基于GPRS和ZigBee的糧庫智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

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摘 要 針對目前糧庫中糧食儲存存在的監(jiān)控點分布范圍廣和一些的相關存儲環(huán)境的參數(shù)的情況，實現(xiàn)了一種星型網絡拓撲結構的糧庫智能監(jiān)控系統(tǒng)。選用MC13213&BeeKit芯片和相關環(huán)境參數(shù)傳感器構成終端節(jié)點，與作為中心節(jié)點的GPRS網關組成星型網絡結構，通過將實時數(shù)據(jù)傳送到遠程監(jiān)控中心。此外，遠程管理員還可以通過Internet主動向GPRS網關發(fā)送查詢命令，進行實時監(jiān)控。實驗結果顯示，本糧庫智能監(jiān)控系統(tǒng)具有布置網絡靈活、動工成本低、傳輸穩(wěn)定，為目前糧庫的提供了更科學的管理方式。

【關鍵詞】ZigBee 無線智能監(jiān)控系統(tǒng) 傳感器 GPRS 網關

俗話講“國以民為本，民以食為天”，體現(xiàn)了糧食對于一個國家的重要性。據(jù)統(tǒng)計，我國糧食生產總量從1978年前的3億噸多一點迅速增長到2012年的近6億噸。在糧食產量如此增長的基礎上，如何更好地保存糧食成為各個地方糧庫工作的關鍵點。為了防止糧庫中的糧食發(fā)生腐爛或者產生變質等情況，需要精確掌控糧庫中的煙霧濃度、光照度、溫濕度等重要信息，控制其在指定的安全范圍之內。進而避免因糧庫內部溫濕度變化引起的糧食霉變和蟲害問題。

ZigBee是一種最新興起的無線網絡通信技術。其特點是傳輸速率慢，功耗低，材料使用成本低，適用于短距離穩(wěn)定可靠傳輸。承載這種技術的MC13213芯片模塊，與當代傳感器模塊相結合，并與GPRS網關構成星型網絡，可實現(xiàn)大型糧庫中糧食存儲環(huán)境的智能檢測，實現(xiàn)自動調節(jié)、實時監(jiān)控、遠程報警的目標。采用無線傳感網技術實現(xiàn)的智能糧庫監(jiān)控預警系統(tǒng)，重點解決傳感器模塊與承載ZigBee技術的MC13213芯片可靠組合，依靠通訊協(xié)議標準，達到檢測無線網絡穩(wěn)定傳輸信息的標準，廢除人工憑感覺監(jiān)控的粗糙方式，不但簡化施工和增加了節(jié)點的分布范圍、而且能更方便地拓展功能、降低維修的難度。由于系統(tǒng)具備十分智能的監(jiān)控手段，能為目前的糧庫設施提供更加科學和現(xiàn)代化的管理，節(jié)約人力物力，增強工作效率。

1 系統(tǒng)總體架構

系統(tǒng)主要由分為硬件和軟件兩大部分。硬件部分包括終端節(jié)點和無線網絡，無線網絡分為短距離的Zigbee無線網絡和長距離的GPRS無線通訊網絡。軟件部分主要是存儲和管理數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)結構如圖1所示。

1.1 傳感器終端節(jié)點

在糧庫的各個位置放置的用于監(jiān)測環(huán)境溫度、濕度和煙霧等各種環(huán)境參數(shù)的傳感器與ZigBee模塊（MC13213）連接在一起組成終端節(jié)點，由此實現(xiàn)實時感知糧庫各個不同位置的環(huán)境參數(shù)。此外，還能通過網絡，接收遠程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控與管理指令，進而實現(xiàn)遠程操控。

1.2 ZigBee無線網絡

為了實現(xiàn)在糧庫各個位置全方位無死角監(jiān)控環(huán)境參數(shù)，將傳感器終端節(jié)點安裝在糧庫各個位置。傳感器終端節(jié)點將接收到的信息，傳送到網關，以此形成監(jiān)控網絡。網關接收到ZigBee網絡中的實時數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳送到與之通過RS-232串口連接的GPRS模塊。

1.3 GPRS網絡

GPRS網絡通過使用分組交換技術，能夠兼容GSM。通過GPRS網絡，將匯集在協(xié)調器節(jié)點的溫濕度等實時數(shù)據(jù)傳送到遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

1.4 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

遠程監(jiān)控系統(tǒng)通過GPRS網絡，接收網關傳輸過來的數(shù)據(jù)，進行實時比對，檢查是否超過系統(tǒng)中設置好的標準的環(huán)境參數(shù)警戒值。一旦超出警戒值，立即發(fā)出報警信息以便工作人員在警報指定的糧庫地點，即時采取的處理突發(fā)事故的應急措施。

2 硬件架構

2.1 傳感器終端節(jié)點的設計

傳感器終端節(jié)點可以分為RFD節(jié)點（稱為精簡功能設備）和FFD節(jié)點（稱為全功能設備）。RFD節(jié)點只負責進行采集數(shù)據(jù)，F(xiàn)FD節(jié)點具有路由和中繼功能。FFD節(jié)點之間可以通信，還可與RFD節(jié)點通信.FFD節(jié)點可以防止RFD節(jié)點與網關無法進行通信的問題，能夠實現(xiàn)RFD節(jié)點和網關通信的目的。

節(jié)點的硬件主要有連有5V電源的電路板、ZigBee無線網絡傳輸模塊、傳感器檢測環(huán)境參數(shù)的模塊3部分構成一個節(jié)點。

2.2 網關的設計

2.2.1 電源底板

為了解決不行麻煩和電線暴露在室外容易產生的危險，網關使用3節(jié)7號電池，為系統(tǒng)的ZigBee網絡傳輸模塊和GPRS網絡傳輸模塊提供能量。電量不足給監(jiān)測帶來的不便。

2.2.2 MC13213無線模塊

通過對比采購各個無線模塊相關的成本、功耗和開發(fā)軟硬件難易程度等因素，決定選用Freescale公司的MC13213芯片作為終端節(jié)點和無線網關中的ZigBee模塊，通過SIP技術將一個功耗底的射頻收發(fā)器和8個主科MCU封裝在一起。MCU用來存放ZigBee協(xié)議棧，通過4 KB RAM和64 KB FLASH，可以實現(xiàn)簡單應用程序的工作。它的CPU的時鐘頻率由于可以達到40 MHz，能夠實時地發(fā)送無線射頻。它集成了1個SPI ，1個IIC和2個SCI （串行通信接口），它擁有的3種低功耗模式中，功耗最低的模式只需消耗20 nA。

無線模塊引腳圖如圖2所示。

2.2.3 傳感器的選取

終端節(jié)點中用于監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的溫濕度傳感器選用瑞士Sensirion公司的SHT75數(shù)字傳感器，它能隙式測溫元件和電容式聚合體測濕元件組成，連接上A/D轉換器后，實現(xiàn)與串行接口電路的同一芯片上的無縫連接。SHT75能夠監(jiān)測的溫度范圍在- 41℃到122.8℃之間 ，精度可達±0.3℃ ，能夠檢測的濕度范圍為0～100%RH，精度可達±1.8%RH。SHT75的數(shù)據(jù)交換是通過微控制器和采用串行接口進行的，通過MC13213的I/0口與它的SCK（串行時鐘輸入）和DATA （串行數(shù)據(jù)）引腳分別直接與相連。

2.3 GPRS模塊的選型

GPRS模塊用于將糧庫實時環(huán)境參數(shù)信息的傳輸?shù)竭h程上位機監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)選用了Siemens公司的新一代能夠實時、高效、安全和可靠地傳送數(shù)據(jù)、短信和語言的GPRS模塊MC35i。MC35i模塊可以達到永久在線實時傳輸?shù)墓δ?，通過RS-232接口接收MC13213發(fā)送的AT命令和數(shù)據(jù)，達到設定模塊、數(shù)據(jù)輸入/輸出以及控制系統(tǒng)等功能。MC35i的ZIF連接器具有40引腳，用于完成電源的連接和數(shù)據(jù)信號的傳送，傳送速率可以達到162.3kb/s。

3 軟件架構設計

在上位機所在遠程監(jiān)控系統(tǒng)上運行應用軟件，通過internet獲取GPRS遠程數(shù)據(jù)，存儲并顯示在界面中，實現(xiàn)監(jiān)控與管理的功能。

3.1 傳感器終端節(jié)點的子系統(tǒng)設計

傳感器終端節(jié)點子系統(tǒng)分為環(huán)境參數(shù)感知傳感器模塊、ZigBee無線通信和用于處理信息的信息分析模塊。通常，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，當接收到網絡發(fā)送的采集環(huán)境參數(shù)的命令或提前設置好的中斷觸發(fā)時，環(huán)境參數(shù)會通過過ZigBee網絡進行傳輸。

其主要程序流程如圖3所示。

3.2 網關子系統(tǒng)的設計

網關在通電后先初始化MC13213，建立一個ZigBee無線網絡。隨著傳感器終端節(jié)點的依次加入，無線網絡中各個傳感器終端節(jié)點獲得來自網關的分配地址。當遠程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送需要數(shù)據(jù)監(jiān)控命令時，網關通過ZigBee無線網絡向各個傳感器終端節(jié)點發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令，并且準備接收來自傳感器終端節(jié)點發(fā)送來的實時環(huán)境參數(shù)。 當子系統(tǒng)通電后，使用AT指令初始化GPRS模塊，期間對GPRS模塊的工作參數(shù)（工作方式和波特率等）的進行設置，使其連入GPRS網。通過內置的芯片，與GGSN撥號協(xié)商，取得動態(tài)IP地址， 接入Internet。最終，網關通過GPRS網絡與遠程監(jiān)控中心實現(xiàn)全雙工的數(shù)據(jù)通信方式。糧庫中的各個環(huán)境參數(shù)由此被傳送到遠程監(jiān)控系統(tǒng)中。網關子系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

3.3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計

遠程監(jiān)控系統(tǒng)是由網關、監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)庫服務器構成。網關完成終端節(jié)點與上位機監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)議匹配，接收終端節(jié)點采集到的實時環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳遞給上位機監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)能夠將糧庫中的實時環(huán)境參數(shù)顯示到窗口，可以實時地調取各個環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并對此進行測評等。數(shù)據(jù)庫服務器可以保存以往環(huán)境中的參數(shù)，并通過內置算法對其進行相關參數(shù)的挖掘和分析預測。

從傳感器終端節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫后，系統(tǒng)對其進行分析和檢測，將與設定的警戒值進行比對，如果超過規(guī)定的標準范圍，立即發(fā)送報警信息。

遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用圖形化界面，工作人員在遠程監(jiān)控系統(tǒng)的屏幕是能夠直觀地查看到遠端糧庫現(xiàn)場的溫度、濕度和煙霧濃度等參數(shù)變化情況。選用人機交互形式，使用彈出式窗口、下拉列表單、快捷鍵操作和防范錯誤等技術，提升用戶體驗。

4 系統(tǒng)測試

在對傳感器終端節(jié)點、網關節(jié)點和GPRS模塊分別進行單獨性能測試之后，整個監(jiān)測系統(tǒng)在糧庫進行了現(xiàn)場的功能測試。通過在當?shù)匦⌒图Z庫中布置8個終端節(jié)點、2個協(xié)調器節(jié)點、1個網關和1臺配有上位機監(jiān)控系統(tǒng)的計算機，在現(xiàn)場對系統(tǒng)進行了測試?，F(xiàn)場將8個采用5 v電池供電的終端節(jié)點，分散安放在2個糧倉內。終端節(jié)點的環(huán)境參數(shù)傳感器模塊，采用了高精度溫濕度數(shù)字傳感器SHT75標注精度，通過系統(tǒng)中的硬件部分已無線數(shù)據(jù)的形式，將實時的溫濕度數(shù)據(jù)傳送給上位機監(jiān)控系統(tǒng)。當天測試現(xiàn)場的系統(tǒng)采集到的實時溫度和相對濕度分別為18.9℃，32%。測試表明，終端節(jié)點與網關的在有障礙的情況下，能在20m內穿過40cm的墻，在無障礙的情況下，無線通訊距離長達為136m。測試出的溫度，誤差不超過±0.3℃，測試出的相對濕度，誤差小于2%。終端節(jié)點傳送給上位機監(jiān)控系統(tǒng)的環(huán)境實時檢測參數(shù)的如果超標，計算機會立即顯示參數(shù)超標的參數(shù)值和地址，并進行報警提示。參數(shù)傳輸?shù)臅r間間隔可以通過軟件設置，現(xiàn)場測試采用了2s的間隔。軟件系統(tǒng)中，可以隨時調取歷史記錄，對歷史數(shù)據(jù)的查看。

參考文獻

[1]張洪潤.傳感器技術大全[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[2]潘勇，孟慶斌.基于DS18B20的多點溫度測量系統(tǒng)設計[J].電子測量技術，2008，31（9）：108-l12.

作者單位

蘇州大學計算機科學與技術學院 江蘇省蘇州市 215000