基于物聯(lián)網(wǎng)的糧食倉(cāng)庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮超，徐艷蕾,

（1. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118；2. 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130025）

基于物聯(lián)網(wǎng)的糧食倉(cāng)庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮超1，徐艷蕾1,2*

（1. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118；2. 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130025）

為了解決糧食倉(cāng)庫(kù)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)存在的監(jiān)測(cè)信息不足、預(yù)警不及時(shí)以及缺乏遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與管理問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的糧食倉(cāng)庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ZigBee芯片CC2530作為核心處理器實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境溫濕度、糧食內(nèi)部溫濕度等數(shù)據(jù)信息的采集，利用火焰?zhèn)鞲衅鱎2868作為倉(cāng)庫(kù)明火探測(cè)器，應(yīng)用多組對(duì)射型光電傳感器作為糧倉(cāng)的糧位檢測(cè)元件并采用“豎直—等間距—平行”安裝方式實(shí)現(xiàn)糧倉(cāng)儲(chǔ)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)GPRS（General Packet Radio Service）技術(shù)的應(yīng)用和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)糧食倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警報(bào)警功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，系統(tǒng)的丟包率小于5%；系統(tǒng)對(duì)明火的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間為1.8 s；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，能夠有效地實(shí)現(xiàn)糧食倉(cāng)庫(kù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與預(yù)警功能。

物聯(lián)網(wǎng)；糧食倉(cāng)庫(kù)監(jiān)測(cè)；CC2530；GPRS；火焰?zhèn)鞲衅鳎贿h(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件

糧食是特殊的戰(zhàn)略物資，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)，能夠影響國(guó)計(jì)民生等問(wèn)題，其存儲(chǔ)量、存儲(chǔ)質(zhì)量、存儲(chǔ)安全可關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及社會(huì)的安穩(wěn)，因此，建立并完善我國(guó)糧食儲(chǔ)備設(shè)施和糧情監(jiān)控系統(tǒng)具有重大戰(zhàn)略意義[1-2]。

隨著微控制技術(shù)、傳感技術(shù)和無(wú)線傳輸技術(shù)等的發(fā)展，尤其是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，我國(guó)在糧情監(jiān)控管理正在逐步走向智能化、自動(dòng)化管理的過(guò)程。國(guó)內(nèi)許多研究學(xué)者更是開(kāi)發(fā)了不少的糧情監(jiān)控系統(tǒng)[3-6]。劉國(guó)紅[7]應(yīng)用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了一套智能糧情監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)糧倉(cāng)基本參數(shù)的采集分析；孫康嶺[8]分別以C8051F040和DS80C400單片機(jī)作為測(cè)控分機(jī)和通信分機(jī)的核心，結(jié)合CAN總線通信協(xié)議設(shè)計(jì)了一套滿(mǎn)足糧食儲(chǔ)備企業(yè)管控一體化的控制系統(tǒng)；熊雙橋[9]結(jié)合ZigBee和GPRS技術(shù)設(shè)計(jì)一套遠(yuǎn)程無(wú)線倉(cāng)庫(kù)溫濕度智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。但是這些監(jiān)控系統(tǒng)均缺乏糧倉(cāng)明火監(jiān)測(cè)、糧食倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)量監(jiān)測(cè)等，無(wú)法完全保證糧食倉(cāng)庫(kù)的存儲(chǔ)安全以及監(jiān)測(cè)信息的完整性等。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文利用ZigBee芯片CC2530作為糧庫(kù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)核心控制芯片，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)的環(huán)境溫濕度、糧食內(nèi)部溫濕度以及倉(cāng)庫(kù)明火狀況等數(shù)據(jù)信息采集，并通過(guò)應(yīng)用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)糧食倉(cāng)庫(kù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)包含多個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)糧庫(kù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)（ZigBee節(jié)點(diǎn)0）由一個(gè)溫度傳感器、一個(gè)濕度傳感器和一個(gè)火焰監(jiān)測(cè)傳感器組成，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)糧庫(kù)的溫度、濕度和明火狀況等基本信息；其余的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)（ZigBee節(jié)點(diǎn)1-N）則均由一個(gè)溫度傳感器、一個(gè)濕度傳感器和一套糧位測(cè)量?jī)x組成，可獨(dú)立負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)一個(gè)糧倉(cāng)的糧情狀況。各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線組網(wǎng)方式與ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信，可將監(jiān)測(cè)到糧庫(kù)、糧倉(cāng)數(shù)據(jù)信息發(fā)送至ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再由該網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)信息間接地傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器，之后，由監(jiān)控主機(jī)予以實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)在糧食倉(cāng)庫(kù)的部署結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。1.2 ZigBee技術(shù)

圖1 系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 Structural diagram of System deployment

ZigBee技術(shù)是一種近距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，在控制網(wǎng)絡(luò)和低速率傳感器中廣泛應(yīng)用，具有功耗低、速率低等特點(diǎn)，提供了一組標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了低復(fù)雜度、低資源使用的要求[10-12]。該技術(shù)能夠較好地用于測(cè)控預(yù)警系統(tǒng)中，有利于降低應(yīng)用成本[13]。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選用ZigBee芯片CC2530F256作為節(jié)點(diǎn)核心處理器，其容量比CC2430F128系列芯片的Flash增大了一倍，能夠應(yīng)用ZigBeePro/2007復(fù)雜協(xié)議棧；內(nèi)部設(shè)置了射頻前端CC2520，極大地增強(qiáng)了RF模塊的發(fā)射功率，最大輸出功率可達(dá)4.5 dBm。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀型等多種組網(wǎng)方式。在糧食倉(cāng)庫(kù)監(jiān)測(cè)中，本文設(shè)置所有的CC2530F256芯片按照星型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)通信，如圖2所示。

圖2 ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)Fig. 2 Zigbee star network

在該組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，所有ZigBee監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)（0-N），將采集的糧庫(kù)、糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee-GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)之間不進(jìn)行相互通信。此種設(shè)計(jì)沒(méi)有使用中繼設(shè)備節(jié)點(diǎn)，有利于加快數(shù)據(jù)的傳輸速率。

1.3 ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)糧食倉(cāng)庫(kù)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)之間的通信，本文設(shè)計(jì)了一套ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)由ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、串行通信模塊和GPRS DTU模塊組成。ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的主控芯片CC2530通過(guò)串行通信模塊與GPRS DTU模塊通信，將轉(zhuǎn)換后的ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸至GPRS DTU模塊，再由GPRS DTU模塊將處理后的GPRS分組數(shù)據(jù)發(fā)送至GSM基站，進(jìn)而由服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，之后，再將之傳輸?shù)紾PRS網(wǎng)絡(luò)中，GPRS網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）處理后被進(jìn)一步的傳輸?shù)絀nternet網(wǎng)絡(luò)，最終監(jiān)控主機(jī)可從Internet網(wǎng)絡(luò)上獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息[14-15]（圖3）。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸原理圖Fig. 3 Schematic of data transmission

ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中，所用GPRS DTU模塊型號(hào)為L(zhǎng)Q1001，其提供了RS232、RS485和USB接口三種串行接口，可以與串口設(shè)備進(jìn)行通信，本文采用的是RS232串行通信功能。因此，在串行通信模塊的設(shè)計(jì)中采用RS232通信協(xié)議，具體的功能由MAX232芯片及其外圍電路實(shí)現(xiàn)，相關(guān)電路見(jiàn)圖4。圖中輸入端口TX和RX分別與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)芯片CC2530的串行引腳TX、RX相連，DB 9為串行通信接口可以直接連接GPRS DTU模塊。

圖4 串行通信模塊電路Fig. 4 Serial communication module circuit

1.4 火焰檢測(cè)傳感器

本文采用火焰監(jiān)測(cè)傳感器R2868作為糧庫(kù)明火探測(cè)傳感器。該傳感器利用紫外線通過(guò)金屬的光電效果和電子繁流理論來(lái)發(fā)現(xiàn)火星源，對(duì)185-260 nm的狹窄光譜的探測(cè)靈敏度很高。其對(duì)可見(jiàn)光不響應(yīng)，無(wú)需濾出任何可見(jiàn)光[16-17]。R2868火焰?zhèn)鞲衅髟谔綔y(cè)到火源時(shí)，會(huì)產(chǎn)生鋸齒形的模擬信號(hào)，鑒于控制芯片CC2530無(wú)法處理這種鋸齒形信號(hào)，因此我們采用驅(qū)動(dòng)電路模塊C10807對(duì)火焰?zhèn)鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)進(jìn)行處理。該驅(qū)動(dòng)模塊包括恒壓電路、高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理器等（圖5）。其中恒壓電路可分別為高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器和信號(hào)處理器提供穩(wěn)定的輸入電壓和工作電壓；高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器可將穩(wěn)定后低壓直流電壓轉(zhuǎn)換成高壓直流電壓進(jìn)而為R2868火焰?zhèn)鞲衅魈峁┮粋€(gè)高壓工作電壓；信號(hào)處理器可將鋸齒形傳感信號(hào)轉(zhuǎn)換成高電平（由Vh觸點(diǎn)輸出）或低電平（由Vl觸點(diǎn)輸出）。

圖5 C10807驅(qū)動(dòng)電路模塊原理圖Fig. 5 Diagram of C10807 driving circuit

為測(cè)試傳感器的檢測(cè)效果，將R2868火焰?zhèn)鞲衅鞯恼?、?fù)極分別連接到C10807驅(qū)動(dòng)電路模塊的A、K端，并用開(kāi)關(guān)電源給C10807驅(qū)動(dòng)電路模塊提供24 V直流輸入電壓，在Vh端用示波器檢測(cè)輸出信號(hào)，如圖6所示。從示波器上檢測(cè)結(jié)果可以看到，當(dāng)無(wú)火焰時(shí)，其輸出為低電平；當(dāng)出現(xiàn)明火時(shí)，輸出的信號(hào)為高電平。

圖6 火焰檢測(cè)測(cè)試Fig. 6 Flame detection test

1.5 糧位測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

糧倉(cāng)糧位高度是判斷糧食存儲(chǔ)量的重要依據(jù)。為了有效、實(shí)時(shí)地監(jiān)控各個(gè)糧倉(cāng)糧食存儲(chǔ)量的變化，以STC12C5A60S2單片機(jī)為微處理器、應(yīng)用對(duì)射型光電傳感器作為糧倉(cāng)的糧位檢測(cè)元件并采用“豎直—等間距—平行”的安裝方式設(shè)計(jì)了一套糧位測(cè)量?jī)x。其中，對(duì)射型光電傳感器，又稱(chēng)對(duì)射型光電開(kāi)關(guān)，由投光器和受光器組成。投光器負(fù)責(zé)投射紅外線，當(dāng)受光器接收到投光器發(fā)射過(guò)來(lái)的紅外線后相應(yīng)的會(huì)輸出高電平或低電平。具體設(shè)計(jì)過(guò)程是在糧倉(cāng)的一側(cè)內(nèi)壁安裝一列等間距的紅外投光器，在其對(duì)立一側(cè)內(nèi)壁則相應(yīng)地安裝一列紅外受光器，各個(gè)紅外受光器的輸出信號(hào)均通過(guò)獨(dú)立的I/O與STC12C5A60S2單片機(jī)相連，為了減小實(shí)際應(yīng)用中因I/O口布線復(fù)雜混亂而造成監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，采用同軸信號(hào)線將單片機(jī)的I/O口和紅外接收管相連（圖7）。紅外投光器發(fā)出紅外光線，在無(wú)糧食遮擋的情況下，紅外光線會(huì)被與其相同水平高度的紅外受光器所接收，進(jìn)而通過(guò)導(dǎo)線輸出到STC12C5A60S2單片機(jī)中，單片機(jī)通過(guò)實(shí)時(shí)掃描各個(gè)相應(yīng)的I/O口的電平狀態(tài)可以斷判出糧倉(cāng)內(nèi)糧食的糧位高度。之后，單片機(jī)可通過(guò)串口引腳Rx和Tx將計(jì)算出的糧位高度值傳輸?shù)絑igBee監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。

圖7 糧位測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)圖Fig. 7 Design of grain level measuring instrument

具體設(shè)計(jì)中，采用美國(guó)Banner公司生產(chǎn)的對(duì)射型光電傳感器，其型號(hào)為S18SP6R，檢測(cè)距離可達(dá)20 m，受光器為NPN輸出（即收到紅外光線時(shí)輸出低電平信號(hào)），能夠很好地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括糧庫(kù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)（ZigBee節(jié)點(diǎn)0）、糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)（ZigBee節(jié)點(diǎn)1-N）和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)三大部分的電路設(shè)計(jì)。

糧庫(kù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電路（圖8）。采用CC2530作為主控芯片，應(yīng)用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集糧庫(kù)溫度，其與主控芯片CC2530通過(guò)I/O口P1_0相連；應(yīng)用單總線數(shù)字濕度傳感器AM2305采集糧庫(kù)濕度，其信號(hào)輸出端通過(guò)I/O口P1_1與主控芯片相連；將火焰檢測(cè)傳感器的輸出信號(hào)處理端與主控芯片CC2530的I/O引腳P1_2相連。

圖8 糧庫(kù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電路原理圖Fig. 8 Schematic circuit diagram of monitoring node

所有糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)（ZigBee節(jié)點(diǎn)1-N）電路均相同，且所采用的溫濕度傳感器及其電路連接方式均與ZigBee節(jié)點(diǎn)0相同；糧位測(cè)量?jī)x的輸出信號(hào)端通過(guò)串口通信方式接入ZigBee節(jié)點(diǎn)，即將糧位測(cè)量?jī)x的Rx與ZigBee節(jié)點(diǎn)主控芯片CC2530的P0_3引腳（協(xié)議棧程序默認(rèn)配置P0_3為T(mén)x引腳）相連，Tx則連接在CC2530的P0_2引腳（協(xié)議棧程序默認(rèn)配置P0_2為Rx引腳）上。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)在本文1.3小節(jié)中已經(jīng)詳細(xì)介紹過(guò)，這里不再贅述。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序均在IAR Embedded Workbench開(kāi)發(fā)環(huán)境下采用TI公司推出的ZigBee 2007協(xié)議棧進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并將監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)，將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件主要實(shí)現(xiàn)糧庫(kù)、糧倉(cāng)基本參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與管理，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析與報(bào)警設(shè)置等功能。3.1 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

糧庫(kù)和糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)流程基本相似，都是通過(guò)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括操作系統(tǒng)初始化、任務(wù)初始化、自定義任務(wù)初始化和串口初始化等。之后，通過(guò)搜索網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)所建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)并自動(dòng)加入該網(wǎng)絡(luò)，然后按照設(shè)定的時(shí)間間隔采集相關(guān)傳感數(shù)據(jù)，最后調(diào)用ZigBee協(xié)議棧中的數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)AF_DataRequest( )將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，具體工作流程見(jiàn)圖9。

圖9 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig. 9 Program flow chart of monitoring

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖10。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上電開(kāi)始工作時(shí)，會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的初始化操作，包括組網(wǎng)配置、系統(tǒng)初始化、任務(wù)初始化和串口初始化等。接著建立ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以便各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)加入。然后，循環(huán)掃描接收各節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的數(shù)據(jù)包；當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包后，則通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至GPRS DTU模塊，由GPRS DTU模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器。

圖10 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig. 10 Program flow chart of Gateway node

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件可在監(jiān)控主機(jī)上運(yùn)行，要求功能強(qiáng)大且提供友好的人機(jī)交互界面。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件采用Visual Basic 6.0進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其是由微軟公司提供的一種基于事件驅(qū)動(dòng)的編程開(kāi)發(fā)環(huán)境，具有技術(shù)成熟、操作穩(wěn)定簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，且提供了DAO、RDO、ADO等多種訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)[18-19]。鑒于本文系統(tǒng)需要存儲(chǔ)的信息量不大，但信息的一致性和完整性要求較高，所以選用Microsoft Access 2007作為開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)。本設(shè)計(jì)中訪問(wèn)Access數(shù)據(jù)庫(kù)采用的是ADO技術(shù)，其相關(guān)鏈接語(yǔ)句為：

通過(guò)上述語(yǔ)句即可建立遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)的信息交流，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫(xiě)操作，進(jìn)而完成傳感數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)與調(diào)取。另外，上述語(yǔ)句中DataManage.mdb為Access數(shù)據(jù)管理庫(kù)，存放在電腦D盤(pán)的根目錄下，該管理庫(kù)內(nèi)包含了多個(gè)信息表，主要用于存儲(chǔ)所監(jiān)測(cè)傳感數(shù)據(jù)等信息。

所開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)查看和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析等功能，其主功能界面如圖11所示。

圖11 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件功能界面Fig. 11 Function interface of remote monitoring

4 測(cè)試試驗(yàn)與結(jié)果分析

為測(cè)試系統(tǒng)的通信質(zhì)量，于2016年9月12日在吉林省長(zhǎng)春市雙陽(yáng)區(qū)的一個(gè)試驗(yàn)測(cè)試區(qū)內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。該試驗(yàn)測(cè)試區(qū)具有一個(gè)糧庫(kù)，糧庫(kù)內(nèi)包含了3個(gè)糧倉(cāng)，且糧倉(cāng)在糧庫(kù)內(nèi)呈線性等間距布置。試驗(yàn)時(shí)，ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)中包括1個(gè)安裝在糧庫(kù)內(nèi)的糧庫(kù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)（編號(hào)為節(jié)點(diǎn)0）、3個(gè)安裝在糧倉(cāng)內(nèi)的糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)（分別編號(hào)為節(jié)點(diǎn)1-3）和1個(gè)安裝在糧庫(kù)內(nèi)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信信道均設(shè)置為12，對(duì)應(yīng)的通信頻率為2 410 MHz。所有監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率均設(shè)置為0 dBm，發(fā)射數(shù)據(jù)包均為1 000個(gè)，發(fā)射時(shí)間間隔設(shè)置為0.5 s。試驗(yàn)過(guò)程中，糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所包含的溫度傳感器和濕度傳感器被安置在糧倉(cāng)的中部位置。試驗(yàn)開(kāi)始后，可在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件上比對(duì)其所接收到的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包數(shù)量（表1），丟包率等于發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量減去接收數(shù)據(jù)包數(shù)量再除以發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量。

表1 試驗(yàn)結(jié)果Table 1 The test results

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，監(jiān)測(cè)軟件所接收的數(shù)據(jù)包少于監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)0至節(jié)點(diǎn)3的丟包率分別為 1.3%，2.6%，4.9%和0.7%（表1），說(shuō)明數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中存在丟包現(xiàn)象。這種現(xiàn)象很大原因是由于低功耗模塊通信鏈路具有很大的不規(guī)則性引起的[20]。各個(gè)節(jié)點(diǎn)的丟包率均小于5%，表明系統(tǒng)的通信質(zhì)量基本滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。

于2016年9月14日，在試驗(yàn)環(huán)境下對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)0進(jìn)行監(jiān)測(cè)所得。該監(jiān)測(cè)軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)的工作狀況，并能將監(jiān)測(cè)到的糧倉(cāng)、糧庫(kù)溫濕度信息以曲線形式顯示（圖12）。圖中分別以實(shí)線和虛線來(lái)表示監(jiān)測(cè)到的溫度和濕度。

圖12 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面Fig.12 Real-time monitoring interface

2016年9月14日，在上述試驗(yàn)測(cè)試區(qū)，對(duì)系統(tǒng)的火災(zāi)預(yù)警功能進(jìn)行了測(cè)試。首先，讓試驗(yàn)員在糧庫(kù)節(jié)點(diǎn)附近點(diǎn)亮打火機(jī)，并記錄其點(diǎn)火時(shí)刻的時(shí)間，之后將該時(shí)間與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件的監(jiān)測(cè)報(bào)警時(shí)刻做對(duì)比。通過(guò)多次試驗(yàn)后，得出系統(tǒng)對(duì)明火的報(bào)警響應(yīng)時(shí)間為1.8 s。

綜上所述，系統(tǒng)的通信質(zhì)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)崿F(xiàn)火災(zāi)預(yù)警報(bào)警功能；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件能夠功能正常工作，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程接收、監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)和管理。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的糧食倉(cāng)庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)采用ZigBee芯片CC2530作為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的核心處理器，采用火焰檢測(cè)傳感器R2868來(lái)實(shí)現(xiàn)糧庫(kù)明火報(bào)警功能，采用STC12C5A60S2單片機(jī)和光電傳感器設(shè)計(jì)了一套用于實(shí)時(shí)測(cè)量糧倉(cāng)存儲(chǔ)量的糧位測(cè)量?jī)x，并采用星型通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的傳輸。設(shè)計(jì)了ZigBee-GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與監(jiān)測(cè)預(yù)警功能，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件的設(shè)計(jì)可用來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)警報(bào)警等功能。

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的傳感數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件的傳輸丟包率小于5%，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)通信質(zhì)量要求；系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，對(duì)明火的預(yù)警響應(yīng)時(shí)間為1.8 s，能夠有效地預(yù)防糧庫(kù)火災(zāi)的發(fā)生；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件運(yùn)行正常，能達(dá)到糧庫(kù)、糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程接收、監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)和管理的目的。

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（責(zé)任編輯：童成立）

Design of remote monitoring system for granary based on internet of things

FENG Chao1, XU Yan-lei1,2
（1. College of Information, Jilin Agricultural University, Changchun, Jilin 130118, China; 2. Key Laboratory of Bionics Engineering, Ministry of Education, Jilin Agricultural University, Changchun, Jilin 130025, China）

In order to solve the problems of the insuffcient monitoring information, the untimely early warning, and the lack of remote monitoring and management in the food warehouse monitoring and warning system, this paper designs a grain warehouse remote monitoring and warning system based on internet of things. The system utilizes ZigBee chip - CC2530 as the core processor to realize the collection of data information for the environmental temperature and humidity, and the internal temperature and humidity of grain. Moreover, in this system, a fame sensor R2868 is used as the warehouse fre detector, and the multi-groups photoelectric sensors are used as the granary detection components with “vertical-equidistant-parallel” installation method to realize real-time monitoring of grain storage. At the same time, through the application of GPRS (General Packet Radio Service) technology and the design of remote monitoring software, the remote real-time monitoring and early warning and alarm function of grain warehouse can be realized. Test results show, the packet loss rate of the system is less than 5% and the fre alarm response time of the system is 1.8 s in the process of remote data transmission. Moreover, the remote monitoring software can meet the design requirements, so as to effectively achieve the remote monitoring and early warning function for the food warehouse.

internet of things, granary monitoring, CC2530, GPRS, fame sensor, remote monitor software

XU Yan-lei, E-mail: yanleixu@jlau.edu.cn.

S232.2

A

1000-0275（2017）02-0328-07

10.13872/j.1000-0275.2017.0005

馮超, 徐艷蕾. 基于物聯(lián)網(wǎng)的糧食倉(cāng)庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究, 2017, 38(2): 328-334.

Feng C, Xu Y L. Design of remote monitoring system for granary based on internet of things[J]. Research of Agricultural Modernization, 2017, 38(2): 328-334.

吉林省科技攻關(guān)項(xiàng)目（20150204007NY）；吉林省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（2016187）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2014BAD06B03）。作者簡(jiǎn)介：馮超（1989-），男，吉林長(zhǎng)春人，碩士生，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)，E-mail: 920762695@qq.com；通信作者：徐艷蕾（1979-），女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)信息化研究，E-mail: yanleixu@jlau.edu.cn。

2016-10-27，接受日期：2017-01-18

Foundation item: Key Science and Technology Project of Jilin Province (20150204007NY); Science and Technology Research Project of Education Department of Jilin Province (2016187); National Science and Technology Support Program of China (2014BAD06B03).

Received 27 October, 2016; Accepted 18 January, 2017