基于多傳感器融合技術(shù)的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

周曉玨

（江蘇商貿(mào)職業(yè)學院，江蘇 南通 226011）

1 引言

民以食為天，糧食安全系國計民生之大事，糧食儲備則是“穩(wěn)定器”和“壓艙石”，糧倉環(huán)境的監(jiān)測對于實現(xiàn)庫存糧食減損、降耗、保鮮至關(guān)重要。傳統(tǒng)糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用單一的傳感器檢測，獲取的數(shù)據(jù)較為片面，易造成誤報警或漏報警[1]，且單一傳感器損壞后會影響整個系統(tǒng)的性能。本文設計了一種多傳感器融合的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采用先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)、云計算技術(shù)及多傳感器融合技術(shù)，對糧倉溫濕度、CO2濃度、O2濃度實時監(jiān)測，并對采集數(shù)據(jù)進行多層次、多空間的信息互補和優(yōu)化組合處理，極大地提高了系統(tǒng)的準確性、穩(wěn)定性及可靠性，同時能遠程自動化控制通風、降溫、干燥設備，方便工作人員在大數(shù)據(jù)平臺上即刻處理糧倉異常情況，確保糧倉存儲安全。

2 系統(tǒng)總體設計

糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，終端傳感器采集糧倉環(huán)境數(shù)據(jù)，通過無線通信方式將其傳至云平臺，用戶可通過智能設備APP遠程監(jiān)控。各種終端傳感器檢測到糧倉環(huán)境參數(shù)，將其傳至ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點，再送至智能網(wǎng)關(guān)，由路由器傳至云服務器，用戶即可通過登錄智能設備云APP遠程監(jiān)控糧倉環(huán)境。當糧倉環(huán)境參數(shù)超出范圍，蜂鳴器發(fā)出報警提示，用戶則通過智能設備云APP發(fā)送控制指令，經(jīng)云服務器送至智能網(wǎng)關(guān)，再發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點，即將控制指令送至終端節(jié)點繼電器控制模塊來遠程自動化控制糧倉排風扇、加熱設備、加濕設備等現(xiàn)場設備，以實現(xiàn)通風、降溫、干燥等功能[2]。智能網(wǎng)關(guān)與ZigBee節(jié)點（包括協(xié)調(diào)器節(jié)點、終端節(jié)點）通過串口實現(xiàn)通信，與路由器間采用Wifi形式通信。

圖1 糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 智能網(wǎng)關(guān)設計

智能網(wǎng)關(guān)是糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件，它主要負責對終端各個傳感器采集數(shù)據(jù)進行信息融合，做出預警判斷，同時實現(xiàn)與用戶端信息交互[3]。它主要由STM32和wifi模塊ESP8266構(gòu)成。

其中STM32采用STM32F103ZET6型號，它是一種嵌入式單片機，該芯片內(nèi)核為32位Cortex-M3，最高工作頻率為72MHz，程序存儲器容量是256 KB，程序存儲器類型是FLASH，RAM容量是48K。每個通用輸入輸出接口（GPIO）引腳都可以由軟件配置成輸出（推挽或開漏）、輸入（帶或不帶上拉或下拉）或復用的外設功能端口，多數(shù)GPIO引腳均能與模擬或數(shù)字的復用外設共用。它采用直流單電源供電，供電電壓范圍是2.0～3.6V，一般供電電壓是3.3V。

ESP8266是一種低成本的無線設備，工作溫度范圍大，性能穩(wěn)定，能適應各種操作環(huán)境，專為移動設備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應用而設計，功耗低，高度集成，支持實時操作系統(tǒng)（RTOS）和wifi協(xié)議棧。ESP8266與ZigBee節(jié)點采用串口通信，通信原理如圖2所示。

圖2 智能網(wǎng)關(guān)與ZigBee協(xié)調(diào)器間通信原理圖

3.2 CC2530片上系統(tǒng)

本系統(tǒng)ZigBee模塊采用CC2530片上系統(tǒng)。CC2530芯片內(nèi)部集成了增強型8051內(nèi)核和RF收發(fā)器，它具有不同的運行模式，使得它特別適應低功耗系統(tǒng)，有極高的接收靈敏度、抗干擾能力，外接元件極少。

3.3 傳感器選型

3.3.1 DHT11溫濕度傳感器

溫濕度是影響糧倉的最大因素，溫濕度過高會導致糧食發(fā)生霉變。一般糧倉溫度低于15～20℃、濕度維持在30%RH內(nèi)，適于糧食的長期存儲。若短期存儲，溫度不高于30℃，濕度不超過70% RH[4]。本系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感器對糧倉進行多點監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)糧倉環(huán)境潮濕、溫度異常等情況，有效降低糧食腐爛、發(fā)霉風險，保證糧食的存儲質(zhì)量，降低經(jīng)濟風險。

DHT11溫濕度傳感器是一種抗干擾能力強、可靠性高的溫濕度復合傳感器。它由一個電阻式感濕元件和一個NTC熱敏電阻組成，適用于20%～80%的濕度讀數(shù)（精度為±5%）、0～50℃溫度讀數(shù)（精度為±2℃）。它有4個引腳，其中Pin1為電源引腳，供電電壓為3～5.5V；Pin2為串行數(shù)據(jù)端，單總線通信；Pin3一般懸空；Pin4為接地端。圖3為DHT11傳感器典型應用電路，通常當DHT11與MCU間的連線長度小于20m時，用5K上拉電阻；當長度大于20m時，根據(jù)實際情況使用合適的上拉電阻，從而來提高測量精度。MCU向DHT11傳感器發(fā)送信號，DHT11采集溫濕度數(shù)據(jù)（一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit），并輸入到MCU數(shù)據(jù)口[5]。

圖3 DHT11傳感器典型應用電路圖

3.3.2 二氧化碳傳感器

糧倉中采用二氧化碳氣儲糧技術(shù)，即在糧倉中充入二氧化碳氣體，從而改變糧倉內(nèi)氣體成分的組成，破壞霉菌、害蟲生態(tài)環(huán)境，抑制糧食生理呼吸，從而實現(xiàn)儲糧的安全、環(huán)保、新鮮。因此糧倉中二氧化碳濃度的實時采集很重要。本系統(tǒng)采用RS-CO2傳感器，它是采用新型紅外檢定技術(shù)進行二氧化碳濃度測量，準確度高，漂移小，壽命長，測量范圍寬，自帶溫度補償，受溫度影響小。一般它的供電電壓是直流電壓 10～30 V，測量范圍是 0～5000 ppm，精度為40ppm±3%F.S。

3.3.3 氧氣傳感器

在二氧化碳氣控糧倉中，當氧氣濃度低于2%且二氧化碳達到一定濃度時，存儲的糧食害蟲會迅速死亡。要確保糧倉低氧或無氧環(huán)境，須用O2傳感器對糧倉中的氧氣含量進行監(jiān)測，一旦氧氣濃度超過限定值，即可驅(qū)動系統(tǒng)報警，人工或自動啟動充入二氧化碳，直至氧氣濃度低于限定值。本系統(tǒng)采用LOX-O2熒光氧氣傳感器，它是一款帶UART輸出的數(shù)字傳感器，無需信號調(diào)理電路，功耗低、壽命長、穩(wěn)定、環(huán)保，不含鉛或其他有毒材料，而且不會受到其他氣體交叉干擾，一般它的供電電壓是直流電壓4.5～5.5V，氧氣測量范圍是 0～25%，0～300mbar。

3.4 繼電器控制模塊

本系統(tǒng)利用繼電器控制模塊來遠程自動化控制糧倉排風扇、加熱設備、加濕設備等現(xiàn)場設備，即通過控制輸入到繼電器模塊的脈沖信號從而來實現(xiàn)繼電器開關(guān)的通與斷，也可手動實現(xiàn)控制。繼電器控制模塊供電電壓為5V，原理圖如圖4所示，它有三個外接引腳，其中輸入引腳來接收脈沖信號的。

圖4 繼電器控制模塊原理圖

4 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計主要包括智能網(wǎng)關(guān)、ZigBee節(jié)點的軟件設計。

4.1 智能網(wǎng)關(guān)軟件設計

智能網(wǎng)關(guān)是由STM32及ESP8266構(gòu)成，作為系統(tǒng)核心部件，連接ZigBee無線局域網(wǎng)和internet兩個網(wǎng)絡，負責兩類數(shù)據(jù)的交互，即通過ZigBee協(xié)調(diào)器上傳的終端節(jié)點傳感器采集數(shù)據(jù)及用戶通過智能設備APP下達的控制指令。同時它作為控制中心，對數(shù)據(jù)及指令作基本的分析、處理和暫存。本系統(tǒng)智能網(wǎng)關(guān)是在KeilMDK5平臺上開發(fā)的，程序流程圖如圖5所示，當智能網(wǎng)關(guān)通電初始化后，進入監(jiān)聽網(wǎng)絡狀態(tài)，等待終端數(shù)據(jù)上傳。智能網(wǎng)關(guān)會判斷接收的數(shù)據(jù)，若為ZigBee數(shù)據(jù)，則判斷為終端傳感器數(shù)據(jù)，并將其上傳至云服務器；若為TCP/IP數(shù)據(jù)，則判斷為控制指令，將其送至ZigBee協(xié)調(diào)器；若數(shù)據(jù)非ZigBee數(shù)據(jù)，也非TCP/IP數(shù)據(jù)，則判斷為非法報文數(shù)據(jù)，將其丟失，再次進入監(jiān)聽網(wǎng)絡狀態(tài)[6]。

圖5 智能網(wǎng)關(guān)程序流程圖

4.2 ZigBee節(jié)點軟件設計

本系統(tǒng)采用IAREW環(huán)境來開發(fā)糧倉的ZigBee網(wǎng)絡，ZigBee網(wǎng)絡軟件設計主要包括ZigBee協(xié)調(diào)器、終端傳感器節(jié)點、執(zhí)行節(jié)點應用程序的設計。

4.2.1 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設計

ZigBee協(xié)調(diào)器負責ZigBee網(wǎng)絡的創(chuàng)建、配置和維護，其流程圖如圖6所示。ZigBee網(wǎng)絡創(chuàng)建，程序初始化后，處于監(jiān)聽狀態(tài)，開始監(jiān)聽智能網(wǎng)關(guān)傳來的控制指令及終端節(jié)點上傳的糧倉環(huán)境參數(shù)。若接收數(shù)據(jù)為網(wǎng)關(guān)模塊傳來的數(shù)據(jù)，對其進行數(shù)據(jù)解析，判斷控制的是哪個終端節(jié)點，再發(fā)送至相應的終端節(jié)點；若接收數(shù)據(jù)為終端傳感器數(shù)據(jù)，就會將數(shù)據(jù)打包發(fā)給智能網(wǎng)關(guān)。

圖6 ZigBee協(xié)調(diào)器程序流程圖

4.2.2 終端傳感器節(jié)點的軟件設計

在ZigBee終端節(jié)點設置了3種類型的終端傳感器節(jié)點，先通過溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器及氧氣傳感器來實時采集糧倉環(huán)境參數(shù)，再將其打包發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。

4.2.3 執(zhí)行節(jié)點的軟件設計

ZigBee執(zhí)行節(jié)點為繼電器開關(guān)。當ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建網(wǎng)絡，程序初始化后，處于監(jiān)聽狀態(tài)，會監(jiān)聽到從智能網(wǎng)關(guān)傳來的控制指令，在確認控制指令無誤后會控制執(zhí)行設備如排風扇、加熱設備、加濕設備，并向ZigBee協(xié)調(diào)器反饋執(zhí)行設備的運行狀態(tài)，協(xié)調(diào)器再通過串口送至智能網(wǎng)關(guān)。

5 多傳感器數(shù)據(jù)融合

糧倉一般采用多點位測量環(huán)境參數(shù)，每間隔5m埋入一個溫濕度傳感器，檢測不同深度、不同位置的糧食的溫濕度，同時在不同位置分布著二氧化碳傳感器及氧氣傳感器來實時監(jiān)測糧倉氣體參數(shù)。為了提高糧倉環(huán)境監(jiān)測精度，有效提升數(shù)據(jù)的全面性及實時性，本系統(tǒng)采用對同類傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)局部融合，再對異類傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)用D-S證據(jù)理論算法全局融合[7]，從而減小采集數(shù)據(jù)的誤差。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，首先對同類傳感器采集數(shù)據(jù)進行局部數(shù)據(jù)融合，即多次實驗，通過算術(shù)平均算出不同時間段的均值，取任一值與相應時間段均值比較，若大于相應時間段均值，則該值視為異常值，用均值替代；若小于相應時間段均值，則該值視為正常值，不做處理，從而實現(xiàn)對同類傳感器異常數(shù)據(jù)的修正；再利用D-S證據(jù)理論算法對異類傳感器采集數(shù)據(jù)進行全局融合分析，即將糧倉中溫濕度、二氧化碳濃度、氧氣濃度等級作概率函數(shù)賦值，利用D-S證據(jù)理論做最后的糧倉環(huán)境評估，先讓溫濕度與二氧化碳濃度的等級進行融合，計算歸一化常數(shù)K和mas函數(shù)，所得結(jié)果再與氧氣濃度等級進行融合，進而得出整個糧倉的環(huán)境等級，從而增加了系統(tǒng)對糧倉環(huán)境等級判決結(jié)果的可信度，確保了判定結(jié)果的準確度[8]。

圖7 系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié)語

本文從糧倉存儲環(huán)境監(jiān)測的實際需求出發(fā)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、云計算技術(shù)及多傳感器融合理論，設計了一種基于多傳感器融合的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，引入多傳感器融合技術(shù)，為糧倉環(huán)境監(jiān)測提供了實時、精準、可靠的數(shù)據(jù)，提高了糧倉環(huán)境信息智能化水平，保證了糧食存儲質(zhì)量，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，在智能糧食倉儲領(lǐng)域有一定推廣和應用前景。