基于无线自组网的粮食储藏监测系统设计

陈清慧　李广

摘 要：基于无线传感网络的粮食储藏监测系统，主要应用于粮食储藏环节的环流熏蒸系统的全自动化远程控制。本文设计的无线自组网及上位机监控系统，可实现基本的储粮仓库全自动环流熏蒸、科学投药、检测、通风及氮气气调等功能。该系统可在原有基础上进一步减小投药量，延长传感器寿命并降低人工维护费用，减少环境污染，投入成本低，原有设备基本无须改动。

关键词：气体监测；无线传感器网络；上位机

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）04-0015-03

Food Storage Monitoring System Based on Self-organization

Wireless Network

CHEN Qinghui LI Guang

（College of Agricult， Gansu Agricultural University，Lanzhou Gansu 730070）

Abstract： Grain storage monitoring system based on wireless sensor network is mainly used in the full automatic control of circulation fumigation system for grain storage. It can realize the basic automatic circulation fumigation of grain storage warehouse， scientific dosing， testing， ventilation， nitrogen atmosphere and other functions， configuration wireless ad hoc network terminal detection and host computer monitoring system. The system further reduces the dosage on the basis of the original， prolongs the life of the sensor and reduces the labor cost， reduces the environmental pollution， and has low system input cost and basically does not require modification of the original equipment.

Keywords： gas monitoring；wireless sensor network；host computer

科学保粮、储粮是关系国计民生、国家安全和社会稳定的大事，具有增强国力、抵御自然灾害的现实意义。当前，国内的储粮熏蒸投药系统普遍存在灭虫用药污染高、传感器更换成本高、人工维护成本高等“三高”问题。参考近两年来相关企业研发的熏蒸投药终端使用情况，进一步研发无线自组网终端及上位机云端监控系统，构建完整的无线传感网络的粮食储藏监测系统，可在原有基础上大大节约投药量，完成全自动储粮检测任务的同时，进一步降低传感器更替率和人工费用，减少环境污染[1]。

1 系统结构设计

该无线自组网终端及上位机云端监控系统主要由气体传感终端、无线自组网通信模块、无线中继模块和上位机软件等模块组成，如图1所示。气体传感终端的气体浓度按需采集，通用无线接口，升级改造方便。无线自组网通信模块直插直用，节点增减无须人工干预，可自动组网。远程监控可通过电脑、平板、手机等远程装置实现。各类应用提供标准技术接口，可为进一步升级改造创建条件[2]。

2 MESH网络组网

经过多方对比，该系统采用MESH路由协议。该协议是针对MANET（移动自组网）设计的理想路由协议，具有分布式、健壮、自愈能力强、轻量、多径、无环路、组网规模大及适合移动网络等特点。基于MESH的每个节点尽可能多地维护路由信息，不存在路由环路；路由稳定性好、组网速度快；能充分利用无线信号的冗余。由于路由选择算法需要权衡较多因素，如在网络拓扑结构中的信号距离向量、信号质量、无线节点电池电压的能量变化都非常敏感，因此，动态路由能很快达到最佳，网络吞吐量高，支持255级大规模网络[3]。

MESH路由协议采用链路状态路由算法可对多路节点的实时连接质量进行检测，在较短时间内选择一个最优路径作为连接路径，必要时自动选择次最近的连接方式。MESH链路状态算法路由选择示意图如图2所示，节点A—C有两条组网路径。其中一条是A可以通过B中继到C，即A—B—C，但该条路径受到干扰，为不稳定链路。另外一条从A到C链路是A—D—E—C。选择A—B—C这条路径，尽管距离最短，但由于链路不稳定性，导致报文的接收成功率很低，会大大增加报文的重发概率，耗费大量时间。而如果选择A—D—E—C，虽然距离较长，延长传输时间，但能保证报文传输的可靠性。

此外，对MANET来说，路由选择需要充分考虑节点电池的电量。MESH路由协议采用类MMBCR算法，会自动选择剩余电量相对大的节点做路由。MESH节点剩余电量路由选择示意图如图3所示，A可以通过B中继到C，即A—B—C，但B节点的剩余电量较低（20%），存在不稳定因素，风险更大。而另一种组网方式A—D—E—C，路径中节点的电量都比较高，比较稳定，风险更小[4]。此时，一般不选择A—B—C这条路径，而选择A—D—E—C，虽然距离更长，但网络稳定性较好，能进一步增加整个系统的使用寿命，减少维护成本。

系统采用的MESH网络主要有由多個从节点（SLAVE）和主节点（MASTER）组成。主从交换主要是多个SLAVE模块交替与单个MASTER模块之间进行双向数据交互。如果系统有一个以上的主节点，从节点会把信息自动上传到最近通信过的主节点，其他节点无法收到。主从通信报文可由相邻SLAVE模块进行多次中继。由MASTER到SLAVE的数据流称为下行，反之为上行。数据传输的下行传输采用广播形式（所有主节点可以向从节点发送数据，所有从节点可以接收来自主节点的数据），其上行数据传输采用单播形式（所有从节点数据自动被发送到最近主节点），所有路由组网自动完成。

3 无线模块

YL-800N是一款基于Sx1278无线方案的MESH自组网无线模块。使用该模块无须更改现有设备相关协议，也无须二次开发硬件模块，可轻松实现点对点无线网络功能。YL-800N能充分利用网络中的路由冗余，具有优越的网络自愈性、稳定性和数据吞吐量，支持255级路由和几万节点的超大组网规模。物理层使用了当前较为先进的无线通信技术，如跳频、速率自适应、安全可靠的无线网络唤醒技术和交织纠错编码。链路层使用智能的碰撞避免算法，具有优异的抗干扰能力[5]。

结合储粮仓库实际检测点位较多、仓库面积较大及传输距离较远等特点，系统构建网络时主要定义了3种类型的网络设备，即终端节点、集中器和中继器。终端节点主要是被控制装置，如仓内多个气体传感器、通风开关、熏蒸开关等；集中器主要是在每个仓库设置一个控制设备，主要负责组网，收集各个终端的数据，接收上位机指令，开启响应终端电气设备；中继器主要承担网关、远程数据传输等任务。集中器可以包含多个节点和多个设备。中继器可以包含多个集中器或集中器局部失效后可自组网，直接控制子节点和设备。所有电气网络设备上电后自动进行网络初始化及自组网，无须人工干预。代替现有有线组网、点对多点和集中式组网方式，能极大扩大网络覆盖范围和网络的健壮性，并且能有效降低设备成本和维护成本。

4 人机交互界面

人机交互软件主要有基于PC机、Android系统手机及PAD等终端运行的相关软件，功能主要有远程启停各采集终端，设置采样通道、频率、持续时间，调整投药装置、网络参数设置及历史数据回调和数据分析等功能，采集控制界面如图4所示。

网络参数设置界面主要是关于组网设备的相关参数，其一般在设备安装时设置一次即可，后期除了网络维护外一般无须关注。一共需要设置三大类参数：串口配置（串口初始化、发送接收测试）、终端入网模块参数（通信方式参数、信道号、设备类型等）和路由搜索测试项等，网络参数设置界面如图5所示。

5 无线网络测试

5.1 数据收发测试

5.1.1 模式一：主从模块均为API模式。发送格式：05 00 01 0a 01 00 00 07 01 04 12 34 56 78 05（表示向0001的地址发送 12 34 56 78 数据）。应答格式：05 00 81 03 01 00 00 86 （表示向0001的地址发送数据成功）；05 00 81 03 01 00 e7 61（表示向0001的地址发送数据失败）。接收格式：05 00 82 08 04 10 2a 04 12 34 56 78 bd（表示接收到从1004地址传过来的数据12 34 56 78，数据收发正常）。

5.1.2 模式二：主模块为API模式，子模块为透明模式。该模式下主模块发送数据按协议走，子模块可直接发送任意数据包。由于子节点刚上电时没有保存主模块地址，需要等某主模块发送一包数据后，子模块入网记录地址后才能上传数据。数据发送通过设置软件实现，读取参数成功后，填待发送的地址及数据，发送成功则对应的地址处显示发送SUCCESS，否则显示发送FAIL。

5.2 节点路由转发测试

测试节点（SLAVER）的自动路由功能。如果网络主模块和两个地址分别为0001、0002的子节点模块通信，主模块与0002节点距离较远导致直接通信不正常。主要测试0001节点置于主模块和0002之间后是否起到路由转发功能。

具体测试时，首先在电脑上连接一个主模块，不接天线，节点0002供电并接上天线。此时，通过PC控制软件向0002的模块发送任意一包数据，近距离下，软件提示中心模块发送数据成功；把节点0002置于较远的距离，中心再给节点0002发送数据，这时软件提示发送数据失败，此情况下把模块0001供电置于中心模块旁边，中心再给0002发送一包数据，软件立即显示发送数据成功，0001的路由转发功能实现。经多次测试，路由转发传送数据稳定，网络工作状态良好，较好地解决了以往部分节点故障导致的网络传输问题，真正实现了自组网。

6 总结

针对基于无线自组网的粮食储藏监测系统，提出了储粮系统的无线自組网设计方案。该系统紧密结合熏蒸粮仓环境特性，以原有检测气体终端模块为基础，采用基于MESH的YL-800N无线解决方案，充分利用网络的路由冗余，构建具有优异的网络自愈力、稳定性和优异的数据吞吐量的无线自组网监测系统，结合可用于电脑、手机和平板电脑等多种远程设备的监控软件。该系统可实现储粮仓库全自动环流熏蒸、科学投药、检测、通风、氮气气调等功能。构建该无线自组网监测系统无须在现场挖沟布线，投入成本低，原有设备基本无须改动，远程自动控制可实现定时按需采集，精准控制投药量，减小环境污染的同时，还可以提高传感器的使用寿命。全自动远程控制替代人工巡检，提高安全系数的同时大大节约了人工维护费用。

参考文献：

[1]万拯群.关于我国粮食储藏工作若干问题的探讨[J].黑龙江粮食，2015（4）：52-56.

[2]张自嘉，朱莉，姚佳.多通道功耗动态测量与分析系统[J].仪表技术与传感器，2014（9）：78-80.

[3]黎玉成，汪丽，李伟.基于ZigBee技术温室大棚数据采集组网的应用[J].信息技术与信息化，2014（6）：141-142.

[4]马文奇.MANET多路径路由算法综述[J].电力系统通信，2007（9）：48-52.

[5]李怀峰，曲仕茹，陈俊强.基于ARM的Qt/E应用程序开发的改进与实现[J].测控技术，2013（9）：115-119.