基于無線自組網(wǎng)的糧食儲藏監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳清慧　李廣

摘 要：基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的糧食儲藏監(jiān)測系統(tǒng)，主要應(yīng)用于糧食儲藏環(huán)節(jié)的環(huán)流熏蒸系統(tǒng)的全自動化遠(yuǎn)程控制。本文設(shè)計(jì)的無線自組網(wǎng)及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)基本的儲糧倉庫全自動環(huán)流熏蒸、科學(xué)投藥、檢測、通風(fēng)及氮?dú)鈿庹{(diào)等功能。該系統(tǒng)可在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小投藥量，延長傳感器壽命并降低人工維護(hù)費(fèi)用，減少環(huán)境污染，投入成本低，原有設(shè)備基本無須改動。

關(guān)鍵詞：氣體監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；上位機(jī)

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）04-0015-03

Food Storage Monitoring System Based on Self-organization

Wireless Network

CHEN Qinghui LI Guang

（College of Agricult， Gansu Agricultural University，Lanzhou Gansu 730070）

Abstract： Grain storage monitoring system based on wireless sensor network is mainly used in the full automatic control of circulation fumigation system for grain storage. It can realize the basic automatic circulation fumigation of grain storage warehouse， scientific dosing， testing， ventilation， nitrogen atmosphere and other functions， configuration wireless ad hoc network terminal detection and host computer monitoring system. The system further reduces the dosage on the basis of the original， prolongs the life of the sensor and reduces the labor cost， reduces the environmental pollution， and has low system input cost and basically does not require modification of the original equipment.

Keywords： gas monitoring；wireless sensor network；host computer

科學(xué)保糧、儲糧是關(guān)系國計(jì)民生、國家安全和社會穩(wěn)定的大事，具有增強(qiáng)國力、抵御自然災(zāi)害的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前，國內(nèi)的儲糧熏蒸投藥系統(tǒng)普遍存在滅蟲用藥污染高、傳感器更換成本高、人工維護(hù)成本高等“三高”問題。參考近兩年來相關(guān)企業(yè)研發(fā)的熏蒸投藥終端使用情況，進(jìn)一步研發(fā)無線自組網(wǎng)終端及上位機(jī)云端監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)建完整的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的糧食儲藏監(jiān)測系統(tǒng)，可在原有基礎(chǔ)上大大節(jié)約投藥量，完成全自動儲糧檢測任務(wù)的同時(shí)，進(jìn)一步降低傳感器更替率和人工費(fèi)用，減少環(huán)境污染[1]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該無線自組網(wǎng)終端及上位機(jī)云端監(jiān)控系統(tǒng)主要由氣體傳感終端、無線自組網(wǎng)通信模塊、無線中繼模塊和上位機(jī)軟件等模塊組成，如圖1所示。氣體傳感終端的氣體濃度按需采集，通用無線接口，升級改造方便。無線自組網(wǎng)通信模塊直插直用，節(jié)點(diǎn)增減無須人工干預(yù)，可自動組網(wǎng)。遠(yuǎn)程監(jiān)控可通過電腦、平板、手機(jī)等遠(yuǎn)程裝置實(shí)現(xiàn)。各類應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)接口，可為進(jìn)一步升級改造創(chuàng)建條件[2]。

2 MESH網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)

經(jīng)過多方對比，該系統(tǒng)采用MESH路由協(xié)議。該協(xié)議是針對MANET（移動自組網(wǎng)）設(shè)計(jì)的理想路由協(xié)議，具有分布式、健壯、自愈能力強(qiáng)、輕量、多徑、無環(huán)路、組網(wǎng)規(guī)模大及適合移動網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)?；贛ESH的每個(gè)節(jié)點(diǎn)盡可能多地維護(hù)路由信息，不存在路由環(huán)路；路由穩(wěn)定性好、組網(wǎng)速度快；能充分利用無線信號的冗余。由于路由選擇算法需要權(quán)衡較多因素，如在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的信號距離向量、信號質(zhì)量、無線節(jié)點(diǎn)電池電壓的能量變化都非常敏感，因此，動態(tài)路由能很快達(dá)到最佳，網(wǎng)絡(luò)吞吐量高，支持255級大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)[3]。

MESH路由協(xié)議采用鏈路狀態(tài)路由算法可對多路節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)連接質(zhì)量進(jìn)行檢測，在較短時(shí)間內(nèi)選擇一個(gè)最優(yōu)路徑作為連接路徑，必要時(shí)自動選擇次最近的連接方式。MESH鏈路狀態(tài)算法路由選擇示意圖如圖2所示，節(jié)點(diǎn)A—C有兩條組網(wǎng)路徑。其中一條是A可以通過B中繼到C，即A—B—C，但該條路徑受到干擾，為不穩(wěn)定鏈路。另外一條從A到C鏈路是A—D—E—C。選擇A—B—C這條路徑，盡管距離最短，但由于鏈路不穩(wěn)定性，導(dǎo)致報(bào)文的接收成功率很低，會大大增加報(bào)文的重發(fā)概率，耗費(fèi)大量時(shí)間。而如果選擇A—D—E—C，雖然距離較長，延長傳輸時(shí)間，但能保證報(bào)文傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

此外，對MANET來說，路由選擇需要充分考慮節(jié)點(diǎn)電池的電量。MESH路由協(xié)議采用類MMBCR算法，會自動選擇剩余電量相對大的節(jié)點(diǎn)做路由。MESH節(jié)點(diǎn)剩余電量路由選擇示意圖如圖3所示，A可以通過B中繼到C，即A—B—C，但B節(jié)點(diǎn)的剩余電量較低（20%），存在不穩(wěn)定因素，風(fēng)險(xiǎn)更大。而另一種組網(wǎng)方式A—D—E—C，路徑中節(jié)點(diǎn)的電量都比較高，比較穩(wěn)定，風(fēng)險(xiǎn)更小[4]。此時(shí)，一般不選擇A—B—C這條路徑，而選擇A—D—E—C，雖然距離更長，但網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性較好，能進(jìn)一步增加整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命，減少維護(hù)成本。

系統(tǒng)采用的MESH網(wǎng)絡(luò)主要有由多個(gè)從節(jié)點(diǎn)（SLAVE）和主節(jié)點(diǎn)（MASTER）組成。主從交換主要是多個(gè)SLAVE模塊交替與單個(gè)MASTER模塊之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交互。如果系統(tǒng)有一個(gè)以上的主節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)會把信息自動上傳到最近通信過的主節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)無法收到。主從通信報(bào)文可由相鄰SLAVE模塊進(jìn)行多次中繼。由MASTER到SLAVE的數(shù)據(jù)流稱為下行，反之為上行。數(shù)據(jù)傳輸?shù)南滦袀鬏敳捎脧V播形式（所有主節(jié)點(diǎn)可以向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，所有從節(jié)點(diǎn)可以接收來自主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)），其上行數(shù)據(jù)傳輸采用單播形式（所有從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)自動被發(fā)送到最近主節(jié)點(diǎn)），所有路由組網(wǎng)自動完成。

3 無線模塊

YL-800N是一款基于Sx1278無線方案的MESH自組網(wǎng)無線模塊。使用該模塊無須更改現(xiàn)有設(shè)備相關(guān)協(xié)議，也無須二次開發(fā)硬件模塊，可輕松實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)無線網(wǎng)絡(luò)功能。YL-800N能充分利用網(wǎng)絡(luò)中的路由冗余，具有優(yōu)越的網(wǎng)絡(luò)自愈性、穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)吞吐量，支持255級路由和幾萬節(jié)點(diǎn)的超大組網(wǎng)規(guī)模。物理層使用了當(dāng)前較為先進(jìn)的無線通信技術(shù)，如跳頻、速率自適應(yīng)、安全可靠的無線網(wǎng)絡(luò)喚醒技術(shù)和交織糾錯(cuò)編碼。鏈路層使用智能的碰撞避免算法，具有優(yōu)異的抗干擾能力[5]。

結(jié)合儲糧倉庫實(shí)際檢測點(diǎn)位較多、倉庫面積較大及傳輸距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn)，系統(tǒng)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)時(shí)主要定義了3種類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，即終端節(jié)點(diǎn)、集中器和中繼器。終端節(jié)點(diǎn)主要是被控制裝置，如倉內(nèi)多個(gè)氣體傳感器、通風(fēng)開關(guān)、熏蒸開關(guān)等；集中器主要是在每個(gè)倉庫設(shè)置一個(gè)控制設(shè)備，主要負(fù)責(zé)組網(wǎng)，收集各個(gè)終端的數(shù)據(jù)，接收上位機(jī)指令，開啟響應(yīng)終端電氣設(shè)備；中繼器主要承擔(dān)網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。集中器可以包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)和多個(gè)設(shè)備。中繼器可以包含多個(gè)集中器或集中器局部失效后可自組網(wǎng)，直接控制子節(jié)點(diǎn)和設(shè)備。所有電氣網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上電后自動進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化及自組網(wǎng)，無須人工干預(yù)。代替現(xiàn)有有線組網(wǎng)、點(diǎn)對多點(diǎn)和集中式組網(wǎng)方式，能極大擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)的健壯性，并且能有效降低設(shè)備成本和維護(hù)成本。

4 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互軟件主要有基于PC機(jī)、Android系統(tǒng)手機(jī)及PAD等終端運(yùn)行的相關(guān)軟件，功能主要有遠(yuǎn)程啟停各采集終端，設(shè)置采樣通道、頻率、持續(xù)時(shí)間，調(diào)整投藥裝置、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置及歷史數(shù)據(jù)回調(diào)和數(shù)據(jù)分析等功能，采集控制界面如圖4所示。

網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置界面主要是關(guān)于組網(wǎng)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，其一般在設(shè)備安裝時(shí)設(shè)置一次即可，后期除了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)外一般無須關(guān)注。一共需要設(shè)置三大類參數(shù)：串口配置（串口初始化、發(fā)送接收測試）、終端入網(wǎng)模塊參數(shù)（通信方式參數(shù)、信道號、設(shè)備類型等）和路由搜索測試項(xiàng)等，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示。

5 無線網(wǎng)絡(luò)測試

5.1 數(shù)據(jù)收發(fā)測試

5.1.1 模式一：主從模塊均為API模式。發(fā)送格式：05 00 01 0a 01 00 00 07 01 04 12 34 56 78 05（表示向0001的地址發(fā)送 12 34 56 78 數(shù)據(jù)）。應(yīng)答格式：05 00 81 03 01 00 00 86 （表示向0001的地址發(fā)送數(shù)據(jù)成功）；05 00 81 03 01 00 e7 61（表示向0001的地址發(fā)送數(shù)據(jù)失?。?。接收格式：05 00 82 08 04 10 2a 04 12 34 56 78 bd（表示接收到從1004地址傳過來的數(shù)據(jù)12 34 56 78，數(shù)據(jù)收發(fā)正常）。

5.1.2 模式二：主模塊為API模式，子模塊為透明模式。該模式下主模塊發(fā)送數(shù)據(jù)按協(xié)議走，子模塊可直接發(fā)送任意數(shù)據(jù)包。由于子節(jié)點(diǎn)剛上電時(shí)沒有保存主模塊地址，需要等某主模塊發(fā)送一包數(shù)據(jù)后，子模塊入網(wǎng)記錄地址后才能上傳數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送通過設(shè)置軟件實(shí)現(xiàn)，讀取參數(shù)成功后，填待發(fā)送的地址及數(shù)據(jù)，發(fā)送成功則對應(yīng)的地址處顯示發(fā)送SUCCESS，否則顯示發(fā)送FAIL。

5.2 節(jié)點(diǎn)路由轉(zhuǎn)發(fā)測試

測試節(jié)點(diǎn)（SLAVER）的自動路由功能。如果網(wǎng)絡(luò)主模塊和兩個(gè)地址分別為0001、0002的子節(jié)點(diǎn)模塊通信，主模塊與0002節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)導(dǎo)致直接通信不正常。主要測試0001節(jié)點(diǎn)置于主模塊和0002之間后是否起到路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。

具體測試時(shí)，首先在電腦上連接一個(gè)主模塊，不接天線，節(jié)點(diǎn)0002供電并接上天線。此時(shí)，通過PC控制軟件向0002的模塊發(fā)送任意一包數(shù)據(jù)，近距離下，軟件提示中心模塊發(fā)送數(shù)據(jù)成功；把節(jié)點(diǎn)0002置于較遠(yuǎn)的距離，中心再給節(jié)點(diǎn)0002發(fā)送數(shù)據(jù)，這時(shí)軟件提示發(fā)送數(shù)據(jù)失敗，此情況下把模塊0001供電置于中心模塊旁邊，中心再給0002發(fā)送一包數(shù)據(jù)，軟件立即顯示發(fā)送數(shù)據(jù)成功，0001的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能實(shí)現(xiàn)。經(jīng)多次測試，路由轉(zhuǎn)發(fā)傳送數(shù)據(jù)穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)良好，較好地解決了以往部分節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)傳輸問題，真正實(shí)現(xiàn)了自組網(wǎng)。

6 總結(jié)

針對基于無線自組網(wǎng)的糧食儲藏監(jiān)測系統(tǒng)，提出了儲糧系統(tǒng)的無線自組網(wǎng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)緊密結(jié)合熏蒸糧倉環(huán)境特性，以原有檢測氣體終端模塊為基礎(chǔ)，采用基于MESH的YL-800N無線解決方案，充分利用網(wǎng)絡(luò)的路由冗余，構(gòu)建具有優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)自愈力、穩(wěn)定性和優(yōu)異的數(shù)據(jù)吞吐量的無線自組網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合可用于電腦、手機(jī)和平板電腦等多種遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)控軟件。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)儲糧倉庫全自動環(huán)流熏蒸、科學(xué)投藥、檢測、通風(fēng)、氮?dú)鈿庹{(diào)等功能。構(gòu)建該無線自組網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)無須在現(xiàn)場挖溝布線，投入成本低，原有設(shè)備基本無須改動，遠(yuǎn)程自動控制可實(shí)現(xiàn)定時(shí)按需采集，精準(zhǔn)控制投藥量，減小環(huán)境污染的同時(shí)，還可以提高傳感器的使用壽命。全自動遠(yuǎn)程控制替代人工巡檢，提高安全系數(shù)的同時(shí)大大節(jié)約了人工維護(hù)費(fèi)用。

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