基于ZigBee的倉庫智能環境監控系統設計

文 暉

（蘭州石化職業技術學院 信息處理與控制工程學院，甘肅，蘭州 730060）

0 引言

隨著全球經濟的快速發展，倉庫和庫房數量大幅增加，儲存規模也日益增大。這給倉儲安全管理提出了更高要求。目前，國內在倉儲管理方面主要是進行信息化提升和防盜安全管理，能把物聯網技術全面應用于倉儲環境安全管理方面的較少。雖然有的倉庫能夠監測溫度指標、監控入侵，但系統還遠遠沒有達到智能化的要求，特別是在報警手段和問題處理上主要依賴人工，且由于其體系架構局限于局域網，基本是一個倉庫一套應用，普遍使用有線傳感器。因此，直接、準確、高效的基于云平臺控制的無線倉儲智能監控預警顯得尤為需要。本設計在原有的倉庫信息系統的基礎上，使用少量必要的傳感器與執行器建立了一個低成本、高效率的環境監控系統來保證倉庫的安全。

1 系統需求分析

目前，大多數倉儲環境監控系統主要是基于局域網的體系結構，其基本原理是通過內部有線或者無線傳感器采集環境數據，然后將數據上傳到內部服務器的應用端，再根據控制策略對控制器發出指令。由于是在局域網內部的應用系統，這種系統很難與廣域網的智能終端進行實時通訊、預警。隨著ZigBee技術、移動智能終端技術與云平臺技術的發展，實現以無線傳感器與執行器為基礎，以廣域網云平臺集中管控并與移動終端實時通訊的倉儲智能環境監控系統成為一種更為優化的選擇。

2 系統組成與功能

作為一種無線通信技術，ZigBee具有低功耗、低成本、短時延、網絡容量大、可靠安全的特點。因此，在本設計中現場網絡采用ZigBee無線傳感網絡。

如圖1所示為智能倉儲環境監控系統的方案架構，包括無線傳感網、互聯網云平臺、WEB客戶端和移動客戶端App三部分，分別構成了感知層、傳輸層、管理層和應用層。無線傳感網部分包含感知層、傳輸層以及無線執行器。感知層以CC2530單片機為核心進行設計，由分布于倉庫中的多種傳感器構成，用以采集倉庫中的溫度、濕度、火焰、煙霧、光照等環境參數。傳輸層基于ZigBee[1]技術而設計，由終端節點、路由節點以及協調器節點（內置于物聯網網關之中）構成無線傳輸網絡。

傳感器采集到的倉庫溫度、濕度、火焰、煙霧、光照等環境數據經網關轉換、傳輸層傳輸到云平臺。云平臺的設備管理與策略管理系統共同構成了IoT的處理層，這也是智能監控系統的核心。

利用ASP.NET開發的基于B/S結構的管理云平臺有以下優點：

第一，通過使用瀏覽器客戶端管理多個物聯網網關的數據來管理不同的倉庫。

第二，針對不同網關上連接的設備配置智能管理策略。

第三，管理移動端（手機）用戶、發送報警信息到移動端。

圖1 系統方案結構圖

圖2 系統方案數據流圖

如圖2所示為系統的數據流圖。系統的工作原理是：物聯網網關（刷新時間5秒）將傳感器信息采集后發送到云平臺并存入到數據庫中，實時對采集到的數據進行智能分析和處理，根據采集到的數據和既定的管理策略發送命令到物聯網網關，驅動執行器，同時通過無線網絡將環境信息發送到手機App。對于嚴重的火災等事件直接通過傳感網啟動報警系統、開啟電磁閥控制的噴淋頭滅火，也可同時發送到管理者的手機App，經其確認后進行消防火災報警。

3 系統設計

3.1 系統硬件設計與選型部署

系統硬件包括ZigBee節點、板載傳感器、板載繼電器、網關、寬帶路由器、風扇、電磁閥、視頻攝像頭、服務器和客戶端電腦。主要硬件的設計如下

（1）傳感器

本設計中溫度、濕度、火焰、煙霧、光照傳感器為板載方式，通過IAR編寫相應程序，編譯配置后使用，通過鋰電池供電。圖3為傳感器連接示意圖。

圖3 傳感器連接圖

（2）執行器

具體執行器，如通風、自動噴水有關的設備均通過繼電器控制，本設計通過ZigBee控制板連接繼電器的方式實現。具體配置與傳感器類似。圖4為執行器連接示意圖。

圖4 執行器連接圖

（3）網關

網關設備是傳感器、執行硬件設備與云平臺之間的中間件，負責收集傳感器信息，并通過網絡方式將數據傳給云平臺。網關采用新大陸NLEPE9000，支持 Wifi、RS485、以太網、Zigbee 協調器、USB、RFID、藍牙等通訊功能，支持電容觸摸屏，電源電壓為12V。

選型與部署原則如下：

傳感器選型主要考慮量程與精度。具體由倉儲特性決定，精度高則成本偏大，適用即可。本系統中主要用到的傳感器有ZigBee板載溫濕度、火焰、煙霧、光照傳感器。

傳感器節點數量與位置。考慮到ZigBee通信特點與效果要求，節點實際距離不應超過20米。溫濕度傳感器屬于不密封的，根據其測量特點，安裝位置應當是不通風的部位。火焰、煙霧、光照傳感器以頂部為上，且不能遮擋。

圖5 智能倉儲監控云平臺網關配置界面

圖6 部分監控策略配置界面

執行器節點主要實現通風、照明、滅火功能。節點實際距離不應超過20米，照明需求是在ZigBee繼電器上連接照明燈實現。溫濕度需求則是在Zig-Bee繼電器上連接空調、風扇設施實現。對于自動滅火需求則通過在頂部安裝噴淋頭，其開關通過Zig-Bee繼電器控制。執行器的數量由倉庫大小決定。

3.2 軟件設計

3.2.1 云平臺設計

云平臺采用Visual Studio 2012集成開發環境，設計一個基于.NET Framework的ASP.NET[3]程序進行設備管理和策略控制，程序中使用CSS進行布局，引入設備的dll文件，用C#編程語言調用設備API進行服務器端腳本編程。WEB服務器使用騰訊云服務器，其IP地址是移動終端尋址的目標。管理員登錄后添加網關設備，每個網關由唯一的標識號識別，一個云平臺可以添加多個網關設備，所以該平臺可以對多個倉儲點進行監控。圖5為監控云平臺網關配置界面。

3.3.2 移動端App設計

移動端主要針對Android系統利用Eclipse、JDK、SDK等ADT工具基于Socket[4]技術進行編程。客戶端登錄后獲取對應客戶倉庫的平臺信息，可以通過移動客戶端配置監控參數、監控策略，并接收報警信息。

3.3 監測與控制策略

傳感器的各種電信號在通過網關轉化后，上傳到倉儲監控云平臺。在云平臺進行的基本操作包括：

第一，添加設備。通過網關管理下屬設備，每個傳感器與執行器在云平臺上對映一個邏輯設備，同種設備通過序列號加以區分。

第二，添加傳感器變量。在監控云平臺對各個傳感器設置對應的變量，每個傳感器都有唯一的變量與其關聯，傳感器變量是設置智能監控策略的基礎。

第三，設置控制策略。執行器是通過策略設置與傳感器關聯，不同的倉儲應用對參數的需求不同。在策略設置中設置好溫度報警策略、通風策略、噴淋策略并啟用后，系統就處于自動監控狀態。圖6為監控云平臺部分監控策略配置界面。

4 系統測試

測試實驗主要針對溫濕度、光照、火焰子系統進行測試，噴淋頭數控電磁閥用同類開關量設備風扇代替。監控測試能夠正常進行，即按照策略要求控制執行器。系統啟動后，先進行組網操作，在通道號與序列號正確的前提下，逐一給傳感器和執行器節點通電，之后方可在物聯網網關和云平臺上完全上線，投入工作。