基于物联网的智能粮库监测系统研究与设计

苏世雄，李 川，马新华，韩思蕊

（西安航空学院 计算机学院，西安 710077）

我国是世界上的人口大国，粮食作为人类生存的必需物品，具有举足轻重的作用，而科学合理地存储粮食是国家战略物资储备的必然要求。粮库作为粮食存储的基本单元具有十分重要的作用，粮食在存储过程中，常因粮食的温度、湿度、CO2浓度过高等，导致粮食发热霉变[1]，给国家和人民带来巨大的损失[2]。因此，对粮库中的粮情监测显得尤为重要。传统的粮库监测由粮库工作人员采用工具人工测量粮食的温度、湿度等参数，此方法需要耗费大量的人力物力财力。随着信息技术的发展，学术界针对粮库监测进行了相应研究，例如文献[3]等设计了一款无线传感器网络的粮库监测系统，实现了粮库内粮情的实时监测。文献[4]设计了一款基于ZigBee技术的多传感器粮库监测系统方案，实现了一种自组网的粮库监测系统。文献[5]设计了一款智能多参数粮情自动监测系统，该系统可以监测粮库的温湿度变化和诱捕害虫，实现了粮库的智能化监测功能。文献[6]开发了一套基于LoRa 的粮库粮情监测系统，解决了多点传输冲突问题。文献[7]设计了一款基于嵌入式ARM9 平台的粮库粮情智能监测系统。文献[8]针对单一传感器采集数据片面、易造成误报、漏报等情况，设计了一种多传感器融合的粮仓环境监测系统，对粮库温湿度、CO2浓度、O2浓度进行实时监测与调控，从而降低外界环境干扰[9]，确保粮库存储的质量。

虽然相关学者已经提出了一些粮库监测方案，但是这些方式大多数是从某一方面进行研究分析，并没有将扩展性与控制方式结合在一起，因此，本系统结合物联网技术设计了一款智能粮库监测系统，该系统一方面无需布线，自组网实现多粮库实时环境监测、预警等功能，可随时增加或删除采集节点，具有良好的扩展性；另一方面设计了2 种控制模式，手动或自动调节粮库环境，确保粮食存储安全。

1 系统整体设计

大型粮库具有分布广、监测点分散、地域面积集中等特点，因此，该设计采用覆盖范围广、自组网能力强、信息传输可靠、低成本[10]的ZigBee 技术实现无线通信功能，该方式一方面节省了布线的繁琐和成本，另一方面具有较强的可扩展性，可随时加入节点，扩大监测范围。本系统设计的系统整体架构如图1 所示。该系统利用ZigBee 技术构建了网状拓扑结构，主要由上位机和下位机组成，上位机的主要任务是实时显示所采集的数据与系统控制方式的选择；下位机主要任务是环境监测与环境调控。下位机又分为协调器与路由节点和终端节点，协调器主要负责整个系统网络的建立、数据的接受和发送以及与上位机的通信；路由节点主要负责为其他节点转发数据，扩大网络覆盖范围；终端节点主要负责数据的采集和数据发送与接收功能，所接收的数据用以对外围调节设备的控制。

图1 系统整体架构Fig.1 Overall system architecture

2 系统硬件设计

系统硬件设计即下位机的设计，主要分为协调器与路由节点、终端节点两部分，都采用当前流行的具有ZigBee 无线通信功能的CC2530 单片机为核心结合外围电路所设计。协调器的主要任务是建立网络，并将数据通过串口发送给上位机；路由节点的主要任务是转发数据，因此，该模块框架图设计较简单只有通信模块和串口模块即可，如图2 所示。

图2 协调器、路由节点框图Fig.2 Coordinator and routing node block diagram

终端节点主要负责数据的采集和发送/接收以及设备的控制，因此，该模块框架图设计如图3 所示，主要由传感器模块、调控设备模块、通信模块和报警模块组成。

图3 终端节点框图Fig.3 Terminal node block diagram

传感器模块包括温湿度传感器、CO2浓度传感器。其中，温湿传感器采用DHT11 数字温度传感器，该传感器是一款已校准的数字信号输出传感器，该传感器采用单总线串行接口，具有采集精度高、稳定性强、功耗低等优点[11]；CO2浓度传感器采用MG-812型二氧化碳传感器，该传感器利用红外光吸收原理检测空气中的CO2浓度，将其转化为电信号，可通过AD 转换器转换为数字信号，具有灵敏度高、稳定性好、使用寿命长等特点。调控设备模块采用风扇进行模拟，模拟改善当前环境。报警模块由LED 报警灯和蜂鸣器组成，用来提醒库房管理人员粮库异常。

3 系统软件设计

系统软件设计分为上位机软件设计和下位机软件设计。下位机软件设计采用 IAR Embedded Workbench for 8051 软件对Z-Stack 协议栈进行开发，IAR for 8051 是开发CC2530 的常用工具，它具有完全标准的C 兼容、良好的版本控制和扩展工具、便捷的模拟和中断处理[12]等优点。Z-Stack 协议栈采用的是操作系统抽象层（OSAL）协议栈调度程序，用户只能通过调用API 接口开发具体应用，因此，该协议也被成为半开源的协议栈[13]。下位机软件设计主要是协调器与路由器和终端节点的软件设计，其设计原理由Z-Stack 协议栈决定，所有流程基本类似，其流程参考文献[3]，此处不再赘述。本文重点介绍上位机软件设计。

上位机软件主要负责数据显示和选择控制方式，这就要求界面友好且简单，而Qt 是一款跨平台的开发环境[14]，具有面向对象的所有优点[15]，提供丰富的图形界面且支持轻量级数据库Sqlite3。因此，上位机软件设计采用基于Qt 平台和Sqlite 3 数据库设计。本系统设计了两种控制方式：手动方式和自动方式。手动方式即传统方式，用户自行控制外围设备；自动方式即智能方式，系统根据用户在界面中设置的不同阈值区间，判断采集的数据是否在阈值范围内，若数值不在阈值范围内，则开启设备，对环境进行调节，使粮库环境置于合适的环境中，否则设备就关闭，设计的软件流程如图4 所示。用户通过登录界面输入正确的用户名和密码，配置好相应的串行口数据即可获得粮库中不同仓库的实时温度、湿度、CO2浓度以及各设备状态等信息。通过按钮选择控制模式，用以调节粮库中的环境。当选择自动模式时，可以根据粮库中存放的粮食类型实时的设置温度、湿度、CO2浓度等阈值区间，以便系统自动调节环境。同时，在手动模式时，用户也可以查看历史数据，以便于数据分析。

图4 上位机软件流程Fig.4 Upper computer software flow chart

4 系统测试与分析

设计实现的粮库监测系统下位机实物如图5所示，上位机UI 界面如图6 所示，此时系统控制模式为手动模式。

图5 下位机实物Fig.5 Physical object of lower computer

图6 上位机界面Fig.6 Upper computer interface

对整个系统功能的完整性和稳定性进行测试，分为手动模式测试和自动模式测试。

（1）手动模式，显示各测量数据，控制外部设备，测试结果如表1 所示。

表1 手动模式测试表Tab.1 Manual mode test

（2）自动测试，显示各测量数据，验证各个模块联动功能，测试如图7 所示，当测量数据在阈值区间内，则报警和风扇关闭，如图7（a）所示；更改阈值区间范围，当测量数据不在阈值区间范围内，则报警和风扇打开，如图7（b）所示，其全部测试结果如表2 所示。

表2 自动模式测试表Tab.2 Automatic mode test

图7 自动模式Fig.7 Automatic mode

当在手动模式时，可以点击界面中查看历史数据按钮，查看采集的数据变化过程，当数据异常时，为用户分析异常提供数据支撑，显示界面如图8 所示。所有测试次数均为100 次，测试结果均正常。因此，系统符合设计功能，且系统运行稳定。

图8 历史数据记录Fig.8 Historical data record

5 结语

该系统采用CC2530 单片机、各种传感器、外围设备模块和Qt 平台，设计并实现了基于物联网的粮库监测系统，实现了粮库环境信息实时采集和设备智能化控制，使得粮库管理更加智能化。经运行测试表明，该系统功能符合设计要求，运行稳定，操作方便，具有较高的实用性。本设计具有以下创新点：系统中设计了两种控制方式，手动模式和自动模式，既考虑了传统方式又兼顾了智能化方式；阈值设定不再是单一的、固定的方式，而通过上位机设定阈值区间，既方便用户根据粮库中存放的不同粮食类型动态更改阈值范围，又可以不用再次下载下位机程序；在手动工作方式下，可以查看历史数据记录，以便管理员分析当出现异常情况时，监测的数据变化情况，为粮食安全存储提供数据支撑；系统采用ZigBee 自组网技术，随着粮库数量的增加，只需要增加路由节点和终端节点数即可完成对粮库的监测，无需布线，具有良好的可扩展性。