基于ZigBee的倉庫智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

文 暉

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息處理與控制工程學(xué)院，甘肅，蘭州 730060）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，倉庫和庫房數(shù)量大幅增加，儲存規(guī)模也日益增大。這給倉儲安全管理提出了更高要求。目前，國內(nèi)在倉儲管理方面主要是進(jìn)行信息化提升和防盜安全管理，能把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)全面應(yīng)用于倉儲環(huán)境安全管理方面的較少。雖然有的倉庫能夠監(jiān)測溫度指標(biāo)、監(jiān)控入侵，但系統(tǒng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到智能化的要求，特別是在報警手段和問題處理上主要依賴人工，且由于其體系架構(gòu)局限于局域網(wǎng)，基本是一個倉庫一套應(yīng)用，普遍使用有線傳感器。因此，直接、準(zhǔn)確、高效的基于云平臺控制的無線倉儲智能監(jiān)控預(yù)警顯得尤為需要。本設(shè)計在原有的倉庫信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用少量必要的傳感器與執(zhí)行器建立了一個低成本、高效率的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)來保證倉庫的安全。

1 系統(tǒng)需求分析

目前，大多數(shù)倉儲環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要是基于局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，其基本原理是通過內(nèi)部有線或者無線傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)上傳到內(nèi)部服務(wù)器的應(yīng)用端，再根據(jù)控制策略對控制器發(fā)出指令。由于是在局域網(wǎng)內(nèi)部的應(yīng)用系統(tǒng)，這種系統(tǒng)很難與廣域網(wǎng)的智能終端進(jìn)行實時通訊、預(yù)警。隨著ZigBee技術(shù)、移動智能終端技術(shù)與云平臺技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)以無線傳感器與執(zhí)行器為基礎(chǔ)，以廣域網(wǎng)云平臺集中管控并與移動終端實時通訊的倉儲智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)成為一種更為優(yōu)化的選擇。

2 系統(tǒng)組成與功能

作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有低功耗、低成本、短時延、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠安全的特點。因此，在本設(shè)計中現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

如圖1所示為智能倉儲環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的方案架構(gòu)，包括無線傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)云平臺、WEB客戶端和移動客戶端App三部分，分別構(gòu)成了感知層、傳輸層、管理層和應(yīng)用層。無線傳感網(wǎng)部分包含感知層、傳輸層以及無線執(zhí)行器。感知層以CC2530單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計，由分布于倉庫中的多種傳感器構(gòu)成，用以采集倉庫中的溫度、濕度、火焰、煙霧、光照等環(huán)境參數(shù)。傳輸層基于ZigBee[1]技術(shù)而設(shè)計，由終端節(jié)點、路由節(jié)點以及協(xié)調(diào)器節(jié)點（內(nèi)置于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)之中）構(gòu)成無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。

傳感器采集到的倉庫溫度、濕度、火焰、煙霧、光照等環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換、傳輸層傳輸?shù)皆破脚_。云平臺的設(shè)備管理與策略管理系統(tǒng)共同構(gòu)成了IoT的處理層，這也是智能監(jiān)控系統(tǒng)的核心。

利用ASP.NET開發(fā)的基于B/S結(jié)構(gòu)的管理云平臺有以下優(yōu)點：

第一，通過使用瀏覽器客戶端管理多個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)來管理不同的倉庫。

第二，針對不同網(wǎng)關(guān)上連接的設(shè)備配置智能管理策略。

第三，管理移動端（手機(jī)）用戶、發(fā)送報警信息到移動端。

圖1 系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)方案數(shù)據(jù)流圖

如圖2所示為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖。系統(tǒng)的工作原理是：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（刷新時間5秒）將傳感器信息采集后發(fā)送到云平臺并存入到數(shù)據(jù)庫中，實時對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和處理，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)和既定的管理策略發(fā)送命令到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，驅(qū)動執(zhí)行器，同時通過無線網(wǎng)絡(luò)將環(huán)境信息發(fā)送到手機(jī)App。對于嚴(yán)重的火災(zāi)等事件直接通過傳感網(wǎng)啟動報警系統(tǒng)、開啟電磁閥控制的噴淋頭滅火，也可同時發(fā)送到管理者的手機(jī)App，經(jīng)其確認(rèn)后進(jìn)行消防火災(zāi)報警。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計與選型部署

系統(tǒng)硬件包括ZigBee節(jié)點、板載傳感器、板載繼電器、網(wǎng)關(guān)、寬帶路由器、風(fēng)扇、電磁閥、視頻攝像頭、服務(wù)器和客戶端電腦。主要硬件的設(shè)計如下

（1）傳感器

本設(shè)計中溫度、濕度、火焰、煙霧、光照傳感器為板載方式，通過IAR編寫相應(yīng)程序，編譯配置后使用，通過鋰電池供電。圖3為傳感器連接示意圖。

圖3 傳感器連接圖

（2）執(zhí)行器

具體執(zhí)行器，如通風(fēng)、自動噴水有關(guān)的設(shè)備均通過繼電器控制，本設(shè)計通過ZigBee控制板連接繼電器的方式實現(xiàn)。具體配置與傳感器類似。圖4為執(zhí)行器連接示意圖。

圖4 執(zhí)行器連接圖

（3）網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)設(shè)備是傳感器、執(zhí)行硬件設(shè)備與云平臺之間的中間件，負(fù)責(zé)收集傳感器信息，并通過網(wǎng)絡(luò)方式將數(shù)據(jù)傳給云平臺。網(wǎng)關(guān)采用新大陸NLEPE9000，支持 Wifi、RS485、以太網(wǎng)、Zigbee 協(xié)調(diào)器、USB、RFID、藍(lán)牙等通訊功能，支持電容觸摸屏，電源電壓為12V。

選型與部署原則如下：

傳感器選型主要考慮量程與精度。具體由倉儲特性決定，精度高則成本偏大，適用即可。本系統(tǒng)中主要用到的傳感器有ZigBee板載溫濕度、火焰、煙霧、光照傳感器。

傳感器節(jié)點數(shù)量與位置?？紤]到ZigBee通信特點與效果要求，節(jié)點實際距離不應(yīng)超過20米。溫濕度傳感器屬于不密封的，根據(jù)其測量特點，安裝位置應(yīng)當(dāng)是不通風(fēng)的部位。火焰、煙霧、光照傳感器以頂部為上，且不能遮擋。

圖5 智能倉儲監(jiān)控云平臺網(wǎng)關(guān)配置界面

圖6 部分監(jiān)控策略配置界面

執(zhí)行器節(jié)點主要實現(xiàn)通風(fēng)、照明、滅火功能。節(jié)點實際距離不應(yīng)超過20米，照明需求是在ZigBee繼電器上連接照明燈實現(xiàn)。溫濕度需求則是在Zig-Bee繼電器上連接空調(diào)、風(fēng)扇設(shè)施實現(xiàn)。對于自動滅火需求則通過在頂部安裝噴淋頭，其開關(guān)通過Zig-Bee繼電器控制。執(zhí)行器的數(shù)量由倉庫大小決定。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 云平臺設(shè)計

云平臺采用Visual Studio 2012集成開發(fā)環(huán)境，設(shè)計一個基于.NET Framework的ASP.NET[3]程序進(jìn)行設(shè)備管理和策略控制，程序中使用CSS進(jìn)行布局，引入設(shè)備的dll文件，用C#編程語言調(diào)用設(shè)備API進(jìn)行服務(wù)器端腳本編程。WEB服務(wù)器使用騰訊云服務(wù)器，其IP地址是移動終端尋址的目標(biāo)。管理員登錄后添加網(wǎng)關(guān)設(shè)備，每個網(wǎng)關(guān)由唯一的標(biāo)識號識別，一個云平臺可以添加多個網(wǎng)關(guān)設(shè)備，所以該平臺可以對多個倉儲點進(jìn)行監(jiān)控。圖5為監(jiān)控云平臺網(wǎng)關(guān)配置界面。

3.3.2 移動端App設(shè)計

移動端主要針對Android系統(tǒng)利用Eclipse、JDK、SDK等ADT工具基于Socket[4]技術(shù)進(jìn)行編程?？蛻舳说卿浐螳@取對應(yīng)客戶倉庫的平臺信息，可以通過移動客戶端配置監(jiān)控參數(shù)、監(jiān)控策略，并接收報警信息。

3.3 監(jiān)測與控制策略

傳感器的各種電信號在通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)化后，上傳到倉儲監(jiān)控云平臺。在云平臺進(jìn)行的基本操作包括：

第一，添加設(shè)備。通過網(wǎng)關(guān)管理下屬設(shè)備，每個傳感器與執(zhí)行器在云平臺上對映一個邏輯設(shè)備，同種設(shè)備通過序列號加以區(qū)分。

第二，添加傳感器變量。在監(jiān)控云平臺對各個傳感器設(shè)置對應(yīng)的變量，每個傳感器都有唯一的變量與其關(guān)聯(lián)，傳感器變量是設(shè)置智能監(jiān)控策略的基礎(chǔ)。

第三，設(shè)置控制策略。執(zhí)行器是通過策略設(shè)置與傳感器關(guān)聯(lián)，不同的倉儲應(yīng)用對參數(shù)的需求不同。在策略設(shè)置中設(shè)置好溫度報警策略、通風(fēng)策略、噴淋策略并啟用后，系統(tǒng)就處于自動監(jiān)控狀態(tài)。圖6為監(jiān)控云平臺部分監(jiān)控策略配置界面。

4 系統(tǒng)測試

測試實驗主要針對溫濕度、光照、火焰子系統(tǒng)進(jìn)行測試，噴淋頭數(shù)控電磁閥用同類開關(guān)量設(shè)備風(fēng)扇代替。監(jiān)控測試能夠正常進(jìn)行，即按照策略要求控制執(zhí)行器。系統(tǒng)啟動后，先進(jìn)行組網(wǎng)操作，在通道號與序列號正確的前提下，逐一給傳感器和執(zhí)行器節(jié)點通電，之后方可在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和云平臺上完全上線，投入工作。