糧庫檢測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

陳松榮軍彭佳豪唐江楊陳明何飛

摘要：針對(duì)大型糧庫糧食存儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ZigBee無線傳輸技術(shù)為核心，結(jié)合溫濕度傳感器模塊，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)子節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)環(huán)境實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)通過路由節(jié)點(diǎn)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，其中路由節(jié)點(diǎn)采用無線傳輸方式與終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，使得現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳送給中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)糧庫內(nèi)部的多點(diǎn)檢測(cè)及和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：傳感器；糧庫；檢測(cè)；ZigBee技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM46文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

糧食的安全存儲(chǔ)是關(guān)系到國計(jì)民生的戰(zhàn)略大事，科學(xué)保糧具有重要的社會(huì)意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前進(jìn)行糧庫溫度和濕度測(cè)試的方式有下面兩種：第一種就是人手持溫濕度測(cè)試儀器對(duì)糧庫進(jìn)行人工檢測(cè)，這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且效果并不好。第二種：通過儀器采集數(shù)據(jù)后通過有線傳輸，這種方法投入大，而且設(shè)計(jì)繁瑣以及施工難度極大[1][2]。針對(duì)大型糧庫分布廣、儲(chǔ)量大，糧庫的管理和監(jiān)測(cè)難度大等不足的特點(diǎn)，本文提出了一種基于ZigBee的無線傳輸糧庫溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測(cè)糧庫溫濕度，其具有以下優(yōu)點(diǎn)，第一低成本，低功耗，硬件簡(jiǎn)單，安全可靠，可以隨時(shí)的增加和刪除節(jié)點(diǎn)。第二：本系統(tǒng)為無線數(shù)據(jù)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(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)糧庫設(shè)施的布局特點(diǎn)，糧庫檢測(cè)系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎脴錉钔負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成由一個(gè)終端服務(wù)節(jié)點(diǎn)和多個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其中無線傳感器節(jié)點(diǎn)主要完成對(duì)糧庫環(huán)境溫濕度參數(shù)的采集、處理和發(fā)送。終端服務(wù)節(jié)點(diǎn)是用來接收無線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)與PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多個(gè)小型的節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成，以這些工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過無線通信組成各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了降低成本，本系統(tǒng)中大部分的節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)。從組網(wǎng)通信上看，它們只是其功能的一個(gè)子集，稱為精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）。終端服務(wù)節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信采用無線傳輸網(wǎng)絡(luò)ZigBee2007/PRO實(shí)現(xiàn)通信。ZigBee2007/PRO是一種中短距離、低速率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而且射頻傳輸成本低，各節(jié)點(diǎn)只需要很少的能量，功耗小適于電池長期供電，可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、兩點(diǎn)間對(duì)等通信、快速組網(wǎng)、自動(dòng)恢復(fù)和高級(jí)電源管理，任意傳感器之間可相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[3]。

3糧庫檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要功能是采集糧庫溫濕度數(shù)據(jù)，最終將數(shù)據(jù)傳送給PC。它由傳感器模塊、處理模塊、傳輸模塊和能量供應(yīng)模塊四個(gè)部分組成，如圖2所示。

傳感器模塊采用的是數(shù)字溫濕度傳感器DHT11[4]，該器件主要特點(diǎn)如下：（1）高度集成，將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上。（2）提供單線雙向數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間4ms左右，數(shù)據(jù)分為小數(shù)部分和整數(shù)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(fā)器CC2530，它能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[6]。CC2530模塊工作原理電路如圖4所示，它的外圍設(shè)計(jì)電路主要包括晶振時(shí)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(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖如圖5所示，它主要由射頻收發(fā)器、無線耦合和匹配模塊和LED顯示模塊等模塊組成。路由節(jié)點(diǎn)是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中局部監(jiān)測(cè)群體的核心節(jié)點(diǎn)，起到監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)的路由作用。路由節(jié)點(diǎn)受終端節(jié)點(diǎn)的指揮和呼喚，起到上傳下達(dá)的作用。

3.3終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)模塊是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通訊和控制核心，CC2530通過USB轉(zhuǎn)串口芯片（PL2303）與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的可控性和可視性，所有路由節(jié)點(diǎn)和部分的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均通過終端節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的中央監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)。終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用ZigBee產(chǎn)品CC2530芯片終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖如圖6所示[7]。

4糧庫檢測(cè)系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)

4.1終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)主要由主程序、數(shù)據(jù)循環(huán)采集及數(shù)據(jù)傳輸程序以及中斷服務(wù)程序等組成。終端節(jié)點(diǎn)主程序是以主動(dòng)的方式按照固定順序周而復(fù)始地呼喚路由節(jié)點(diǎn)而取得數(shù)據(jù)，而路由器以中斷的方式應(yīng)答中心節(jié)點(diǎn)從而分組傳輸數(shù)據(jù)（采集不同傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)）。終端節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送路由地址來連接路由節(jié)點(diǎn)，并接收其數(shù)據(jù)。其主程序如圖7所示。

4.2傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)主程序主要是讀取傳感器的狀態(tài)參數(shù)和數(shù)據(jù)，通過運(yùn)算后存儲(chǔ)。傳感器節(jié)點(diǎn)主程序框圖如圖8所示。傳感器DHT11根據(jù)MCU發(fā)送一次開始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集，采集數(shù)據(jù)后校驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正確，校驗(yàn)正確則執(zhí)行數(shù)據(jù)處理過程，否則繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。異常處理情況一般通過傳感器是否響應(yīng)來判斷[8]。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

基于ZigBee技術(shù)的大型糧庫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是在進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合ZigBee協(xié)議棧的自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來完成的。該系統(tǒng)通過3個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、1個(gè)路由節(jié)點(diǎn)、1個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和1臺(tái)計(jì)算機(jī)在岳陽城陵磯糧庫中完成了測(cè)試。傳感器節(jié)點(diǎn)采用5V電池供電。本系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試，達(dá)到以下幾個(gè)技術(shù)指標(biāo)：

1）溫度測(cè)量范圍為0～50℃，測(cè)量精度達(dá)到了±2℃，分辨率達(dá)到了1℃；

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

3）ZigBee無線傳輸距離最遠(yuǎn)達(dá)到了100米。

在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)的通過串口助手顯示溫度與濕度的數(shù)值。

6結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)的糧庫測(cè)量溫濕度的方法的不足，提出了并設(shè)計(jì)了基于ZigBee的糧庫無線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。相比較傳統(tǒng)的糧庫檢測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可隨時(shí)增加和刪除節(jié)點(diǎn)。相比較傳統(tǒng)的RS485或CAN等現(xiàn)場(chǎng)總線的方式，這在很大程度上避免大量布線的麻煩。②維護(hù)方便、成本低。基于ZigBee網(wǎng)無線傳感節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)在糧食進(jìn)出糧庫時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)不易破壞，從而大大降低了平時(shí)的維護(hù)費(fèi)用，而傳統(tǒng)布線方式的電纜線容易遭受雷擊等小動(dòng)物的損害，維修起來十分困難。③拓性好、可靠性高、轉(zhuǎn)移方便。基于ZigBee網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是由無線傳感器構(gòu)成的，這使得整個(gè)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)移和拓展方面有很大的優(yōu)勢(shì)，而且單節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性高。這些都是傳統(tǒng)方式所不具備的。④人性化、智能化和科技化。基于ZigBee網(wǎng)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)可以使用戶隨時(shí)隨地不需要安裝任何軟件都可通過計(jì)算機(jī)查看現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，其形式可以是數(shù)據(jù)、文字、表格、圖像或語音，信息可以實(shí)時(shí)、自動(dòng)更新。管理員可以通過查看系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，有針對(duì)性地對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制、診斷和配置等操作。

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