0 引言

    我國作為一個人口大國，維持一定數(shù)量和品質(zhì)的糧食儲備是保障國家糧食安全和社會穩(wěn)定的重要措施。糧食在儲藏過程中易受溫度、水分等因素影響，使糧食發(fā)生霉變、蟲害滋生和火災(zāi)等情況，為了確保儲糧安全，需準(zhǔn)確掌握糧食儲藏過程中溫濕度的實(shí)時變化、氣味異常、火災(zāi)警情和能進(jìn)行通風(fēng)、防潮除濕等措施^[1-4]。傳統(tǒng)的糧庫監(jiān)控系統(tǒng)大都采用人工或有線監(jiān)控方式，人工監(jiān)控不僅費(fèi)時費(fèi)力、效率低，而且測量誤差大，隨機(jī)性大；而有線監(jiān)控，當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)較多情況下，不僅布線繁瑣、成本高，且維護(hù)困難、靈活性差。針對這些缺陷，采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計了一種低功耗、低成本、精度高的糧庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

    糧庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要由ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)監(jiān)控軟件兩部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)遵循TI公司的ZigBee2007協(xié)議棧Z-Stack，采用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個協(xié)調(diào)器、多個路由器和多個傳感器節(jié)點(diǎn)（終端）等設(shè)備組成。傳感器節(jié)點(diǎn)首先加入由協(xié)調(diào)器發(fā)起的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后把測量各節(jié)點(diǎn)的溫度、濕度、氣味濃度和火災(zāi)警情等環(huán)境參數(shù)經(jīng)路由器或直接傳遞到協(xié)調(diào)器，接著由協(xié)調(diào)器經(jīng)串口上傳到PC機(jī)，最后用由VS2013制作的上位機(jī)監(jiān)控軟件來實(shí)時顯示溫濕度值、氣味濃度和火災(zāi)警情，對火災(zāi)聲光報警和反向控制相應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通風(fēng)或除濕，并記錄所有的數(shù)據(jù)和操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

    本系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器、路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)三種設(shè)備都是以TI公司的ZigBee SOC CC2530F256芯片為核心來進(jìn)行設(shè)計的。CC2530F256是2.4 GHz IEEE 802.15.4和ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)解決方案，支持RemoTI、SimpliciTI、TIMAC和Z-Stack協(xié)議棧，內(nèi)部主要集成一個高性能2.4G RF收發(fā)器和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器，以及8 KB RAM和256 KB閃存等其他模塊，以滿足系統(tǒng)對低功耗、低成本的要求^[5]。由于協(xié)調(diào)器、路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)功能不同，所需硬件電路不同，將分別進(jìn)行設(shè)計。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計

    傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)測量各節(jié)點(diǎn)的溫度、濕度、氣味濃度和火災(zāi)警情等環(huán)境參數(shù)并傳遞到協(xié)調(diào)器，接收上位機(jī)控制軟件發(fā)回的命令來控制通風(fēng)或除濕設(shè)備，由電池供電，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。測量溫度和濕度采用高精度的DHT22數(shù)字溫濕度傳感器，通過單總線直接與CC2530的P0.0引腳相連接。由于當(dāng)糧食發(fā)生霉變時會產(chǎn)生霉、酸、腐臭等氣味，通過測量這些氣味的濃度能預(yù)測糧食霉變的情況，因此采用TGS2600氣味傳感器來測量氣味濃度，與CC2530的A/D轉(zhuǎn)換接口A6（P0.6）相連接。采用JNHB1004遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鱽頊y量火災(zāi)警情，通過一片電壓比價器LM393與CC2530的P0.7相連接，當(dāng)JNHB1004傳感器檢測到火焰時，立即通過上位機(jī)界面符號提示和聲光提示進(jìn)行火災(zāi)報警。由于通風(fēng)和除濕設(shè)備為大功率強(qiáng)電設(shè)備，采用SRD-05VDC-SL-C繼電器以完成對它們的控制及與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隔離，其輸入端接CC2530的P0.1引腳。這些對傳感器信號的采集、處理和對繼電器的控制都是由CC2530內(nèi)部集成的8051控制器完成的，而與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的信息交換由CC2530內(nèi)部集成的RF收發(fā)器完成。

    由于CC2530的有效通信距離為100 m，為增加節(jié)點(diǎn)與路由器和協(xié)調(diào)器的通信距離，在CC2530后面都增添了高性能功率放大及低噪聲放大芯片RFX2401C，外接SMA膠棒天線或小吸盤天線^[6]。

2.2 路由器和協(xié)調(diào)器設(shè)計

    路由器用來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)通信范圍，協(xié)助傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間的通信，在樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇芍芷谛怨ぷ?，因此采用電池供電；而協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動和配置網(wǎng)絡(luò)，這些完成后就相當(dāng)于路由器，協(xié)助網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)相互通信，必須采用PC機(jī)供電。因?yàn)椴恍枰獋鞲衅骱屠^電器等電路，只需要RF收發(fā)電路和電源電路，所以路由器和協(xié)調(diào)器的設(shè)計幾乎相同，區(qū)別在于協(xié)調(diào)器多了串口通信電路。協(xié)調(diào)器電路圖如圖3所示，串口電路采用USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340進(jìn)行設(shè)計，直接與CC2530的UART0相關(guān)引腳相連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備軟件和上位機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計兩部分。

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備軟件

    為便于用戶開發(fā)ZigBee系統(tǒng)，TI公司在推出其CC2530的同時，向用戶提供了自己的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack，它實(shí)質(zhì)就是一套ZigBee系統(tǒng)程序，為TI自己的開發(fā)板量身定做的，提供了符合ZigBee2007協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)所要求每層操作相關(guān)的各種事件處理函數(shù)和一個名為操作系統(tǒng)抽象層OSAL 的協(xié)議棧調(diào)度程序^[5]，以及包含協(xié)調(diào)器、路由器和終端程序設(shè)計的例程。因此本系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備程序就是在其集成開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench for 8051下修改 Z-Stack-CC2530-2.5.1的SampleApp例程來完成設(shè)計的。

    協(xié)調(diào)器和路由器的程序只需在例程基礎(chǔ)上修改協(xié)議棧規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、PANID、信道和數(shù)據(jù)收發(fā)函數(shù)等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及和系統(tǒng)工程有關(guān)的應(yīng)用層即可，而傳感器節(jié)點(diǎn)程序不僅同樣需要修改這些方面，還要根據(jù)系統(tǒng)硬件來修改Z-Stack例程各層目錄中所有與硬件有關(guān)部分的程序。傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖4所示。由于OSAL只采用了輪詢?nèi)蝿?wù)調(diào)度隊列的方法來進(jìn)行任務(wù)調(diào)度管理，在系統(tǒng)初始化之后就進(jìn)入輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)，對發(fā)生的任何事件就調(diào)用協(xié)議棧相應(yīng)層的事件處理函數(shù)進(jìn)行處理，因此在硬件層中設(shè)置對JNHB1004火焰?zhèn)鞲衅鞑捎弥袛嗵幚淼氖录瑢HT22溫濕度傳感器、TGS2600氣味傳感器和繼電器控制采用輪詢處理的事件等修改以完成系統(tǒng)的開發(fā)。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件

    上位機(jī)監(jiān)控軟件采用VS2013進(jìn)行設(shè)計，主要由傳感器節(jié)點(diǎn)狀態(tài)區(qū)域、實(shí)時顯示趨勢圖和通信設(shè)置區(qū)域等組成。傳感器節(jié)點(diǎn)狀態(tài)區(qū)域按照安排好的節(jié)點(diǎn)順序，不僅能實(shí)時顯示每個節(jié)點(diǎn)的溫度值、濕度值、氣味濃度和火災(zāi)警情等狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時進(jìn)行界面報警燈符號閃亮提示和通過外部聲光設(shè)備發(fā)出火災(zāi)警報，同時還有每個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的按鈕用來控制按照一定順序分配的通風(fēng)和除濕設(shè)備。實(shí)時顯示趨勢圖不僅按時間可以直接顯示每個節(jié)點(diǎn)的溫度值、濕度值和氣味濃度，還能以文本格式存儲溫濕度值、煙霧異常、火災(zāi)報警和除濕按鈕等所有狀態(tài)變化并能隨機(jī)查看。通信設(shè)置區(qū)域主要進(jìn)行串行和網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)置，串口設(shè)置如端口選擇、打開串口、關(guān)閉串口、手動刷新和自動刷新等操作，網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)置如IP設(shè)置、啟動和關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)等操作。上位機(jī)與各個傳感器節(jié)點(diǎn)通信采用主從查詢式，按照約定好的編碼和通信協(xié)議，由上位機(jī)發(fā)起查詢?nèi)缓髠鞲衅鞴?jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)答，一問一答，非問莫答，避免各傳感器節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突。

4 系統(tǒng)測試

    本系統(tǒng)利用制作好的4個傳感器節(jié)點(diǎn)、1個路由器和1個協(xié)調(diào)器，在用戶方的1個大平房倉型糧庫中進(jìn)行測試。該糧庫長100 m，跨度24 m，高7 m，其裝糧高度為6 m，因此在糧庫按25 m間隔和6.1 m高來放置傳感器節(jié)點(diǎn)以及按不同距離放置路由器和協(xié)調(diào)器進(jìn)行測試，節(jié)點(diǎn)1實(shí)時溫度趨勢圖如圖5所示。測試結(jié)果表明，其平均溫度誤差為0.2 ℃，濕度誤差為2% RH，氣味濃度分辨率為0.5，滿足精度要求，同時對火焰反應(yīng)比較敏感，預(yù)報火警迅速，對通風(fēng)和除濕設(shè)備控制比較準(zhǔn)確，而且上位機(jī)監(jiān)控軟件操作簡單。此外本系統(tǒng)采用3 dB的2.4 GHz膠棒天線進(jìn)行測試，無線模塊輸出功率可達(dá)22 dBm，在空曠地帶兩個模塊有效傳輸距離可達(dá)1 500 m，滿足通信距離的需要。

5 結(jié)束語

    測試表明，該系統(tǒng)不僅達(dá)到了設(shè)計要求，還具有測量精度高、功耗低、成本低、組網(wǎng)靈活、人機(jī)界面簡單直觀、實(shí)用性強(qiáng)和穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時還能用于其他需求相近的領(lǐng)域。

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