基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成品糧倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展及人口數(shù)量激增，糧食已成為關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要產(chǎn)品。成品糧倉(cāng)儲(chǔ)是糧食物流的重要環(huán)節(jié)。為保證成品糧安全，需要周期性檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)多位置的溫度、濕度數(shù)據(jù)。近年來(lái)，由于傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成電路技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)也漸漸出現(xiàn)了豐富的數(shù)字傳感器配套產(chǎn)品，技術(shù)比較成熟，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于物流倉(cāng)儲(chǔ)等方面，成品糧倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究在軟硬件等方面都取得了很大進(jìn)展 [1,2]。

傳統(tǒng)的倉(cāng)儲(chǔ)糧溫濕度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為有線與無(wú)線兩種。對(duì)于大型的成品糧庫(kù)，有線方式受布線、安裝等條件所限應(yīng)用受到較多限制?，F(xiàn)有大型倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)布點(diǎn)的監(jiān)測(cè)只采用有線方式無(wú)法完成，因此基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢(shì)[3]。

本文基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種成品糧倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并配合插補(bǔ)算法計(jì)算所監(jiān)測(cè)到現(xiàn)有數(shù)據(jù)的均值得出變量的缺失值，繪制溫濕度曲線，實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

成品糧倉(cāng)儲(chǔ)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)包括上位機(jī)與下位機(jī)兩部分?；谏衔粰C(jī)使用 Qt 平臺(tái)進(jìn)行軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，并與數(shù)據(jù)庫(kù)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。下位機(jī)由溫濕度無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的采集，并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

成品糧溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、過(guò)限報(bào)警、歷史查詢(xún)和溫濕度場(chǎng)擬合五個(gè)子系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)有利于倉(cāng)儲(chǔ)的現(xiàn)代化管理，提高了倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)的效率、實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基于ZigBee 協(xié)議，采用ATmel 公司的ATmega1281V 微處理器和AT86RF 射頻傳輸芯片，具有128 KB Flash 存儲(chǔ)器，無(wú)線傳輸速率可達(dá) 2 Mb/s。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由 8 個(gè)溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)與一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，溫濕度傳感器使用SHT10。

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口與上位機(jī)連接。上位機(jī)部分軟件要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)無(wú)誤后對(duì)有效字段進(jìn)行提取，提取的信息包括溫度、濕度和節(jié)點(diǎn)信息，并在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面顯示，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。如果溫度超限，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警提示。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面如圖 3 所示，界面運(yùn)行流程如圖 4 所示。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)與曲線分析，界面分別如圖 5、6 所示。

圖 5 歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)

在成品糧倉(cāng)庫(kù)中，溫濕度場(chǎng)的分布對(duì)安全儲(chǔ)藏影響較大， 然而在實(shí)際情況中傳感器布置不可能無(wú)限布點(diǎn)，溫濕度分布在空間范圍內(nèi)不會(huì)躍變，因此可以采用插補(bǔ)方法[4]，通過(guò)有限點(diǎn)擬合溫濕度的分布。均值插補(bǔ)算法以總體的平均值作為該變量所有缺失值的替代值，經(jīng)計(jì)算，以總體均值替代全部缺失值， 通過(guò)計(jì)算現(xiàn)有數(shù)據(jù)的均值就可以得出變量的缺失值，在算法的實(shí)踐中也較容易。因此在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用均值插補(bǔ)獲取溫濕度的分布。溫濕度在倉(cāng)內(nèi)縱向分布擬合如圖 7所示。

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成品糧倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試，成功運(yùn)行。

結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成品糧倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成了成品糧庫(kù)溫濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)與顯示，并能夠進(jìn)行超限報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)與曲線分析，同時(shí)為獲得溫濕度分布采用插補(bǔ)方法對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，該系統(tǒng)運(yùn)行成功，為成品糧安全儲(chǔ)藏提供了有效的監(jiān)測(cè)手段。