基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實時糧倉監(jiān)控系統(tǒng)研究

引 言

糧食在儲存、運輸過程中，水分含量的高低直接影響糧食的質(zhì)量[1]。糧倉是糧食儲存的重要場所，其環(huán)境將影響糧食的水分含量。若糧食水分含量較高，浪費倉容，引起生霉和其他生化現(xiàn)象，引起變質(zhì) ；糧食水分含量較低，導(dǎo)致使用品質(zhì)降低，淀粉量減少。因此有效監(jiān)控糧食水分含量至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，采用有線方式連接傳感設(shè)備、轉(zhuǎn)換器及控制設(shè)備，造成布線繁瑣、成本偏高、設(shè)備移動性差、維護不方便等缺點。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點在大范圍區(qū)域內(nèi)自組織組成的網(wǎng)絡(luò)。作為新興技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，大大提高了設(shè)備的移動性、可維護性，避免布線復(fù)雜等問題。具有低成本、低功耗、自組織、可靠性高等特點，且工作在免費的 2.4 GHz 頻段[2]。

組建一個星型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，低成本，只需要一個協(xié)調(diào)器和若干終端節(jié)點；低功耗，僅需要 5 V 電池；覆蓋范圍廣， 最多支持六萬多個節(jié)點 ；具有 24 個信道，足以支持數(shù)據(jù)的實時傳輸，避免數(shù)據(jù)沖突。

1 監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)整體設(shè)計如圖 1所示，整個系統(tǒng)分 3 個部分，糧倉溫濕度、糧食水分含量的采集，空調(diào)、換氣扇、報警燈的控制， 管理人員Internet遠程監(jiān)控。為能更好地反映糧倉的溫濕度， 將節(jié)點 1～5分別放置在糧倉的四個角落和中間位置 ；節(jié)點7～9放置在墻面上，與相應(yīng)設(shè)備距離較近。在上位機 1上進行界面開發(fā)，通過串口RS232利用協(xié)調(diào)器將節(jié)點 1～5的數(shù)據(jù)采集，并進行數(shù)據(jù)處理，且在界面上實時顯示溫濕度數(shù)據(jù)。糧食水分儀采用谷物類水分儀，能夠滿足糧倉存儲不同谷物的需要。本文對選用的水分儀進行改裝，使其測量的水分含量值通過節(jié)點 6 采集并傳輸?shù)缴衔粰C 1 中，并在界面顯示。系統(tǒng)對于空調(diào)、換氣扇、報警燈的控制，是通過上位機 1 編程實現(xiàn)相應(yīng)聯(lián)動設(shè)置。當(dāng)溫度高于/ 低于預(yù)設(shè)值時，聯(lián)動空調(diào)； 當(dāng)濕度高于/ 低于預(yù)設(shè)值時，聯(lián)動換氣扇 ；當(dāng)水分含量不在安全范圍內(nèi)時，啟動報警。為了更好地滿足管理人員對糧倉的監(jiān)控，通過上位機 1 的設(shè)置，實現(xiàn) Internet 遠程監(jiān)控，達到管理人員只需通過網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)控的目的。

2 系統(tǒng)硬件選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計

在整個監(jiān)控系統(tǒng)中，溫濕度傳感器采用DHT11，數(shù)字信號輸出，濕度量程為 20～90% RH，溫度量程為 0～50℃， 滿足普通糧倉內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的采集。水分儀采用電容式糧食水分測量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于在線測量。

2.1 協(xié)調(diào)器設(shè)計

圖 2 所示為本系統(tǒng)協(xié)調(diào)器 [3] 的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。協(xié)調(diào)器是整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，它負責(zé)選擇一個信道和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符（PANID）來建立網(wǎng)絡(luò)，并且對加入的節(jié)點進行管理和訪問，對整個無線網(wǎng)絡(luò)進行維護。在同一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，只 允許一個協(xié)調(diào)器工作。芯片選擇 TI 公司的內(nèi)置 RF 收發(fā)器和 增強 8051 CPU 的 CC2530，支持 ZigBee2007 標(biāo)準(zhǔn)和在線調(diào)試。 外接 JTAG 調(diào)試、電源穩(wěn)壓、串口 RS 232 通信。JTAG 調(diào)試 能夠支持在線調(diào)試，電源穩(wěn)壓將外接 5 V 電源穩(wěn)壓成 CC2530 的工作電壓，串口 RS 232 通信滿足上位機與協(xié)調(diào)器之間數(shù)據(jù) 和命令的通信。

2.2 節(jié)點板設(shè)計 

由于組建無線傳感星型網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點板沒有路由功能，完 成的是整個網(wǎng)絡(luò)的終端數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制任務(wù)。節(jié)點與協(xié)調(diào) 器之間通信采用內(nèi)置無線 RF 收發(fā)器 [4]。為了能夠完成數(shù)據(jù)采 集及設(shè)備控制任務(wù)，引出的 I/O 接口可以外接傳感器和設(shè)備。 節(jié)點設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖 3 所示。

2.3 水分采集設(shè)計 

糧食水分含量測量采用電容式傳感器測量，經(jīng)檢測電路， 得出傳感器電容值的計算方法以及電容值與玉米水分之間的關(guān) 系。水分采集結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖 4 所示。用狄克遜準(zhǔn)則進行數(shù) 據(jù)處理，最小二乘法三次擬合出同一溫度下電容值與水分含 量之間的關(guān)系曲線與方程，不同溫度下定容積重量與水分含量 之間的關(guān)系，綜合分析系統(tǒng)測量玉米水分的影響因素即電容值、 溫度、定容積重量，建立回歸方程。MSP430 將測出的水分含 量值送至節(jié)點板的 I/O 接口。

2.4 設(shè)備控制設(shè)計 

設(shè)備控制硬件設(shè)計的體現(xiàn)是設(shè)備與節(jié)點的連接，節(jié)點板 的工作電壓為 5 V，而設(shè)備的工作電壓為設(shè)備啟動所需電壓， 這個時候需要電壓型四路繼電器。設(shè)備控制結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包含協(xié)調(diào)器、節(jié)點板的軟件設(shè)計和上 位機 1 的監(jiān)控軟件設(shè)計。協(xié)調(diào)器、節(jié)點板的軟件設(shè)計基于免費 的 ZStack 協(xié)議棧。

3.1 CC2530 的軟件設(shè)計

利用IAR7.51 開發(fā)環(huán)境和ZStack 協(xié)議棧[5]，分別對協(xié)調(diào)器和節(jié)點進行編程、編譯、下載，并設(shè)置為同一信道。利用燒寫軟件進行MAC 地址的寫入，方便 XML 文件的配置。

3.2 監(jiān)控軟件 

監(jiān)控軟件包含三部分，界面、串行通信、節(jié)點板的數(shù)據(jù) 采集及聯(lián)動控制。采用 C# 語言在 VS2010 集成開發(fā)環(huán)境作 界面開發(fā)。界面的開發(fā)主要是控件的添加和使用，重點是串 行通信。根據(jù) DLL 開發(fā)庫 Configuration.dll、Controllers.dll、 Helpers.dll，做一個窗體應(yīng)用程序，完成基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)讀取的 功能，傳感器數(shù)據(jù)、水分采集功能，控制節(jié)點板設(shè)備的功能， 最后配置、添加 XML文件。

4 系統(tǒng)測試 

將協(xié)調(diào)器和節(jié)點進行程序下載，燒寫 MAC 地址，協(xié)調(diào) 器與上位機 1 通過串口進行連接，溫濕度傳感器、水分儀、報 警燈、空調(diào)、排風(fēng)扇與節(jié)點 1 ～ 9 連接。打開上位機開發(fā)軟件， 設(shè)置好串口參數(shù)，讀取基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，采集傳感器數(shù)據(jù)、水 分含量。人為改變糧倉環(huán)境，測試設(shè)備的聯(lián)動功能。 

5 基于 Internet 的遠程監(jiān)控 

將上位機 1 設(shè)置成 Web 服務(wù)器 [6]，提供遠程監(jiān)控的內(nèi)含 插件的 Web 網(wǎng)頁，遠程客戶對服務(wù)器進行通信訪問。

6 結(jié) 語

本項目立足點為糧倉監(jiān)控系統(tǒng)研究，利用 ZigBee 技術(shù)構(gòu) 建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點模塊將糧倉的數(shù)據(jù)進行傳送，利用 上位機軟件開發(fā)，將數(shù)據(jù)分析處理顯示，并聯(lián)動設(shè)備的控制。 由此便可以實現(xiàn)遠程控制，便于無人值班；節(jié)點模塊獨立性強， 便于維護。系統(tǒng)實時性強，但系統(tǒng)安全性有待進一步提高。