评估试验。关键字：无线传感器网络；实时监测；GRPS；GPS；危险货物传感器I. 引言每天无数的卡车、轮船和火车都在运送大量的危险品。一些调查显示，在危险物品运输方面，事故发生的频率正在增加1,2。例如，针对在20世纪初到2004年7月发生的1932起事故做出调查，结果表明，78%的事故发生在过去的20年中，37%的事故发生在过去的十年中。并且大多数事故发生在发达国家。事故分为四中不同的类型：泄露、爆炸、火灾、瓦斯烟雾。然而，18%的事故不属于这四种类型。根据已知的四种类型，分析结果
3、表明，泄露是最常见的事故类型，占事故总数的78%；其次是火灾，占14%；最后是气体云，只占6%3。当用船舶来运送危险货物（如易燃液体，放射性物质或化学废弃物）时，运输的安全性是关键的问题。而对载有危险货物船只的监控是非常有必要的，这样可以避免船员以及河流在运输过程中的安全威胁。对货舱内相关参数（如温度，气体浓度）的实时监测是非常重要的，只有这样，才能检测并且防止由水路运输本身造成的更危险的情况的发生。另一方面，也可以通过卫星定位（如GPS）来跟踪船只，例如恶劣的天气状况会带来的潜在安全威胁。此外，由惯性传感器所提供的信息可以很方便的用来整合以及完善来自GPS装置的位置信息，并且可以用来监测船只
4、的机械状态。所有这些特性可以用来构建一个完整的对携带危险品的船舶和货车的监控和跟踪系统。监控系统还必须有其特殊的灵活性和可靠性。事实上，系统组成单元必须分布在船体的不同部位；为了避免布线带来的相关问题，这里必须采用无线网络和电池供电组件。随着系统自配置的可能性的出现，为了提高系统的灵活性，通信基础设施的选择以及合适的策略是必要的，同时也要考虑相关有限功耗的主要问题。ZigBee标准是基于IEEE802.15.4标准的，已经被设计用于一些应用环境中，如家庭和工业自动化，环境监测，医疗设备的支持等等。它提供了一个完整的网络体系架构的无线传感器网络4。它的设计是集中在低数据速率、低能耗，这样以保证电
5、池供电设备的最长使用寿命5。本文提出了一个完整的货船监控系统的模型。它通过一个ZigBee无线传感器网络，将多个对环境监测的传感器连接到一个中心处理单元中。导航装置是利用两个GPS接收器和一个导航系统（NS）来工作的，它集成为一个ZigBee网络的节点。最后，GPRS链路能够保证无线覆盖几乎无处不在，从而建立了一个通向远程服务器的可靠的通信通道。系统的原形已经部署在测试船只上，本文给出了一些实验的结果。本文的构成如下：第二节从硬件角度提出系统概述；第三节描述了不同的设备以及硬件设计；第四节讨论了在服务器上，ZigBee网络内的通信以及互联网的软件的设计，并介绍了一些实验结果；最后，第五节介绍了
6、得到的结论以及未来的发展趋势。II. 系统概述A. ZigBee网络ZigBee是一个近些年才被开发出来的，低功耗的无线通信协议。它可以有多个传感器节点，这些节点可以将传感器的数据发送到路由器上，再由路由器传递到汇聚节点（网关）。汇聚节点连接到互联网或者中间设备的过程是允许程序访问其他数据库的。在通信网络中，节点是一种活跃的电子设备，它能够连接到网络，并且能够通过通信信道发送、接收或者转发信息。节点是一个连接点，这些连接点分为两种一种是再分配点，另一种是通信端点（一些终端设备）。ZigBee系统可以连接多个传感器，如温度，湿度，光线，震动等，从而形成一个小的网络，这个网络每个协调器最多有255
7、个节点。B. RFIDRFID是一个使用电子标签存储数据的数据收集技术。标签，也称为转发器，是由一个RFID芯片连接到天线的。在kHz, MHz, and GHz 的范围内进行传输时，标签可以由电池供电或者由阅读器的射频波驱动。而条形码必须是靠近并且在扫描仪的视线范围内进行读取；RFID标签不要求对准视线，并且可以嵌入在包中。根据不同的标签和他的应用，他可以在不同距离上进行阅读。此外，在传送带上面滚动的贴有RFID标签的纸箱与条形码箱相比，可以快速读取多次。C. GPRS 网络GPRS是GPRS移动设备端使用现有的GSM网络来传输和接收基于TCP/IP的数据。它提供了几乎无处不在的接入互联网。
8、因此，可以利用它来将船舶信息实时的发送到远程服务器上。在现有的文献中，我们对使用Kalman滤波来实现GPS和惯性传感器之间数据融合的方案进行了相当深入的研究。此外，同时监测位置和环境参数的方法已经在其他项目中得到验证。该系统是由三种不同类型的网络组成：ZigBee网络，GPRS网络和互联网。ZigBee网络是将收集到的数据传输到数据处理终端（DPT）。DPT能够通过应用软件来处理传感器数据，然后将这些数据通过GPRS网关和互联网网关传送到数据库服务器上。与此同时，GPS数据也可以同过DPT传送到数据库服务器中，然后数据库服务器将对数据进行处理、分析，并且存储到SQLServer2005的应用
9、软件中。用户或者客户端，可以通过网页查询传感器和GPS的数据，并且我们也可以通过WebGIS（网络地理信息系统）的API来观察船舶的跟踪轨迹。系统的体系结构概述如图1所示。图1 系统概述III. 数据处理终端和传感器节点的设计A. 数据处理终端设计数据处理终端 (DPT)是由一些嵌入在设备中的一些自定义硬件组件组成。主要的组成单元是一个三星的S3C2440微控制器，它用来管理连接外围设备并将数据存储到256位的闪存或者SD卡上。它也可以处理来自传感器的数据，并且能够在潜在危险环境下与数据库服务器进行通信。DPT可以通过不同的接口来连接几个模块。数据处理终端的功能图如图2所示7。l ZigBee
10、 接口：ZigBee的接口是德州仪器生产的CC2530芯片构成的系统。它集成了收发器和一个16位的微控制器，并且后者实现了ZigBee协议栈。正如之前指出的，DPT充当了唯一的ZigBee网络的协调器。l GPRS和GPS 单元： GPRS和GPS单元是一个M89-GPS模块. GPRS接口是用于连接到远程主机的DPT。惯性导航系统需要获取经度、纬度、高度信息以及GPS信号质量和强度的相关参数。l 以太网接口： 通过连接以太网，访问一个简单的web界面，可以对DPT的配置进行本地修改。Web界面可以设置系统的主要配置参数，如IP地址的DPT，传感器参数（如阈值）。另外也可以对相关节点和GPS进
11、行监测。由于接口不同，硬件和软件需要有序的组织和管理，因此我们使用Windows CE5.0操作系统来解决这些问题。图2 数据处理终端模块功能图.B. 传感器节点设计单个节点是一个典型的资源受限的嵌入式系统。它需要许多功能，如环境感知、数据传输和处理能力，接收和执行指令，以及其他的网络功能。因此，每个节点都需要大量的线程来组织和管理硬件、软件并完成其相应功能。C. 硬件设计IEEE802.15.4/ZigBee协议充分考虑到无线传感器网络的应用程序。它工作在2.4GHz，属于公共通信频率，是一种短距离、低成本、低能耗并且灵活性高的无线网络协议。无线传感器网络的监控体系是基于这种协议的。由于监控
12、节点是由电池供电，因此节能成为设计的关键，此外，控制成本和节点的尺寸也是需要考虑的。监控节点使用的是低能耗SoC芯片CC2530，这是由TI公司在2009年为无线传感器网络特别设计的，它具有高集成的特性，是高射频收发器，有8051MCU的性能，以及256K可编程闪存，12位8A/D通道。工作温度可达到120。F。它能够适应大部分危险环境。利用这个芯片，检测节点可以设计为多传感器节点，可以在同一时间监视不同服务器类型的物理特性，并满足主要危险源监测应用程序的需要。这里监测的对象主要是环境参数，如温度、湿度、密度，等等。ZigBee节点分为三种类型：协调器节点（CN），路由器节点（RN）和终端设备
13、节点（DN）。本地网络的协调器节点（CN）可以发挥中心节点的作用。它可以向路由节点和终端设备节点指派地址，在同一时间，使这些节点构成网络。在无线传感器网络中，所有的传感器节点采集的数据可以通过串口发送到CN或RN，然后再由CN将数据发送到数据处理终端（DPT）。RFID数据可以通过ZigBee网络传输（DPT）。在有限的能力范围内，将SN和导航系统节点（NSN）配置为ZigBee终端设备（ZED）。此功能将当前的实现限制为单跳无线网络。虽然星型拓扑结构可能会更适合我们的方案，然而ZigBee网络已经被配置为一个网状网络，并且在未来的发展中，它能够允许利用多跳路由技术来扩大ZigBee网络的使用
14、范围（如水路运输）。传感器节点支持多种类型的传感器，如：a) 温度和湿度传感器：系统集成了PT100和BM-RH206A来监测温度和湿度。在低耗电量的情况下，两种传感器同时集成到同一个电路中并且耦合8位的数模转换器。b) 空气压力传感器: 空气压力传感器集成在芯片上。双极电路和薄膜电阻网络提供了一个高质量的模拟输出信号以及温度补偿。此外，这种装置的特点是体积小，功耗低。c) 液位传感器：当需要监测液位时，可以将液位传感器投入液体中，当液位变化时，传感器就可以将液位变化转换成电信号，然后由ZigBee节点对电信号进行处理并传输，这些电信号很容易收集，并且精度很高。该系统可以提供大量的监测模式。当
15、危险化学物品发生泄漏时，各种传感器将监测泄漏的情况，传感器网络将监测数据发送到DPT，然后DPT对这些有害化学物质进行状态评估，根据手动设定阈值来进行判断是否要发送警告信息，其体系结构如图3所示。与此同时，我们也会根据一些监管要求来做一些测试。 图3 状态监测有害化学物质结构图a) 可以实现单一气体或多种（三种或三种以上）混合气体的测试。 b) 测试系统被限制为10ppm浓度的气体检测.c) 同时对多达三种的气体传感器进行测试.d) 能够测试气体传感器的参数包括：目标气体的响应灵敏度，分辨率，浓度范围的检测，目标气体中的干扰气体，最佳的工作温度，响应时间，恢复时间，稳定时间上电时，温度和湿度曲
16、线，线性曲线等。GPS模块提供船舶位置给数据处理终端。 它通过一个紧密后和的扩展卡尔曼滤波器来执行传感器和GPS系统之间的数据融合。通过这种方式，跟踪定位的精度相对全球定位基础系统有所提高，并且在GPS段覆盖时能够给出船只的位置估计信息。IV. 数据库服务器和DPT的应用软件设计A. 数据库服务器的应用软件设计 数据库服务器是要对从DPT传入的连接进行侦听的。在初始化阶段，应用软件开始侦听，然后DPT连接到GPRS网络并且与数据库服务器进行连接。当数据库服务器应答时，两个双向通信的TCP的套接字被打开来连接DPT。这两个套接字一个用于数据封包，另一个用于消息控制。套接字是用来从DPT传递系统状态信息（如传感器值，车辆位置等等）到数据库服务器的。当连接建立后，数据库服务器充当DPT和用户自定义界面之间桥梁的作用。经过两种渠道的建立，DPT可以向数据库服务器发送危险货物数据包的消息。这
