基于无线传感器网络的实时粮仓监控系统研究

张红霞+边洪宁+王红+李兆迪+尤世源

摘 要：针对传统粮仓监控系统采用有线方式会面临网络布线困难、面积大等问题，采用短距离无线通信方式可对粮仓的温度、湿度、粮食的水分含量进行实时监控。该系统采用无线传感器网络组网，遵循ZigBee协议。系统包含数据采集、设备控制、报警设置、Internet远程监控等方法，可使粮仓管理人员通过Internet网络进行数据查询，并对异常情况作相应处理，从而大大提高了监测效率，降低了系统成本。

关键词：无线传感器网络；实时；监控系统；数据查询

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）07-00-02

0 引 言

粮食在储存、运输过程中，水分含量的高低直接影响粮食的质量[1]。粮仓是粮食储存的重要场所，其环境将影响粮食的水分含量。若粮食水分含量较高，浪费仓容，引起生霉和其他生化现象，引起变质；粮食水分含量较低，导致使用品质降低，淀粉量减少。因此有效监控粮食水分含量至关重要。

传统的监控系统，采用有线方式连接传感设备、转换器及控制设备，造成布线繁琐、成本偏高、设备移动性差、维护不方便等缺点。

无线传感器网络是由大量传感器节点在大范围区域内自组织组成的网络。作为新兴技术，其应用领域广泛。无线传感器网络的出现，大大提高了设备的移动性、可维护性，避免布线复杂等问题。具有低成本、低功耗、自组织、可靠性高等特点，且工作在免费的2.4 GHz频段[2]。

组建一个星型无线传感器网络，低成本，只需要一个协调器和若干终端节点；低功耗，仅需要5 V电池；覆盖范围广，最多支持六万多个节点；具有24个信道，足以支持数据的实时传输，避免数据冲突。

1 监控系统整体设计

系统整体设计如图1所示，整个系统分3个部分，粮仓温湿度、粮食水分含量的采集，空调、换气扇、报警灯的控制，管理人员Internet远程监控。为能更好地反映粮仓的温湿度，将节点1～5分别放置在粮仓的四个角落和中间位置；节点7～9放置在墙面上，与相应设备距离较近。在上位机1上进行界面开发，通过串口RS 232利用协调器将节点1～5的数据采集，并进行数据处理，且在界面上实时显示温湿度数据。粮食水分仪采用谷物类水分仪，能够满足粮仓存储不同谷物的需要。本文对选用的水分仪进行改装，使其测量的水分含量值通过节点6采集并传输到上位机1中，并在界面显示。系统对于空调、换气扇、报警灯的控制，是通过上位机1编程实现相应联动设置。当温度高于/低于预设值时，联动空调；当湿度高于/低于预设值时，联动换气扇；当水分含量不在安全范围内时，启动报警。为了更好地满足管理人员对粮仓的监控，通过上位机1的设置，实现Internet远程监控，达到管理人员只需通过网络进行监控的目的。

图1 监控系统整体设计图

2 系统硬件选择及结构设计

在整个监控系统中，温湿度传感器采用DHT11，数字信号输出，湿度量程为20～90% RH，温度量程为0～50 ℃，满足普通粮仓内温湿度数据的采集。水分仪采用电容式粮食水分测量系统，结构简单、成本低、易于在线测量。

2.1 协调器设计

图2所示为本系统协调器[3]的结构设计图。协调器是整个无线传感器网络的核心，它负责选择一个信道和网络标识符（PANID）来建立网络，并且对加入的节点进行管理和访问，对整个无线网络进行维护。在同一个无线传感器网络中，只允许一个协调器工作。芯片选择TI公司的内置RF收发器和增强8051 CPU的CC2530，支持ZigBee2007标准和在线调试。外接JTAG调试、电源稳压、串口RS 232通信。JTAG调试能够支持在线调试，电源稳压将外接5 V电源稳压成CC2530的工作电压，串口RS 232通信满足上位机与协调器之间数据和命令的通信。

图2 协调器设计结构图

2.2 节点板设计

由于组建无线传感星型网络，节点板没有路由功能，完成的是整个网络的终端数据采集及设备控制任务。节点与协调器之间通信采用内置无线RF收发器[4]。为了能够完成数据采集及设备控制任务，引出的I/O接口可以外接传感器和设备。节点设计结构图如图3所示。

图3 节点设计结构图

2.3 水分采集设计

粮食水分含量测量采用电容式传感器测量，经检测电路，得出传感器电容值的计算方法以及电容值与玉米水分之间的关系。水分采集结构设计图如图4所示。用狄克逊准则进行数据处理，最小二乘法三次拟合出同一温度下电容值与水分含量之间的关系曲线与方程，不同温度下定容积重量与水分含量之间的关系，综合分析系统测量玉米水分的影响因素即电容值、温度、定容积重量，建立回归方程。MSP430将测出的水分含量值送至节点板的I/O接口。

图4 水分采集结构设计图

2.4 设备控制设计

设备控制硬件设计的体现是设备与节点的连接，节点板的工作电压为5 V，而设备的工作电压为设备启动所需电压，这个时候需要电压型四路继电器。设备控制结构图如图5所示。

3 系统软件设计

系统软件设计主要包含协调器、节点板的软件设计和上位机1的监控软件设计。协调器、节点板的软件设计基于免费的ZStack协议栈。

3.1 CC2530的软件设计

利用IAR7.51开发环境和ZStack协议栈[5]，分别对协调器和节点进行编程、编译、下载，并设置为同一信道。利用烧写软件进行MAC地址的写入，方便XML文件的配置。

图5 设备控制结构图

3.2 监控软件

监控软件包含三部分，界面、串行通信、节点板的数据采集及联动控制。采用C#语言在VS2010集成开发环境作界面开发。界面的开发主要是控件的添加和使用，重点是串行通信。根据DLL开发库Configuration.dll、Controllers.dll、Helpers.dll，做一个窗体应用程序，完成基础网络数据读取的功能，传感器数据、水分采集功能，控制节点板设备的功能，最后配置、添加XML文件。

4 系统测试

将协调器和节点进行程序下载，烧写MAC地址，协调器与上位机1通过串口进行连接，温湿度传感器、水分仪、报警灯、空调、排风扇与节点1～9连接。打开上位机开发软件，设置好串口参数，读取基础网络数据，采集传感器数据、水分含量。人为改变粮仓环境，测试设备的联动功能。

5 基于Internet的远程监控

将上位机1设置成Web服务器[6]，提供远程监控的内含插件的Web网页，远程客户对服务器进行通信访问。

6 结 语

本项目立足点为粮仓监控系统研究，利用ZigBee技术构建无线传感器网络，节点模块将粮仓的数据进行传送，利用上位机软件开发，将数据分析处理显示，并联动设备的控制。由此便可以实现远程控制，便于无人值班；节点模块独立性强，便于维护。系统实时性强，但系统安全性有待进一步提高。

参考文献

[1]孙继卫.宽频激励下粮食水分在线检测技术研究[D].郑州：河南工业大学，2010.

[2]高峰.无线传感器网络在设施农业中的应用进展[J].浙江林学院学报，2010，27（5）：762-769.

[3]张朋，周公博，蔡志雄，等.双射频无线传感器网络节点硬件设计[J].新型工业化，2013（11）：21-25.

[4]董永胜.基于无线传感器网络的温室环境监控系统研究[J].微型机与应用，2010（9）：59-62.

[5]孙倩文.基于无线传感网络的猪舍温湿度监控系统设计[D].马鞍山：安徽工业大学，2014.

[6]王建春，李凤菊，于伟军，等.设施农业中温湿度监测系统的设计与应用[J].天津农业科学，2014，20（12）：50-53.