互联网+黑龙江地区玉米粮仓智能监控系统

2021-02-25谷佳凝李桂英吴欣优

林业机械与木工设备 2021年1期

谷佳凝，李桂英，江珊，吴欣优

(黑龙江大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150080)

黑龙江省粮食总产量位于中国前列，且以玉米居多，玉米储藏一直是粮仓管理每年面临的一个重要问题[1]。粮仓分布分散，要实时查询粮仓现场控制信息或对其实时控制较为困难。

应用互联网和ZigBee(低速短距离传输无线网)技术对粮仓环境进行监控可以解决上述问题，可实现多点实时检测，组网灵活，部置方便。此外，黑龙江地区玉米不耐储存，常常因为隐蔽性储粮而害虫过多造成玉米损耗。在粮仓管理过程中，粮仓温湿度、二氧化碳浓度和害虫数量是重要的控制指标，直接影响粮食的储存质量。国外在粮情监控技术上已经很成熟，我国传统的粮仓监控系统对环境参数的检测不仅测量精度难以保证、功耗较大，而且缺少测虫与防虫技术，不能实现智能化防虫治理[2]。为此，提出基于互联网+技术的玉米粮仓环境参数智能监控系统，粮仓管理员可实时使用浏览器查看当前粮仓的环境参数信息并实时控制。

1 系统总体设计

黑龙江地区玉米不耐储存，极易发热霉变，水分是导致玉米发热霉变的主要原因之一，为此设计了一种基于GPRS(通用无线分组业务)的粮仓温湿度及害虫数目远程监控系统。该系统通过在粮仓内设置温湿度传感器SHT11及自行设计的害虫数目数据釆集器来监控粮仓的温湿度及害虫数目情况，由低功耗单片机MSP430F149进行数据处理，并通过RS-232(串行通信接口标准)技术将采集数据上报给GPRS模块，当粮仓的温湿度及害虫数目超出正常范围时，该装置通过GPRS网络向指定粮仓管理员的手机发送报警短信，粮仓管理员也可以通过手机短信随时查询粮仓的温湿度和害虫数目情况。整个硬件电路主要由单片机模块、GPRS模块、通信模块、供电模块和SIM(粮仓管理员识别卡)接口组成。其中单片机模块包括MSP430F149、按键、液晶显示器、复位、时钟、报警等，其通过RS-232串口和SIM900相连，以便定时数据的传输。传感器模块包括SHT11温湿度传感器和害虫计数模块，负责粮仓数据的采集。通信部分包括MSP430F149同PC的JTAG口连接，以便下载和调试程序。供电模块5 V，给传感器(3.3 V)及MSP430和显示屏供电。SIM卡通过6脚卡槽和SIM900连接。经过对装置进行试验测试，结果表明设计的装置能实现粮仓温湿度和害虫数目的远程和本地监测报警等各种功能，可有效地控制玉米水分以减少霉变，提高黑龙江地区玉米储存的能力，运行效果良好，节能明显，环境采集误差小，提高了作业效率，具有广阔的应用前景。

本系统由微处理器模块、传感器模块、害虫计数模块、无线通信模块、GPRS模块和计算机数据管理模块组成。传感器节点将采集的数据汇总到CC2530路由节点，路由节点再将汇总的数据发送给协调器，由协调器传输给带有CC2530无线模块的MSP430F149微处理器，微处理器对数据进行简单处理并通过RS-232传给GPRS模块。通过TCP/IP(传输控制协议/网际协议)上传至互联网实现共享，粮仓管理员通过浏览器不仅可以实时浏览监测数据，而且能进行历史数据的查询。

对于小型粮仓，不需要路由节点，可以选择合适的位置放置几个信息采集节点；对于大型粮仓，可按照CC2530的一般传输距离和粮仓数量适当增加信息采集节点和路由节点的数量。

2 系统硬件设计

系统硬件主要包括微处理器模块、传感器模块、害虫计数模块、无线通信模块和GPRS模块。

2.1 微处理器模块

MSP430F149单片机具有超低功耗和丰富的片上外围模块、灵活的时钟系统、稳定的工作状态、方便高效的开发方式[3]，这些优势适合作为当前粮仓监控系统的主控芯片。通过串行通信UART模式与ZigBee组网相连接，将初步处理的数据传输至GPRS模块。其中微处理器模块包括MSP430F149和外围模块，外围模块有报警模块、键盘和显示模块、电源模块、时钟和复位模块。

2.2 传感器模块

2.2.1 温湿度传感器模块

环境的温湿度检测采用DHT11传感器，其特点是单线双向，DATA用于CC2530与DHT11之间的通讯和同步传感器，DHT11的DATA线与CC2530的P1.0口相连，外接一个4.7 kΩ的上拉电阻，把不确定的信号电平拉高。

2.2.2 二氧化碳传感器模块

二氧化碳传感器采用的是半导体气体传感器制造商Figaro推出的TGS4161传感器，供电电压为5 V。TGS4161非常脆弱，一个持续流经高阻抗传感器核心的电流就会将其烧毁[4]，本系统中用TLC271对其进行保护。

2.3 害虫计数模块

害虫计数模块的电路连接及装置设计如图1所示，其主要由光电传感器以及害虫捕捉器共同构成。光电传感器包括红外线发射管和接收光源装置，实现对害虫的检测功能。据相关资料可知，虫子具有钻洞和趋光特性，且主要危害玉米的害虫为谷蛾，其对波长为365 nm左右的红外光最为敏感，因此害虫捕捉器包括发射波长为365 nm的紫光灯与管壁有密集小孔的害虫多孔管道收集器。使用害虫捕捉器捕捉到害虫后，光电传感器便产生一个脉冲信号进行计数。

由于诱捕法吸引和统计害虫存在不稳定性，因此在一个传感器节点密集布置了四个害虫计数模块，取四个害虫计数模块的平均值与实际害虫数目进行比较，即测得数目乘一定的概率为害虫的实际数目。

2.4 无线通信模块

选用TI公司开发的CC2530，该芯片硬件集成度高，具有多种唤醒与休眠工作模式，且运行模式之间的转换时间短，可进一步降低功耗，能够满足低功耗要求[5]。无线传感器节点部署在粮仓监测的各个区域，通过ZigBee协议自动组网，完成末端温湿度、二氧化碳浓度、害虫数目等实时数据的采集，并将定时采集的环境数据传递给微处理器。

2.5 GPRS模块

系统中GPRS模块采用SIM900A，该芯片内嵌TCP/IP协议，可以实现语音、SMS、数据和传真信息的低功耗传输，适合于恶劣或特殊环境下的低功耗要求。对SIM900A采用标准的AT命令写入，实现与中心服务器的TCP连接，从而将ZigBee网络汇聚的数据经GPRS网络发送至服务器。MSP430F149与无线模块CC2530电路连接如图2所示。

图1 害虫计数模块电路连接及装置设计

图2 MSP430F149与CC2530电路连接

3 系统软件设计

通过对系统的硬件部分进行软件编程，实现ZigBee网络与GPRS网络的建立、各节点数据的采集和传输、粮仓管理员数据共享和处理功能。系统软件功能框图如图3所示。

本系统采用IAR软件对MSP430F149和节点进行程序开发，ZigBee协议栈采用TI公司的ZStack-CC2530-2.3.1-1.4.0。

系统软件流程如图4所示，包括连接传感器的CC2530数据采集发送流程和与CC2530相连接的MSP430F149软件流程。

图3 系统软件功能框图

图4 系统软件流程

3.1 现场监控系统

现场监控系统通过计算机定时采集、接收并处理粮仓现场数据，同时以一定数据量将数据打包并通过GPRS网络和Internet发送至数据库服务器。监控计算机与GPRS无线模块之间通信利用AT指令实现[6]。现场监控C/S平台采用Visual Studio 2015集成开发环境和SQL数据库管理软件编写。

3.2 数据库服务器设计

系统数据库服务器与WEB应用程序服务器分离，有利于数据的安全及WEB应用程序服务器的升级和维护[7-9]。数据库采用MS SQL Server 2014集中存储和处理信息，可以科学地组织和存储数据，为更高效综合分析温湿度、二氧化碳浓度和害虫数目提供数据支持。

3.3 WEB应用程序服务器设计

该系统提供三层B/S粮仓粮情查询网络：第一层数据模型层，由SQL Server 2014粮仓数据库构成；第二层数据访问层，为ASP.NET编写的粮情查询程序；第三层业务逻辑层，粮仓管理员可利用浏览器查询粮仓粮情[10-11]。WEB应用程序服务器采用IIS(Internet Information Server)技术，利用ADO.NET将系统前端与后台数据库连接起来，实现对数据访问层集中存储的粮仓粮情数据库查询操作。

4 系统测试与分析

系统在实验室模拟测试，结果表明系统运行效果良好、软硬件性能稳定、传输数据较为可靠。

为验证丢包率与节点距离的关系，本系统放置1个路由节点与4个传感器节点在不同间距下进行测试，测试丢包率和信号强度，检验是否所有传感器节点都能收到数据。测试数据见表1。

由表1可知，节点距离在50 m以内，信号强度RSSI差别不大，且丢包率较低，随着传感器节点之间距离的增大，信号强度RSSI越来越小，丢包率越来越大，最大丢包率为5.8%，其仍在工程设计误差允许范围内。节点距离50 m以内为合适的传输距离，可保证系统的准确性和可靠性。

本系统采集的粮仓环境参数如温度、湿度、害虫数目和二氧化碳浓度会实时显示在终端节点和协调器的TFT显示屏上，如图5所示。通过串口调试助手可以观察终端节点发送的数据和协调器接收到的数据。串口号选择设备管理器中的COM端口，当终端节点温度达到15 ℃以上、湿度达到60%以上时，继电器闭合，进而控制风扇转动；在害虫数目超过2时(为方便实物演示，具体数目可以根据实际情况进行更改)，触发蜂鸣器，使其发出响声实现报警功能；此外，当温度达到15 ℃以上、湿度达到60%以上，或者害虫数目超过2时，协调器控制GPRS模块向指定粮仓管理员发送短信实现报警。