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摘 要 針對目前糧庫中糧食儲存存在的監(jiān)控點(diǎn)分布范圍廣和一些的相關(guān)存儲環(huán)境的參數(shù)的情況，實(shí)現(xiàn)了一種星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的糧庫智能監(jiān)控系統(tǒng)。選用MC13213&BeeKit芯片和相關(guān)環(huán)境參數(shù)傳感器構(gòu)成終端節(jié)點(diǎn)，與作為中心節(jié)點(diǎn)的GPRS網(wǎng)關(guān)組成星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過將實(shí)時數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。此外，遠(yuǎn)程管理員還可以通過Internet主動向GPRS網(wǎng)關(guān)發(fā)送查詢命令，進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本糧庫智能監(jiān)控系統(tǒng)具有布置網(wǎng)絡(luò)靈活、動工成本低、傳輸穩(wěn)定，為目前糧庫的提供了更科學(xué)的管理方式。

【關(guān)鍵詞】ZigBee 無線智能監(jiān)控系統(tǒng) 傳感器 GPRS 網(wǎng)關(guān)

俗話講“國以民為本，民以食為天”，體現(xiàn)了糧食對于一個國家的重要性。據(jù)統(tǒng)計，我國糧食生產(chǎn)總量從1978年前的3億噸多一點(diǎn)迅速增長到2012年的近6億噸。在糧食產(chǎn)量如此增長的基礎(chǔ)上，如何更好地保存糧食成為各個地方糧庫工作的關(guān)鍵點(diǎn)。為了防止糧庫中的糧食發(fā)生腐爛或者產(chǎn)生變質(zhì)等情況，需要精確掌控糧庫中的煙霧濃度、光照度、溫濕度等重要信息，控制其在指定的安全范圍之內(nèi)。進(jìn)而避免因糧庫內(nèi)部溫濕度變化引起的糧食霉變和蟲害問題。

ZigBee是一種最新興起的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。其特點(diǎn)是傳輸速率慢，功耗低，材料使用成本低，適用于短距離穩(wěn)定可靠傳輸。承載這種技術(shù)的MC13213芯片模塊，與當(dāng)代傳感器模塊相結(jié)合，并與GPRS網(wǎng)關(guān)構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)大型糧庫中糧食存儲環(huán)境的智能檢測，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)、實(shí)時監(jiān)控、遠(yuǎn)程報警的目標(biāo)。采用無線傳感網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的智能糧庫監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，重點(diǎn)解決傳感器模塊與承載ZigBee技術(shù)的MC13213芯片可靠組合，依靠通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到檢測無線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定傳輸信息的標(biāo)準(zhǔn)，廢除人工憑感覺監(jiān)控的粗糙方式，不但簡化施工和增加了節(jié)點(diǎn)的分布范圍、而且能更方便地拓展功能、降低維修的難度。由于系統(tǒng)具備十分智能的監(jiān)控手段，能為目前的糧庫設(shè)施提供更加科學(xué)和現(xiàn)代化的管理，節(jié)約人力物力，增強(qiáng)工作效率。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)主要由分為硬件和軟件兩大部分。硬件部分包括終端節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)分為短距離的Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)和長距離的GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)。軟件部分主要是存儲和管理數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 傳感器終端節(jié)點(diǎn)

在糧庫的各個位置放置的用于監(jiān)測環(huán)境溫度、濕度和煙霧等各種環(huán)境參數(shù)的傳感器與ZigBee模塊（MC13213）連接在一起組成終端節(jié)點(diǎn)，由此實(shí)現(xiàn)實(shí)時感知糧庫各個不同位置的環(huán)境參數(shù)。此外，還能通過網(wǎng)絡(luò)，接收遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控與管理指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

1.2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)

為了實(shí)現(xiàn)在糧庫各個位置全方位無死角監(jiān)控環(huán)境參數(shù)，將傳感器終端節(jié)點(diǎn)安裝在糧庫各個位置。傳感器終端節(jié)點(diǎn)將接收到的信息，傳送到網(wǎng)關(guān)，以此形成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)接收到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳送到與之通過RS-232串口連接的GPRS模塊。

1.3 GPRS網(wǎng)絡(luò)

GPRS網(wǎng)絡(luò)通過使用分組交換技術(shù)，能夠兼容GSM。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，將匯集在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的溫濕度等實(shí)時數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，接收網(wǎng)關(guān)傳輸過來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時比對，檢查是否超過系統(tǒng)中設(shè)置好的標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境參數(shù)警戒值。一旦超出警戒值，立即發(fā)出報警信息以便工作人員在警報指定的糧庫地點(diǎn)，即時采取的處理突發(fā)事故的應(yīng)急措施。

2 硬件架構(gòu)

2.1 傳感器終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計

傳感器終端節(jié)點(diǎn)可以分為RFD節(jié)點(diǎn)（稱為精簡功能設(shè)備）和FFD節(jié)點(diǎn)（稱為全功能設(shè)備）。RFD節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，F(xiàn)FD節(jié)點(diǎn)具有路由和中繼功能。FFD節(jié)點(diǎn)之間可以通信，還可與RFD節(jié)點(diǎn)通信.FFD節(jié)點(diǎn)可以防止RFD節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)無法進(jìn)行通信的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)RFD節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)通信的目的。

節(jié)點(diǎn)的硬件主要有連有5V電源的電路板、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、傳感器檢測環(huán)境參數(shù)的模塊3部分構(gòu)成一個節(jié)點(diǎn)。

2.2 網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

2.2.1 電源底板

為了解決不行麻煩和電線暴露在室外容易產(chǎn)生的危險，網(wǎng)關(guān)使用3節(jié)7號電池，為系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊提供能量。電量不足給監(jiān)測帶來的不便。

2.2.2 MC13213無線模塊

通過對比采購各個無線模塊相關(guān)的成本、功耗和開發(fā)軟硬件難易程度等因素，決定選用Freescale公司的MC13213芯片作為終端節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)關(guān)中的ZigBee模塊，通過SIP技術(shù)將一個功耗底的射頻收發(fā)器和8個主科MCU封裝在一起。MCU用來存放ZigBee協(xié)議棧，通過4 KB RAM和64 KB FLASH，可以實(shí)現(xiàn)簡單應(yīng)用程序的工作。它的CPU的時鐘頻率由于可以達(dá)到40 MHz，能夠?qū)崟r地發(fā)送無線射頻。它集成了1個SPI ，1個IIC和2個SCI （串行通信接口），它擁有的3種低功耗模式中，功耗最低的模式只需消耗20 nA。

無線模塊引腳圖如圖2所示。

2.2.3 傳感器的選取

終端節(jié)點(diǎn)中用于監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的溫濕度傳感器選用瑞士Sensirion公司的SHT75數(shù)字傳感器，它能隙式測溫元件和電容式聚合體測濕元件組成，連接上A/D轉(zhuǎn)換器后，實(shí)現(xiàn)與串行接口電路的同一芯片上的無縫連接。SHT75能夠監(jiān)測的溫度范圍在- 41℃到122.8℃之間 ，精度可達(dá)±0.3℃ ，能夠檢測的濕度范圍為0～100%RH，精度可達(dá)±1.8%RH。SHT75的數(shù)據(jù)交換是通過微控制器和采用串行接口進(jìn)行的，通過MC13213的I/0口與它的SCK（串行時鐘輸入）和DATA （串行數(shù)據(jù)）引腳分別直接與相連。

2.3 GPRS模塊的選型

GPRS模塊用于將糧庫實(shí)時環(huán)境參數(shù)信息的傳輸?shù)竭h(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)選用了Siemens公司的新一代能夠?qū)崟r、高效、安全和可靠地傳送數(shù)據(jù)、短信和語言的GPRS模塊MC35i。MC35i模塊可以達(dá)到永久在線實(shí)時傳輸?shù)墓δ?，通過RS-232接口接收MC13213發(fā)送的AT命令和數(shù)據(jù)，達(dá)到設(shè)定模塊、數(shù)據(jù)輸入/輸出以及控制系統(tǒng)等功能。MC35i的ZIF連接器具有40引腳，用于完成電源的連接和數(shù)據(jù)信號的傳送，傳送速率可以達(dá)到162.3kb/s。

3 軟件架構(gòu)設(shè)計

在上位機(jī)所在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)上運(yùn)行應(yīng)用軟件，通過internet獲取GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，存儲并顯示在界面中，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與管理的功能。

3.1 傳感器終端節(jié)點(diǎn)的子系統(tǒng)設(shè)計

傳感器終端節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng)分為環(huán)境參數(shù)感知傳感器模塊、ZigBee無線通信和用于處理信息的信息分析模塊。通常，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的采集環(huán)境參數(shù)的命令或提前設(shè)置好的中斷觸發(fā)時，環(huán)境參數(shù)會通過過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

其主要程序流程如圖3所示。

3.2 網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)的設(shè)計

網(wǎng)關(guān)在通電后先初始化MC13213，建立一個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。隨著傳感器終端節(jié)點(diǎn)的依次加入，無線網(wǎng)絡(luò)中各個傳感器終端節(jié)點(diǎn)獲得來自網(wǎng)關(guān)的分配地址。當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送需要數(shù)據(jù)監(jiān)控命令時，網(wǎng)關(guān)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)向各個傳感器終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令，并且準(zhǔn)備接收來自傳感器終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的實(shí)時環(huán)境參數(shù)。 當(dāng)子系統(tǒng)通電后，使用AT指令初始化GPRS模塊，期間對GPRS模塊的工作參數(shù)（工作方式和波特率等）的進(jìn)行設(shè)置，使其連入GPRS網(wǎng)。通過內(nèi)置的芯片，與GGSN撥號協(xié)商，取得動態(tài)IP地址， 接入Internet。最終，網(wǎng)關(guān)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)全雙工的數(shù)據(jù)通信方式。糧庫中的各個環(huán)境參數(shù)由此被傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中。網(wǎng)關(guān)子系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是由網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器構(gòu)成。網(wǎng)關(guān)完成終端節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)議匹配，接收終端節(jié)點(diǎn)采集到的實(shí)時環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)⒓Z庫中的實(shí)時環(huán)境參數(shù)顯示到窗口，可以實(shí)時地調(diào)取各個環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并對此進(jìn)行測評等。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以保存以往環(huán)境中的參數(shù)，并通過內(nèi)置算法對其進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的挖掘和分析預(yù)測。

從傳感器終端節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫后，系統(tǒng)對其進(jìn)行分析和檢測，將與設(shè)定的警戒值進(jìn)行比對，如果超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍，立即發(fā)送報警信息。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用圖形化界面，工作人員在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的屏幕是能夠直觀地查看到遠(yuǎn)端糧庫現(xiàn)場的溫度、濕度和煙霧濃度等參數(shù)變化情況。選用人機(jī)交互形式，使用彈出式窗口、下拉列表單、快捷鍵操作和防范錯誤等技術(shù)，提升用戶體驗(yàn)。

4 系統(tǒng)測試

在對傳感器終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和GPRS模塊分別進(jìn)行單獨(dú)性能測試之后，整個監(jiān)測系統(tǒng)在糧庫進(jìn)行了現(xiàn)場的功能測試。通過在當(dāng)?shù)匦⌒图Z庫中布置8個終端節(jié)點(diǎn)、2個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、1個網(wǎng)關(guān)和1臺配有上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的計算機(jī)，在現(xiàn)場對系統(tǒng)進(jìn)行了測試?，F(xiàn)場將8個采用5 v電池供電的終端節(jié)點(diǎn)，分散安放在2個糧倉內(nèi)。終端節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)傳感器模塊，采用了高精度溫濕度數(shù)字傳感器SHT75標(biāo)注精度，通過系統(tǒng)中的硬件部分已無線數(shù)據(jù)的形式，將實(shí)時的溫濕度數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)天測試現(xiàn)場的系統(tǒng)采集到的實(shí)時溫度和相對濕度分別為18.9℃，32%。測試表明，終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)的在有障礙的情況下，能在20m內(nèi)穿過40cm的墻，在無障礙的情況下，無線通訊距離長達(dá)為136m。測試出的溫度，誤差不超過±0.3℃，測試出的相對濕度，誤差小于2%。終端節(jié)點(diǎn)傳送給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的環(huán)境實(shí)時檢測參數(shù)的如果超標(biāo)，計算機(jī)會立即顯示參數(shù)超標(biāo)的參數(shù)值和地址，并進(jìn)行報警提示。參數(shù)傳輸?shù)臅r間間隔可以通過軟件設(shè)置，現(xiàn)場測試采用了2s的間隔。軟件系統(tǒng)中，可以隨時調(diào)取歷史記錄，對歷史數(shù)據(jù)的查看。

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作者單位

蘇州大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇省蘇州市 215000