陳松榮軍彭佳豪唐江楊陳明何飛

摘要：針對大型糧庫糧食存儲環(huán)境監(jiān)測點分散的現(xiàn)狀，設計一種樹狀拓撲結構的無線傳感器網絡中央監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ZigBee無線傳輸技術為核心，結合溫濕度傳感器模塊，構成無線傳感器網絡檢測子節(jié)點。系統(tǒng)能夠對現(xiàn)場環(huán)境實時檢測，同時通過路由節(jié)點將檢測到的數(shù)據(jù)上傳給上位機，其中路由節(jié)點采用無線傳輸方式與終端節(jié)點進行通訊，使得現(xiàn)場檢測到的數(shù)據(jù)能夠實時傳送給中央監(jiān)控計算機，最終實現(xiàn)糧庫內部的多點檢測及和實時監(jiān)控。

關鍵詞：傳感器；糧庫；檢測；ZigBee技術

中圖分類號：TM46文獻標識碼：A

1引言

糧食的安全存儲是關系到國計民生的戰(zhàn)略大事，科學保糧具有重要的社會意義與經濟價值。目前進行糧庫溫度和濕度測試的方式有下面兩種：第一種就是人手持溫濕度測試儀器對糧庫進行人工檢測，這種方法費時費力，而且效果并不好。第二種：通過儀器采集數(shù)據(jù)后通過有線傳輸，這種方法投入大，而且設計繁瑣以及施工難度極大[1][2]。針對大型糧庫分布廣、儲量大，糧庫的管理和監(jiān)測難度大等不足的特點，本文提出了一種基于ZigBee的無線傳輸糧庫溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于ZigBee無線傳感器網絡來監(jiān)測糧庫溫濕度，其具有以下優(yōu)點，第一低成本，低功耗，硬件簡單，安全可靠，可以隨時的增加和刪除節(jié)點。第二：本系統(tǒng)為無線數(shù)據(jù)傳輸不易破壞，易維修，減少了工作人員的工作量。

2糧庫檢測系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)糧庫設施的布局特點，糧庫檢測系統(tǒng)的無線網絡拓撲采用樹狀拓撲結構，設計框圖如圖1所示。

圖1所示的系統(tǒng)結構組成由一個終端服務節(jié)點和多個監(jiān)測節(jié)點構成，其中無線傳感器節(jié)點主要完成對糧庫環(huán)境溫濕度參數(shù)的采集、處理和發(fā)送。終端服務節(jié)點是用來接收無線傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)，同時與PC機進行實時通訊。無線傳感器網絡由許多個小型的節(jié)點所構成，以這些工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成各種網絡拓撲結構。為了降低成本，本系統(tǒng)中大部分的節(jié)點為子節(jié)點。從組網通信上看，它們只是其功能的一個子集，稱為精簡功能設備（RFD）。終端服務節(jié)點和傳感器節(jié)點之間的通信采用無線傳輸網絡ZigBee2007/PRO實現(xiàn)通信。ZigBee2007/PRO是一種中短距離、低速率無線傳感器網絡，而且射頻傳輸成本低，各節(jié)點只需要很少的能量，功耗小適于電池長期供電，可實現(xiàn)一點對多點、兩點間對等通信、快速組網、自動恢復和高級電源管理，任意傳感器之間可相互協(xié)調實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[3]。

3糧庫檢測系統(tǒng)的硬件設計

3.1傳感器監(jiān)測節(jié)點設計

傳感器監(jiān)測節(jié)點主要功能是采集糧庫溫濕度數(shù)據(jù)，最終將數(shù)據(jù)傳送給PC。它由傳感器模塊、處理模塊、傳輸模塊和能量供應模塊四個部分組成，如圖2所示。

傳感器模塊采用的是數(shù)字溫濕度傳感器DHT11[4]，該器件主要特點如下：（1）高度集成，將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上。（2）提供單線雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，DATA用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時間4ms左右，數(shù)據(jù)分為小數(shù)部分和整數(shù)部分。它與MSP430G2553[5]的連接如圖3所示。

無線傳輸模塊采用的是射頻收發(fā)器CC2530，它能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節(jié)點[6]。CC2530模塊工作原理電路如圖4所示，它的外圍設計電路主要包括晶振時鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路三部分。3.2路由節(jié)點設計

路由節(jié)點設計框圖如圖5所示，它主要由射頻收發(fā)器、無線耦合和匹配模塊和LED顯示模塊等模塊組成。路由節(jié)點是整個監(jiān)測系統(tǒng)中局部監(jiān)測群體的核心節(jié)點，起到監(jiān)測節(jié)點與終端節(jié)點的路由作用。路由節(jié)點受終端節(jié)點的指揮和呼喚，起到上傳下達的作用。

3.3終端監(jiān)測節(jié)點設計

終端監(jiān)測節(jié)點模塊是整個監(jiān)測系統(tǒng)通訊和控制核心，CC2530通過USB轉串口芯片（PL2303）與計算機相連，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的可控性和可視性，所有路由節(jié)點和部分的監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)均通過終端節(jié)點與計算機進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的中央監(jiān)測與調節(jié)。終端監(jiān)測節(jié)點設計采用ZigBee產品CC2530芯片終端節(jié)點設計框圖如圖6所示[7]。

4糧庫檢測系統(tǒng)的軟件程序設計

4.1終端節(jié)點程序設計

終端節(jié)點程序設計主要由主程序、數(shù)據(jù)循環(huán)采集及數(shù)據(jù)傳輸程序以及中斷服務程序等組成。終端節(jié)點主程序是以主動的方式按照固定順序周而復始地呼喚路由節(jié)點而取得數(shù)據(jù)，而路由器以中斷的方式應答中心節(jié)點從而分組傳輸數(shù)據(jù)（采集不同傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)）。終端節(jié)點通過發(fā)送路由地址來連接路由節(jié)點，并接收其數(shù)據(jù)。其主程序如圖7所示。

4.2傳感器節(jié)點程序設計

傳感器節(jié)點主程序主要是讀取傳感器的狀態(tài)參數(shù)和數(shù)據(jù)，通過運算后存儲。傳感器節(jié)點主程序框圖如圖8所示。傳感器DHT11根據(jù)MCU發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT11發(fā)送響應信號，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，采集數(shù)據(jù)后校驗數(shù)據(jù)是否正確，校驗正確則執(zhí)行數(shù)據(jù)處理過程，否則繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。異常處理情況一般通過傳感器是否響應來判斷[8]。

5實驗結果及分析

基于ZigBee技術的大型糧庫監(jiān)測系統(tǒng)的設計，是在進行了多次實驗的基礎上，結合ZigBee協(xié)議棧的自組網絡技術來完成的。該系統(tǒng)通過3個傳感器監(jiān)測節(jié)點、1個路由節(jié)點、1個終端節(jié)點和1臺計算機在岳陽城陵磯糧庫中完成了測試。傳感器節(jié)點采用5V電池供電。本系統(tǒng)經過測試，達到以下幾個技術指標：

1）溫度測量范圍為0～50℃，測量精度達到了±2℃，分辨率達到了1℃；

2）濕度測量范圍為20～90%RH，測量精度達到了±5%RH，分辨率達到了1%RH；

3）ZigBee無線傳輸距離最遠達到了100米。

在測試現(xiàn)場溫度為22.5℃，濕度為35%RH的情況下，無線ZigBee的傳輸距離為100米，計算機能夠實時的通過串口助手顯示溫度與濕度的數(shù)值。

6結論

本文針對傳統(tǒng)的糧庫測量溫濕度的方法的不足，提出了并設計了基于ZigBee的糧庫無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。相比較傳統(tǒng)的糧庫檢測系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①可隨時增加和刪除節(jié)點。相比較傳統(tǒng)的RS485或CAN等現(xiàn)場總線的方式，這在很大程度上避免大量布線的麻煩。②維護方便、成本低。基于ZigBee網無線傳感節(jié)點的設計在糧食進出糧庫時監(jiān)測網絡不易破壞，從而大大降低了平時的維護費用，而傳統(tǒng)布線方式的電纜線容易遭受雷擊等小動物的損害，維修起來十分困難。③拓性好、可靠性高、轉移方便?；赯igBee網的節(jié)點設計是由無線傳感器構成的，這使得整個系統(tǒng)在轉移和拓展方面有很大的優(yōu)勢，而且單節(jié)點構成的網絡系統(tǒng)可靠性高。這些都是傳統(tǒng)方式所不具備的。④人性化、智能化和科技化?；赯igBee網的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)可以使用戶隨時隨地不需要安裝任何軟件都可通過計算機查看現(xiàn)場數(shù)據(jù)，其形式可以是數(shù)據(jù)、文字、表格、圖像或語音，信息可以實時、自動更新。管理員可以通過查看系統(tǒng)的實時狀態(tài)，有針對性地對嵌入式系統(tǒng)進行遠程監(jiān)測、控制、診斷和配置等操作。

參考文獻

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[2]包長春，李志紅，張立山，等. 基于ZigBee 技術的糧庫監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 農業(yè)工程學報，2009，25（9）：197-201.

[3]劉翔.基于嵌入式ZigBee大型糧庫溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計[J].湖南理工學院.

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