糧庫檢測系統的網絡設計

陳松榮軍彭佳豪唐江楊陳明何飛

摘要：針對大型糧庫糧食存儲環境監測點分散的現狀，設計一種樹狀拓撲結構的無線傳感器網絡中央監測系統。該系統以ZigBee無線傳輸技術為核心，結合溫濕度傳感器模塊，構成無線傳感器網絡檢測子節點。系統能夠對現場環境實時檢測，同時通過路由節點將檢測到的數據上傳給上位機，其中路由節點采用無線傳輸方式與終端節點進行通訊，使得現場檢測到的數據能夠實時傳送給中央監控計算機，最終實現糧庫內部的多點檢測及和實時監控。

關鍵詞：傳感器；糧庫；檢測；ZigBee技術

中圖分類號：TM46文獻標識碼：A

1引言

糧食的安全存儲是關系到國計民生的戰略大事，科學保糧具有重要的社會意義與經濟價值。目前進行糧庫溫度和濕度測試的方式有下面兩種：第一種就是人手持溫濕度測試儀器對糧庫進行人工檢測，這種方法費時費力，而且效果并不好。第二種：通過儀器采集數據后通過有線傳輸，這種方法投入大，而且設計繁瑣以及施工難度極大[1][2]。針對大型糧庫分布廣、儲量大，糧庫的管理和監測難度大等不足的特點，本文提出了一種基于ZigBee的無線傳輸糧庫溫濕度監測系統，該系統采用基于ZigBee無線傳感器網絡來監測糧庫溫濕度，其具有以下優點，第一低成本，低功耗，硬件簡單，安全可靠，可以隨時的增加和刪除節點。第二：本系統為無線數據傳輸不易破壞，易維修，減少了工作人員的工作量。

2糧庫檢測系統實現

根據糧庫設施的布局特點，糧庫檢測系統的無線網絡拓撲采用樹狀拓撲結構，設計框圖如圖1所示。

圖1所示的系統結構組成由一個終端服務節點和多個監測節點構成，其中無線傳感器節點主要完成對糧庫環境溫濕度參數的采集、處理和發送。終端服務節點是用來接收無線傳感器節點數據，同時與PC機進行實時通訊。無線傳感器網絡由許多個小型的節點所構成，以這些工作節點為依托，通過無線通信組成各種網絡拓撲結構。為了降低成本，本系統中大部分的節點為子節點。從組網通信上看，它們只是其功能的一個子集，稱為精簡功能設備（RFD）。終端服務節點和傳感器節點之間的通信采用無線傳輸網絡ZigBee2007/PRO實現通信。ZigBee2007/PRO是一種中短距離、低速率無線傳感器網絡，而且射頻傳輸成本低，各節點只需要很少的能量，功耗小適于電池長期供電，可實現一點對多點、兩點間對等通信、快速組網、自動恢復和高級電源管理，任意傳感器之間可相互協調實現數據通信[3]。

3糧庫檢測系統的硬件設計

3.1傳感器監測節點設計

傳感器監測節點主要功能是采集糧庫溫濕度數據，最終將數據傳送給PC。它由傳感器模塊、處理模塊、傳輸模塊和能量供應模塊四個部分組成，如圖2所示。

傳感器模塊采用的是數字溫濕度傳感器DHT11[4]，該器件主要特點如下：（1）高度集成，將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上。（2）提供單線雙向數據傳輸功能，DATA用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步，采用單總線數據格式，一次通訊時間4ms左右，數據分為小數部分和整數部分。它與MSP430G2553[5]的連接如圖3所示。

無線傳輸模塊采用的是射頻收發器CC2530，它能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節點[6]。CC2530模塊工作原理電路如圖4所示，它的外圍設計電路主要包括晶振時鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路三部分。3.2路由節點設計

路由節點設計框圖如圖5所示，它主要由射頻收發器、無線耦合和匹配模塊和LED顯示模塊等模塊組成。路由節點是整個監測系統中局部監測群體的核心節點，起到監測節點與終端節點的路由作用。路由節點受終端節點的指揮和呼喚，起到上傳下達的作用。

3.3終端監測節點設計

終端監測節點模塊是整個監測系統通訊和控制核心，CC2530通過USB轉串口芯片（PL2303）與計算機相連，實現了整個系統的可控性和可視性，所有路由節點和部分的監測節點的數據均通過終端節點與計算機進行數據交換，實現整個系統的中央監測與調節。終端監測節點設計采用ZigBee產品CC2530芯片終端節點設計框圖如圖6所示[7]。

4糧庫檢測系統的軟件程序設計

4.1終端節點程序設計

終端節點程序設計主要由主程序、數據循環采集及數據傳輸程序以及中斷服務程序等組成。終端節點主程序是以主動的方式按照固定順序周而復始地呼喚路由節點而取得數據，而路由器以中斷的方式應答中心節點從而分組傳輸數據（采集不同傳感器節點數據）。終端節點通過發送路由地址來連接路由節點，并接收其數據。其主程序如圖7所示。

4.2傳感器節點程序設計

傳感器節點主程序主要是讀取傳感器的狀態參數和數據，通過運算后存儲。傳感器節點主程序框圖如圖8所示。傳感器DHT11根據MCU發送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT11發送響應信號，送出40bit的數據，并觸發一次信號采集，采集數據后校驗數據是否正確，校驗正確則執行數據處理過程，否則繼續采集數據。異常處理情況一般通過傳感器是否響應來判斷[8]。

5實驗結果及分析

基于ZigBee技術的大型糧庫監測系統的設計，是在進行了多次實驗的基礎上，結合ZigBee協議棧的自組網絡技術來完成的。該系統通過3個傳感器監測節點、1個路由節點、1個終端節點和1臺計算機在岳陽城陵磯糧庫中完成了測試。傳感器節點采用5V電池供電。本系統經過測試，達到以下幾個技術指標：

1）溫度測量范圍為0～50℃，測量精度達到了±2℃，分辨率達到了1℃；

2）濕度測量范圍為20～90%RH，測量精度達到了±5%RH，分辨率達到了1%RH；

3）ZigBee無線傳輸距離最遠達到了100米。

在測試現場溫度為22.5℃，濕度為35%RH的情況下，無線ZigBee的傳輸距離為100米，計算機能夠實時的通過串口助手顯示溫度與濕度的數值。

6結論

本文針對傳統的糧庫測量溫濕度的方法的不足，提出了并設計了基于ZigBee的糧庫無線溫濕度監測系統。相比較傳統的糧庫檢測系統，本系統具有以下優點：①可隨時增加和刪除節點。相比較傳統的RS485或CAN等現場總線的方式，這在很大程度上避免大量布線的麻煩。②維護方便、成本低。基于ZigBee網無線傳感節點的設計在糧食進出糧庫時監測網絡不易破壞，從而大大降低了平時的維護費用，而傳統布線方式的電纜線容易遭受雷擊等小動物的損害，維修起來十分困難。③拓性好、可靠性高、轉移方便。基于ZigBee網的節點設計是由無線傳感器構成的，這使得整個系統在轉移和拓展方面有很大的優勢，而且單節點構成的網絡系統可靠性高。這些都是傳統方式所不具備的。④人性化、智能化和科技化。基于ZigBee網的溫濕度監控系統可以使用戶隨時隨地不需要安裝任何軟件都可通過計算機查看現場數據，其形式可以是數據、文字、表格、圖像或語音，信息可以實時、自動更新。管理員可以通過查看系統的實時狀態，有針對性地對嵌入式系統進行遠程監測、控制、診斷和配置等操作。

參考文獻

[1]譚乃厚.基于ZigBee與嵌入式Web的糧庫溫濕度監測系統的研究[D].武漢：武漢理工大學碩士學位論文，2009.

[2]包長春，李志紅，張立山，等. 基于ZigBee 技術的糧庫監測系統設計[J]. 農業工程學報，2009，25（9）：197-201.

[3]劉翔.基于嵌入式ZigBee大型糧庫溫濕度監測系統的研究與設計[J].湖南理工學院.

[4]周建民，尹洪妍，徐冬冬. 基于ZigBee 技術的溫室環境監測系統[J].儀表技術與傳感器，2011（9）：50-52.

[5]李新春，許馳. 基于WSN 的糧庫環境監測系統[J]. 儀表技術與傳感器，2012（7）：38-41.

[6]金曉龍. 基于ZigBee 的糧倉無線測溫系統的設計[J]. 測控技術，2011，30（10）：44-47.

[7]石偉.糧庫溫度智能檢測系統研究[D].武漢：華中科技大學，2004.