基于ZigBee和GSM网络的仓库环境监控系统设计

黄晓红 朱宝明

摘 要：文中设计了一种基于ZigBee和GSM网络的仓库环境监控系统，实现了对仓库环境信息的采集、数据传输及对仓库通风窗口的智能控制。用户可以通过GSM网络以手机短信的方式对仓库的温湿度、气味浓度等环境参数进行查询，还可以通过手机短信对仓库通风窗口、除湿设备的开闭进行远程控制。

关键词：ZigBee；GSM；环境监控；智能控制；远程控制

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）01-00-03

0 引 言

我国不仅是一个农业大国，更是工业大国，仓库成为了众多企业和公司不可缺少的一部分。粮食、工业产品在储存过程中易受温湿度等因素的影响，可能会霉变、生锈甚至引起火灾等，而无人看管的仓库则会出现无关人员随意进入、偷盗等情况[1]。企业和公司的传统做法是安装有线监控或者采用人工值守等方式，但有线监控在多个监测点或者布线困难的情况下显得繁琐，且成本高，不灵活；而人工值守的方式不仅费时、费力且随机性大，数据测量不准确。针对这些问题，本文基于ZigBee和GSM网络设计了一种以STM32F103ZET6为主控芯片，成本低，灵活性好，可靠程度高的仓库环境监控系统[2]。

1 系统总体设计

该系统主要由ZigBee模块、主控芯片、GPRS无线发射模块组成。

ZigBee模块分为终端和协调器两部分，终端负责接收并处理传感器采集的温湿度、烟雾等仓库环境数据，并将处理好的数据通过无线网络发送给协调器。

协调器负责接收终端发送的数据，然后通过串口将数据发送给主控芯片。

主控芯片负责接收协调器发送的数据。控制液晶屏显示温湿度信息，并等待用户以短信形式发送指令，当接收到查询指令时，主控芯片通过GPRS无线发射模块及时将仓库的温湿度信息发送给用户；接收到命令指令后，主控芯片将命令发送给协调器，进而控制各个终端，终端依照接收的指令控制继电器的开闭，最终实现打开或关闭通风窗口和除湿设备的目的。系统总体设计框图如图1所示。

2 系统硬件选型与设计

系统终端和协调器均采用TI公司生产的ZigBee SOC CC2530F256芯片，该芯片基于 IEEE 802.15.4 规范标准[3]，能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点[4]。CC2530芯片集成了RF收发器、增强工业标准的8051MCU、可编程 Flash 存储器、8 KB RAM和许多其他强大功能[5]。此外，ZigBee模块安装了3 dB的2.4 GHz胶棒天线，使得输出功率达到22dBm，终端与协调器之间的有效传输距离长达500 m，可满足大型仓库的通信要求。

主控芯片采用STM32F103ZET6处理器。该处理器不仅功耗低，还带有512 KB Flash和64 KB SRAM存储器[6]。工作电压范围为2.0～3.6 V，具有多种省电模式，可完全满足低功耗的要求。无线发射模块采用具有紧凑型、高可靠性特点的无线模块SIM900A，它采用SMT封装的双频GSM/GPRS模块解决方案，拥有强大功能的处理器ARM9216EJ-S内核，能够满足低成本，紧凑尺寸的要求。

2.1 终端节点设计

系统由四个终端组成，其中两个终端分别监测仓库中的温湿度和气味浓度，另外两个负责红外报警和继电器控制。采用DHT11温湿度传感器监测仓库中的温湿度，该传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器[7]，具有极高的可靠性和优秀的稳定性，适合长期监测环境的温湿度。采用MQ2烟雾传感器监测气味浓度，该传感器对可燃性气体有较高的灵敏度，完全契合仓库预防火灾的要求。该终端采用红外热释电传感器HC-SR501进行红外报警，是一款基于红外技术的自动控制产品，具有灵敏度高，可靠性好，超低功耗等优点，能够在超低电压下工作，采用一款5 V或兼容3.3 V的继电器连接到ZigBee终端模块即可。图2中从左到右依次是温湿度传感器、烟雾传感器和红外传感器。

2.2 协调器设计

协调器主要负责启动、配置网络和收发数据，无需连接任何传感器和继电器。协调器通过串口与主控芯片连接，可实现串口通信。因ZigBee模块、主控芯片和无线发射模块拥有相同的通信协议，因此仅需注意各模块串口的正确连接即可。通讯协议的格式见表1所列。

2.3 主控电路设计

主控电路芯片采用STM32F103ZET6处理器，由主控芯片作为系统中枢，起到承上启下的作用。主控芯片通过串口连接SIM900A模块、液晶显示模块和协调器。各模块连接方式如图3所示。图中从左到右依次是协调器、主控电路、SIM900A无线发射模块，主控电路连接电源，为协调器和无线发射模块供电。

3 系统软件设计

系统软件由主控芯片的系统软件和ZigBee模块部分的系统软件组成。

3.1 主控芯片的系统软件

主控芯片既要负责接收各种传感器发送的数据，又要接收用户发送的指令，经常需要处理多个任务，因此在主控芯片中植入一个实时多任务的操作系统很有必要。系统采用μC/OS-II操作系统，该系统可基于ROM运行，可裁剪，含实时多任务内核，具有高度的可移植性，适用于微处理器和控制器[8]。待操作系统移植好后，根据需要确定各任务的优先级，安排各任务的执行顺序并设计相应的程序。将设计好的程序烧到主控芯片，使芯片具有运行协调任务的能力，从而确保任务之间可无冲突、流畅地同步运行。

3.2 ZigBee模块的系统软件

为了让用户更方便地使用ZigBee技術，TI公司向用户免费提供了Z-Stack，即CC2530开发板的配套程序。Z-Stack包含了协调器和终端程序设计的例程，用户可根据自身需要在相应的例程基础上修改协议栈规范、网络拓扑结构、PANID、信道和数据收发函数等网络参数及与系统工程相关的应用层和与硬件部分相关的程序。本文所设计的系统中，系统协调器和终端程序设计都通过在IAR Embedded Workbench for 8051开发环境下修改Z-Stack-CC230-2.5.1的SampleApp例程来完成。

3.3 系统软件执行过程

操作系统启动后首先初始化硬件设备，从配置文件中读取相关配置信息，之后初始化串口，接收协调器从串口发送的数据，等待用户发送命令指令，如果接收到指令则发送实时数据给用户，或者将用户的指令发送给协调器。ZigBee内网的建立和维护由ZigBee协调器承担，接收主控芯片传送的控制指令并转发到各个终端[9]。在本系统采用星形网络，星形网络是数据和网络命令都通过中心节点传输的一个辐射状系统，具有结构简单，设备成本低等优点。网络组建主要包括系统初始化、网络拓扑更新和节点通信几方面[10]。协调器网络通信流程如图4所示。

4 系统测试

本系统设计的模块包括传感器终端模块、主控电路模块，与主控电路连接的协调器模块以及GPRS无线发射模块。系统连接如图5所示。

将制作好的系统终端节点模块和主控电路等模块放在模拟仓库中进行测试，将不同类别的传感器模块等间隔放置在仓库内的不同位置。系统上电后，液晶屏开始显示仓库的温湿度。当用户手机发送短信查询仓库环境信息时，可以收到系统发送的仓库温湿度数据信息。当红外传感器检测到有人时，系统主动将报警信息以短信形式发送到手机。用打火机在烟雾传感器周围释放可燃气体，当可燃气体浓度超过程序中预设的上限时，系统会主动发送报警信息给手机，如图6所示。

经测试，该系统对温度的检测误差为0.1℃，湿度误差为1%RH，烟雾浓度分辨率为0.3，可满足对仓库环境参数的检测精度要求。该系统对可燃性气体反应灵敏，当检测到可燃性气体时会迅速向用户发送报警短信，并准确控制继电器的开闭。

5 结 语

本文所设计的仓库环境监控系统采用ZigBee无线通信方式，用户无需布线，只需将终端设备放置到需要监测的位置即可，便于安装。系统使用的主控芯片功能强大，具有良好的扩展性，可以根据客户的不同需要在原来的基础上增加新的功能。用户可以短信方式查询仓库环境信息并控制仓库通风窗口，非常人性化。本文设计的系统具有耗能少，成本低，稳定性好等特点，具有一定的推广价值。

参考文献

[1]李建勇，李洋，刘雪梅.基于ZigBee 的粮库环境监控系统设计[J].电子技术应用，2016，42（1）：65-67.

[2]王晨辉，吴悦，杨凯.基于STM32 的多通道数据采集系统设计[J].电子技术应用，2016，42（1）：51-53.

[3]杨琳琳.基于ZigBee技术的体温检测系统的设计[D].新乡：河南师范大学，2014.

[4]黄泽界.一种基于ZigBee技术远程无线抄表系统的实现[J].现代电子技术，2014，37（11）：19-21.

[5]万明.精细农业生产环境中监控数据的无线传输装置的设计[J].信息通信，2015（7）：59-60.

[6]刘军良. WiFi技术在温湿度远程监测系统中的应用[J].自动化仪表，2014，35（6）：79-82.

[7]陈智翔.基于ARM9的ZigBee无线家庭网关设计[D].武汉：武汉理工大学，2009.

[8]刘波文，孙岩.嵌入式实时操作系统μC/OS-II经典实例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014：22-23.

[9]赵虹钧.基于ZigBee技术的智能家居系统的设计[D].上海：上海交通大学，2007.

[10]李明亮，蒙洋，康辉英.例说ZigBee[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013：288-289.