基于Zigbee和GPRS相結(jié)合的糧食數(shù)量無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

樊 超，楊鐵軍，張德賢，王 珂

（河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

基于Zigbee和GPRS相結(jié)合的糧食數(shù)量無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

樊 超，楊鐵軍，張德賢，王 珂

（河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

在糧倉底面及側(cè)壁排布壓力傳感器，通過壓強值擬合出糧食數(shù)量.提出了一種將Zigbee短距離無線通信技術(shù)與GPRS相結(jié)合的遠程糧情數(shù)據(jù)無線傳輸設(shè)計方案，完成了傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)采集節(jié)點以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點的硬件平臺設(shè)計，并基于該平臺開發(fā)了適合于糧情數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議及軟件.測試表明，該系統(tǒng)完全可以測量糧倉中的儲糧數(shù)量，測量誤差不大于5%.

糧食數(shù)量；Zigbee；GPRS；無線傳輸

0 引言

糧食作為我國重要的戰(zhàn)略資源，是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，糧食的數(shù)量、質(zhì)量與安全直接關(guān)系到國民經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定的大局.在糧食儲藏過程中，由于其易受溫度、濕度及其他人為因素的影響，導(dǎo)致糧食數(shù)量損失，威脅儲糧安全[1-2].因此及時準確地掌握存儲過程中糧食數(shù)量的實時變化情況，以便采取相應(yīng)的防控措施和制定合理的儲糧計劃，確保儲糧安全，是糧食儲藏過程中亟需解決的關(guān)鍵問題之一，是關(guān)系到國計民生的大事.

為了實時測量糧倉中的糧食數(shù)量，在糧倉的底部及側(cè)壁按照一定的規(guī)律安裝若干壓力傳感器，根據(jù)傳感器的測量值并利用數(shù)據(jù)融合算法即可推算出整個糧倉中的糧食數(shù)量.考慮到糧庫面積較大，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較多等特點，如果采用有線數(shù)據(jù)傳輸方式，勢必導(dǎo)致線纜敷設(shè)成本較高、維護困難.近年來，隨著通信技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）以其成本低、功耗低、無需布線等優(yōu)勢在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水文水利檢測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并成為目前研究的熱點方向.在綜合比較了各種無線數(shù)據(jù)傳輸方式的優(yōu)缺點以及適用范圍的情況下，認為采用Zigbee和GPRS來組建無線檢測網(wǎng)絡(luò)在糧庫數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶厥猸h(huán)境下更加簡單實用.

1 糧庫無線壓力傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

糧庫壓力無線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖1，整個系統(tǒng)按功能可以分為3個網(wǎng)絡(luò)：

（1）Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò).主要由分布在監(jiān)測區(qū)域的壓力傳感器與Zigbee無線模塊組成Zigbee終端節(jié)點，并以星型拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)[3-5].監(jiān)測區(qū)域內(nèi)按照距離的需要分布有Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點，所有的壓力數(shù)據(jù)都可以通過這一網(wǎng)絡(luò)上傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點.

（2）GPRS網(wǎng)絡(luò).與外界交互的數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器節(jié)點首先經(jīng)過基站收發(fā)信機BTS（Base Transceiver Station）傳入基站控制器 BSC（Base Station Controller） ，然后進入GPRS服務(wù)支持節(jié)點SGSN（Serving GPRS Support Node），SGSN通過GPRS骨干網(wǎng)連接到GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點 GGSN（Gateway GPRSSupport Node），最后數(shù)據(jù)經(jīng)過GGSN流入Internet[6-7].

（3）Internet網(wǎng)絡(luò).通過上位機服務(wù)器軟件處理和存儲采集到的糧情數(shù)據(jù)并進行分析匯總.為了提高系統(tǒng)的運行效率，增加安全性，服務(wù)器端采用分布式架構(gòu)，將數(shù)據(jù)處理分為邏輯層和數(shù)據(jù)層.邏輯層放在監(jiān)控服務(wù)器上，主要對數(shù)據(jù)進行收發(fā)、處理和分析，從而實現(xiàn)對糧情的監(jiān)控；數(shù)據(jù)層放在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，用于響應(yīng)邏輯層的請求，存儲數(shù)據(jù)并維護數(shù)據(jù)的完整性和安全性.

圖1 無線糧庫數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

整個系統(tǒng)中Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要負責(zé)現(xiàn)場壓力傳感數(shù)據(jù)的采集，GPRS網(wǎng)絡(luò)主要負責(zé)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，Internet網(wǎng)絡(luò)負責(zé)數(shù)據(jù)的遠程共享.

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn)

Zigbee網(wǎng)絡(luò)包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點和信息接收節(jié)點.數(shù)據(jù)采集節(jié)點與分布于現(xiàn)場的壓力傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連，主要負責(zé)將數(shù)據(jù)采集設(shè)備檢測到的壓力參數(shù)等信息進行相應(yīng)的處理，并通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送；信息接收節(jié)點與相應(yīng)的移動終端相連，主要負責(zé)接收前端采集節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)，并經(jīng)必要的處理后將其傳送給移動終端.根據(jù)Zigbee協(xié)議棧和AdHoc網(wǎng)絡(luò)的特點，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面考慮采用星型拓撲結(jié)構(gòu).在星型網(wǎng)中，信息收發(fā)節(jié)點這個功能強大的全功能設(shè)備FFD（Full Function Device）作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，位于網(wǎng)絡(luò)的中心，負責(zé)啟動Zigbee網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護節(jié)點的綁定關(guān)系表等；數(shù)據(jù)采集節(jié)點分布于各糧倉內(nèi)，作為網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備，由精簡功能設(shè)備RFD（Reduced Function Device）構(gòu)成，負責(zé)與實際的監(jiān)控對象相連.在項目研究初期，由于糧庫現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)相對較少，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲較為合適，其優(yōu)點是路由相對比較簡單，便于擴展，可簡化與GPRS網(wǎng)絡(luò)的連接.

2.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要由傳感單元、電源模塊、處理器單元和通信單元組成，見圖2.主要完成數(shù)據(jù)采集、信號監(jiān)測和信息傳送的任務(wù).

圖2 Zigbee數(shù)據(jù)采集節(jié)點結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點中無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采用了Zigbee CC2430芯片，該芯片上整合了 Zigbee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器.它使用1個8位MCU（8051），具有 128 KB可編程閃存和 8 KB的 RAM，同時還包含14位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），可直接將遍布于糧倉內(nèi)部的壓力傳感器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，從而簡化了外圍電路設(shè)計，提高了可靠性.芯片外圍電路主要包括晶振時鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和單片機接口電路3部分.對于無線接收來說，從天線接收到的射頻信號首先經(jīng)過低噪聲放大器放大和正交下變頻到2 MHz的中頻信號，該信號經(jīng)過濾波、放大，再通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號.然后經(jīng)自動增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴，最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù).發(fā)射機部分采用直接上變頻.

2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負責(zé)Zigbee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互，同時負責(zé)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的組建、節(jié)點的加入和刪除等網(wǎng)絡(luò)維護工作.糧情監(jiān)控終端采集到的數(shù)據(jù)通過Zigbee無線傳感器模塊與協(xié)調(diào)器相連接，并通過協(xié)調(diào)器內(nèi)置的嵌入式處理器進行處理以及協(xié)議的封裝，然后發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò).根據(jù)此功能描述，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器應(yīng)包含3個部分：數(shù)據(jù)處理模塊、Zigbee無線通信模塊和GPRS通信模塊，硬件結(jié)構(gòu)見圖3.

圖3 協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)圖

由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的管理和數(shù)據(jù)的收發(fā)，需要大量的內(nèi)存和外存，并要求具有較高的數(shù)據(jù)吞吐率和處理能力，而微處理器又是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的核心，因此它的選擇將對整個監(jiān)測系統(tǒng)的功能實現(xiàn)產(chǎn)生決定性的影響.在綜合考慮芯片的兼容性和市場來源以及以上幾個方面要求的基礎(chǔ)上，選用了TI公司推出的基于ARM7TDMI內(nèi)核的32位RISC嵌入式系列微處理器TMS470R1A288作為主控微處理器，采用電源供電.該芯片工作在66 MHz頻段，具有低功耗、高性能等優(yōu)點，同時又具有非常豐富的片上資源，非常適合嵌入式產(chǎn)品的開發(fā).

Zigbee通信模塊仍然采用CC2430芯片.GPRS傳輸模塊選擇的是西門子公司的MC39I，該模塊主要由射頻天線、內(nèi)部Flash、SRAM、GSM基帶處理器等組成.GSM基帶處理器是模塊的核心部件，其作用相當(dāng)于一個協(xié)議處理器，用來處理主控制器通過串口發(fā)送的AT指令；射頻天線部分主要實現(xiàn)信號的調(diào)制和解調(diào)，以及外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉(zhuǎn)換.由于傳輸數(shù)據(jù)的承載方式是GPRS網(wǎng)絡(luò)，故SIM卡是不可缺少的，其功能是存儲數(shù)據(jù)和在安全條件下完成客戶身份鑒權(quán)和客戶信息加密算法的全過程.

3 傳感器網(wǎng)絡(luò)管理軟件設(shè)計

傳感器網(wǎng)絡(luò)管理軟件主要分3個部分：Zigbee測量節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和傳送模塊、協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)接收和發(fā)送模塊以及服務(wù)器控制管理模塊.

3.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設(shè)計（圖4）

Zigbee模塊在進行通信前，要進行有效的初始化.在初始化過程中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出主動請求連接傳感器節(jié)點的信令，在傳感器節(jié)點成功接收和驗證一個數(shù)據(jù)幀和MAC命令幀后，向匯節(jié)點返回確認幀，傳感器節(jié)點的Zigbee模塊處于休眠狀態(tài).對于定時數(shù)據(jù)發(fā)送模式，初始化結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器處于工作模式，等待傳感器節(jié)點的連接請求信令，當(dāng)定時時間已到，傳感器節(jié)點主動請求連接網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，并向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上報各壓力傳感器檢測到的糧情信息.同理，當(dāng)節(jié)點工作處于實時數(shù)據(jù)請求模式時，其流程與此類似，數(shù)據(jù)發(fā)送時，每個傳感器的壓力值由2個字節(jié)構(gòu)成并按照先低后高順序排列，這樣可以滿足數(shù)據(jù)的測量范圍.把采集到的壓力值以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器.每個從節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點的具體幀格式見表1.

3.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

圖4 數(shù)據(jù)采集節(jié)點流程

表1 數(shù)據(jù)幀格式

協(xié)調(diào)器在完成Zigbee網(wǎng)絡(luò)連接以及加入管理之后，就接收來自各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后通過GPRS發(fā)送到遠程控制中心.

通過GPRS完成數(shù)據(jù)發(fā)送分為兩步：撥號上網(wǎng)和基于Socket的網(wǎng)絡(luò)通信.撥號上網(wǎng)實質(zhì)是實現(xiàn)PPP連接（Point to Point Protocol over Ethernet-基于以太網(wǎng)的點對點協(xié)議連接）.建立連接后，通過PPP協(xié)議協(xié)商，得到系統(tǒng)本地IP，當(dāng)PPP協(xié)商成功后，GPRS登錄網(wǎng)絡(luò)成功，系統(tǒng)通過加載數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（TCP、UDP）實現(xiàn)與監(jiān)控中心計算機的Socket連接.為了保證GPRS網(wǎng)絡(luò)的可靠性，設(shè)計中使用了一些報告指令實現(xiàn)對模塊狀態(tài)的監(jiān)測，如AT指令響應(yīng)狀態(tài)查詢、PPP連接狀態(tài)查詢、TCP連接狀態(tài)查詢等.如果某次網(wǎng)絡(luò)連接失敗，GPRS模塊則斷開網(wǎng)絡(luò)連接，并延時一段時間后再嘗試第2次連接，若連接3次均未成功，GPRS模塊則斷電復(fù)位，重新進行一次新任務(wù)，流程見圖5.

系統(tǒng)在設(shè)計過程中，為了實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的控制與狀態(tài)查詢，將控制命令轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)信令，通過Internet和GPRS網(wǎng)絡(luò)，透明傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器終端.信令格式采用見表2所示的代碼幀格式，其中數(shù)據(jù)段根據(jù)傳輸信息類型（命令包或數(shù)據(jù)包）的不同其構(gòu)成亦有所不同，其包格式分別見表3、表4.

表2 通信協(xié)議信令格式

表3 命令包數(shù)據(jù)段結(jié)構(gòu)

表4 數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)段結(jié)構(gòu)

其中請求編號用來唯一標識一個命令請求，用于請求命令或通知命令，為方便起見，用發(fā)起命令請求的時間表示，其格式為：YYYYMMDDHHMMSS（共7個字節(jié)）.命令編號用來表示遠程監(jiān)控終端請求協(xié)調(diào)器進行何種操作的標識，其對應(yīng)關(guān)系見表5.設(shè)備編號用于標識協(xié)調(diào)器的ID號，賦予一個唯一特定代碼含義，只有校驗ID號正確后協(xié)調(diào)器才可能接收遠程服務(wù)器的命令.對于命令包，標志位表示數(shù)據(jù)是否需要應(yīng)答，其格式為：0000000A，若A=1，需要應(yīng)答；A=0，無需應(yīng)答.對于數(shù)據(jù)包，當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)較多時，需要對數(shù)據(jù)包進行拆包發(fā)送，總包號表示本次通信總共包含的包數(shù)，包號表示當(dāng)前數(shù)據(jù)包的編號.

表5 命令編碼與操作描述對應(yīng)關(guān)系

3.3 上位機監(jiān)控軟件設(shè)計

上位機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件架構(gòu)采用基于面向TCP/IP協(xié)議Socket通信機制的C/S結(jié)構(gòu)，采用C++語言編寫.主要功能是偵聽Socket請求并建立網(wǎng)絡(luò)連接，并將接收到的數(shù)據(jù)存儲到指定IP地址的服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，用戶可以通過客戶端瀏覽器（Brower）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的瀏覽和下載、提取和更新等操作.數(shù)據(jù)庫服務(wù)器使用Microsoft SQL數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對實時壓力數(shù)據(jù)的存儲和管理，并負責(zé)各個模塊與數(shù)據(jù)庫之間的交互，使數(shù)據(jù)庫對其他模塊透明.數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)經(jīng)過解析和處理后，通過系統(tǒng)管理服務(wù)器與用戶交互，從而使監(jiān)控軟件實現(xiàn)以下幾項主要功能：

圖5 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程

（1）數(shù)據(jù)采集功能：實時顯示現(xiàn)場各傳感器的壓力數(shù)據(jù)（圖6），并且隨時生成與打印數(shù)據(jù)報表，監(jiān)控人員可憑此掌握糧庫儲糧情況.

圖6 壓力傳感器實時數(shù)據(jù)

（2）查詢和統(tǒng)計分析功能：顯示各壓力傳感器的歷史數(shù)據(jù)，并可根據(jù)一定的算法計算出糧倉內(nèi)的儲糧數(shù)量，管理人員可以據(jù)此統(tǒng)計出糧庫的儲糧數(shù)量并進行合理的調(diào)度.

（3）異常報警功能：實時顯示現(xiàn)場壓力數(shù)據(jù)的異常情況或報警，及時通知巡站人員現(xiàn)場解決，同時操作員可對出現(xiàn)的報警信息進行確認和管理，了解儲糧過程中出現(xiàn)的異常情況.

4 試驗結(jié)果

為了驗證基于Zigbee和GPRS相結(jié)合的糧食數(shù)量測控系統(tǒng)的可靠性與實時性，選擇中央儲備糧聊城直屬庫23號倉作為實驗對象，倉房規(guī)格為7.2 m×24 m，堆糧高度 6 m，倉容量 700 t，倉內(nèi)布有2組1機3道地上籠風(fēng)道，儲糧品種為小麥.首先將傳感器在糧倉底面按十字型等間隔排布，在側(cè)壁按1.5 m等間距排布，然后逐次進糧，每次進糧量50 t并攤平，由傳感器采集壓力值并通過Zigbee無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點將各模塊的數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器節(jié)點，進而通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠程數(shù)據(jù)中心（設(shè)于鄭州）.最后根據(jù)壓力值擬合糧倉糧食數(shù)量，擬合結(jié)果見圖7.對測量結(jié)果使用數(shù)理統(tǒng)計方法進行分析.結(jié)果表明，該系統(tǒng)完全可以測量糧倉內(nèi)的糧食數(shù)量，在顯著水平為0.05下，糧食數(shù)量測量誤差不大于5%.

5 結(jié)論

圖7 糧食質(zhì)量擬合曲線

糧食數(shù)量的實時、在線、遠程監(jiān)測與調(diào)配是我國糧食安全工作的重點，也是糧食儲藏環(huán)節(jié)中亟待解決的關(guān)鍵問題.作者將Zigbee短距離無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)與GPRS遠程無線傳輸技術(shù)有機結(jié)合，在滿足實時、準確傳輸數(shù)據(jù)的同時，無需現(xiàn)場布線，成本較低，配置靈活.本系統(tǒng)的設(shè)計，為實現(xiàn)糧庫糧食數(shù)量的遠程實時監(jiān)控奠定了理論與實驗基礎(chǔ)，具有較好的研究價值和應(yīng)用前景.

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DESIGN OFWIRELESSGRAIN QUANTITY MONITORING SYSTEM BASED ON ZIGBEE AND GPRS

FAN Chao,YANG Tie-jun,ZHANG De-xian,WANG Ke
（School of Information Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China）

We arranged pressure sensors on the bottom and the sidewall of the barn to fit the real-time grain quantity in the barn through the pressure value.The paper proposed a design scheme of a remote grain situation data w ireless transm ission system w ith the combination of Zigbee short-distance w ireless communication technique and GPRS,completed the hardware platform design of data collection nodes and network coordination nodes in the sensor network,and developed a communication protocol and software suitable for the grain situation data real-time transm ission based on the platform.Tests showed that the system was feasible to measure the grain quantity in the barn,and themeasurement errorwas not less than 5%.

grain quantity； Zigbee； GPRS； w ireless transm ission

TS201；TP274+.2

B

CNKI:41-1378/N.20120208.0844.017

1673-2383（2012）01-0069-06

http://www.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20120208.0844.017.html

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2012-2-8 08:44:47AM

2011-09-18

國家自然科學(xué)基金（61071197）

樊超（1976-），男，河南鄭州人，博士，副教授，研究方向嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與圖像處理.