全信息化大型糧庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周軼捷，高雪霞

（1.江蘇第二師范學(xué)院南通分院 信息技術(shù)系，江蘇 南通 226100；2.新鄉(xiāng)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

0 前言

糧食儲(chǔ)備屬于國(guó)家戰(zhàn)略級(jí)建設(shè)內(nèi)容，直接影響到國(guó)家安全和社會(huì)穩(wěn)定，而大型糧庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建則是實(shí)現(xiàn)科學(xué)儲(chǔ)糧的必然要求.傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式是采用各種測(cè)試器材，進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)不達(dá)標(biāo)的糧庫(kù)，就立即采取有效措施加以改善.這種人工方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且效率低下，誤差很大.因此，開發(fā)一種基于信息化技術(shù)的大型糧庫(kù)智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來提高大型糧庫(kù)監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)性和現(xiàn)代性，進(jìn)而全面提高監(jiān)測(cè)效率，確保糧食安全.

作者提出一種基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的大型糧庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將各種實(shí)際采集和監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心.一旦發(fā)現(xiàn)糧庫(kù)出現(xiàn)異常情況時(shí)，及時(shí)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)糧庫(kù)數(shù)據(jù)還能夠通過互聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，有效提高了糧食儲(chǔ)備的信息化和智能化水平，實(shí)現(xiàn)了糧食儲(chǔ)備的科學(xué)性和安全性.

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)糧庫(kù)的實(shí)際布局和實(shí)施分布，在對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇時(shí)，主要采用樹狀結(jié)構(gòu)，具體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示.工控主機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控中心和平臺(tái)設(shè)備，主要負(fù)責(zé)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理和設(shè)備調(diào)控，通過終端顯示界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng).工控主機(jī)利用RS-2 接口與中心節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)有線連接，其他的節(jié)點(diǎn)全部統(tǒng)一采用CC2430 芯片，該芯片是由巨人TI公司研發(fā)的新一代承載ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的單片機(jī)芯片，該芯片完全符合IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，是一款非常不錯(cuò)的SOC ZigBee 產(chǎn)品.中心節(jié)點(diǎn)利用這款芯片集成的無線收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)與臨近路由節(jié)點(diǎn)的無線連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸.所有的路由節(jié)點(diǎn)都能夠根據(jù)實(shí)際需要同一定數(shù)量的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組合，形成無線監(jiān)測(cè)群.

圖1 路由節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架

通常來講，一個(gè)大型糧庫(kù)包含了許多不同類型的糧倉(cāng)群，這些糧倉(cāng)群之間或者它們和檢測(cè)中心之間一般存在著一定距離，因此采用有線連接更為安全和可靠.而一個(gè)糧倉(cāng)群一般由多個(gè)糧倉(cāng)組成，彼此相隔不遠(yuǎn)，數(shù)量眾多，因此通過無線進(jìn)行連接，不僅能夠滿足技術(shù)要求，而且有效降低了施工成本.對(duì)一個(gè)糧倉(cāng)要進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，所以監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間最好采用靈活的無線連接.

每個(gè)糧倉(cāng)都具有一個(gè)無線監(jiān)測(cè)群，終端節(jié)點(diǎn)除了能夠和臨近節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通外，還要利用相應(yīng)的傳感器和信號(hào)處理器，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)定時(shí)或?qū)崟r(shí)上傳到上一級(jí)的節(jié)點(diǎn)，由此一級(jí)一級(jí)上傳，直到工控主機(jī)相連的中心節(jié)點(diǎn).

為強(qiáng)化終端數(shù)據(jù)可讀性，終端節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)可以增加顯示模塊，以便管理人員現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)掌握糧庫(kù)的具體情況.若是糧倉(cāng)裝有專門的環(huán)境調(diào)控設(shè)備，一旦監(jiān)測(cè)出糧倉(cāng)環(huán)境不達(dá)標(biāo)時(shí)，就可以通過中央監(jiān)控平臺(tái)收到的警報(bào)信息，通過各級(jí)路由節(jié)點(diǎn)傳達(dá)指令，自動(dòng)啟動(dòng)環(huán)境調(diào)控設(shè)備，以信息化方式實(shí)現(xiàn)糧庫(kù)的智能化管理和調(diào)控.

2 軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 軟件監(jiān)控設(shè)計(jì)

2.1.1 中央監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

中央監(jiān)控系統(tǒng)主要采用組態(tài)軟件，利用結(jié)構(gòu)模塊化，設(shè)計(jì)出人機(jī)互動(dòng)和數(shù)據(jù)分析界面，以充分滿足大型糧庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際需要.該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要涉及運(yùn)行方式的選擇、無線監(jiān)測(cè)群和終端節(jié)點(diǎn)的頂點(diǎn)監(jiān)控、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的信息化處理、數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)、自動(dòng)報(bào)警和控制輸出等方面.

2.1.2 中心節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

中心節(jié)點(diǎn)程序包含許多子程序，有數(shù)據(jù)巡回采集和處理程序、數(shù)據(jù)頁(yè)面顯示程序、自動(dòng)報(bào)警程序、人工輸入程序和中斷指令程序等.中心節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)要結(jié)合整體系統(tǒng)的實(shí)際需求加以靈活設(shè)計(jì)，若是想要實(shí)現(xiàn)中心節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立運(yùn)行，需要采取主從工作模式實(shí)現(xiàn)無線連接，由此需要對(duì)數(shù)據(jù)顯示、自動(dòng)報(bào)警和人工輸入等程序的中斷子程序加以重新設(shè)計(jì).若是部分采用有線連接，雖然在硬件設(shè)計(jì)上有所不同，但和無線連接在軟件工作流程上是相同的.

2.1.3 路由節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

由于路由節(jié)點(diǎn)程序流程和結(jié)構(gòu)與中心節(jié)點(diǎn)相似，因此路由節(jié)點(diǎn)主程序設(shè)計(jì)參照中心節(jié)點(diǎn)軟件進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，主要通過中心節(jié)點(diǎn)的循環(huán)呼喚，使得終端節(jié)點(diǎn)分時(shí)異步向上級(jí)路由節(jié)點(diǎn)傳輸實(shí)際監(jiān)控所得數(shù)據(jù)，在工控主機(jī)調(diào)用數(shù)據(jù)顯示子程序時(shí)，向中心節(jié)點(diǎn)傳輸由終端節(jié)點(diǎn)傳來實(shí)時(shí)數(shù)據(jù).

2.1.4 終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

通常來講，終端節(jié)點(diǎn)都被安放于糧倉(cāng)內(nèi)部，通過傳感器模塊進(jìn)行連接，并形成無線監(jiān)控群.終端節(jié)點(diǎn)主程序開始后，首先要進(jìn)行初始化，然后對(duì)各級(jí)傳感器的狀態(tài)參數(shù)加以讀取，并在分析計(jì)算后加以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和終端顯示.當(dāng)各級(jí)傳感器的狀態(tài)數(shù)據(jù)全部讀取后，對(duì)路由節(jié)點(diǎn)是否存在數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求加以全面檢查，若是沒有請(qǐng)求則繼續(xù)循環(huán)讀取傳感器狀態(tài)參數(shù).若是有數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求，就及時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)傳輸程序，直到將數(shù)據(jù)全部傳輸過去，再進(jìn)行新一輪的傳感器數(shù)據(jù)讀取、采集和處理.一旦所采集的傳感器數(shù)據(jù)超出限定值，就及時(shí)調(diào)用中斷程序執(zhí)行中斷指令.

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 中繼節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

具體來講，中繼節(jié)點(diǎn)由一個(gè)單片機(jī)、兩個(gè)無線路由節(jié)點(diǎn)和WIFI 模塊組成.一個(gè)單片機(jī)與兩個(gè)基于CC2430 芯片技術(shù)處理的路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，兩個(gè)ZigBee 路由節(jié)點(diǎn)分別放置在糧倉(cāng)內(nèi)部和外部.由于中繼節(jié)點(diǎn)需要一直處于工作狀態(tài)，因此中繼節(jié)點(diǎn)需要采用直流電源以確保供電系統(tǒng)的正常運(yùn)作.WIFI 模塊采用WIFI 轉(zhuǎn)串口模塊，這樣不僅可以不用進(jìn)行協(xié)議開發(fā)，而且能夠有效加強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性.

2.2.2 路由節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)是每個(gè)糧倉(cāng)無線監(jiān)測(cè)群的核心節(jié)點(diǎn)，是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有重要的數(shù)據(jù)過渡傳輸作用，是終端節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)連接的紐帶，還能夠獨(dú)立于中央監(jiān)控系統(tǒng)之外，實(shí)現(xiàn)局部的自我監(jiān)測(cè).

2.2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

不同于中繼節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)的核心，該節(jié)點(diǎn)主要有單片機(jī)、ZigBee 協(xié)調(diào)器設(shè)備、USM 模塊和WIFI 轉(zhuǎn)串口模塊組成.該節(jié)點(diǎn)需要具備超強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析和處理能力，所以仍然采用基于CC2430 芯片技術(shù)處理的ZigBee 協(xié)調(diào)器設(shè)備，利用個(gè)人計(jì)算機(jī)將其配置成協(xié)調(diào)器.

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的調(diào)試與實(shí)現(xiàn)

在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面調(diào)試，首先對(duì)ZigBee 無線傳輸?shù)膶?shí)際距離進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)實(shí)際需求加以具體的分析；然后構(gòu)建系統(tǒng)模型，并利用系統(tǒng)模型對(duì)所處環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)控.

3.1 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸距離測(cè)試

對(duì)ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)模塊的測(cè)試，主要是對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用的無線通信模塊能否實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸以及對(duì)傳輸質(zhì)量、數(shù)據(jù)丟包率以及實(shí)際傳輸距離等方面進(jìn)行測(cè)試.采取的方式是通過數(shù)據(jù)發(fā)送端向數(shù)據(jù)接收端傳輸數(shù)據(jù)，然后根據(jù)獲取的實(shí)際數(shù)據(jù)包數(shù)量對(duì)無線通信質(zhì)量加以衡量.在實(shí)際測(cè)試中，將數(shù)據(jù)發(fā)送端向數(shù)據(jù)接收端循環(huán)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的次數(shù)設(shè)定為定值1 000，然后在數(shù)據(jù)接收端對(duì)軟件參數(shù)進(jìn)行設(shè)定：若是成功接收一次數(shù)據(jù)包，那么接收數(shù)據(jù)包數(shù)就加1；如果沒有成功接收數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)包數(shù)就不變，傳輸?shù)木嚯x由40 m 開始，每隔10 m 進(jìn)行一次測(cè)量.因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，無線模塊會(huì)存在糧庫(kù)內(nèi)外部相間的情況，因此在測(cè)量時(shí)也要加以區(qū)別，分為中間無間隔測(cè)量和中間有間隔測(cè)量?jī)煞N試驗(yàn)測(cè)量情況.具體測(cè)量結(jié)果如表1和表2 所示.

表1 無間隔的無線傳輸測(cè)試

表2 有間隔的無線傳輸測(cè)試

由表1 和表2 可知，在無間隔的狀態(tài)下，兩者都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)傳輸.盡管隨著距離的加大，數(shù)據(jù)丟包率也隨之上升，但就算距離達(dá)到了100 m，最高丟包率也低于10%.而在有間隔無線傳輸?shù)臓顟B(tài)下，通信質(zhì)量明顯下降了，當(dāng)實(shí)際傳輸距離達(dá)到100 m 時(shí)，丟包率竟高達(dá)78.9%.由此可知，糧倉(cāng)倉(cāng)壁對(duì)ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠绊懛浅４?

在所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，利用ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大型糧庫(kù)的智能化監(jiān)控，糧倉(cāng)內(nèi)部的終端節(jié)點(diǎn)和糧倉(cāng)外部的路由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)體系.在數(shù)據(jù)采集的過程中，終端節(jié)點(diǎn)需要將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸給上級(jí)路由節(jié)點(diǎn)，通過實(shí)際的試驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，無線模塊完全能夠滿足整體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際需求.

3.2 系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)現(xiàn)

在對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行測(cè)試過程中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中共設(shè)置了10 個(gè)終端節(jié)點(diǎn)、2 個(gè)路由節(jié)點(diǎn)、CAN 總線和工控總機(jī).將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一分為二，并通過CAN 總線實(shí)現(xiàn)連接，每個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)下設(shè)1 個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和5 個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，而在所有的終端節(jié)點(diǎn)上都安置溫度傳感器和濕度傳感器.當(dāng)設(shè)計(jì)完畢后，將兩個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)分別置于不同的環(huán)境之下，分別標(biāo)記為M 號(hào)網(wǎng)絡(luò)和N 號(hào)網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)體系下的終端節(jié)點(diǎn)則分別標(biāo)記為M1、M2、M3、M4、M5、N1、N2、N3、N4 和N5.系統(tǒng)模型構(gòu)建完成后，傳感器每隔1 h 對(duì)所處環(huán)境的溫度和濕度參數(shù)進(jìn)行采集，然后將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た乜倷C(jī)，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算之后，通過顯示程序?qū)⒔Y(jié)果顯示在終端界面上，同一時(shí)間點(diǎn)，10 個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)到的溫度和濕度結(jié)果如表3 所示.

在系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的過程中，采用相應(yīng)的手持測(cè)量設(shè)備對(duì)兩個(gè)傳感器所處環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行測(cè)試，而通過兩種不同方式所采集的數(shù)據(jù)相差無幾，誤差非常小.

表3 采集濕度和溫度的結(jié)果

為了對(duì)系統(tǒng)能長(zhǎng)期運(yùn)行進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試過程中，將傳感器放在戶外，讓傳感器全天候采集數(shù)據(jù)，對(duì)室外1 d 的溫度和濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集.在測(cè)試中，從清晨6:00 到夜間12:00，每隔1 h 采集一次溫度和濕度數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如圖2 和圖3所示.

圖2 溫度變化曲線

圖3 濕度變化曲線

從圖2 不難發(fā)現(xiàn)，從清晨6:00 到夜間12:00的溫度范圍基本維持在5～20 ℃.整體來講，溫度曲線呈弓形變化.在早晨太陽未出來之前，溫度比較低.上午溫度呈明顯上升趨勢(shì)，直到14:00 達(dá)到最高.然后隨著太陽西落，溫度呈明顯的下降趨勢(shì)，到了夜間，溫度下降幅度越來越大.

從圖3 不難發(fā)現(xiàn)，從早晨6:00 到夜間12:00的濕度基本維持在35%～88%.清晨露水較重，所以空氣濕度最大，而當(dāng)太陽出來后，空氣中的霧氣逐漸蒸發(fā)，濕度隨著時(shí)間推移而逐漸下降，直到晚上，空氣中的水蒸氣再次凝聚，濕度又隨之呈上升趨勢(shì).

從圖2 和圖3 來看，盡管測(cè)量結(jié)果與實(shí)際存在一定誤差，但卻非常符合1 d 的溫度和濕度的變化規(guī)律，由此表明，作者設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo).

4 結(jié)語

利用ZigBee 無線通信技術(shù)、CC2530 芯片技術(shù)和USM 模塊技術(shù)等信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大型糧庫(kù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息化設(shè)計(jì).整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無線設(shè)計(jì)，有效提高了系統(tǒng)安裝和維護(hù)的便捷性和靈活性.通過普通智能手機(jī)安裝專門的監(jiān)測(cè)終端軟件，就能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)接入糧庫(kù)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)糧庫(kù)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，全面提高了糧庫(kù)巡查的便捷性和糧庫(kù)監(jiān)測(cè)的信息化.通過WIFI 模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)糧庫(kù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了糧庫(kù)實(shí)時(shí)管理的靈活性.采用USM 報(bào)警模塊，一旦糧庫(kù)環(huán)境發(fā)生異常情況，就會(huì)及時(shí)報(bào)警，由此提高了糧食儲(chǔ)備的安全性和可靠性.

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