基于ZigBee的智能糧倉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張小娟, 蘇 娟

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

基于ZigBee的智能糧倉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張小娟, 蘇 娟

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

通過ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的傳感器采集糧倉環(huán)境參數(shù)后發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器通過網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，然后傳給客戶端。客戶端將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后,與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行對(duì)比，會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息并在監(jiān)測(cè)界面上顯示。糧庫的工作人員通過監(jiān)測(cè)平臺(tái)及相應(yīng)的報(bào)警信息隨時(shí)了解糧倉的糧食狀態(tài)，從而及時(shí)、準(zhǔn)確地做出相關(guān)決策。該系統(tǒng)具有可靠性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、成本低、使用方便的特點(diǎn)，滿足了糧倉智能監(jiān)測(cè)的要求。

糧倉； 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； ZigBee； 傳感器； CC2530； 智能

0 引 言

要做到合理地存儲(chǔ)糧食，糧情監(jiān)測(cè)尤為重要。糧情監(jiān)測(cè)是儲(chǔ)備庫防止糧食霉?fàn)€、保質(zhì)存放的重要環(huán)節(jié)。糧食在儲(chǔ)備的過程中，常因糧食的濕度、溫度、氣體濃度過高等因素，導(dǎo)致糧食大量地變質(zhì)，給國家和人民帶來巨大的損失[1]。因此，這些因素是儲(chǔ)糧狀態(tài)的重要標(biāo)志，必須準(zhǔn)確檢測(cè)并實(shí)時(shí)顯示。

針對(duì)傳統(tǒng)的糧食存儲(chǔ)無法實(shí)時(shí)獲取和有效共享倉庫糧情信息，本文提出了一種智能糧倉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案，能夠24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)糧倉狀況。具有一定實(shí)際應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集層，ARM網(wǎng)關(guān)層，以及應(yīng)用層三大部分組成。數(shù)據(jù)采集層主要通過ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的傳感器采集糧倉數(shù)據(jù)后經(jīng)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)給ZigBee協(xié)調(diào)器。 ARM網(wǎng)關(guān)層與ZigBee協(xié)調(diào)器相連，可以接收并處理來自ZigBee的數(shù)據(jù)，也可以接收并處理來自服務(wù)器的指令。網(wǎng)關(guān)與ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，與服務(wù)器通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用層有Linux服務(wù)器和客戶端。Linux服務(wù)器將ARM網(wǎng)關(guān)層傳來數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并保存；客戶端為具體的圖形接口程序(主要是PC QT應(yīng)用)，將從Linux服務(wù)器上獲取的有關(guān)糧倉環(huán)境的數(shù)據(jù)以圖形化接口展現(xiàn)給用戶。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要由ZigBee模塊、各傳感器、ARM網(wǎng)關(guān)等部分組成。

ZigBee模塊選用的是TI公司的CC2530。CC2530采用增強(qiáng)型8051 CPU作為主處理器，并結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能。它能夠建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。它不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)[2]。

傳感器模塊主要有溫濕度傳感器、CO2傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器，這些傳感器連接在ZigBee終端節(jié)點(diǎn)上，采集糧倉數(shù)據(jù)并通過串口傳給ZigBee模塊。為了能更準(zhǔn)確采集糧倉數(shù)據(jù)，溫濕度傳感器選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，這是一種具有超小的體積、極低的功耗并且在極為精確的濕度校驗(yàn)室中經(jīng)過校準(zhǔn)的數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器[3]。CO2濃度傳感器選用MG811,它對(duì)CO2有良好的靈敏度和選擇性，受溫濕度變化的影響較小，具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性以及再現(xiàn)性[4]。煙霧傳感器選用MQ—2，它成本低、壽命長，在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)可燃?xì)怏w有良好的靈敏度。紅外傳感器選用HC—SR501，這是一種靈敏度高，可靠性強(qiáng)，具有超低電壓工作模式的傳感器，它廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備。

ARM 網(wǎng)關(guān)層硬件選用ARM Cortex—A8 ，它采用的主處理器是三星的S5PV210，運(yùn)行主頻可高達(dá)1 GHz，帶有480×800的可觸摸液晶屏以及以太網(wǎng)口。該模塊主要負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)功能以及控制ZigBee協(xié)調(diào)器。

各模塊之間的連接如圖2 所示，各傳感器負(fù)責(zé)采集糧倉環(huán)境參數(shù)，并通過串口傳給ZigBee模塊CC2530，然后通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器與ARM 端也是通過串口通信，ARM收到協(xié)調(diào)器傳來的糧倉環(huán)境數(shù)據(jù)后通過以太網(wǎng)發(fā)送到應(yīng)用層。與此同時(shí)，來自應(yīng)用層的指令也可以相反的路徑傳到ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集層設(shè)計(jì)

傳感器通過串口與ZigBee模塊CC2530相連，各傳感器模塊將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換并處理后轉(zhuǎn)化成相應(yīng)格式的數(shù)字信號(hào)，然后通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送給ZigBee協(xié)調(diào)器，同時(shí)接收從ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的指令，收到指令后執(zhí)行相應(yīng)地操作。ZigBee協(xié)調(diào)器接收到ZigBee節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析、處理然后通過ARM網(wǎng)關(guān)發(fā)給服務(wù)器[6]。數(shù)據(jù)采集層軟件流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集層軟件流程圖

由于傳感器在采集糧倉數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)存在一定的誤差和干擾，使得采集到的數(shù)據(jù)與真實(shí)值存在一定差異，為了準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到糧倉環(huán)境信息，本系統(tǒng)采用去極值平均濾波法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。各傳感器每采集6次數(shù)據(jù)就做一次處理，假設(shè)傳感器6次采集到的數(shù)據(jù)分別為Xt,Xt+1,Xt+2,Xt+3,Xt+4,Xt+5，其中最大值為Xmax,最小值為Xmin,則

Xmax=max(Xt,Xt+1…Xt+5)

(1)

Xmin=min(Xt,Xt+1…Xt+5)

(2)

(3)

3.2 ARM網(wǎng)關(guān)層設(shè)計(jì)

ARM網(wǎng)關(guān)層主要有兩個(gè)功能：1)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域各傳感器與外部設(shè)備之間數(shù)據(jù)及指令信息的雙向傳遞；2)作為一個(gè)糧倉監(jiān)測(cè)區(qū)域的“控制中心”，需具有對(duì)數(shù)據(jù)和指令作基本的分析、處理以及暫存的功能。

根據(jù)以上需求，該層硬件采用ARM Cortex—A8 。它通過串口與協(xié)調(diào)器通信，通過TCP/IP協(xié)議與服務(wù)器通信。接收協(xié)調(diào)器從各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息，分析處理后發(fā)送給服務(wù)器。同時(shí)向協(xié)調(diào)器傳輸下達(dá)服務(wù)器的數(shù)據(jù)信息[7]?？墒謩?dòng)、自動(dòng)查詢底層傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，控制設(shè)備閾值。網(wǎng)關(guān)層軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)軟件流程圖

由于ARM Cortex—A8支持Linux系統(tǒng)，本部分程序采用Linux QT設(shè)計(jì)，加入了GUI圖形界面，可將網(wǎng)關(guān)部分的程序以圖形化的形式顯示在480×800的可觸摸屏上，以達(dá)到直接監(jiān)測(cè)的目的，當(dāng)應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)(TCP/IP協(xié)議)斷開時(shí)，糧倉工作人員可以在糧倉附近通過ARM端監(jiān)測(cè)糧倉環(huán)境。

3.3 服務(wù)器設(shè)計(jì)

服務(wù)器采用Linux操作系統(tǒng)，其具有開源且功能強(qiáng)大、移植性強(qiáng)，安全性相對(duì)較高的特點(diǎn)，有著承上啟下的重要功能，它為本系統(tǒng)的用戶層跟底層之間提供了類似橋梁的通信功能，同時(shí)也是大數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的載體。

服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)的核心是TCP/IP協(xié)議、多線程以及數(shù)據(jù)庫sqlite3。TCP/IP是服務(wù)器與網(wǎng)關(guān)以及與客戶端之間通信的協(xié)議，多線程用于建立與多個(gè)客戶端的連接；數(shù)據(jù)庫則用于存放和讀取網(wǎng)關(guān)和客戶端信息及客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)。服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 服務(wù)器軟件流程圖

3.4 客戶端設(shè)計(jì)

客戶端分為2種:一種是管理員，提供管理操作員和分配糧倉的功能,查看當(dāng)前所有操作員和糧倉，并為操作員分配和撤銷糧倉，以及添加和刪除操作員等;另一種是操作員，提供監(jiān)控和管理糧倉的功能;查看自己管理的糧倉的所有測(cè)控點(diǎn)和具體的測(cè)控點(diǎn)的溫度、濕度、CO2濃度等信息，可以異常報(bào)警和實(shí)時(shí)顯示糧倉環(huán)境信息[8]，還可以手動(dòng)采集糧倉的實(shí)時(shí)監(jiān)控信息。此外，還可以折線圖和表格的形式查看某個(gè)糧倉在具體某一段時(shí)間內(nèi)的溫度、濕度、CO2濃度等信息記錄，并且可將折線圖導(dǎo)出為PDF格式保存，將表格導(dǎo)出為EXCEL格式保存。客戶端軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 客戶端軟件結(jié)構(gòu)框圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)主要測(cè)試客戶端啟動(dòng)后能否接收并顯示ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采集的糧倉環(huán)境數(shù)據(jù)，能否異常報(bào)警，能否實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)糧倉環(huán)境，能否查看具體某一段時(shí)間內(nèi)糧倉歷史數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將協(xié)調(diào)器安放于糧堆上方，溫濕度模塊埋入糧堆中，其他傳感器安放于糧倉入口及四周，ARM網(wǎng)關(guān)安放在糧倉頂部。監(jiān)測(cè)中心PC每隔一段時(shí)間發(fā)送1次數(shù)據(jù)采集命令，對(duì)糧倉內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)超過設(shè)定值，監(jiān)測(cè)中心PC管理軟件會(huì)發(fā)出報(bào)警提示，并在監(jiān)控界面顯示[9]。圖7為客戶端啟動(dòng)后操作員成功登錄的界面，該界面實(shí)時(shí)顯示了糧倉相應(yīng)測(cè)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)及當(dāng)前糧倉中該項(xiàng)環(huán)境因子的所有測(cè)控點(diǎn)的最大最小值和警戒最大最小值。

圖7 客戶端監(jiān)測(cè)界面

操作員可以以折線圖或表格的方式自由查看選中糧倉在某一段時(shí)間內(nèi)各測(cè)控節(jié)點(diǎn)的平均監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息的歷史記錄。用戶點(diǎn)擊圖7中的“折線圖信息”或“表格信息”可分別進(jìn)入到相應(yīng)折線圖和表格操作的界面，當(dāng)設(shè)定好需要查看的時(shí)間范圍之后，點(diǎn)擊圖中“更新”按鈕，待客戶端從服務(wù)器獲取對(duì)應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)后會(huì)繪制出圖8(a)所示平均溫度折線圖(選擇折線圖上方的不同按鈕查看不同指標(biāo)的折線圖)或圖8(b)所示的表格。圖8(a)中橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是溫度值(若為濕度、CO2等其它指標(biāo)，則為相應(yīng)的指標(biāo)值)。圖中的折線圖和表格可以利用鼠標(biāo)隨意拖動(dòng)、放大、縮小以查看相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)信息。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能夠適應(yīng)環(huán)境的變化，監(jiān)測(cè)效果良好。

圖8 糧倉參數(shù)折線圖與參數(shù)表格

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)將ZigBee技術(shù)與糧倉管理相結(jié)合，設(shè)計(jì)了糧倉

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，增加了糧倉管理的新功能，建立了糧倉在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了糧倉的環(huán)境的集中監(jiān)測(cè)，不僅保證了糧食的品質(zhì)和質(zhì)量,而且降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)了糧倉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與智能化的要求[10]。不同權(quán)限的客戶端(管理員、操作員)對(duì)糧倉分級(jí)管理，而網(wǎng)關(guān)脫離應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)直接監(jiān)測(cè)，大大提升了糧倉的智能監(jiān)測(cè)水平，實(shí)踐證明基于Zig Bee的糧倉智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于糧食監(jiān)測(cè)具有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1] 薛 亮，馮鵬飛，張繼飛.基于WSNs和GPRS的糧庫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2016，35(12)：87-90.

[2] CC2530中文數(shù)據(jù)手冊(cè)完整版[M].鄭州：鄭州新雙恒，2009.

[3] DHT11中文說明書[M].廣州：育松電子,2012.

[4] MG811產(chǎn)品說明書[M].鄭州：煒盛科技,2010.

[5] 滕志軍，何建強(qiáng)，李國強(qiáng)．基于 ZigBee 的智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52(3):681-684．

[6] 徐亞峰，劉煥強(qiáng)，顧曉峰，等．基于ZigBee和GPRS的遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41(3):328-331．

[7] 徐瑞娜,胡方明,仁愛峰.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].電子元器件與應(yīng)用,2010,12(7):38-42.

[8] 楊 柳，毛志懷，蔣志杰，等．基于無線傳輸?shù)募Z倉溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(4):155-159．

[9] 王希杰.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(7):149-152.

[10] 孔凡偉,施云波,修德斌,等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的氯氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(2):99-101.

Design of intelligent barn monitoring system based on ZigBee*

ZHANG Xiao-juan, SU Juan

(College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

This system transmits environmental parameters of barn collected from ZigBee terminal node sensors to the ZigBee coordinator.ZigBee coordinator transmits data to the server through gateway,and then to client.The client analyze and process the received data and compare it with the preset threshold,then alarm information will be sent and the corresponding data is displayed on monitor interface.The staffs of the barn get information from the monitoring platform and corresponding alarm information of grain granary at any time in order to timely and accurately make related decisions.The system has good reliability,real-time function, low cost,and convenient operation, which meets the requirements of granary intelligent monitoring.

barn; monitoring system; ZigBee; sensor; CC2530; intelligent

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0109—04

2016—06—02

湖南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2014GK3007)

TP 212

A

1000—9787(2017)05—0109—04

張小娟(1990-)，女，碩士研究生，主要從事嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用。

蘇 娟(1963-)，女，副教授，主要從事嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用研究工作。