基于ZigBee和GSM網絡的倉庫環境監控系統設計

黃曉紅 朱寶明

摘 要：文中設計了一種基于ZigBee和GSM網絡的倉庫環境監控系統，實現了對倉庫環境信息的采集、數據傳輸及對倉庫通風窗口的智能控制。用戶可以通過GSM網絡以手機短信的方式對倉庫的溫濕度、氣味濃度等環境參數進行查詢，還可以通過手機短信對倉庫通風窗口、除濕設備的開閉進行遠程控制。

關鍵詞：ZigBee；GSM；環境監控；智能控制；遠程控制

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-03

0 引 言

我國不僅是一個農業大國，更是工業大國，倉庫成為了眾多企業和公司不可缺少的一部分。糧食、工業產品在儲存過程中易受溫濕度等因素的影響，可能會霉變、生銹甚至引起火災等，而無人看管的倉庫則會出現無關人員隨意進入、偷盜等情況[1]。企業和公司的傳統做法是安裝有線監控或者采用人工值守等方式，但有線監控在多個監測點或者布線困難的情況下顯得繁瑣，且成本高，不靈活；而人工值守的方式不僅費時、費力且隨機性大，數據測量不準確。針對這些問題，本文基于ZigBee和GSM網絡設計了一種以STM32F103ZET6為主控芯片，成本低，靈活性好，可靠程度高的倉庫環境監控系統[2]。

1 系統總體設計

該系統主要由ZigBee模塊、主控芯片、GPRS無線發射模塊組成。

ZigBee模塊分為終端和協調器兩部分，終端負責接收并處理傳感器采集的溫濕度、煙霧等倉庫環境數據，并將處理好的數據通過無線網絡發送給協調器。

協調器負責接收終端發送的數據，然后通過串口將數據發送給主控芯片。

主控芯片負責接收協調器發送的數據。控制液晶屏顯示溫濕度信息，并等待用戶以短信形式發送指令，當接收到查詢指令時，主控芯片通過GPRS無線發射模塊及時將倉庫的溫濕度信息發送給用戶；接收到命令指令后，主控芯片將命令發送給協調器，進而控制各個終端，終端依照接收的指令控制繼電器的開閉，最終實現打開或關閉通風窗口和除濕設備的目的。系統總體設計框圖如圖1所示。

2 系統硬件選型與設計

系統終端和協調器均采用TI公司生產的ZigBee SOC CC2530F256芯片，該芯片基于 IEEE 802.15.4 規范標準[3]，能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節點[4]。CC2530芯片集成了RF收發器、增強工業標準的8051MCU、可編程 Flash 存儲器、8 KB RAM和許多其他強大功能[5]。此外，ZigBee模塊安裝了3 dB的2.4 GHz膠棒天線，使得輸出功率達到22dBm，終端與協調器之間的有效傳輸距離長達500 m，可滿足大型倉庫的通信要求。

主控芯片采用STM32F103ZET6處理器。該處理器不僅功耗低，還帶有512 KB Flash和64 KB SRAM存儲器[6]。工作電壓范圍為2.0～3.6 V，具有多種省電模式，可完全滿足低功耗的要求。無線發射模塊采用具有緊湊型、高可靠性特點的無線模塊SIM900A，它采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，擁有強大功能的處理器ARM9216EJ-S內核，能夠滿足低成本，緊湊尺寸的要求。

2.1 終端節點設計

系統由四個終端組成，其中兩個終端分別監測倉庫中的溫濕度和氣味濃度，另外兩個負責紅外報警和繼電器控制。采用DHT11溫濕度傳感器監測倉庫中的溫濕度，該傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器[7]，具有極高的可靠性和優秀的穩定性，適合長期監測環境的溫濕度。采用MQ2煙霧傳感器監測氣味濃度，該傳感器對可燃性氣體有較高的靈敏度，完全契合倉庫預防火災的要求。該終端采用紅外熱釋電傳感器HC-SR501進行紅外報警，是一款基于紅外技術的自動控制產品，具有靈敏度高，可靠性好，超低功耗等優點，能夠在超低電壓下工作，采用一款5 V或兼容3.3 V的繼電器連接到ZigBee終端模塊即可。圖2中從左到右依次是溫濕度傳感器、煙霧傳感器和紅外傳感器。

2.2 協調器設計

協調器主要負責啟動、配置網絡和收發數據，無需連接任何傳感器和繼電器。協調器通過串口與主控芯片連接，可實現串口通信。因ZigBee模塊、主控芯片和無線發射模塊擁有相同的通信協議，因此僅需注意各模塊串口的正確連接即可。通訊協議的格式見表1所列。

2.3 主控電路設計

主控電路芯片采用STM32F103ZET6處理器，由主控芯片作為系統中樞，起到承上啟下的作用。主控芯片通過串口連接SIM900A模塊、液晶顯示模塊和協調器。各模塊連接方式如圖3所示。圖中從左到右依次是協調器、主控電路、SIM900A無線發射模塊，主控電路連接電源，為協調器和無線發射模塊供電。

3 系統軟件設計

系統軟件由主控芯片的系統軟件和ZigBee模塊部分的系統軟件組成。

3.1 主控芯片的系統軟件

主控芯片既要負責接收各種傳感器發送的數據，又要接收用戶發送的指令，經常需要處理多個任務，因此在主控芯片中植入一個實時多任務的操作系統很有必要。系統采用μC/OS-II操作系統，該系統可基于ROM運行，可裁剪，含實時多任務內核，具有高度的可移植性，適用于微處理器和控制器[8]。待操作系統移植好后，根據需要確定各任務的優先級，安排各任務的執行順序并設計相應的程序。將設計好的程序燒到主控芯片，使芯片具有運行協調任務的能力，從而確保任務之間可無沖突、流暢地同步運行。

3.2 ZigBee模塊的系統軟件

為了讓用戶更方便地使用ZigBee技術，TI公司向用戶免費提供了Z-Stack，即CC2530開發板的配套程序。Z-Stack包含了協調器和終端程序設計的例程，用戶可根據自身需要在相應的例程基礎上修改協議棧規范、網絡拓撲結構、PANID、信道和數據收發函數等網絡參數及與系統工程相關的應用層和與硬件部分相關的程序。本文所設計的系統中，系統協調器和終端程序設計都通過在IAR Embedded Workbench for 8051開發環境下修改Z-Stack-CC230-2.5.1的SampleApp例程來完成。

3.3 系統軟件執行過程

操作系統啟動后首先初始化硬件設備，從配置文件中讀取相關配置信息，之后初始化串口，接收協調器從串口發送的數據，等待用戶發送命令指令，如果接收到指令則發送實時數據給用戶，或者將用戶的指令發送給協調器。ZigBee內網的建立和維護由ZigBee協調器承擔，接收主控芯片傳送的控制指令并轉發到各個終端[9]。在本系統采用星形網絡，星形網絡是數據和網絡命令都通過中心節點傳輸的一個輻射狀系統，具有結構簡單，設備成本低等優點。網絡組建主要包括系統初始化、網絡拓撲更新和節點通信幾方面[10]。協調器網絡通信流程如圖4所示。

4 系統測試

本系統設計的模塊包括傳感器終端模塊、主控電路模塊，與主控電路連接的協調器模塊以及GPRS無線發射模塊。系統連接如圖5所示。

將制作好的系統終端節點模塊和主控電路等模塊放在模擬倉庫中進行測試，將不同類別的傳感器模塊等間隔放置在倉庫內的不同位置。系統上電后，液晶屏開始顯示倉庫的溫濕度。當用戶手機發送短信查詢倉庫環境信息時，可以收到系統發送的倉庫溫濕度數據信息。當紅外傳感器檢測到有人時，系統主動將報警信息以短信形式發送到手機。用打火機在煙霧傳感器周圍釋放可燃氣體，當可燃氣體濃度超過程序中預設的上限時，系統會主動發送報警信息給手機，如圖6所示。

經測試，該系統對溫度的檢測誤差為0.1℃，濕度誤差為1%RH，煙霧濃度分辨率為0.3，可滿足對倉庫環境參數的檢測精度要求。該系統對可燃性氣體反應靈敏，當檢測到可燃性氣體時會迅速向用戶發送報警短信，并準確控制繼電器的開閉。

5 結 語

本文所設計的倉庫環境監控系統采用ZigBee無線通信方式，用戶無需布線，只需將終端設備放置到需要監測的位置即可，便于安裝。系統使用的主控芯片功能強大，具有良好的擴展性，可以根據客戶的不同需要在原來的基礎上增加新的功能。用戶可以短信方式查詢倉庫環境信息并控制倉庫通風窗口，非常人性化。本文設計的系統具有耗能少，成本低，穩定性好等特點，具有一定的推廣價值。

參考文獻

[1]李建勇，李洋，劉雪梅.基于ZigBee 的糧庫環境監控系統設計[J].電子技術應用，2016，42（1）：65-67.

[2]王晨輝，吳悅，楊凱.基于STM32 的多通道數據采集系統設計[J].電子技術應用，2016，42（1）：51-53.

[3]楊琳琳.基于ZigBee技術的體溫檢測系統的設計[D].新鄉：河南師范大學，2014.

[4]黃澤界.一種基于ZigBee技術遠程無線抄表系統的實現[J].現代電子技術，2014，37（11）：19-21.

[5]萬明.精細農業生產環境中監控數據的無線傳輸裝置的設計[J].信息通信，2015（7）：59-60.

[6]劉軍良. WiFi技術在溫濕度遠程監測系統中的應用[J].自動化儀表，2014，35（6）：79-82.

[7]陳智翔.基于ARM9的ZigBee無線家庭網關設計[D].武漢：武漢理工大學，2009.

[8]劉波文，孫巖.嵌入式實時操作系統μC/OS-II經典實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014：22-23.

[9]趙虹鈞.基于ZigBee技術的智能家居系統的設計[D].上海：上海交通大學，2007.

[10]李明亮，蒙洋，康輝英.例說ZigBee[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013：288-289.