基于ZigBee的智能粮仓监测系统设计*

张小娟, 苏 娟

(湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082)

基于ZigBee的智能粮仓监测系统设计*

张小娟, 苏 娟

(湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082)

通过ZigBee终端节点的传感器采集粮仓环境参数后发送到ZigBee协调器，ZigBee协调器通过网关将数据发送到服务器，然后传给客户端。客户端将接收到的数据进行分析处理后,与预设的阈值进行对比，会自动发出报警信息并在监测界面上显示。粮库的工作人员通过监测平台及相应的报警信息随时了解粮仓的粮食状态，从而及时、准确地做出相关决策。该系统具有可靠性好、实时性强、成本低、使用方便的特点，满足了粮仓智能监测的要求。

粮仓； 监测系统； ZigBee； 传感器； CC2530； 智能

0 引 言

要做到合理地存储粮食，粮情监测尤为重要。粮情监测是储备库防止粮食霉烂、保质存放的重要环节。粮食在储备的过程中，常因粮食的湿度、温度、气体浓度过高等因素，导致粮食大量地变质，给国家和人民带来巨大的损失[1]。因此，这些因素是储粮状态的重要标志，必须准确检测并实时显示。

针对传统的粮食存储无法实时获取和有效共享仓库粮情信息，本文提出了一种智能粮仓监测系统的方案，能够24 h实时监测粮仓状况。具有一定实际应用推广价值。

1 系统总体构

整个系统主要由数据采集层，ARM网关层，以及应用层三大部分组成。数据采集层主要通过ZigBee终端节点的传感器采集粮仓数据后经ZigBee无线传感网络发给ZigBee协调器。 ARM网关层与ZigBee协调器相连，可以接收并处理来自ZigBee的数据，也可以接收并处理来自服务器的指令。网关与ZigBee协调器通过串口的方式进行数据传输，与服务器通过TCP/IP协议进行数据传输。应用层有Linux服务器和客户端。Linux服务器将ARM网关层传来数据进行分析处理并保存；客户端为具体的图形接口程序(主要是PC QT应用)，将从Linux服务器上获取的有关粮仓环境的数据以图形化接口展现给用户。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2 系统硬件设计

系统硬件部分主要由ZigBee模块、各传感器、ARM网关等部分组成。

ZigBee模块选用的是TI公司的CC2530。CC2530采用增强型8051 CPU作为主处理器，并结合了领先的RF收发器的优良性能。它能够建立强大的网络节点。它不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统[2]。

传感器模块主要有温湿度传感器、CO2传感器、烟雾传感器、红外传感器，这些传感器连接在ZigBee终端节点上，采集粮仓数据并通过串口传给ZigBee模块。为了能更准确采集粮仓数据，温湿度传感器选用DHT11数字温湿度传感器，这是一种具有超小的体积、极低的功耗并且在极为精确的湿度校验室中经过校准的数字温湿度复合传感器[3]。CO2浓度传感器选用MG811,它对CO2有良好的灵敏度和选择性，受温湿度变化的影响较小，具有长期的使用寿命和可靠的稳定性以及再现性[4]。烟雾传感器选用MQ—2，它成本低、寿命长，在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度。红外传感器选用HC—SR501，这是一种灵敏度高，可靠性强，具有超低电压工作模式的传感器，它广泛应用于各类自动感应电器设备。

ARM 网关层硬件选用ARM Cortex—A8 ，它采用的主处理器是三星的S5PV210，运行主频可高达1 GHz，带有480×800的可触摸液晶屏以及以太网口。该模块主要负责网关功能以及控制ZigBee协调器。

各模块之间的连接如图2 所示，各传感器负责采集粮仓环境参数，并通过串口传给ZigBee模块CC2530，然后通过ZigBee无线传感网络发送到ZigBee协调器，ZigBee协调器与ARM 端也是通过串口通信，ARM收到协调器传来的粮仓环境数据后通过以太网发送到应用层。与此同时，来自应用层的指令也可以相反的路径传到ZigBee终端节点。

图2 系统结构框图

3 系统软件设计

3.1 数据采集层设计

传感器通过串口与ZigBee模块CC2530相连，各传感器模块将采集到的实时数据信息经A/D转换并处理后转化成相应格式的数字信号，然后通过ZigBee无线传感器网络传送给ZigBee协调器，同时接收从ZigBee协调器发送过来的指令，收到指令后执行相应地操作。ZigBee协调器接收到ZigBee节点采集的数据后进行分析、处理然后通过ARM网关发给服务器[6]。数据采集层软件流程如图3所示。

图3 数据采集层软件流程图

由于传感器在采集粮仓数据时会存在一定的误差和干扰，使得采集到的数据与真实值存在一定差异，为了准确地监测到粮仓环境信息，本系统采用去极值平均滤波法对采集到的数据进行处理。各传感器每采集6次数据就做一次处理，假设传感器6次采集到的数据分别为Xt,Xt+1,Xt+2,Xt+3,Xt+4,Xt+5，其中最大值为Xmax,最小值为Xmin,则

Xmax=max(Xt,Xt+1…Xt+5)

(1)

Xmin=min(Xt,Xt+1…Xt+5)

(2)

(3)

3.2 ARM网关层设计

ARM网关层主要有两个功能：1)网关，实现监测区域各传感器与外部设备之间数据及指令信息的双向传递；2)作为一个粮仓监测区域的“控制中心”，需具有对数据和指令作基本的分析、处理以及暂存的功能。

根据以上需求，该层硬件采用ARM Cortex—A8 。它通过串口与协调器通信，通过TCP/IP协议与服务器通信。接收协调器从各个终端节点采集的数据信息，分析处理后发送给服务器。同时向协调器传输下达服务器的数据信息[7]。可手动、自动查询底层传感器采集的数据信息，控制设备阈值。网关层软件设计流程图如图4所示。

图4 网关软件流程图

由于ARM Cortex—A8支持Linux系统，本部分程序采用Linux QT设计，加入了GUI图形界面，可将网关部分的程序以图形化的形式显示在480×800的可触摸屏上，以达到直接监测的目的，当应用层网络(TCP/IP协议)断开时，粮仓工作人员可以在粮仓附近通过ARM端监测粮仓环境。

3.3 服务器设计

服务器采用Linux操作系统，其具有开源且功能强大、移植性强，安全性相对较高的特点，有着承上启下的重要功能，它为本系统的用户层跟底层之间提供了类似桥梁的通信功能，同时也是大数据储存的载体。

服务器软件设计的核心是TCP/IP协议、多线程以及数据库sqlite3。TCP/IP是服务器与网关以及与客户端之间通信的协议，多线程用于建立与多个客户端的连接；数据库则用于存放和读取网关和客户端信息及客户端发送的数据。服务器软件设计如图5所示。

图5 服务器软件流程图

3.4 客户端设计

客户端分为2种:一种是管理员，提供管理操作员和分配粮仓的功能,查看当前所有操作员和粮仓，并为操作员分配和撤销粮仓，以及添加和删除操作员等;另一种是操作员，提供监控和管理粮仓的功能;查看自己管理的粮仓的所有测控点和具体的测控点的温度、湿度、CO2浓度等信息，可以异常报警和实时显示粮仓环境信息[8]，还可以手动采集粮仓的实时监控信息。此外，还可以折线图和表格的形式查看某个粮仓在具体某一段时间内的温度、湿度、CO2浓度等信息记录，并且可将折线图导出为PDF格式保存，将表格导出为EXCEL格式保存。客户端软件结构框图如图6所示。

图6 客户端软件结构框图

4 系统测试

本系统主要测试客户端启动后能否接收并显示ZigBee终端节点采集的粮仓环境数据，能否异常报警，能否实时监测粮仓环境，能否查看具体某一段时间内粮仓历史数据。

实验时，将协调器安放于粮堆上方，温湿度模块埋入粮堆中，其他传感器安放于粮仓入口及四周，ARM网关安放在粮仓顶部。监测中心PC每隔一段时间发送1次数据采集命令，对粮仓内部环境进行实时采集。如果某个节点采集的数据超过设定值，监测中心PC管理软件会发出报警提示，并在监控界面显示[9]。图7为客户端启动后操作员成功登录的界面，该界面实时显示了粮仓相应测控点的数据及当前粮仓中该项环境因子的所有测控点的最大最小值和警戒最大最小值。

图7 客户端监测界面

操作员可以以折线图或表格的方式自由查看选中粮仓在某一段时间内各测控节点的平均监控数据信息的历史记录。用户点击图7中的“折线图信息”或“表格信息”可分别进入到相应折线图和表格操作的界面，当设定好需要查看的时间范围之后，点击图中“更新”按钮，待客户端从服务器获取对应的历史数据后会绘制出图8(a)所示平均温度折线图(选择折线图上方的不同按钮查看不同指标的折线图)或图8(b)所示的表格。图8(a)中横坐标是时间，纵坐标是温度值(若为湿度、CO2等其它指标，则为相应的指标值)。图中的折线图和表格可以利用鼠标随意拖动、放大、缩小以查看相应时间段内的数据信息。经过反复实验，系统工作稳定，能够适应环境的变化，监测效果良好。

图8 粮仓参数折线图与参数表格

5 结束语

本设计将ZigBee技术与粮仓管理相结合，设计了粮仓

环境监测系统，增加了粮仓管理的新功能，建立了粮仓在线监测平台，实现了粮仓的环境的集中监测，不仅保证了粮食的品质和质量,而且降低了劳动强度,实现了粮仓监测系统的实时性与智能化的要求[10]。不同权限的客户端(管理员、操作员)对粮仓分级管理，而网关脱离应用层网络直接监测，大大提升了粮仓的智能监测水平，实践证明基于Zig Bee的粮仓智能监测系统对于粮食监测具有较高的实用价值。

[1] 薛 亮，冯鹏飞，张继飞.基于WSNs和GPRS的粮库监测系统设计[J]．自动化技术与应用，2016，35(12)：87-90.

[2] CC2530中文数据手册完整版[M].郑州：郑州新双恒，2009.

[3] DHT11中文说明书[M].广州：育松电子,2012.

[4] MG811产品说明书[M].郑州：炜盛科技,2010.

[5] 滕志军，何建强，李国强．基于 ZigBee 的智能农业管理系统设计[J]．湖北农业科学，2013，52(3):681-684．

[6] 徐亚峰，刘焕强，顾晓峰，等．基于ZigBee和GPRS的远程水质监测系统的设计与实现[J]．江苏农业科学，2013，41(3):328-331．

[7] 徐瑞娜,胡方明,仁爱峰.ZigBee无线传感器网络在远程环境监测中的应用设计[J].电子元器件与应用,2010,12(7):38-42.

[8] 杨 柳，毛志怀，蒋志杰，等．基于无线传输的粮仓温湿度远程监测系统[J]．农业工程学报，2012，28(4):155-159．

[9] 王希杰.基于物联网技术的生态环境监测应用研究[J].传感器与微系统,2011,30(7):149-152.

[10] 孔凡伟,施云波,修德斌,等.基于无线传感器网络的氯气监测系统设计[J].传感器与微系统,2013,32(2):99-101.

Design of intelligent barn monitoring system based on ZigBee*

ZHANG Xiao-juan, SU Juan

(College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

This system transmits environmental parameters of barn collected from ZigBee terminal node sensors to the ZigBee coordinator.ZigBee coordinator transmits data to the server through gateway,and then to client.The client analyze and process the received data and compare it with the preset threshold,then alarm information will be sent and the corresponding data is displayed on monitor interface.The staffs of the barn get information from the monitoring platform and corresponding alarm information of grain granary at any time in order to timely and accurately make related decisions.The system has good reliability,real-time function, low cost,and convenient operation, which meets the requirements of granary intelligent monitoring.

barn; monitoring system; ZigBee; sensor; CC2530; intelligent

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0109—04

2016—06—02

湖南省科技计划资助项目(2014GK3007)

TP 212

A

1000—9787(2017)05—0109—04

张小娟(1990-)，女，硕士研究生，主要从事嵌入式系统与应用。

苏 娟(1963-)，女，副教授，主要从事嵌入式系统与应用研究工作。