基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程糧倉環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

摘 要：針對傳統(tǒng)糧倉環(huán)境監(jiān)測方式，實時性低、效率低、人力物力資源耗費大等不足的現(xiàn)狀，結(jié)合無線通信技術(shù)、計算機技術(shù)、MEMS傳感器技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡相關(guān)技術(shù)，基于無線傳感器網(wǎng)絡，研究并設計了新型高效的，實時性強的遠程糧倉環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，組合搭建整個系統(tǒng)，進行軟硬件調(diào)試及系統(tǒng)功能測試。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；遠程監(jiān)控；傳感器；系統(tǒng)設計

中圖分類號：TP391.44 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

糧食是的安全貯存關(guān)系到人類活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，因此研究使用新的技術(shù)方法來實現(xiàn)智能高效的安全貯存與監(jiān)控，具有重要的研究價值，對于提高國內(nèi)糧食安全及質(zhì)量尤其關(guān)鍵[1]。當前面臨的問題是，現(xiàn)有的方法不足以滿足高可靠性，便捷管理，遠程維護的需求[2]，因此，利用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[3]、WEB技術(shù)[4]、嵌入式系統(tǒng)[5]、傳感器網(wǎng)絡技術(shù)[6]，可以實現(xiàn)新的基于物聯(lián)網(wǎng)的B/S管理模式的無線糧倉環(huán)境監(jiān)測[7]，并在一定的程度上擴展實現(xiàn)其他的相關(guān)監(jiān)測需求，使用戶能夠方便快捷的任何時間，任何地點采用任何終端來實現(xiàn)糧倉安全的管理，同時可以提供管理人員的隨時調(diào)用數(shù)據(jù)庫在線監(jiān)測糧倉的情況[8]，或者對糧倉進行抽樣調(diào)查，能夠很大程度上的節(jié)省人力和物力。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的糧倉監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析與設計

（Structural analysis and design of granary

monitoring system based on things）

基于物聯(lián)網(wǎng)的糧倉監(jiān)控系統(tǒng)可以從硬件上分為三個部分，包括網(wǎng)關(guān)，路由節(jié)點和無線傳感器的網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點。而從網(wǎng)絡層次上，可以分為用戶、網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點，一般來說，用戶層通過個人電腦上的客戶端瀏覽器登錄操作監(jiān)控的界面，實現(xiàn)遠程的監(jiān)控與維護；而中間層次為網(wǎng)關(guān)，負責上傳與下達；最底層是網(wǎng)絡中的各個傳感器節(jié)點，路由節(jié)點可以與主控直接連接，距離比較遠的節(jié)點需要通過路由節(jié)點進行傳輸。控制系統(tǒng)采用B/S操作模式，所見即所得，方便用戶管理，與網(wǎng)頁類似，對操作員的培訓相對容易，開發(fā)維護方便，能夠?qū)崿F(xiàn)最大限度地節(jié)省人力。具體的設計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的糧倉環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

Fig.1 System block diagram of granary environmental

monitoring system based things

由左邊基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡各傳感器節(jié)點采集糧倉環(huán)境信息（溫濕度及煙霧濃度等），經(jīng)路由節(jié)點匯聚到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)對收集的參數(shù)信息進行處理，將處理后的信息通過串口傳送給電腦服務器或者通過GPRS傳給手機用戶終端。在線管理人員通過相應的瀏覽器訪問WEB服務器，在操作界面上打開程序截面，操作相應的功能按鈕，實現(xiàn)需要操作維護的功能，實現(xiàn)對查看糧倉內(nèi)傳感器節(jié)點和路由節(jié)點采集的糧倉內(nèi)環(huán)境參數(shù)和調(diào)節(jié)通風設備如排氣扇用以平衡糧倉內(nèi)溫度、濕度，也可進入歷史信息查詢頁面讀取以往的查詢記錄，從而實現(xiàn)實時，高效的遠程監(jiān)測。數(shù)據(jù)的采集工作可由每個搭載傳感器的節(jié)點完成。協(xié)調(diào)器負責建立網(wǎng)絡，匯聚終端節(jié)點信息，進行數(shù)據(jù)融合處理，經(jīng)串口通信連接網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。網(wǎng)關(guān)建立ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡與Internet的連接，上傳數(shù)據(jù)至客戶端。自主設計了PC客戶端，直觀呈現(xiàn)了糧倉環(huán)境信息，手機移動終端亦可實時監(jiān)控糧倉環(huán)境變化。

3 系統(tǒng)模塊設計（Design of system module）

3.1 傳感器節(jié)點設計

傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。傳感器節(jié)點主要由CC2530模塊（終端節(jié)點）、供電裝置、調(diào)試電路、溫濕度傳感器（SHT11）及煙霧傳感器（MQ-2）等組成，首先，傳感器節(jié)點中的各個傳感器采集有關(guān)的數(shù)據(jù)，然后將采集后的數(shù)據(jù)傳送給高集成度的工業(yè)用射頻收發(fā)器件CC2530，最后由CC2530完成數(shù)據(jù)的處理并將數(shù)據(jù)發(fā)送給路由節(jié)點。

圖2 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

Fig.2 Block diagram of sensor nodes

3.2 路由節(jié)點設計

路由節(jié)點主要由CC2530模塊（ZigBee終端節(jié)點）、供電裝置及電路、煙霧傳感器、調(diào)試電路、LCD液晶顯示電路、溫濕度傳感器等組成。如圖3所示，路由節(jié)點與傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)圖類似，路由節(jié)點只多一個LCD液晶顯示電路，但他們功能有區(qū)別。首先，路由節(jié)點具有傳感節(jié)點采集數(shù)據(jù)的功能。其次，路由節(jié)點還具有允許節(jié)點加入網(wǎng)絡的功能，當有節(jié)點請求加入網(wǎng)絡時，路由節(jié)點可以響應加入請求，并允許該節(jié)點加入到網(wǎng)絡中和新加入的節(jié)點成為父子關(guān)系。再者，路由節(jié)點能夠接收來自子節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)并將自己采集的數(shù)據(jù)和接收到子節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送給它的父節(jié)點，在網(wǎng)絡中既有傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)的功能，又具有路由功能。在路由節(jié)點中帶有LCD液晶顯示器，可以實時的顯示節(jié)點采集的溫濕度和煙霧濃度的數(shù)據(jù)。最后在路由節(jié)點中還帶有通風設備如排氣扇用以平衡糧倉內(nèi)溫度、濕度。

圖3 路由節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

Fig.3 Block diagram of the routing node

3.3 網(wǎng)關(guān)模塊設計

如圖4所示，網(wǎng)關(guān)模塊主要由CC2530模塊（ZigBee終端節(jié)點）、供電裝置及電路、煙STM32處理器最小系統(tǒng)、調(diào)試電路、LCD液晶顯示電路、串口電路、GPRS電路等組成。首先，數(shù)據(jù)通過終端節(jié)點上報，在處理中進行出路后送到串口電路中，同時需要有相關(guān)的調(diào)試電路，數(shù)據(jù)處理后送達GPRS模塊和LCD顯示器，GPRS模塊可以將手機卡插入SIM卡座，通過相應的AT指令便可以很方便地實現(xiàn)用戶對糧倉環(huán)境進行監(jiān)控。用戶可用手機和電腦登錄網(wǎng)頁，在網(wǎng)上查看糧倉內(nèi)傳感器節(jié)點和路由節(jié)點采集的糧倉內(nèi)環(huán)境參數(shù)，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)測。

圖4 網(wǎng)關(guān)模塊結(jié)構(gòu)框圖

Fig.4 Gateway module structure diagram

3.4 監(jiān)控系統(tǒng)模塊設計

監(jiān)控系統(tǒng)主要包括三個部分：用戶登錄界面、現(xiàn)場監(jiān)測部分、歷史信息查詢部分，這些主要用HTML語言來編寫，并且采用相應的數(shù)據(jù)庫來支持相關(guān)的操作和訪問。如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)設計

Fig.5 Design of monitoring system

總之，該系統(tǒng)能夠準確的實現(xiàn)對糧倉內(nèi)溫濕度、煙霧濃度的實時監(jiān)測；采集的相關(guān)數(shù)據(jù)能夠及時的發(fā)送到用戶端，并根據(jù)數(shù)據(jù)提出相關(guān)的建議；當糧倉環(huán)境參數(shù)超出限定值時，系統(tǒng)會發(fā)送信息給管理者進行預警；管理者可以通過手機或者電腦登錄網(wǎng)頁發(fā)送指令對糧倉內(nèi)環(huán)境參數(shù)或啟動相關(guān)的調(diào)節(jié)設備，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)測及管理。

4 結(jié)論（Conclusion）

本文解決了目前糧倉環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)維護成本高、系統(tǒng)可拓展性差、移動性差等問題，填補傳統(tǒng)糧食儲藏技術(shù)手段的嚴重不足，提高監(jiān)控的實時性和監(jiān)控效率，提高了倉庫管理的應急處理，有針對性的提供處理方案，實現(xiàn)了可靠性高，智能、性能優(yōu)越的基于無線傳感器的網(wǎng)絡監(jiān)控，可以提高現(xiàn)有倉庫管理的水平，節(jié)省了大量的人力和物力，降低了倉庫的損失，具有重要的經(jīng)濟價值。

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作者簡介：

徐艷玲（1979-），女，碩士，講師，研究領(lǐng)域：計算機網(wǎng)絡，

數(shù)據(jù)庫應用.