基于物联网的仓库监控系统设计

王宇楠+黄继伟

摘 要：文中设计了一种基于物联网技术的仓库监控系统。该系统以ZigBee和ARM嵌入式系统技术为核心，可实现对库房内环境参量和图像信息的采集、分析、贮存及显示。本系统部署有多重报警模块，可提高货物存储的安全性。经测试，该系统具有安装简单、功耗低、成本低、运行稳定的特点，在物流仓库监控中具有很好的应用前景。

关键词：物联网；ZigBee；ARM；监控系统

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）06-00-03

0 引 言

随着经济的飞速发展，仓储规模越来越大，物资种类也越来越多。传统的以人为主导的仓库监控系统变得十分笨重，不仅耗财耗力，还容易出现监控盲区。正因为如此，种类繁多的仓库监控设备也应运而生。近年来，由于物联网技术日渐受到开发者的青睐，基于物联网技术的嵌入式系统也因此为仓库监控系统注入了新鲜的“血液”[1]。

本文结合ZigBee和ARM嵌入式系统技术[2，3]，设计出一套低功耗、功能齐全、性能稳定的无线仓库监控系统，实现对库房内温湿度、烟雾、水浸等环境参量和图像的采集，并根据分析结果做出相应处理。该系统在节省仓库监控费用和人力资源、提供安全的仓储环境方面有着十分重要的意义。

1 系统总体方案设计

该系统主要由参量采集前端、中控中心和监测中心三部分组成。仓库参量采集前端主要负责采集库房内的环境参量。环境参量的采集主要包括温度、湿度、烟感、水浸、气体、市电等。通过各类传感器或变送器将环境参量转换成特定的信号后由采集前端进行采集和初步处理。考虑到仓库中复杂的布局和环境，因此选用无线传感节点对数据进行采集。针对不同的仓库格局，无线的方式对于仓库监控系统的部署有更大的灵活性。目前常用的短距离无线通信技术有红外通信技术、WiFi无线网络通信、UWB无载波通信技术、蓝牙通信技术、ZigBee技术[4]。充分考虑了无线传输的成本、功耗、通信距离、稳定性、安全及组网方式，本系统采用ZigBee技术对仓库的参量进行采集和传输。

中控中心是整个仓库监控系统的核心模块，该系统选用三星公司的S5PV210处理器作为中控中心的控制器核心。该处理器搭载了嵌入式Web服务器和数据库。其中，嵌入式Web服务器负责响应客户端的请求，可实现与PC客户端的实时通信[5]。嵌入式数据库主要用来实时存储采集到的参量，以便进行分析和处理。当检测到参量异常时可以通过短信报警、现场声光报警和网络报警等多种报警模式，使异常和故障得到及时处理。此外，该中控中心还可以搭载门禁系统和视频图像采集系统，加强对仓库进出人员和现场实时情况的监控。监控中心主要负责处理并显示从中控中心发回的数据，是主要的人机交互界面。系统的整体框架如图1所示。

2 系统硬件设计

系统硬件包括ZigBee网络模块和ARM中控中心的硬件设计。ZigBee网络有终端节点、路由器、协调器三种网络设备类型，实现对库房内环境参量的采集和传输。

（1）协调器主要用来协调建立网络、管理网络节点，是整个网络的发起者和维护者；

（2）路由器将终端节点、其他路由节点和协调器节点连接起来，让更多的设备加入到网络中；

（3）终端节点上搭载各类传感器来完成最终的信息采集和设备控制。本系统应用的传感器有温湿度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、光敏传感器等。ARM中控中心与ZigBee协调器相连，搭载视频采集、声光报警、短信报警、门禁等系统，实现对环境参量数据的处理和现场图像的采集传输。

2.1 ZigBee网络模块硬件设计

该模块以TI公司的CC2530芯片为核心，在此基础上构建无线传感器网络。CC2530是TI公司推出的新一代适合ZigBee通信片上系统解决方案，用于实现无线传感网络技术。它有着极高的集成化水平，集成了符合IEEE802.15.4标准的无线射频收发器件、增强版的8051内核、可编程存储器以及8 KB的SRAM等。CC2530有优良的射频特性和低功耗特性，网络节点功能强大，而且工作在免执照频段；具有出色的接收灵敏度，输出功率最高可以达到4.5 dBm；在无外加功放且电路完全匹配的情况下，通信距离可达百米以上；电源电压范围为1.8～3.6 V，最低工作电压仅需1.8 V，且有4种电源模式，转换时间极短，非常适合需要超低功耗运行的系统。

为了便于设备的维护及应用扩展，将ZigBee模块分为CC2530核心板和底板两个模块。不同网络设备对象的核心板是一样的，底板可以根据需求做适当修改。底板主要由电源模块、外扩存储模块、JTAG接口、RS 232接口、按键及传感器接口等部分组成。在设计核心板时，引脚30需要连接提供基准电流的56 kΩ外部精密偏置电阻器，引脚40需要外接1μF的退耦电容。图2所示是CC2530核心板的设计原理图。

2.2 ARM中控中心硬件设计

中控中心采用三星公司基于ARM Cortex-A8内核架构的S5PV210处理器。该处理器有32位的精简指令集，具有32/64位内部总线结构；CPU内部有两级分布为16/32 KB和512 KB的数据/指令缓存，具有出色的运算能力；为了可靠安全的系统引导启动，内部集成了64 KB ROM和128 KB RAM；多媒体Codec支持实现H.264视频格式的编解码；有丰富的外设接口资源。中控中心采用了如下的嵌入式模块：存储器模块、串口模块、以太网模块、电源管理和复位电路模块、调试电路模块、USB接口模块等。摄像头、报警系统、ZigBee协调器等模块通过USB接口和串口模块来扩展。图3所示是中控中心硬件平台的硬件框架图。

3 系统软件设计与实现

本监控系统中软件主要有ZigBee网络的软件设计、视频采集、Boa嵌入式Web服务器的搭建、嵌入式数据库SQLite3及操作系统的移植和底层硬件驱动的移植和编写等。

3.1 ZigBee网络软件设计

3.1.1 ZigBee协调器软件设计

ZigBee协调器所承担的角色是组建和维护网络， 并且把从终端节点接受到的数据通过串口转发给中控中心，中控中心也可以通过协调器向整个网络发送控制信息。协调器的主要任务有以下两项：

（1）检测串口接收缓冲区，将接收到的命令发送到相应的终端节点；

（2）检测无线数据接收缓冲区，将终端节点发送的数据转发给中控中心。ZigBee协调器的工作流程如图4所示。

3.1.2 ZigBee终端节点软件设计

ZigBee终端节点上搭载各种传感器，加入网络后周期性的采集和发送数据，对协调器发送过来的命令进行响应。为了降低整个网络的功耗，并保证全网节点同步的效果，终端节点的休眠采用同步和异步休眠混合的方式。终端节点在发送环境参量信息后，若收到协调器发过来的休眠指令，则进入同步休眠模式；否则进入异步休眠模式。异步模式下在监听时间片内收到唤醒指令，等待协调器的休眠指令进入同步休眠模式。ZigBee终端节点的工作流程如图5所示。

3.2 视频采集软件设计

视频采集选用USB接口的摄像头，完成Linux内核部分的移植。Video4Linux2是Linux系统里关于视频设备的驱动和函数库，这个函数库给应用软件的编程用户提供接口函数以实现图像的采集。在Linux中，包括摄像头在内的所有设备都被看作是一个文件，通过Open（）和Close（）函数进行打开和关闭操作，这样可以方便地对设备进行读写操作。打开视频采集设备文件后，获得设备属性的参数并设置视频采集的格式。将从内核申请到的帧缓存内存映射到用户空间后，开始进行采集。由于采集到的数据帧比较大，所以采用H.264压缩编码技术[6]对视频数据进行压缩。最后利用无线网卡对视频数据进行传输。视频采集流程如图6所示。

3.3 远程监控功能软件设计

该系统采用B/S（浏览器/服务器）结构实现远程监控的功能。Boa是专门为嵌入式Linux系统设计的Web服务器，它十分精巧且源码开放，支持CGI功能[7]。Boa服务器以超文本传输协议（http）为基础，利用网络对嵌入式设备进行信息交互。我们首先在中控中心上移植Boa服务器，然后对Boa进行配置，使它支持网关接口程序的执行。监控中心要先向Boa服务器发起连接，然后通过Socket套接字向服务器端提出请求，经过超文本传输协议传给Boa服务器。服务器端收到浏览器端的请求信息后，将信息传输给指定的CGI程序访问本地数据库，并把数据回传给监控中心，通过浏览器显示出来。远程监控实现流程如图7所示。

4 结 语

经过系统设计、软硬件联合调试和系统功能测试，本系统较好地实现了库房环境参量和视频图像的采集和传输、异常现象的及时报警等功能；登录如图8所示的监控界面后，可以对现场图像和环境参量进行实时查看，还可以实时接收报警信息和浏览历史数据。系统的能耗较低，且数据采集的准确率高。以温度参量为例，采集的温度与实际温度的误差在5%以内；当ZigBee终端节点与协调器间的传输距离低于60 m时，终端节点的平均待机功耗低于2 μA。本系统运行稳定，布局方便，安装成本低，监控类目齐全且功耗较低，可以推广到智能家居或智能农业等领域，在监控领域有较大的前景和市场。

参考文献

[1]吕延杰.物联网的由来与发展趋势[J].信息通信技术，2010（2）：4-8.

[2]梁华军.基于ARM9与ZigBee无线监测系统的开发研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[3]王小强. ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京：化学工业出版社，2012.

[4]张娜.无线通信技术发展应用[J].数字化用户，2014（2）：55-57.

[5]张军卫，韩佩富，矫春海.基于嵌入式WEB服务器的视频监控系统设计[J].计算机安全，2011（2）：5-8.

[6]邓中亮.基于H.264的视频编/解码与控制技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2010.

[7]王宝忠，马成.基于CGI技术的嵌入式动态Web的研究与实现[J].电子设计工程，2012，20（18）：161-163.