基于Zigbee和GPRS相结合的粮食数量无线监控系统设计

樊 超，杨铁军，张德贤，王 珂

（河南工业大学 信息科学与工程学院，河南 郑州 450001）

基于Zigbee和GPRS相结合的粮食数量无线监控系统设计

樊 超，杨铁军，张德贤，王 珂

（河南工业大学 信息科学与工程学院，河南 郑州 450001）

在粮仓底面及侧壁排布压力传感器，通过压强值拟合出粮食数量.提出了一种将Zigbee短距离无线通信技术与GPRS相结合的远程粮情数据无线传输设计方案，完成了传感器网络中数据采集节点以及网络协调节点的硬件平台设计，并基于该平台开发了适合于粮情数据实时传输的通信协议及软件.测试表明，该系统完全可以测量粮仓中的储粮数量，测量误差不大于5%.

粮食数量；Zigbee；GPRS；无线传输

0 引言

粮食作为我国重要的战略资源，是国民经济的基础，粮食的数量、质量与安全直接关系到国民经济发展和社会稳定的大局.在粮食储藏过程中，由于其易受温度、湿度及其他人为因素的影响，导致粮食数量损失，威胁储粮安全[1-2].因此及时准确地掌握存储过程中粮食数量的实时变化情况，以便采取相应的防控措施和制定合理的储粮计划，确保储粮安全，是粮食储藏过程中亟需解决的关键问题之一，是关系到国计民生的大事.

为了实时测量粮仓中的粮食数量，在粮仓的底部及侧壁按照一定的规律安装若干压力传感器，根据传感器的测量值并利用数据融合算法即可推算出整个粮仓中的粮食数量.考虑到粮库面积较大，需要传输的数据较多等特点，如果采用有线数据传输方式，势必导致线缆敷设成本较高、维护困难.近年来，随着通信技术、计算机技术、传感器技术和网络技术的发展，无线传感器网络（WSN）以其成本低、功耗低、无需布线等优势在工业、农业、水文水利检测等领域得到广泛应用并成为目前研究的热点方向.在综合比较了各种无线数据传输方式的优缺点以及适用范围的情况下，认为采用Zigbee和GPRS来组建无线检测网络在粮库数据传输的特殊环境下更加简单实用.

1 粮库无线压力传感网络的设计

粮库压力无线传感网络架构见图1，整个系统按功能可以分为3个网络：

（1）Zigbee无线传感器网络.主要由分布在监测区域的压力传感器与Zigbee无线模块组成Zigbee终端节点，并以星型拓扑结构构成监控网络[3-5].监测区域内按照距离的需要分布有Zigbee网络协调器节点，所有的压力数据都可以通过这一网络上传到协调器节点.

（2）GPRS网络.与外界交互的数据通过协调器节点首先经过基站收发信机BTS（Base Transceiver Station）传入基站控制器 BSC（Base Station Controller） ，然后进入GPRS服务支持节点SGSN（Serving GPRS Support Node），SGSN通过GPRS骨干网连接到GPRS网关支持节点 GGSN（Gateway GPRSSupport Node），最后数据经过GGSN流入Internet[6-7].

（3）Internet网络.通过上位机服务器软件处理和存储采集到的粮情数据并进行分析汇总.为了提高系统的运行效率，增加安全性，服务器端采用分布式架构，将数据处理分为逻辑层和数据层.逻辑层放在监控服务器上，主要对数据进行收发、处理和分析，从而实现对粮情的监控；数据层放在数据库服务器上，用于响应逻辑层的请求，存储数据并维护数据的完整性和安全性.

图1 无线粮库数据传输系统架构

整个系统中Zigbee网络主要负责现场压力传感数据的采集，GPRS网络主要负责数据的远距离传输，Internet网络负责数据的远程共享.

2 系统关键技术设计与实现

Zigbee网络包括数据采集节点和信息接收节点.数据采集节点与分布于现场的压力传感器等数据采集设备相连，主要负责将数据采集设备检测到的压力参数等信息进行相应的处理，并通过Zigbee无线网络发送；信息接收节点与相应的移动终端相连，主要负责接收前端采集节点发出的数据，并经必要的处理后将其传送给移动终端.根据Zigbee协议栈和AdHoc网络的特点，在网络结构设计方面考虑采用星型拓扑结构.在星型网中，信息收发节点这个功能强大的全功能设备FFD（Full Function Device）作为网络协调者，位于网络的中心，负责启动Zigbee网络，配置网络成员地址，维护节点的绑定关系表等；数据采集节点分布于各粮仓内，作为网络的边缘设备，由精简功能设备RFD（Reduced Function Device）构成，负责与实际的监控对象相连.在项目研究初期，由于粮库现场测量数据相对较少，采用星型网络拓扑较为合适，其优点是路由相对比较简单，便于扩展，可简化与GPRS网络的连接.

2.1 数据采集节点设计

传感器网络节点主要由传感单元、电源模块、处理器单元和通信单元组成，见图2.主要完成数据采集、信号监测和信息传送的任务.

图2 Zigbee数据采集节点结构

数据采集节点中无线数据收发模块采用了Zigbee CC2430芯片，该芯片上整合了 Zigbee射频（RF）前端、内存和微控制器.它使用1个8位MCU（8051），具有 128 KB可编程闪存和 8 KB的 RAM，同时还包含14位模拟数字转换器（ADC），可直接将遍布于粮仓内部的压力传感器采集到的模拟信号转变为数字信号，从而简化了外围电路设计，提高了可靠性.芯片外围电路主要包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和单片机接口电路3部分.对于无线接收来说，从天线接收到的射频信号首先经过低噪声放大器放大和正交下变频到2 MHz的中频信号，该信号经过滤波、放大，再通过A/D转换器转变成数字信号.然后经自动增益控制、数字解调和解扩，最终恢复出传输的正确数据.发射机部分采用直接上变频.

2.2 网络协调器的设计

网络协调器负责Zigbee网络和GPRS网络的数据交互，同时负责Zigbee网络的组建、节点的加入和删除等网络维护工作.粮情监控终端采集到的数据通过Zigbee无线传感器模块与协调器相连接，并通过协调器内置的嵌入式处理器进行处理以及协议的封装，然后发送到GPRS网络.根据此功能描述，网络协调器应包含3个部分：数据处理模块、Zigbee无线通信模块和GPRS通信模块，硬件结构见图3.

图3 协调器硬件结构图

由于网络协调器负责整个网络的管理和数据的收发，需要大量的内存和外存，并要求具有较高的数据吞吐率和处理能力，而微处理器又是网络协调器的核心，因此它的选择将对整个监测系统的功能实现产生决定性的影响.在综合考虑芯片的兼容性和市场来源以及以上几个方面要求的基础上，选用了TI公司推出的基于ARM7TDMI内核的32位RISC嵌入式系列微处理器TMS470R1A288作为主控微处理器，采用电源供电.该芯片工作在66 MHz频段，具有低功耗、高性能等优点，同时又具有非常丰富的片上资源，非常适合嵌入式产品的开发.

Zigbee通信模块仍然采用CC2430芯片.GPRS传输模块选择的是西门子公司的MC39I，该模块主要由射频天线、内部Flash、SRAM、GSM基带处理器等组成.GSM基带处理器是模块的核心部件，其作用相当于一个协议处理器，用来处理主控制器通过串口发送的AT指令；射频天线部分主要实现信号的调制和解调，以及外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换.由于传输数据的承载方式是GPRS网络，故SIM卡是不可缺少的，其功能是存储数据和在安全条件下完成客户身份鉴权和客户信息加密算法的全过程.

3 传感器网络管理软件设计

传感器网络管理软件主要分3个部分：Zigbee测量节点的数据采集和传送模块、协调器数据接收和发送模块以及服务器控制管理模块.

3.1 数据采集节点软件设计（图4）

Zigbee模块在进行通信前，要进行有效的初始化.在初始化过程中，网络协调器发出主动请求连接传感器节点的信令，在传感器节点成功接收和验证一个数据帧和MAC命令帧后，向汇节点返回确认帧，传感器节点的Zigbee模块处于休眠状态.对于定时数据发送模式，初始化结束后，网络协调器处于工作模式，等待传感器节点的连接请求信令，当定时时间已到，传感器节点主动请求连接网络协调器，并向网络协调器上报各压力传感器检测到的粮情信息.同理，当节点工作处于实时数据请求模式时，其流程与此类似，数据发送时，每个传感器的压力值由2个字节构成并按照先低后高顺序排列，这样可以满足数据的测量范围.把采集到的压力值以数据包的形式发送到网络协调器.每个从节点的数据发送到协调器节点的具体帧格式见表1.

3.2 网络协调器节点软件设计

图4 数据采集节点流程

表1 数据帧格式

协调器在完成Zigbee网络连接以及加入管理之后，就接收来自各个节点的数据，数据经过处理后通过GPRS发送到远程控制中心.

通过GPRS完成数据发送分为两步：拨号上网和基于Socket的网络通信.拨号上网实质是实现PPP连接（Point to Point Protocol over Ethernet-基于以太网的点对点协议连接）.建立连接后，通过PPP协议协商，得到系统本地IP，当PPP协商成功后，GPRS登录网络成功，系统通过加载数据传输协议（TCP、UDP）实现与监控中心计算机的Socket连接.为了保证GPRS网络的可靠性，设计中使用了一些报告指令实现对模块状态的监测，如AT指令响应状态查询、PPP连接状态查询、TCP连接状态查询等.如果某次网络连接失败，GPRS模块则断开网络连接，并延时一段时间后再尝试第2次连接，若连接3次均未成功，GPRS模块则断电复位，重新进行一次新任务，流程见图5.

系统在设计过程中，为了实现对网络协调器的控制与状态查询，将控制命令转化为系统信令，通过Internet和GPRS网络，透明传输到协调器终端.信令格式采用见表2所示的代码帧格式，其中数据段根据传输信息类型（命令包或数据包）的不同其构成亦有所不同，其包格式分别见表3、表4.

表2 通信协议信令格式

表3 命令包数据段结构

表4 数据包数据段结构

其中请求编号用来唯一标识一个命令请求，用于请求命令或通知命令，为方便起见，用发起命令请求的时间表示，其格式为：YYYYMMDDHHMMSS（共7个字节）.命令编号用来表示远程监控终端请求协调器进行何种操作的标识，其对应关系见表5.设备编号用于标识协调器的ID号，赋予一个唯一特定代码含义，只有校验ID号正确后协调器才可能接收远程服务器的命令.对于命令包，标志位表示数据是否需要应答，其格式为：0000000A，若A=1，需要应答；A=0，无需应答.对于数据包，当传输数据较多时，需要对数据包进行拆包发送，总包号表示本次通信总共包含的包数，包号表示当前数据包的编号.

表5 命令编码与操作描述对应关系

3.3 上位机监控软件设计

上位机监控系统的软件架构采用基于面向TCP/IP协议Socket通信机制的C/S结构，采用C++语言编写.主要功能是侦听Socket请求并建立网络连接，并将接收到的数据存储到指定IP地址的服务器数据库中，用户可以通过客户端浏览器（Brower）实现数据的浏览和下载、提取和更新等操作.数据库服务器使用Microsoft SQL数据库实现对实时压力数据的存储和管理，并负责各个模块与数据库之间的交互，使数据库对其他模块透明.数据库里的数据经过解析和处理后，通过系统管理服务器与用户交互，从而使监控软件实现以下几项主要功能：

图5 网络协调器节点软件流程

（1）数据采集功能：实时显示现场各传感器的压力数据（图6），并且随时生成与打印数据报表，监控人员可凭此掌握粮库储粮情况.

图6 压力传感器实时数据

（2）查询和统计分析功能：显示各压力传感器的历史数据，并可根据一定的算法计算出粮仓内的储粮数量，管理人员可以据此统计出粮库的储粮数量并进行合理的调度.

（3）异常报警功能：实时显示现场压力数据的异常情况或报警，及时通知巡站人员现场解决，同时操作员可对出现的报警信息进行确认和管理，了解储粮过程中出现的异常情况.

4 试验结果

为了验证基于Zigbee和GPRS相结合的粮食数量测控系统的可靠性与实时性，选择中央储备粮聊城直属库23号仓作为实验对象，仓房规格为7.2 m×24 m，堆粮高度 6 m，仓容量 700 t，仓内布有2组1机3道地上笼风道，储粮品种为小麦.首先将传感器在粮仓底面按十字型等间隔排布，在侧壁按1.5 m等间距排布，然后逐次进粮，每次进粮量50 t并摊平，由传感器采集压力值并通过Zigbee无线数据采集节点将各模块的数据上传至协调器节点，进而通过GPRS网络传输至远程数据中心（设于郑州）.最后根据压力值拟合粮仓粮食数量，拟合结果见图7.对测量结果使用数理统计方法进行分析.结果表明，该系统完全可以测量粮仓内的粮食数量，在显著水平为0.05下，粮食数量测量误差不大于5%.

5 结论

图7 粮食质量拟合曲线

粮食数量的实时、在线、远程监测与调配是我国粮食安全工作的重点，也是粮食储藏环节中亟待解决的关键问题.作者将Zigbee短距离无线数据采集技术与GPRS远程无线传输技术有机结合，在满足实时、准确传输数据的同时，无需现场布线，成本较低，配置灵活.本系统的设计，为实现粮库粮食数量的远程实时监控奠定了理论与实验基础，具有较好的研究价值和应用前景.

［1］黄淑霞，蔡静平，田海娟.主要粮食品种储藏期间霉菌活动特性研究［J］.中国粮油学报，2010，25（1） ：99-102.

［2］王磊，陈合.中国各区域粮食储藏水分分布情况的研究［J］.食品科技，2010，35（8）：204-208.

［3］任秀丽，于海斌.ZigBee技术的无线传感器网络的安全性研究［J］.仪器仪表学报，2007，28（12） ：2132-2137.

［4］凌志浩，周怡，郑丽国.ZigBee无线通信技术及其应用研究［J］.华东理工大学学报:自然科学版，2006，32（7） ：801-805.

［5］孟开元，王琦珑，曹庆年.Zigbee协议在抽油机监控系统中的应用［J］.西安石油大学学报:自然科学版，2009，24（3） ：56-62.

［6］陈帅，钟先信，刘积学，等.GPRS在无线传感器网络远程通信中的应用［J］.压电与声光，2009，31（2） ：210-212.

［7］刘岳峰，张德，孙华波，等.基于GPRS的组合式车载导航终端硬件设计［J］.计算机工程，2009，35（2） ：239-241.

DESIGN OFWIRELESSGRAIN QUANTITY MONITORING SYSTEM BASED ON ZIGBEE AND GPRS

FAN Chao,YANG Tie-jun,ZHANG De-xian,WANG Ke
（School of Information Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China）

We arranged pressure sensors on the bottom and the sidewall of the barn to fit the real-time grain quantity in the barn through the pressure value.The paper proposed a design scheme of a remote grain situation data w ireless transm ission system w ith the combination of Zigbee short-distance w ireless communication technique and GPRS,completed the hardware platform design of data collection nodes and network coordination nodes in the sensor network,and developed a communication protocol and software suitable for the grain situation data real-time transm ission based on the platform.Tests showed that the system was feasible to measure the grain quantity in the barn,and themeasurement errorwas not less than 5%.

grain quantity； Zigbee； GPRS； w ireless transm ission

TS201；TP274+.2

B

CNKI:41-1378/N.20120208.0844.017

1673-2383（2012）01-0069-06

http://www.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20120208.0844.017.html

网络出版时间：2012-2-8 08:44:47AM

2011-09-18

国家自然科学基金（61071197）

樊超（1976-），男，河南郑州人，博士，副教授，研究方向嵌入式系统设计与图像处理.