全信息化大型粮库监测系统的设计与实现

周轶捷，高雪霞

（1.江苏第二师范学院南通分院 信息技术系，江苏 南通 226100；2.新乡学院 计算机与信息工程学院，河南 新乡 453003）

0 前言

粮食储备属于国家战略级建设内容，直接影响到国家安全和社会稳定，而大型粮库监测系统的构建则是实现科学储粮的必然要求.传统的监测方式是采用各种测试器材，进行人工监测，一旦发现不达标的粮库，就立即采取有效措施加以改善.这种人工方式不仅费时费力，而且效率低下，误差很大.因此，开发一种基于信息化技术的大型粮库智能化监测系统，来提高大型粮库监测的精准性和现代性，进而全面提高监测效率，确保粮食安全.

作者提出一种基于ZigBee 网络的大型粮库监测系统，利用ZigBee 网络将各种实际采集和监测到的数据传输到监测中心.一旦发现粮库出现异常情况时，及时发出警报，同时粮库数据还能够通过互联网和智能手机进行实时查看，有效提高了粮食储备的信息化和智能化水平，实现了粮食储备的科学性和安全性.

1 系统整体结构设计

根据粮库的实际布局和实施分布，在对检测系统的无线网络拓扑结构进行选择时，主要采用树状结构，具体的设计结构如图1 所示.工控主机是整个系统的监控中心和平台设备，主要负责各个节点间的数据传输、数据分析、数据处理和设备调控，通过终端显示界面实现人机互动.工控主机利用RS-2 接口与中心节点实现有线连接，其他的节点全部统一采用CC2430 芯片，该芯片是由巨人TI公司研发的新一代承载ZigBee 网络的单片机芯片，该芯片完全符合IEEE802.15.4 标准，是一款非常不错的SOC ZigBee 产品.中心节点利用这款芯片集成的无线收发模块，实现与临近路由节点的无线连接，实现数据的无线传输.所有的路由节点都能够根据实际需要同一定数量的终端节点进行组合，形成无线监测群.

图1 路由节点结构设计框架

通常来讲，一个大型粮库包含了许多不同类型的粮仓群，这些粮仓群之间或者它们和检测中心之间一般存在着一定距离，因此采用有线连接更为安全和可靠.而一个粮仓群一般由多个粮仓组成，彼此相隔不远，数量众多，因此通过无线进行连接，不仅能够满足技术要求，而且有效降低了施工成本.对一个粮仓要进行多点监测，所以监测点之间最好采用灵活的无线连接.

每个粮仓都具有一个无线监测群，终端节点除了能够和临近节点实现数据互通外，还要利用相应的传感器和信号处理器，将监测到的数据定时或实时上传到上一级的节点，由此一级一级上传，直到工控主机相连的中心节点.

为强化终端数据可读性，终端节点和其他节点可以增加显示模块，以便管理人员现场实时掌握粮库的具体情况.若是粮仓装有专门的环境调控设备，一旦监测出粮仓环境不达标时，就可以通过中央监控平台收到的警报信息，通过各级路由节点传达指令，自动启动环境调控设备，以信息化方式实现粮库的智能化管理和调控.

2 软硬件系统设计

2.1 软件监控设计

2.1.1 中央监控系统的软件设计

中央监控系统主要采用组态软件，利用结构模块化，设计出人机互动和数据分析界面，以充分满足大型粮库监测系统的实际需要.该系统的软件设计主要涉及运行方式的选择、无线监测群和终端节点的顶点监控、监控数据的信息化处理、数据分析和存储、自动报警和控制输出等方面.

2.1.2 中心节点程序设计

中心节点程序包含许多子程序，有数据巡回采集和处理程序、数据页面显示程序、自动报警程序、人工输入程序和中断指令程序等.中心节点程序设计要结合整体系统的实际需求加以灵活设计，若是想要实现中心节点的独立运行，需要采取主从工作模式实现无线连接，由此需要对数据显示、自动报警和人工输入等程序的中断子程序加以重新设计.若是部分采用有线连接，虽然在硬件设计上有所不同，但和无线连接在软件工作流程上是相同的.

2.1.3 路由节点程序设计

由于路由节点程序流程和结构与中心节点相似，因此路由节点主程序设计参照中心节点软件进行灵活设计，主要通过中心节点的循环呼唤，使得终端节点分时异步向上级路由节点传输实际监控所得数据，在工控主机调用数据显示子程序时，向中心节点传输由终端节点传来实时数据.

2.1.4 终端节点程序设计

通常来讲，终端节点都被安放于粮仓内部，通过传感器模块进行连接，并形成无线监控群.终端节点主程序开始后，首先要进行初始化，然后对各级传感器的状态参数加以读取，并在分析计算后加以数据存储和终端显示.当各级传感器的状态数据全部读取后，对路由节点是否存在数据发送请求加以全面检查，若是没有请求则继续循环读取传感器状态参数.若是有数据发送请求，就及时调用数据传输程序，直到将数据全部传输过去，再进行新一轮的传感器数据读取、采集和处理.一旦所采集的传感器数据超出限定值，就及时调用中断程序执行中断指令.

2.2 硬件系统设计

2.2.1 中继节点硬件设计

具体来讲，中继节点由一个单片机、两个无线路由节点和WIFI 模块组成.一个单片机与两个基于CC2430 芯片技术处理的路由节点进行连接，两个ZigBee 路由节点分别放置在粮仓内部和外部.由于中继节点需要一直处于工作状态，因此中继节点需要采用直流电源以确保供电系统的正常运作.WIFI 模块采用WIFI 转串口模块，这样不仅可以不用进行协议开发，而且能够有效加强系统稳定性.

2.2.2 路由节点硬件设计

路由节点是每个粮仓无线监测群的核心节点，是整个监测系统中的关键环节，具有重要的数据过渡传输作用，是终端节点和中心节点连接的纽带，还能够独立于中央监控系统之外，实现局部的自我监测.

2.2.3 协调器节点硬件设计

不同于中继节点和路由节点，协调器节点是整个监测系统组网的核心，该节点主要有单片机、ZigBee 协调器设备、USM 模块和WIFI 转串口模块组成.该节点需要具备超强的数据分析和处理能力，所以仍然采用基于CC2430 芯片技术处理的ZigBee 协调器设备，利用个人计算机将其配置成协调器.

3 监测系统的调试与实现

在完成系统设计之后，要对系统进行全面调试，首先对ZigBee 无线传输的实际距离进行测试，并根据实际需求加以具体的分析；然后构建系统模型，并利用系统模型对所处环境的温度和湿度进行监控.

3.1 ZigBee 无线网络传输距离测试

对ZigBee 无线网络模块的测试，主要是对系统应用的无线通信模块能否实现实时数据传输以及对传输质量、数据丢包率以及实际传输距离等方面进行测试.采取的方式是通过数据发送端向数据接收端传输数据，然后根据获取的实际数据包数量对无线通信质量加以衡量.在实际测试中，将数据发送端向数据接收端循环发送一个数据包的次数设定为定值1 000，然后在数据接收端对软件参数进行设定：若是成功接收一次数据包，那么接收数据包数就加1；如果没有成功接收数据，接收数据包数就不变，传输的距离由40 m 开始，每隔10 m 进行一次测量.因为在实际应用中，无线模块会存在粮库内外部相间的情况，因此在测量时也要加以区别，分为中间无间隔测量和中间有间隔测量两种试验测量情况.具体测量结果如表1和表2 所示.

表1 无间隔的无线传输测试

表2 有间隔的无线传输测试

由表1 和表2 可知，在无间隔的状态下，两者都可以实现数据的精准传输.尽管随着距离的加大，数据丢包率也随之上升，但就算距离达到了100 m，最高丢包率也低于10%.而在有间隔无线传输的状态下，通信质量明显下降了，当实际传输距离达到100 m 时，丢包率竟高达78.9%.由此可知，粮仓仓壁对ZigBee 无线网络传输的影响非常大.

在所设计的监测系统中，利用ZigBee 无线网络技术实现大型粮库的智能化监控，粮仓内部的终端节点和粮仓外部的路由节点构成了一个星型网络体系.在数据采集的过程中，终端节点需要将实时监测到的数据通过ZigBee 无线网络模块传输给上级路由节点，通过实际的试验测量发现，无线模块完全能够满足整体监测系统的实际需求.

3.2 系统调试与实现

在对系统模型进行测试过程中，无线传感器网络中共设置了10 个终端节点、2 个路由节点、CAN 总线和工控总机.将无线传感器网络一分为二，并通过CAN 总线实现连接，每个无线传感器网络下设1 个路由节点和5 个终端节点，而在所有的终端节点上都安置温度传感器和湿度传感器.当设计完毕后，将两个无线网络分别置于不同的环境之下，分别标记为M 号网络和N 号网络，其网络体系下的终端节点则分别标记为M1、M2、M3、M4、M5、N1、N2、N3、N4 和N5.系统模型构建完成后，传感器每隔1 h 对所处环境的温度和湿度参数进行采集，然后将实时数据传输到工控总机，在对数据进行分析和计算之后，通过显示程序将结果显示在终端界面上，同一时间点，10 个传感器监测到的温度和湿度结果如表3 所示.

在系统进行测试的过程中，采用相应的手持测量设备对两个传感器所处环境的温度和湿度进行测试，而通过两种不同方式所采集的数据相差无几，误差非常小.

表3 采集湿度和温度的结果

为了对系统能长期运行进行测试，在测试过程中，将传感器放在户外，让传感器全天候采集数据，对室外1 d 的温度和湿度数据进行实时采集.在测试中，从清晨6:00 到夜间12:00，每隔1 h 采集一次温度和湿度数据，测试结果如图2 和图3所示.

图2 温度变化曲线

图3 湿度变化曲线

从图2 不难发现，从清晨6:00 到夜间12:00的温度范围基本维持在5～20 ℃.整体来讲，温度曲线呈弓形变化.在早晨太阳未出来之前，温度比较低.上午温度呈明显上升趋势，直到14:00 达到最高.然后随着太阳西落，温度呈明显的下降趋势，到了夜间，温度下降幅度越来越大.

从图3 不难发现，从早晨6:00 到夜间12:00的湿度基本维持在35%～88%.清晨露水较重，所以空气湿度最大，而当太阳出来后，空气中的雾气逐渐蒸发，湿度随着时间推移而逐渐下降，直到晚上，空气中的水蒸气再次凝聚，湿度又随之呈上升趋势.

从图2 和图3 来看，尽管测量结果与实际存在一定误差，但却非常符合1 d 的温度和湿度的变化规律，由此表明，作者设计的系统能够长期运行，达到了预期的设计目标.

4 结语

利用ZigBee 无线通信技术、CC2530 芯片技术和USM 模块技术等信息化技术，实现了大型粮库监测系统的信息化设计.整个监测系统的无线设计，有效提高了系统安装和维护的便捷性和灵活性.通过普通智能手机安装专门的监测终端软件，就能够通过无线网络接入粮库网络，实现对粮库环境的实时监测，全面提高了粮库巡查的便捷性和粮库监测的信息化.通过WIFI 模块实现了对粮库的远程监控，提高了粮库实时管理的灵活性.采用USM 报警模块，一旦粮库环境发生异常情况，就会及时报警，由此提高了粮食储备的安全性和可靠性.

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