基于物聯(lián)網(wǎng)的危險品倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

屈浩陽，孫澤軍

（平頂山學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 平頂山 467000）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、無線通信和人工智能等技術(shù)的不斷成熟及商業(yè)化，智能設(shè)備也開始在各行業(yè)中廣泛應(yīng)用，同時也為進(jìn)一步完善危險品倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)提供了新的解決方案。在倉庫管理行業(yè)中，智能設(shè)備具有機(jī)械化工作失誤率低和可全天候工作等特性，與人工相比擁有巨大優(yōu)勢。目前很多倉庫都應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，但大部分只是在存取管理方面做到了智能化，而對于倉庫的安全性，特別是危險品倉庫的環(huán)境監(jiān)測仍然存在很大漏洞。例如“8·12”天津?yàn)I海新區(qū)爆炸事故，“7·11”成都化工倉庫爆炸事故，這兩起事故本可避免，但由于管理者對倉庫環(huán)境疏于監(jiān)測，導(dǎo)致危險因素未及時被發(fā)現(xiàn)，最終給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失，甚至對自然環(huán)境造成難以修復(fù)的損壞。

綜合以上所述，危險品倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需要對目前的倉庫管理技術(shù)進(jìn)行完善，針對不同的存儲物品建設(shè)更加個性化的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以此來保障危險品倉庫的安全，降低危險情況的發(fā)生率[1]。

本設(shè)計(jì)借助ZigBee技術(shù)進(jìn)行庫房內(nèi)部無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，以TI公司出品的CC2530芯片為核心，搭配Z-Stack協(xié)議棧，完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)。通過構(gòu)建實(shí)時監(jiān)測危險品倉庫環(huán)境參數(shù)和智能反向預(yù)警系統(tǒng)（可根據(jù)用戶需求靈活增減傳感器），監(jiān)測不同環(huán)境參數(shù)并控制各硬件實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能，使系統(tǒng)更加人性化和智能化[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要包括加裝了WiFi大功率通信模塊的ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器、以太網(wǎng)、ZigBee無線雙向通信以及本地控制端。監(jiān)測系統(tǒng)主要包括ZigBee無線雙向通信、MQ-2煙霧傳感器以及DHT11傳感器等。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

檢測系統(tǒng)中的路由器是整個倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中最為重要的部分，它負(fù)責(zé)連接內(nèi)外兩個網(wǎng)絡(luò)，不僅需要將內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中ZigBee節(jié)點(diǎn)收集的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器，還需要獲取外部網(wǎng)絡(luò)中客戶端發(fā)送的控制指令，并將其發(fā)送至內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)[3]。

本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器終端節(jié)點(diǎn)與終端傳感器節(jié)點(diǎn)通過ZigBee雙向無線通信連接，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中環(huán)境數(shù)據(jù)和控制信息的傳輸。路由終端節(jié)點(diǎn)通過搭載的WiFi大功率無線通信單元與家庭網(wǎng)關(guān)連接，進(jìn)而與以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時上云。在倉庫中運(yùn)行的傳感器節(jié)點(diǎn)不斷獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過系統(tǒng)組建的網(wǎng)絡(luò)有序傳輸，待數(shù)據(jù)到達(dá)客戶端后，客戶端遠(yuǎn)程對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和分析處理，發(fā)現(xiàn)異常后對其判斷，進(jìn)而決定是否采取警報和控制措施，實(shí)現(xiàn)危險品倉庫環(huán)境的智能監(jiān)測[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)危險品倉庫環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測。首先，利用終端傳感器節(jié)點(diǎn)對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，再通過ZigBee雙向無線通信發(fā)送至協(xié)調(diào)器終端節(jié)點(diǎn)，并上傳至遠(yuǎn)程客戶端，通過上位機(jī)實(shí)時顯示。使用者可以通過上位機(jī)對倉庫環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異?？杉皶r報警并反向控制倉庫內(nèi)部的智能設(shè)備處理危險情況。為便于倉庫內(nèi)工作人員盡早發(fā)現(xiàn)異常，相關(guān)環(huán)境參數(shù)會通過安裝在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上的LCD液晶顯示屏直接顯示[5]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 ZigBee模塊

ZigBee技術(shù)是無線通信技術(shù)中的一種，相比有線傳輸，在應(yīng)用于危險品倉庫這種安全要求較高的場所本身具有很大優(yōu)勢。它遵從IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，具有低功耗、低成本、短距離、低復(fù)雜度和連接速度快等優(yōu)點(diǎn)。兩節(jié)普通5號電池便可供其工作半年以上。除此之外，ZigBee通信連接僅需30 ms，而其他無線通信技術(shù)，如藍(lán)牙則需要3 s，WiFi需要10 s。面對頻繁的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸，ZigBee更加符合項(xiàng)目要求。

ZigBee無線組網(wǎng)支持星型、樹型和網(wǎng)型三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)主要采用單芯片集成SoC方案，該方案發(fā)展成熟，體積小，使用方便靈活。ZigBee硬件平臺選擇TI公司出品的CC2530芯片，與市場上主流的三種硬件平臺相比，雖然該芯片休眠電壓不是最高，但其發(fā)射功率和接收靈敏度卻是最高的，分別達(dá)到4.5 dBm和-97 dBm。且TI公司提供的Z-Stack協(xié)議棧部分開源，可免費(fèi)下載[6]。

2.2 電源模塊

系統(tǒng)需要針對使用的硬件設(shè)備選擇合適的電源。電壓過大可能擊穿芯片，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作，而電壓過小，則可能無法帶動硬件工作。因此，電源的配置對于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

本設(shè)計(jì)采用的CC2530芯片所需工作電壓范圍為2～3.6 V。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)放置于控制室中，可直接采用USB進(jìn)行有線供電。終端傳感器節(jié)點(diǎn)需放置在倉庫內(nèi)，因此對可移動性有一定的要求，故采用電池供電。協(xié)調(diào)器通過USB與PC相連，可獲得5 V電壓，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，使用Linear Technology公司出品的LT1085-3.3型DC-AC變換器來獲得穩(wěn)定的3.3 V電壓。終端傳感器節(jié)點(diǎn)通過3.7 V干電池供電，但由于干電池的電壓會受環(huán)境影響而發(fā)生改變[7]，故采用LM1117和HT7533將電壓穩(wěn)定在3.3 V。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時上云，因此系統(tǒng)選擇安信可科技開發(fā)的ESP-12F WiFi模塊。該模塊價格低廉且技術(shù)成熟，工作溫度范圍為-40～125 ℃，可在特定的危險品存放環(huán)境中穩(wěn)定工作，待機(jī)功率低且喚醒速度快，可滿足實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸要求。ESP-12F電路如圖4所示。

圖4 ESP-12F電路

終端傳感器節(jié)點(diǎn)通過ZigBee短距離無線通信技術(shù)將環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，通過搭載的WiFi大功率通信模塊的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)服務(wù)器。ZigBee使用S5PV210微控制器將ZigBee網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)通過2個串行口連接，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)的傳輸[8]，如圖5所示。

圖5 ZigBee-WiFi透傳結(jié)構(gòu)

2.4 溫濕度采集模塊

使用DHT11傳感器采集倉庫溫濕度數(shù)據(jù)。DHT11將溫度與濕度數(shù)據(jù)采集并結(jié)合，通過數(shù)字信號形式輸出，利用特殊的模擬信號采集、轉(zhuǎn)換技術(shù)和溫度、濕度傳感技術(shù)，確保傳感器擁有良好的穩(wěn)定性和可靠性。DHT11平均工作電流不超過0.5 mA，功耗低，工作電壓范圍為3～5.5 V，與本設(shè)計(jì)配備的電源匹配。

DHT11包括1個電阻式濕度傳感元件和1個NTC測溫元件。DHT11為3針單排引腳封裝，其中DATA引腳與MCU的P11引腳相連。DHT11接線圖如圖6所示。

圖6 DHT11接線圖

2.5 顯示模塊

協(xié)調(diào)器上安裝有LCD液晶顯示屏，用于實(shí)時查看系統(tǒng)工作狀態(tài)以及倉庫環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)選用卓立恩科技公司出品的ZLE12864A液晶屏，該液晶屏成本低、功耗低、響應(yīng)時間快、解析度高、使用壽命長，滿足要求。

因LCD采用串行驅(qū)動，因此CC2530芯片的P1.5和P1.6分別與LCD的串行模式時鐘端和串行模式數(shù)據(jù)端連接。P1.2與選通端口連接，低電平時有效；P0.0與命令數(shù)據(jù)選通端連接，高電平時寫入命令，低電平時寫入數(shù)據(jù)。LCD12864接線圖如圖7所示。

圖7 LCD12864接線圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)不僅需要上述硬件環(huán)境的搭建，還需要在硬件的基礎(chǔ)上開發(fā)出對應(yīng)的軟件來控制硬件的運(yùn)行。將軟件分成3部分，包括終端傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)和上位機(jī)界面顯示數(shù)據(jù)與反向控制。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)中各監(jiān)測倉庫環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器模塊均獨(dú)立工作，這種設(shè)計(jì)方式不僅可以根據(jù)用戶實(shí)際需求和危險品類型來靈活增減監(jiān)測模塊，還便于未來對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和升級。各傳感器模塊都被視為一個獨(dú)立的功能節(jié)點(diǎn)，自行進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最后通過ZigBee組建的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，打造以協(xié)調(diào)器為中心，各終端傳感器模塊獨(dú)立運(yùn)行的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)流程

3.2 Z-Stack協(xié)議棧

軟件基于IAR Embedded Workbench對Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)。Z-Stack協(xié)議棧使用輪轉(zhuǎn)查詢機(jī)制處理任務(wù)，使系統(tǒng)有能力同時運(yùn)行多項(xiàng)任務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行之后便會循環(huán)檢測是否還有需要執(zhí)行的任務(wù)，在發(fā)現(xiàn)需要執(zhí)行的任務(wù)后產(chǎn)生中斷，此時系統(tǒng)便開始執(zhí)行該任務(wù)。任務(wù)處理完畢之后系統(tǒng)將進(jìn)入低功耗模式，不僅能夠降低節(jié)點(diǎn)功耗，還能延長節(jié)點(diǎn)使用壽命。當(dāng)發(fā)現(xiàn)多個任務(wù)需處理時，系統(tǒng)會根據(jù)優(yōu)先級自行調(diào)配執(zhí)行順序[9-10]。循環(huán)流程如圖10所示。

圖10 循環(huán)流程

3.3 協(xié)調(diào)器組網(wǎng)

為了傳輸數(shù)據(jù)，需要建立以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為中心的ZigBee自組無線網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)時，首先掃描并找出最優(yōu)信道，之后設(shè)置PAN ID、網(wǎng)絡(luò)短地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，接著啟動PAD，隨后開始等待其他新節(jié)點(diǎn)申請接入。

協(xié)調(diào)器成功建立網(wǎng)絡(luò)后，所有節(jié)點(diǎn)可隨時加入或退出該網(wǎng)絡(luò)，而終端傳感器節(jié)點(diǎn)必須連接協(xié)調(diào)器并將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，隨后協(xié)調(diào)器再通過搭載的WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器[11]。在網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器不僅可以作為網(wǎng)絡(luò)控制器，也可以寫入自身程序，擁有自己的功能模塊。相比其他終端節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器多搭載了一個WiFi模塊。協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程如圖11所示。

圖11 協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程

4 系統(tǒng)測試

對系統(tǒng)進(jìn)行測試，從得出的結(jié)果驗(yàn)證系統(tǒng)取得的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，是否能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。首先，為協(xié)調(diào)器通電，使協(xié)調(diào)器建立起內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)；隨后，各終端節(jié)點(diǎn)通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)上云；最后，數(shù)據(jù)顯示在客戶端，并可通過上位機(jī)反向控制。手機(jī)端、主機(jī)端顯示的實(shí)時數(shù)據(jù)分別如圖12、圖13所示。主機(jī)端顯示歷史數(shù)據(jù)界面如圖14所示。協(xié)調(diào)器、終端、反向控制的終端實(shí)物分別如圖15、圖16、圖17所示。

圖12 手機(jī)端顯示實(shí)時數(shù)據(jù)界面

圖13 主機(jī)端顯示實(shí)時數(shù)據(jù)界面

圖14 主機(jī)端顯示歷史數(shù)據(jù)界面

圖15 協(xié)調(diào)器

圖16 終端

圖17 反向控制的終端

將系統(tǒng)數(shù)據(jù)與機(jī)械溫濕度計(jì)比較，數(shù)值誤差小于3%，證明可通過改變環(huán)境條件提高檢測可燃?xì)怏w和距離的準(zhǔn)確性，也可從客戶端發(fā)送反向控制指令來檢驗(yàn)倉庫內(nèi)硬件設(shè)施是否正常運(yùn)行。通過測試，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié) 語

該文針對目前危險品倉庫缺乏對環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)或系統(tǒng)采用存在安全隱患并且安裝復(fù)雜的有線傳輸方式等問題，提出通過ZigBee短距離無線通信技術(shù)搭建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，在保證安全的同時，降低安裝成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。通過對系統(tǒng)的測試，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均可滿足要求，是解決危險品倉庫環(huán)境監(jiān)測準(zhǔn)確性、安全性、穩(wěn)定性不佳等問題的有效方案。