基于GPRS和ZigBee的粮库智能监控系统的设计与实现

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摘 要 针对目前粮库中粮食储存存在的监控点分布范围广和一些的相关存储环境的参数的情况，实现了一种星型网络拓扑结构的粮库智能监控系统。选用MC13213&BeeKit芯片和相关环境参数传感器构成终端节点，与作为中心节点的GPRS网关组成星型网络结构，通过将实时数据传送到远程监控中心。此外，远程管理员还可以通过Internet主动向GPRS网关发送查询命令，进行实时监控。实验结果显示，本粮库智能监控系统具有布置网络灵活、动工成本低、传输稳定，为目前粮库的提供了更科学的管理方式。

【关键词】ZigBee 无线智能监控系统 传感器 GPRS 网关

俗话讲“国以民为本，民以食为天”，体现了粮食对于一个国家的重要性。据统计，我国粮食生产总量从1978年前的3亿吨多一点迅速增长到2012年的近6亿吨。在粮食产量如此增长的基础上，如何更好地保存粮食成为各个地方粮库工作的关键点。为了防止粮库中的粮食发生腐烂或者产生变质等情况，需要精确掌控粮库中的烟雾浓度、光照度、温湿度等重要信息，控制其在指定的安全范围之内。进而避免因粮库内部温湿度变化引起的粮食霉变和虫害问题。

ZigBee是一种最新兴起的无线网络通信技术。其特点是传输速率慢，功耗低，材料使用成本低，适用于短距离稳定可靠传输。承载这种技术的MC13213芯片模块，与当代传感器模块相结合，并与GPRS网关构成星型网络，可实现大型粮库中粮食存储环境的智能检测，实现自动调节、实时监控、远程报警的目标。采用无线传感网技术实现的智能粮库监控预警系统，重点解决传感器模块与承载ZigBee技术的MC13213芯片可靠组合，依靠通讯协议标准，达到检测无线网络稳定传输信息的标准，废除人工凭感觉监控的粗糙方式，不但简化施工和增加了节点的分布范围、而且能更方便地拓展功能、降低维修的难度。由于系统具备十分智能的监控手段，能为目前的粮库设施提供更加科学和现代化的管理，节约人力物力，增强工作效率。

1 系统总体架构

系统主要由分为硬件和软件两大部分。硬件部分包括终端节点和无线网络，无线网络分为短距离的Zigbee无线网络和长距离的GPRS无线通讯网络。软件部分主要是存储和管理数据的远程监控系统。

系统结构如图1所示。

1.1 传感器终端节点

在粮库的各个位置放置的用于监测环境温度、湿度和烟雾等各种环境参数的传感器与ZigBee模块（MC13213）连接在一起组成终端节点，由此实现实时感知粮库各个不同位置的环境参数。此外，还能通过网络，接收远程监控系统的监控与管理指令，进而实现远程操控。

1.2 ZigBee无线网络

为了实现在粮库各个位置全方位无死角监控环境参数，将传感器终端节点安装在粮库各个位置。传感器终端节点将接收到的信息，传送到网关，以此形成监控网络。网关接收到ZigBee网络中的实时数据后，将数据传送到与之通过RS-232串口连接的GPRS模块。

1.3 GPRS网络

GPRS网络通过使用分组交换技术，能够兼容GSM。通过GPRS网络，将汇集在协调器节点的温湿度等实时数据传送到远程监控系统。

1.4 远程监控系统

远程监控系统通过GPRS网络，接收网关传输过来的数据，进行实时比对，检查是否超过系统中设置好的标准的环境参数警戒值。一旦超出警戒值，立即发出报警信息以便工作人员在警报指定的粮库地点，即时采取的处理突发事故的应急措施。

2 硬件架构

2.1 传感器终端节点的设计

传感器终端节点可以分为RFD节点（称为精简功能设备）和FFD节点（称为全功能设备）。RFD节点只负责进行采集数据，FFD节点具有路由和中继功能。FFD节点之间可以通信，还可与RFD节点通信.FFD节点可以防止RFD节点与网关无法进行通信的问题，能够实现RFD节点和网关通信的目的。

节点的硬件主要有连有5V电源的电路板、ZigBee无线网络传输模块、传感器检测环境参数的模块3部分构成一个节点。

2.2 网关的设计

2.2.1 电源底板

为了解决不行麻烦和电线暴露在室外容易产生的危险，网关使用3节7号电池，为系统的ZigBee网络传输模块和GPRS网络传输模块提供能量。电量不足给监测带来的不便。

2.2.2 MC13213无线模块

通过对比采购各个无线模块相关的成本、功耗和开发软硬件难易程度等因素，决定选用Freescale公司的MC13213芯片作为终端节点和无线网关中的ZigBee模块，通过SIP技术将一个功耗底的射频收发器和8个主科MCU封装在一起。MCU用来存放ZigBee协议栈，通过4 KB RAM和64 KB FLASH，可以实现简单应用程序的工作。它的CPU的时钟频率由于可以达到40 MHz，能够实时地发送无线射频。它集成了1个SPI ，1个IIC和2个SCI （串行通信接口），它拥有的3种低功耗模式中，功耗最低的模式只需消耗20 nA。

无线模块引脚图如图2所示。

2.2.3 传感器的选取

终端节点中用于监测环境参数的温湿度传感器选用瑞士Sensirion公司的SHT75数字传感器，它能隙式测温元件和电容式聚合体测湿元件组成，连接上A/D转换器后，实现与串行接口电路的同一芯片上的无缝连接。SHT75能够监测的温度范围在- 41℃到122.8℃之间 ，精度可达±0.3℃ ，能够检测的湿度范围为0～100%RH，精度可达±1.8%RH。SHT75的数据交换是通过微控制器和采用串行接口进行的，通过MC13213的I/0口与它的SCK（串行时钟输入）和DATA （串行数据）引脚分别直接与相连。

2.3 GPRS模块的选型

GPRS模块用于将粮库实时环境参数信息的传输到远程上位机监控系统。系统选用了Siemens公司的新一代能够实时、高效、安全和可靠地传送数据、短信和语言的GPRS模块MC35i。MC35i模块可以达到永久在线实时传输的功能，通过RS-232接口接收MC13213发送的AT命令和数据，达到设定模块、数据输入/输出以及控制系统等功能。MC35i的ZIF连接器具有40引脚，用于完成电源的连接和数据信号的传送，传送速率可以达到162.3kb/s。

3 软件架构设计

在上位机所在远程监控系统上运行应用软件，通过internet获取GPRS远程数据，存储并显示在界面中，实现监控与管理的功能。

3.1 传感器终端节点的子系统设计

传感器终端节点子系统分为环境参数感知传感器模块、ZigBee无线通信和用于处理信息的信息分析模块。通常，系统处于待机状态，当接收到网络发送的采集环境参数的命令或提前设置好的中断触发时，环境参数会通过过ZigBee网络进行传输。

其主要程序流程如图3所示。

3.2 网关子系统的设计

网关在通电后先初始化MC13213，建立一个ZigBee无线网络。随着传感器终端节点的依次加入，无线网络中各个传感器终端节点获得来自网关的分配地址。当远程监控系统发送需要数据监控命令时，网关通过ZigBee无线网络向各个传感器终端节点发出数据采集指令，并且准备接收来自传感器终端节点发送来的实时环境参数。 当子系统通电后，使用AT指令初始化GPRS模块，期间对GPRS模块的工作参数（工作方式和波特率等）的进行设置，使其连入GPRS网。通过内置的芯片，与GGSN拨号协商，取得动态IP地址， 接入Internet。最终，网关通过GPRS网络与远程监控中心实现全双工的数据通信方式。粮库中的各个环境参数由此被传送到远程监控系统中。网关子系统程序流程图如图4所示。

3.3 远程监控系统的设计

远程监控系统是由网关、监控中心和数据库服务器构成。网关完成终端节点与上位机监控系统的协议匹配，接收终端节点采集到的实时环境参数数据，并将这些数据传递给上位机监控系统。监控系统能够将粮库中的实时环境参数显示到窗口，可以实时地调取各个环境参数数据，并对此进行测评等。数据库服务器可以保存以往环境中的参数，并通过内置算法对其进行相关参数的挖掘和分析预测。

从传感器终端节点接收到的数据存储到数据库后，系统对其进行分析和检测，将与设定的警戒值进行比对，如果超过规定的标准范围，立即发送报警信息。

远程监控系统采用图形化界面，工作人员在远程监控系统的屏幕是能够直观地查看到远端粮库现场的温度、湿度和烟雾浓度等参数变化情况。选用人机交互形式，使用弹出式窗口、下拉列表单、快捷键操作和防范错误等技术，提升用户体验。

4 系统测试

在对传感器终端节点、网关节点和GPRS模块分别进行单独性能测试之后，整个监测系统在粮库进行了现场的功能测试。通过在当地小型粮库中布置8个终端节点、2个协调器节点、1个网关和1台配有上位机监控系统的计算机，在现场对系统进行了测试。现场将8个采用5 v电池供电的终端节点，分散安放在2个粮仓内。终端节点的环境参数传感器模块，采用了高精度温湿度数字传感器SHT75标注精度，通过系统中的硬件部分已无线数据的形式，将实时的温湿度数据传送给上位机监控系统。当天测试现场的系统采集到的实时温度和相对湿度分别为18.9℃，32%。测试表明，终端节点与网关的在有障碍的情况下，能在20m内穿过40cm的墙，在无障碍的情况下，无线通讯距离长达为136m。测试出的温度，误差不超过±0.3℃，测试出的相对湿度，误差小于2%。终端节点传送给上位机监控系统的环境实时检测参数的如果超标，计算机会立即显示参数超标的参数值和地址，并进行报警提示。参数传输的时间间隔可以通过软件设置，现场测试采用了2s的间隔。软件系统中，可以随时调取历史记录，对历史数据的查看。

参考文献

[1]张洪润.传感器技术大全[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2]潘勇，孟庆斌.基于DS18B20的多点温度测量系统设计[J].电子测量技术，2008，31（9）：108-l12.

作者单位

苏州大学计算机科学与技术学院 江苏省苏州市 215000