基于物联网的危险品仓库环境监测系统的设计与实现

屈浩阳，孙泽军

（平顶山学院 信息工程学院，河南 平顶山 467000）

0 引 言

随着物联网、无线通信和人工智能等技术的不断成熟及商业化，智能设备也开始在各行业中广泛应用，同时也为进一步完善危险品仓库环境监测系统提供了新的解决方案。在仓库管理行业中，智能设备具有机械化工作失误率低和可全天候工作等特性，与人工相比拥有巨大优势。目前很多仓库都应用了物联网技术，但大部分只是在存取管理方面做到了智能化，而对于仓库的安全性，特别是危险品仓库的环境监测仍然存在很大漏洞。例如“8·12”天津滨海新区爆炸事故，“7·11”成都化工仓库爆炸事故，这两起事故本可避免，但由于管理者对仓库环境疏于监测，导致危险因素未及时被发现，最终给人们的生命财产带来巨大损失，甚至对自然环境造成难以修复的损坏。

综合以上所述，危险品仓库环境监测系统需要对目前的仓库管理技术进行完善，针对不同的存储物品建设更加个性化的环境监测系统，以此来保障危险品仓库的安全，降低危险情况的发生率[1]。

本设计借助ZigBee技术进行库房内部无线传感网络的组网，以TI公司出品的CC2530芯片为核心，搭配Z-Stack协议栈，完成无线传感器网络节点的软硬件设计。通过构建实时监测危险品仓库环境参数和智能反向预警系统（可根据用户需求灵活增减传感器），监测不同环境参数并控制各硬件实现对应的功能，使系统更加人性化和智能化[2]。

1 系统总体设计

控制系统主要包括加装了WiFi大功率通信模块的ZigBee协调器节点、路由器、以太网、ZigBee无线双向通信以及本地控制端。监测系统主要包括ZigBee无线双向通信、MQ-2烟雾传感器以及DHT11传感器等。系统框架如图1所示。

图1 系统框架

检测系统中的路由器是整个仓库环境监测系统中最为重要的部分，它负责连接内外两个网络，不仅需要将内部网络中ZigBee节点收集的环境数据上传至云端服务器，还需要获取外部网络中客户端发送的控制指令，并将其发送至内部网络[3]。

本系统中，协调器终端节点与终端传感器节点通过ZigBee双向无线通信连接，实现内部网络中环境数据和控制信息的传输。路由终端节点通过搭载的WiFi大功率无线通信单元与家庭网关连接，进而与以太网连接，实现数据的实时上云。在仓库中运行的传感器节点不断获取环境数据，并通过系统组建的网络有序传输，待数据到达客户端后，客户端远程对数据进行显示和分析处理，发现异常后对其判断，进而决定是否采取警报和控制措施，实现危险品仓库环境的智能监测[4]。

2 系统硬件设计

本系统采用ZigBee技术实现危险品仓库环境参数的监测。首先，利用终端传感器节点对环境数据进行收集，再通过ZigBee双向无线通信发送至协调器终端节点，并上传至远程客户端，通过上位机实时显示。使用者可以通过上位机对仓库环境进行实时监测，发现异常可及时报警并反向控制仓库内部的智能设备处理危险情况。为便于仓库内工作人员尽早发现异常，相关环境参数会通过安装在协调器节点上的LCD液晶显示屏直接显示[5]。系统硬件结构如图2所示。

图2 系统硬件结构

2.1 ZigBee模块

ZigBee技术是无线通信技术中的一种，相比有线传输，在应用于危险品仓库这种安全要求较高的场所本身具有很大优势。它遵从IEEE802.15.4协议标准，具有低功耗、低成本、短距离、低复杂度和连接速度快等优点。两节普通5号电池便可供其工作半年以上。除此之外，ZigBee通信连接仅需30 ms，而其他无线通信技术，如蓝牙则需要3 s，WiFi需要10 s。面对频繁的环境数据传输，ZigBee更加符合项目要求。

ZigBee无线组网支持星型、树型和网型三种拓扑结构，如图3所示。

图3 ZigBee拓扑结构

本次设计主要采用单芯片集成SoC方案，该方案发展成熟，体积小，使用方便灵活。ZigBee硬件平台选择TI公司出品的CC2530芯片，与市场上主流的三种硬件平台相比，虽然该芯片休眠电压不是最高，但其发射功率和接收灵敏度却是最高的，分别达到4.5 dBm和-97 dBm。且TI公司提供的Z-Stack协议栈部分开源，可免费下载[6]。

2.2 电源模块

系统需要针对使用的硬件设备选择合适的电源。电压过大可能击穿芯片，导致系统无法正常工作，而电压过小，则可能无法带动硬件工作。因此，电源的配置对于系统的稳定运行至关重要。

本设计采用的CC2530芯片所需工作电压范围为2～3.6 V。协调器节点放置于控制室中，可直接采用USB进行有线供电。终端传感器节点需放置在仓库内，因此对可移动性有一定的要求，故采用电池供电。协调器通过USB与PC相连，可获得5 V电压，为保证系统稳定性，使用Linear Technology公司出品的LT1085-3.3型DC-AC变换器来获得稳定的3.3 V电压。终端传感器节点通过3.7 V干电池供电，但由于干电池的电压会受环境影响而发生改变[7]，故采用LM1117和HT7533将电压稳定在3.3 V。

2.3 数据传输模块

本系统需要实现数据实时上云，因此系统选择安信可科技开发的ESP-12F WiFi模块。该模块价格低廉且技术成熟，工作温度范围为-40～125 ℃，可在特定的危险品存放环境中稳定工作，待机功率低且唤醒速度快，可满足实时数据传输要求。ESP-12F电路如图4所示。

图4 ESP-12F电路

终端传感器节点通过ZigBee短距离无线通信技术将环境数据传输至协调器节点，通过搭载的WiFi大功率通信模块的协调器节点将数据通过WiFi传输到以太网服务器。ZigBee使用S5PV210微控制器将ZigBee网络和WiFi网络通过2个串行口连接，实现内外网络间数据的传输[8]，如图5所示。

图5 ZigBee-WiFi透传结构

2.4 温湿度采集模块

使用DHT11传感器采集仓库温湿度数据。DHT11将温度与湿度数据采集并结合，通过数字信号形式输出，利用特殊的模拟信号采集、转换技术和温度、湿度传感技术，确保传感器拥有良好的稳定性和可靠性。DHT11平均工作电流不超过0.5 mA，功耗低，工作电压范围为3～5.5 V，与本设计配备的电源匹配。

DHT11包括1个电阻式湿度传感元件和1个NTC测温元件。DHT11为3针单排引脚封装，其中DATA引脚与MCU的P11引脚相连。DHT11接线图如图6所示。

图6 DHT11接线图

2.5 显示模块

协调器上安装有LCD液晶显示屏，用于实时查看系统工作状态以及仓库环境数据。系统选用卓立恩科技公司出品的ZLE12864A液晶屏，该液晶屏成本低、功耗低、响应时间快、解析度高、使用寿命长，满足要求。

因LCD采用串行驱动，因此CC2530芯片的P1.5和P1.6分别与LCD的串行模式时钟端和串行模式数据端连接。P1.2与选通端口连接，低电平时有效；P0.0与命令数据选通端连接，高电平时写入命令，低电平时写入数据。LCD12864接线图如图7所示。

图7 LCD12864接线图

3 系统软件设计

本系统的实现不仅需要上述硬件环境的搭建，还需要在硬件的基础上开发出对应的软件来控制硬件的运行。将软件分成3部分，包括终端传感器节点数据采集、协调器节点收发数据和上位机界面显示数据与反向控制。系统软件结构如图8所示。

图8 系统软件结构

3.1 系统软件流程

系统中各监测仓库环境数据的传感器模块均独立工作，这种设计方式不仅可以根据用户实际需求和危险品类型来灵活增减监测模块，还便于未来对系统进行维护和升级。各传感器模块都被视为一个独立的功能节点，自行进行数据采集，最后通过ZigBee组建的网络实现数据传输，打造以协调器为中心，各终端传感器模块独立运行的数据传输系统。系统流程如图9所示。

图9 系统流程

3.2 Z-Stack协议栈

软件基于IAR Embedded Workbench对Z-Stack协议栈进行开发。Z-Stack协议栈使用轮转查询机制处理任务，使系统有能力同时运行多项任务。当系统运行之后便会循环检测是否还有需要执行的任务，在发现需要执行的任务后产生中断，此时系统便开始执行该任务。任务处理完毕之后系统将进入低功耗模式，不仅能够降低节点功耗，还能延长节点使用寿命。当发现多个任务需处理时，系统会根据优先级自行调配执行顺序[9-10]。循环流程如图10所示。

图10 循环流程

3.3 协调器组网

为了传输数据，需要建立以协调器节点为中心的ZigBee自组无线网络。协调器组建网络时，首先扫描并找出最优信道，之后设置PAN ID、网络短地址等网络参数，接着启动PAD，随后开始等待其他新节点申请接入。

协调器成功建立网络后，所有节点可随时加入或退出该网络，而终端传感器节点必须连接协调器并将数据发送至协调器，随后协调器再通过搭载的WiFi模块将数据上传至云端服务器[11]。在网络中，协调器不仅可以作为网络控制器，也可以写入自身程序，拥有自己的功能模块。相比其他终端节点，协调器多搭载了一个WiFi模块。协调器组网流程如图11所示。

图11 协调器组网流程

4 系统测试

对系统进行测试，从得出的结果验证系统取得的环境监测数据是否准确，是否能达到预期目标。首先，为协调器通电，使协调器建立起内部网络；随后，各终端节点通过无线网络将数据传输至协调器，协调器将数据上云；最后，数据显示在客户端，并可通过上位机反向控制。手机端、主机端显示的实时数据分别如图12、图13所示。主机端显示历史数据界面如图14所示。协调器、终端、反向控制的终端实物分别如图15、图16、图17所示。

图12 手机端显示实时数据界面

图13 主机端显示实时数据界面

图14 主机端显示历史数据界面

图15 协调器

图16 终端

图17 反向控制的终端

将系统数据与机械温湿度计比较，数值误差小于3%，证明可通过改变环境条件提高检测可燃气体和距离的准确性，也可从客户端发送反向控制指令来检验仓库内硬件设施是否正常运行。通过测试，系统达到了预期目标。

5 结 语

该文针对目前危险品仓库缺乏对环境参数的监测系统或系统采用存在安全隐患并且安装复杂的有线传输方式等问题，提出通过ZigBee短距离无线通信技术搭建数据传输网络，在保证安全的同时，降低安装成本和系统复杂性。通过对系统的测试，验证了本系统的各项性能指标均可满足要求，是解决危险品仓库环境监测准确性、安全性、稳定性不佳等问题的有效方案。