基于ZigBee的糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜岳濤，楊娜娜，董綿綿

（西安工業(yè)大學(xué)，陜西西安，710032）

基于ZigBee的糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜岳濤，楊娜娜，董綿綿

（西安工業(yè)大學(xué)，陜西西安，710032）

本文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)測(cè)方法，該系統(tǒng)采用數(shù)字傳感器DHT11采集糧倉(cāng)溫濕度，Zigbee無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)后發(fā)送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、動(dòng)態(tài)顯示及報(bào)警、上位機(jī)查看、自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能，解決了傳統(tǒng)糧倉(cāng)有線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線(xiàn)難、維護(hù)難、升級(jí)難以及成本高等問(wèn)題。

Zigbee；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；DHT11

0　引言

糧食儲(chǔ)藏的安全質(zhì)量一直是各國(guó)研究的重點(diǎn)課題。長(zhǎng)期以來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)條件等原因?qū)е挛覈?guó)的糧食儲(chǔ)藏環(huán)境差、管理落后，即使有部分糧倉(cāng)的儲(chǔ)藏環(huán)境好點(diǎn)，但是大多數(shù)糧倉(cāng)依然都停留在傳統(tǒng)的人工管理階段。既然是人工管理，就存在由于人的生活作息習(xí)慣等因素造成的管理的滯后性，甚至造成大的災(zāi)難，給人們物質(zhì)財(cái)產(chǎn)帶來(lái)較大損失。若能自動(dòng)、準(zhǔn)確及時(shí)的監(jiān)測(cè)糧倉(cāng)內(nèi)溫濕度變化，人們?cè)俑鶕?jù)其變化及時(shí)采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，就可以達(dá)到防止糧食變質(zhì)、保證糧食的存儲(chǔ)質(zhì)量的目的，以減少不必要的浪費(fèi)。

本文針對(duì)傳統(tǒng)的糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，采用ZigBee技術(shù)組建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的糧倉(cāng)溫濕度測(cè)控系統(tǒng)，根據(jù)糧倉(cāng)這個(gè)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合不需要很高的傳輸速率，但要求傳輸時(shí)延小、功耗低等特點(diǎn)，因此利用低功耗的無(wú)線(xiàn)傳輸芯片和超低功耗的微處理器，構(gòu)建分布式的無(wú)線(xiàn)傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)糧倉(cāng)溫濕度的無(wú)線(xiàn)化實(shí)時(shí)檢測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、自動(dòng)報(bào)警、通風(fēng)控制等。

圖1　系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1　總體設(shè)計(jì)

本糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由溫濕度傳感器采集節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器以及上位機(jī)組成，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

基于Zigbee技術(shù)的糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在功能上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸及對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)溫濕度的調(diào)節(jié)。同時(shí)本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的測(cè)量范圍為：測(cè)溫在0℃～50℃之間；測(cè)濕在20%RH～90%RH之間。由于本溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的驗(yàn)證是在糧倉(cāng)與糧倉(cāng)外，同時(shí)考慮成本等原因只組建簡(jiǎn)單的樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)，不需要路由器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)所采集的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)直接在傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間傳送。

2　硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)及其與上位機(jī)的連接三部分。

2.1傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器采集節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集糧倉(cāng)內(nèi)的溫度和濕度信息，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻模塊發(fā)送出去。其主控芯片是CC2530芯片，它是一種系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC），可以應(yīng)用在使用IEEE 802.15.4、ZigBee以及RF4CE標(biāo)準(zhǔn)的模塊中。CC2530芯片結(jié)合了具有卓越性能的先進(jìn)射頻（RF）收發(fā)器和符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 MCU，系統(tǒng)內(nèi)部可編程閃存，8-KB RAM以及其他功能。本文所涉及的CC2530芯片采用的均是CC2530F256芯片，它結(jié)合德州儀器 （TI）推出的ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack），提供了一個(gè)強(qiáng)大而完整的ZigBee解決方案。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，極其適合應(yīng)用于功耗要求非常低的系統(tǒng)；同時(shí)，各運(yùn)行模式間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了系統(tǒng)的低功耗。傳感器選用的是數(shù)字式溫度傳感器DHT11，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。

其中，傳感器用來(lái)測(cè)量糧倉(cāng)內(nèi)的溫度和濕度信息，并把測(cè)量到的信息在其內(nèi)部進(jìn)行放大、A/D 轉(zhuǎn)換等處理后直接輸出溫濕度的數(shù)字信號(hào)；CC2530芯片及其外圍電路，用來(lái)控制傳感器工作，并處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，將其顯示在LCD上，實(shí)現(xiàn)報(bào)警、控制繼電器等工，同時(shí)將最終數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；天線(xiàn)可以讓傳感器采集節(jié)點(diǎn)將所采集并處理后的數(shù)據(jù)信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，并接受協(xié)調(diào)器發(fā)過(guò)來(lái)的信息；電源用于為采集節(jié)點(diǎn)工作時(shí)提供所需要的能量；按鍵用于啟動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)，并調(diào)整溫濕度的報(bào)警值；蜂鳴器及LED燈在溫濕度超出溫濕度報(bào)警值時(shí)報(bào)警；繼電器模塊在超出溫濕度報(bào)警值后啟動(dòng)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)溫濕度。

2.2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建、維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，在接收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的溫濕度信息時(shí)與PC機(jī)進(jìn)行通信，由上位機(jī)顯示并繪制變化曲線(xiàn)。本設(shè)計(jì)中協(xié)調(diào)器的通信接口使用的是MINI USB A型接口。由于CC2530芯片輸出的是TTL電平，它是由電平的高低來(lái)表示邏輯狀態(tài)，而電腦串口輸出的電平是由電壓的正負(fù)來(lái)表示邏輯狀態(tài)，這就需要對(duì)單片機(jī)輸出的TTL電平和RS-232的EIA電平進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。若是不進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，串口通信就會(huì)出錯(cuò)，本設(shè)計(jì)中采用RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片F(xiàn)T232，實(shí)現(xiàn)了 EIA 和TTL的電平轉(zhuǎn)換。FT232芯片提供串行通信接口與上位機(jī)通信以便將糧倉(cāng)內(nèi)的溫度和濕度信息及時(shí)上傳，其他部分硬件設(shè)計(jì)與傳感器節(jié)點(diǎn)相同。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件主要包括：傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)以及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。采用的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)結(jié)合了IAR Systems公司推出的IAR Embedded Workbench （簡(jiǎn)稱(chēng)EW ）集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和TI公司提供的ZigBee協(xié)議棧—Z-Stack 2007，使用IAR開(kāi)發(fā)最大的優(yōu)勢(shì)就是能夠直接使用Z-Stack 2007進(jìn)行開(kāi)發(fā)，我們只需要調(diào)用API接口函數(shù)即可。

3.1傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中傳感器采集節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集糧倉(cāng)內(nèi)的溫度和濕度信息，并將采集所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部處理，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻模塊發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。然而，傳感器節(jié)點(diǎn)若想將采集到的數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，必須先申請(qǐng)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)其加入網(wǎng)絡(luò)成功并成功綁定后，才開(kāi)始無(wú)線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器主要用于啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)接收傳感器采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，即與傳感器采集節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通信；同時(shí)，通過(guò)RS-232 串行通信接口與上位機(jī)通信，以便將糧倉(cāng)內(nèi)的溫度和濕度信息及時(shí)上傳。對(duì)于網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)主要包括無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的接收以及串口通信。協(xié)調(diào)器上電后，首先進(jìn)行初始化操作，并建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)。然后，在網(wǎng)絡(luò)中搜索是否有傳感器節(jié)點(diǎn)需要加入網(wǎng)絡(luò)，若檢測(cè)到有傳感器節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)需要加入，則將該節(jié)點(diǎn)的地址信息存入?yún)f(xié)調(diào)器的地址表中。最后，搜索信道上是否有傳感器采集節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，若有，協(xié)調(diào)器將在地址表中匹配該節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址后，開(kāi)始接收終端節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送給上位機(jī)。

3.3上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用Visual C++ 6.0編寫(xiě)上位機(jī)軟件，本上位機(jī)設(shè)計(jì)主要包括串口配置區(qū)域、操作提示區(qū)域、讀取溫度和濕度信息區(qū)域以及溫濕度波形顯示區(qū)域。

4　結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)的糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線(xiàn)困難、維護(hù)升級(jí)難、通信距離短等缺點(diǎn)，在糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)路，提出一種基于ZigBee技術(shù)的糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)組建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn)傳感器采集節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器還可以和PC機(jī)串口通信，在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的溫濕度數(shù)值。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)試運(yùn)行表明，該糧倉(cāng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度，而且整個(gè)系統(tǒng)具有較高的可靠性、較低的成本和功耗等特點(diǎn)，非常適用于無(wú)人看守糧倉(cāng)的監(jiān)控領(lǐng)域。

［1］ 謝艷新，程海民，潘興業(yè).物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在糧倉(cāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)2012，51 （20）： 4645-4650.

［2］ 高守瑋，吳燦陽(yáng).ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程：基于CC2430/31的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案［M］. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009， 4-9.

［3］ 陳揚(yáng).煙草倉(cāng)庫(kù)環(huán)境無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2010，5.

［4］ Raul Morais， Miguel A. Fernandes， Samuel G. Matos， et al. A ZigBee multi-powered wireless acquisition device for remote sensing applications in precision viticulture ［J］. Computers and Electronics in agriculture，2008， 62（2）：94-106.

Design of temperature and humidity monitoring system for grain depot based on ZigBee

Du Yuetao，Yang Nana，Dong Mianmian
（Xi'an Technological University，Xi'an Shaanxi，710032）

This paper introduces the design of a wireless sensor networks granary temperature and humidity monitoring method based on， the system uses digital sensors DHT11 collection of granary temperature and humidity，the ZigBee wireless module to realize self networking is sent to the host computer，realize realtime monitoring，wireless data transmission，dynamic display and alarm，host computer to view，automatic regulation and other functions，to solve the traditional granary wired monitoring system hard wiring，difficult to maintain，upgrade is difficult and the cost is high.

Zigbee；wireless sensor network；DHT11