基于ZigBee 的新型遠(yuǎn)程倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)研究

雷欽文，謝應(yīng)廣，郭晉遠(yuǎn)，彭石林，2，袁劍輝，2

（1 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114；2 柔性電子材料基因工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410114）

0 引言

隨著現(xiàn)實(shí)世界中傳感器的廣泛部署，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸滲透到物理實(shí)體世界中，越來(lái)越多的物理實(shí)體通過傳感器連接到互聯(lián)網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)信息共享，物聯(lián)網(wǎng)在此背景下應(yīng)用而生［1］。技術(shù)的進(jìn)步能大大提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，高效合理的倉(cāng)儲(chǔ)可以幫助廠商加快物資流動(dòng)的速度、降低成本、保障生產(chǎn)的順利進(jìn)行，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)資源有效控制和管理［2］。以往傳統(tǒng)倉(cāng)儲(chǔ)的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)只能被動(dòng)的適應(yīng)環(huán)境，使得受儲(chǔ)存的貨物種類受到了極大地制約，現(xiàn)代化的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的監(jiān)控室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，從而完成設(shè)備的調(diào)控［3］。為了保證貨物的質(zhì)量以及延長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間，本文設(shè)計(jì)了一種基于CC2530 的ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可作為相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸中轉(zhuǎn)站，實(shí)時(shí)監(jiān)控倉(cāng)儲(chǔ)室內(nèi)的環(huán)境狀況，通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，通過電腦進(jìn)行控制的智能環(huán)境倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

倉(cāng)儲(chǔ)控制系統(tǒng)主要包括無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、命令接收平臺(tái)以及遠(yuǎn)距離的控制中心。ZigBee 遠(yuǎn)程倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架Fig.1 Overall framework of the system

（1）無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。主要是由各終端或者路由器組成，終端上連接各種傳感器來(lái)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并定時(shí)將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給命令控制平臺(tái)；

（2）命令接收平臺(tái)。主要是接收各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過RS232 串口傳輸給與之連接的電腦，還負(fù)責(zé)接收電腦上傳遞過來(lái)的控制命令，并把消息發(fā)送給對(duì)應(yīng)的終端；

（3）遠(yuǎn)距離控制中心。主要是負(fù)責(zé)接收收集平臺(tái)傳輸?shù)男畔⒑桶l(fā)送管理人員的命令，將接收到的數(shù)據(jù)通過上位機(jī)顯示，對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)，管理人員可以在這里對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)室內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和設(shè)備控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)芯片選擇

系統(tǒng)主控芯片采用德州儀器公司生產(chǎn)的CC253x系列控制器—CC2530F256。該芯片使用8051 內(nèi)核，建立在適應(yīng)2.4GHz IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議上，CC2530F256 內(nèi)置RF 收發(fā)器，8KB 靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器［4］。256 閃存塊和18 個(gè)中斷源的中斷控制器，具有21 個(gè)通用I／O 引腳，5 通道DMA，32kHZ 的睡眠計(jì)時(shí)器等豐富的外設(shè)接口［5］。應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)和云端技術(shù)，通過傳感器采集環(huán)境信息實(shí)時(shí)傳遞到控制中心，針對(duì)環(huán)境信息變化及時(shí)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。其電路圖如圖2 所示。

圖2 CC2530 電路圖Fig.2 CC2530 circuit diagram

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件由傳感器、協(xié)調(diào)器和上位機(jī)模塊組成，傳感器節(jié)點(diǎn)由低功耗的無(wú)線微控制器CC2530模塊構(gòu)成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Node hardware structure

溫濕度傳感器模塊：溫濕度傳感器采用DHT11，其與CC2530 通過單總線串行通訊，由5 個(gè)字節(jié)組成數(shù)據(jù)格式［6］。DHT11 程序采用模塊化編程思想，只需調(diào)用溫度讀取數(shù)據(jù)即可，方便且移植性好。當(dāng)溫濕度超過預(yù)設(shè)定的值時(shí)，蜂鳴器就發(fā)出報(bào)警，系統(tǒng)就會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的控制程序使室溫恢復(fù)設(shè)定的范圍。

（1）氣體傳感器模塊：采用MQ－2，不僅對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的檢測(cè)靈敏度高，而且對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想［7］。當(dāng)空氣中易燃易爆有害氣體濃度超過設(shè)定值時(shí)，氣體傳感器就會(huì)報(bào)警，觸發(fā)設(shè)定，實(shí)施后續(xù)控制步驟。

（2）風(fēng)扇模塊：達(dá)到預(yù)設(shè)條件后，通過繼電器對(duì)風(fēng)扇自動(dòng)開關(guān)，進(jìn)行通風(fēng)控制。

2.3 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)均采用模塊設(shè)計(jì)方案。其主要特點(diǎn)是體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，特別是能建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和完整的ZigBee 解決方案［8］。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)主要是由ZigBee 節(jié)點(diǎn)組成，終端連接傳感器和負(fù)責(zé)接收傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)器組成。終端分布式置于倉(cāng)庫(kù)各個(gè)地方，以便收集室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、氣體種類及濃度等數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器放置在控制室內(nèi)并和電腦串口相連。室內(nèi)控制平臺(tái)是用來(lái)直觀展示數(shù)據(jù)的上位機(jī)，其主要功能為解析串口數(shù)據(jù)、以圖像化形式顯示、并對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，遇到異常情況及時(shí)預(yù)警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇的開發(fā)環(huán)境是IAR Embedded Workbench平臺(tái)。IAR 作為ARM 的開發(fā)工具，支持多種語(yǔ)言，對(duì)不同芯片都具有較好的兼容性［9］。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括控制協(xié)議的設(shè)計(jì)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、控制中心界面設(shè)計(jì)等。要保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確收發(fā)，必須有合理的通訊協(xié)議，從而簡(jiǎn)化管理中心和傳感器終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析過程。

3.1 控制協(xié)議設(shè)計(jì)

若要通過串口使PC 和協(xié)調(diào)器通信發(fā)送控制指令，首先需要制定一套控制協(xié)議，以便協(xié)調(diào)器解析，所有控制指令都是一串具有特定格式的字符串。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管其是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。查詢控制指令見表1。

表1 查詢功能報(bào)文表Tab.1 Query function message table

此協(xié)議規(guī)定了每個(gè)控制器須要知道其設(shè)備地址，然后按地址發(fā)來(lái)的消息進(jìn)行識(shí)別，最后決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。功能碼的作用是用來(lái)讓機(jī)器區(qū)分不同的指令操作，其描述見表2。

表2 功能碼描述Tab.2 Function code description

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

所有節(jié)點(diǎn)先初始化系統(tǒng)，然后協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和網(wǎng)絡(luò)ID 負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，廣播發(fā)送入網(wǎng)信息，當(dāng)附近設(shè)備等待各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)接收到信息加入網(wǎng)絡(luò)［10］。定時(shí)發(fā)送查詢命令，收集各個(gè)傳感器終端發(fā)過來(lái)的各種數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析排序，統(tǒng)一成預(yù)設(shè)命令的要求，發(fā)送給命令控制平臺(tái)，再由控制平臺(tái)通過串口發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、顯示在控制中心。控制中心也可下發(fā)命令，根據(jù)解析的命令發(fā)送給指定的終端執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作。具體的流程圖如圖4 所示。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程設(shè)計(jì)Fig.4 Flow design of coordinator node

3.3 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

倉(cāng)儲(chǔ)智能控制中心是系統(tǒng)交互的中心，控制中心界面設(shè)計(jì)使用VisualStudio2015。界面由用戶管理、傳感器節(jié)點(diǎn)管理、傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)構(gòu)成。用戶管理采用MySql 數(shù)據(jù)庫(kù)，具有登錄與注冊(cè)功能，方便區(qū)分使用的管理人員。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊把傳過來(lái)的數(shù)據(jù)整理后進(jìn)行存儲(chǔ)以便日后查看。上位機(jī)主界面如圖5 所示。

圖5 上位機(jī)主界面Fig.5 Main interface of upper computer

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

智能倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)物如圖6 所示。最上面的節(jié)點(diǎn)為協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)組網(wǎng)和與上位機(jī)進(jìn)行串口通訊。下面的3 個(gè)節(jié)點(diǎn)是終端，終端上的傳感器分別有溫濕度傳感器DHT11，氣體傳感器MQ－2，還有控制風(fēng)扇的繼電器。

圖6 智能倉(cāng)儲(chǔ)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.6 Physical diagram of intelligent warehouse remote control system

組網(wǎng)成功后通過智能倉(cāng)儲(chǔ)中心進(jìn)行控制，經(jīng)過測(cè)試系統(tǒng)溫度、濕度顯示正常，能隨時(shí)監(jiān)測(cè)倉(cāng)庫(kù)的環(huán)境參數(shù)，當(dāng)溫度超過預(yù)定值（如15 ℃～20 ℃）、濕度比例超過（50%～70%），終端會(huì)將溫度、濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，智能控制中心會(huì)將設(shè)定值與傳來(lái)的數(shù)據(jù)對(duì)比。如當(dāng)溫度、濕度過高時(shí)，協(xié)調(diào)器發(fā)送指令，對(duì)應(yīng)終端接收到指令后，打開風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)。氣體異常監(jiān)測(cè)測(cè)試時(shí)采用打火機(jī)對(duì)傳感器測(cè)試，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有害氣體時(shí)，能迅速引起傳感器電壓變化，其信號(hào)由終端立刻發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器上的蜂鳴器隨之響起警報(bào)，最后經(jīng)控制中心顯示出來(lái)。燈光系統(tǒng)的控制由倉(cāng)庫(kù)智能監(jiān)控中心管理，既能遠(yuǎn)程通過界面逐個(gè)開啟，也能統(tǒng)一開關(guān)。

5 結(jié)束語(yǔ)

為充分利用ZigBee 芯片低功耗、低復(fù)雜度、可靠性高的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于CC2530 的新型無(wú)線智能倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)合實(shí)際倉(cāng)儲(chǔ)基本特征參數(shù)，采用ZigBee 組網(wǎng)，通過控制倉(cāng)庫(kù)通風(fēng)等手段，實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境的溫度、濕度、及環(huán)境中的常見易燃易爆有害氣體。通過協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)，將傳感器收集的數(shù)據(jù)匯集到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以簡(jiǎn)潔的方式顯示出來(lái)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)響應(yīng)迅速，通信可靠，可大大提高倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的安全性，并能有效監(jiān)控環(huán)境信息，保障貨物長(zhǎng)期處于合適的存儲(chǔ)環(huán)境。