基于ZigBee的智能糧倉監測系統設計*

張小娟, 蘇 娟

(湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082)

基于ZigBee的智能糧倉監測系統設計*

張小娟, 蘇 娟

(湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082)

通過ZigBee終端節點的傳感器采集糧倉環境參數后發送到ZigBee協調器，ZigBee協調器通過網關將數據發送到服務器，然后傳給客戶端。客戶端將接收到的數據進行分析處理后,與預設的閾值進行對比，會自動發出報警信息并在監測界面上顯示。糧庫的工作人員通過監測平臺及相應的報警信息隨時了解糧倉的糧食狀態，從而及時、準確地做出相關決策。該系統具有可靠性好、實時性強、成本低、使用方便的特點，滿足了糧倉智能監測的要求。

糧倉； 監測系統； ZigBee； 傳感器； CC2530； 智能

0 引 言

要做到合理地存儲糧食，糧情監測尤為重要。糧情監測是儲備庫防止糧食霉爛、保質存放的重要環節。糧食在儲備的過程中，常因糧食的濕度、溫度、氣體濃度過高等因素，導致糧食大量地變質，給國家和人民帶來巨大的損失[1]。因此，這些因素是儲糧狀態的重要標志，必須準確檢測并實時顯示。

針對傳統的糧食存儲無法實時獲取和有效共享倉庫糧情信息，本文提出了一種智能糧倉監測系統的方案，能夠24 h實時監測糧倉狀況。具有一定實際應用推廣價值。

1 系統總體構

整個系統主要由數據采集層，ARM網關層，以及應用層三大部分組成。數據采集層主要通過ZigBee終端節點的傳感器采集糧倉數據后經ZigBee無線傳感網絡發給ZigBee協調器。 ARM網關層與ZigBee協調器相連，可以接收并處理來自ZigBee的數據，也可以接收并處理來自服務器的指令。網關與ZigBee協調器通過串口的方式進行數據傳輸，與服務器通過TCP/IP協議進行數據傳輸。應用層有Linux服務器和客戶端。Linux服務器將ARM網關層傳來數據進行分析處理并保存；客戶端為具體的圖形接口程序(主要是PC QT應用)，將從Linux服務器上獲取的有關糧倉環境的數據以圖形化接口展現給用戶。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2 系統硬件設計

系統硬件部分主要由ZigBee模塊、各傳感器、ARM網關等部分組成。

ZigBee模塊選用的是TI公司的CC2530。CC2530采用增強型8051 CPU作為主處理器，并結合了領先的RF收發器的優良性能。它能夠建立強大的網絡節點。它不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統[2]。

傳感器模塊主要有溫濕度傳感器、CO2傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器，這些傳感器連接在ZigBee終端節點上，采集糧倉數據并通過串口傳給ZigBee模塊。為了能更準確采集糧倉數據，溫濕度傳感器選用DHT11數字溫濕度傳感器，這是一種具有超小的體積、極低的功耗并且在極為精確的濕度校驗室中經過校準的數字溫濕度復合傳感器[3]。CO2濃度傳感器選用MG811,它對CO2有良好的靈敏度和選擇性，受溫濕度變化的影響較小，具有長期的使用壽命和可靠的穩定性以及再現性[4]。煙霧傳感器選用MQ—2，它成本低、壽命長，在較寬的濃度范圍內對可燃氣體有良好的靈敏度。紅外傳感器選用HC—SR501，這是一種靈敏度高，可靠性強，具有超低電壓工作模式的傳感器，它廣泛應用于各類自動感應電器設備。

ARM 網關層硬件選用ARM Cortex—A8 ，它采用的主處理器是三星的S5PV210，運行主頻可高達1 GHz，帶有480×800的可觸摸液晶屏以及以太網口。該模塊主要負責網關功能以及控制ZigBee協調器。

各模塊之間的連接如圖2 所示，各傳感器負責采集糧倉環境參數，并通過串口傳給ZigBee模塊CC2530，然后通過ZigBee無線傳感網絡發送到ZigBee協調器，ZigBee協調器與ARM 端也是通過串口通信，ARM收到協調器傳來的糧倉環境數據后通過以太網發送到應用層。與此同時，來自應用層的指令也可以相反的路徑傳到ZigBee終端節點。

圖2 系統結構框圖

3 系統軟件設計

3.1 數據采集層設計

傳感器通過串口與ZigBee模塊CC2530相連，各傳感器模塊將采集到的實時數據信息經A/D轉換并處理后轉化成相應格式的數字信號，然后通過ZigBee無線傳感器網絡傳送給ZigBee協調器，同時接收從ZigBee協調器發送過來的指令，收到指令后執行相應地操作。ZigBee協調器接收到ZigBee節點采集的數據后進行分析、處理然后通過ARM網關發給服務器[6]。數據采集層軟件流程如圖3所示。

圖3 數據采集層軟件流程圖

由于傳感器在采集糧倉數據時會存在一定的誤差和干擾，使得采集到的數據與真實值存在一定差異，為了準確地監測到糧倉環境信息，本系統采用去極值平均濾波法對采集到的數據進行處理。各傳感器每采集6次數據就做一次處理，假設傳感器6次采集到的數據分別為Xt,Xt+1,Xt+2,Xt+3,Xt+4,Xt+5，其中最大值為Xmax,最小值為Xmin,則

Xmax=max(Xt,Xt+1…Xt+5)

(1)

Xmin=min(Xt,Xt+1…Xt+5)

(2)

(3)

3.2 ARM網關層設計

ARM網關層主要有兩個功能：1)網關，實現監測區域各傳感器與外部設備之間數據及指令信息的雙向傳遞；2)作為一個糧倉監測區域的“控制中心”，需具有對數據和指令作基本的分析、處理以及暫存的功能。

根據以上需求，該層硬件采用ARM Cortex—A8 。它通過串口與協調器通信，通過TCP/IP協議與服務器通信。接收協調器從各個終端節點采集的數據信息，分析處理后發送給服務器。同時向協調器傳輸下達服務器的數據信息[7]。可手動、自動查詢底層傳感器采集的數據信息，控制設備閾值。網關層軟件設計流程圖如圖4所示。

圖4 網關軟件流程圖

由于ARM Cortex—A8支持Linux系統，本部分程序采用Linux QT設計，加入了GUI圖形界面，可將網關部分的程序以圖形化的形式顯示在480×800的可觸摸屏上，以達到直接監測的目的，當應用層網絡(TCP/IP協議)斷開時，糧倉工作人員可以在糧倉附近通過ARM端監測糧倉環境。

3.3 服務器設計

服務器采用Linux操作系統，其具有開源且功能強大、移植性強，安全性相對較高的特點，有著承上啟下的重要功能，它為本系統的用戶層跟底層之間提供了類似橋梁的通信功能，同時也是大數據儲存的載體。

服務器軟件設計的核心是TCP/IP協議、多線程以及數據庫sqlite3。TCP/IP是服務器與網關以及與客戶端之間通信的協議，多線程用于建立與多個客戶端的連接；數據庫則用于存放和讀取網關和客戶端信息及客戶端發送的數據。服務器軟件設計如圖5所示。

圖5 服務器軟件流程圖

3.4 客戶端設計

客戶端分為2種:一種是管理員，提供管理操作員和分配糧倉的功能,查看當前所有操作員和糧倉，并為操作員分配和撤銷糧倉，以及添加和刪除操作員等;另一種是操作員，提供監控和管理糧倉的功能;查看自己管理的糧倉的所有測控點和具體的測控點的溫度、濕度、CO2濃度等信息，可以異常報警和實時顯示糧倉環境信息[8]，還可以手動采集糧倉的實時監控信息。此外，還可以折線圖和表格的形式查看某個糧倉在具體某一段時間內的溫度、濕度、CO2濃度等信息記錄，并且可將折線圖導出為PDF格式保存，將表格導出為EXCEL格式保存。客戶端軟件結構框圖如圖6所示。

圖6 客戶端軟件結構框圖

4 系統測試

本系統主要測試客戶端啟動后能否接收并顯示ZigBee終端節點采集的糧倉環境數據，能否異常報警，能否實時監測糧倉環境，能否查看具體某一段時間內糧倉歷史數據。

實驗時，將協調器安放于糧堆上方，溫濕度模塊埋入糧堆中，其他傳感器安放于糧倉入口及四周，ARM網關安放在糧倉頂部。監測中心PC每隔一段時間發送1次數據采集命令，對糧倉內部環境進行實時采集。如果某個節點采集的數據超過設定值，監測中心PC管理軟件會發出報警提示，并在監控界面顯示[9]。圖7為客戶端啟動后操作員成功登錄的界面，該界面實時顯示了糧倉相應測控點的數據及當前糧倉中該項環境因子的所有測控點的最大最小值和警戒最大最小值。

圖7 客戶端監測界面

操作員可以以折線圖或表格的方式自由查看選中糧倉在某一段時間內各測控節點的平均監控數據信息的歷史記錄。用戶點擊圖7中的“折線圖信息”或“表格信息”可分別進入到相應折線圖和表格操作的界面，當設定好需要查看的時間范圍之后，點擊圖中“更新”按鈕，待客戶端從服務器獲取對應的歷史數據后會繪制出圖8(a)所示平均溫度折線圖(選擇折線圖上方的不同按鈕查看不同指標的折線圖)或圖8(b)所示的表格。圖8(a)中橫坐標是時間，縱坐標是溫度值(若為濕度、CO2等其它指標，則為相應的指標值)。圖中的折線圖和表格可以利用鼠標隨意拖動、放大、縮小以查看相應時間段內的數據信息。經過反復實驗，系統工作穩定，能夠適應環境的變化，監測效果良好。

圖8 糧倉參數折線圖與參數表格

5 結束語

本設計將ZigBee技術與糧倉管理相結合，設計了糧倉

環境監測系統，增加了糧倉管理的新功能，建立了糧倉在線監測平臺，實現了糧倉的環境的集中監測，不僅保證了糧食的品質和質量,而且降低了勞動強度,實現了糧倉監測系統的實時性與智能化的要求[10]。不同權限的客戶端(管理員、操作員)對糧倉分級管理，而網關脫離應用層網絡直接監測，大大提升了糧倉的智能監測水平，實踐證明基于Zig Bee的糧倉智能監測系統對于糧食監測具有較高的實用價值。

[1] 薛 亮，馮鵬飛，張繼飛.基于WSNs和GPRS的糧庫監測系統設計[J]．自動化技術與應用，2016，35(12)：87-90.

[2] CC2530中文數據手冊完整版[M].鄭州：鄭州新雙恒，2009.

[3] DHT11中文說明書[M].廣州：育松電子,2012.

[4] MG811產品說明書[M].鄭州：煒盛科技,2010.

[5] 滕志軍，何建強，李國強．基于 ZigBee 的智能農業管理系統設計[J]．湖北農業科學，2013，52(3):681-684．

[6] 徐亞峰，劉煥強，顧曉峰，等．基于ZigBee和GPRS的遠程水質監測系統的設計與實現[J]．江蘇農業科學，2013，41(3):328-331．

[7] 徐瑞娜,胡方明,仁愛峰.ZigBee無線傳感器網絡在遠程環境監測中的應用設計[J].電子元器件與應用,2010,12(7):38-42.

[8] 楊 柳，毛志懷，蔣志杰，等．基于無線傳輸的糧倉溫濕度遠程監測系統[J]．農業工程學報，2012，28(4):155-159．

[9] 王希杰.基于物聯網技術的生態環境監測應用研究[J].傳感器與微系統,2011,30(7):149-152.

[10] 孔凡偉,施云波,修德斌,等.基于無線傳感器網絡的氯氣監測系統設計[J].傳感器與微系統,2013,32(2):99-101.

Design of intelligent barn monitoring system based on ZigBee*

ZHANG Xiao-juan, SU Juan

(College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

This system transmits environmental parameters of barn collected from ZigBee terminal node sensors to the ZigBee coordinator.ZigBee coordinator transmits data to the server through gateway,and then to client.The client analyze and process the received data and compare it with the preset threshold,then alarm information will be sent and the corresponding data is displayed on monitor interface.The staffs of the barn get information from the monitoring platform and corresponding alarm information of grain granary at any time in order to timely and accurately make related decisions.The system has good reliability,real-time function, low cost,and convenient operation, which meets the requirements of granary intelligent monitoring.

barn; monitoring system; ZigBee; sensor; CC2530; intelligent

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0109—04

2016—06—02

湖南省科技計劃資助項目(2014GK3007)

TP 212

A

1000—9787(2017)05—0109—04

張小娟(1990-)，女，碩士研究生，主要從事嵌入式系統與應用。

蘇 娟(1963-)，女，副教授，主要從事嵌入式系統與應用研究工作。