基于ZigBee的智能糧倉監控系統設計

摘要：設計了基于ZigBee技術的智能糧倉監控系統，改變了目前糧倉管理依靠經驗主義、人工防治的現狀，有效解決了高出錯率、高成本的缺點。該系統將傳感網絡監測到的環境參數經過A/D轉換傳輸給后臺服務器進行存儲、分析和處理，通過監測數據與預設閾值數據對比，自動發出預警信息和智能啟動環境調節設備。結果表明，該系統人機交互方式較好，具有監測數據精確、成本低、能耗小等優點，能讓糧倉管理員的工作跨躍時空限制，具有推廣價值。

關鍵詞：ZigBee；智能糧倉；智能化監控；系統；設計

中圖分類號： TP277.2 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）07-0420-04

收稿日期：2013-09-22

作者簡介：劉國紅（1979—），男，江西鄱陽人，碩士，副教授、高級工程師，主要從事無線網絡應用、農業信息化及物聯網應用技術等研究。E-mail：2318878980@qq.com。民以食為天，對于擁有13億人口的我國來說，做好糧食儲藏工作對穩定發展、保證民生具有重要的現實意義。國家對糧食儲藏工作曾提出“三低、三高”的要求，即低損耗、低污染、低成本和高質量、高營養、高效益。然而儲存環境和條件直接影響糧食儲存期限和食用價值。國家糧食局局長任正曉接受媒體采訪時說，我國糧食產后損失驚人，每年的糧食損失浪費量約相當于0.133億hm2耕地的產量，比第一產糧大省黑龍江省1年的產量還要多。其中最主要的損失就是糧食蟲害和霉變造成的損失。因此，運用ZigBee技術對糧倉環境實時監控，對提高糧食儲藏質量、減少糧食損失具有重要作用。目前，物聯網技術在交通、醫療、家居中應用較多，也很成熟[1]，但ZigBee技術在智能糧倉監控中應用的研究較少，許多設計與研究不能很好地與糧食倉儲結合起來。本研究設計的基于ZigBee技術的智能糧倉監測系統，通過相關的傳感器收集糧倉不同位置的溫度、濕度、微振等參數，實現對糧食儲藏環境的實時監測和智能調節，提高管理效率，減少人為誤差，降低勞動強度，為實施糧倉日常智能化監控提供了科學依據。

1基于ZigBee技術的物聯網概述

1.1ZigBee技術簡介

ZigBee是一種雙向無線通訊技術，可工作在2.4 GHz、868 MHz和915 MHz 3個頻段上，分別具有最高250、20、40 kbit/s 的傳輸速率，傳輸距離在10～75 m之間；主要特點有距離短、速率低、成本低、容量大、延時短、功耗小等；常用于周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據的傳輸及應用。ZigBee是一種高安全、高可靠的無線數據傳輸技術，方便在各種電子設備之間進行數據傳輸[1-3]。

1.2物聯網簡介

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，是智能感知、識別技術與普適計算、泛在網絡的融合應用，被稱為繼計算機、互聯網之后信息產業發展的第三次浪潮。物聯網是互聯網應用的拓展，其架構可分為3層：感知層、網絡層和應用層[4]。 感知層由各種傳感器構成，如溫濕度傳感器、二維碼標簽、攝像頭、紅外線、GPS等感知終端，是物聯網識別物體、采集信息的來源。網絡層是互聯網、網絡管理系統和云計算平臺等組成的數據傳輸部分，是整個物聯網的中樞，負責傳輸和處理感知層獲取的信息。應用層是物聯網和用戶之間的接口，它與行業需求結合，實現智能化人機交互。

綜上所述，基于ZigBee的物聯網技術在智能糧倉監控系統設計中應為首選技術，兩者有機結合、優勢互補，具有很強的現實意義和應用價值，可為本系統的設計提供經濟、科學、適用的解決方案。

2基于ZigBee技術的智能糧倉監控系統設計

2.1系統總體框架

智能化糧倉是糧食儲藏的先進手段和方法，其應用良好具有很強的社會意義，能產生較大的經濟效益。系統要求具有使用安全、控制可靠、運行穩定、擴展性強等優點。筆者經過走訪省內多家糧庫，在充分了解糧食儲藏要求的基礎上，對溫濕度、防蟲等關鍵要素進行梳理，從實際應用出發，堅持科學、方便、經濟、易用的設計原則，把基于ZigBee技術的智能糧倉監控細分為4個子系統，分別為無線傳感網絡系統、數據分析處理系統、智能控制系統和人機交互系統。

基于ZigBee的無線傳感技術為智能糧倉環境監控和數據采集提供了很好的途徑，可避免管理員進糧倉憑經驗而引發的誤判。系統通過分布在糧倉不同位置的各種傳感器，把采集到的環境數據通過ZigBee節點匯集到中心節點，經過智能網關連接到3G通信網絡，實現與控制主機之間實時、安全、高效地通信；主機對采集到的環境數據進行自動處理和科學分析，提供實時監測狀態、歷史報表等信息供管理員參考；系統把監測到的環境數據與管理員設置的閥值進行比較，如果采集到的環境數據不在閥值范圍之內，則分析糧倉環境變化，自動啟動預警裝置，在繼電器控制下，通風降溫等環境調節設備自動運行，直到新采集到的環境數據達標為止，從而防止糧食發熱、霉變、蟲害等情況發生[5]。本系統允許管理員足不出戶，遠程控制，實現糧倉管理智能化。系統結構框圖如圖1所示。

2.2無線傳感網絡系統

無線傳感網絡系統是智能糧倉監控系統的前導，是信息采集核心部位，為糧倉環境數據監測和設備控制提供第一手資料。在糧食儲藏過程中，糧倉內的溫度、濕度、氣體成分等都會對糧食品質產生重要影響。無線傳感網絡系統通過在糧倉內不同位置設置傳感器節點，對糧倉內部溫度、濕度、微振及視頻等數據實時采集，并通過ZigBee技術傳送到中心節點，再經網關和3G網絡傳輸到服務器。這種部署具有靈活性強、擴展方便、能耗少等特點，其結構主要分為供電模塊、傳感器模塊、無線通信模塊和A/D模塊4個部分（圖2）[5]。供電模塊為傳感器供電，一般用5 V鋰電池，可維持60～180 d；A/D模塊把傳感器采集到的模擬信號轉化為數字信號，便于在網絡上快捷、安全地傳輸。整個ZigBee網絡節點工作過程如下：首先初始化，協調器參與并建立無線網絡后，再通過路由器（FFD）和終端設備（RFD）發現網絡，最后建立起連接并開始數據采集和發送。ZigBee節點采用間歇式工作模式，以達到環保節能的目的，有任務時則采集傳感器數據和接受來自協調器的控制數據，沒有任務時則進入休眠狀態，節點功耗降到最低。

主要傳感器工作過程如下。

2.2.1溫度檢測智能糧倉溫度檢測采用AD590傳感器，該傳感器的輸出電流會隨著溫度的變化而變化。工作原理：AD590傳感器通過與10 kΩ電阻連接，把電流轉化為電壓值，電壓信號經過A/D轉換，由模擬信號轉化為數字信號，經無線網絡傳送到主機進行分析處理。AD590溫度傳感器設計科學，應用成熟，具有傳輸距離遠、線性度好、精度高等特點，其測量范圍可達-50～150 ℃之間。

2.2.2濕度檢測智能糧倉濕度檢測采用HIH-5030/5031系列傳感器，該傳感器是相對濕度值的線性電壓輸出，熱固塑料外殼、激光調整互換，設計上具有低功率、高精度、響應快、穩定好、漂移小、抗化學性等特點。工作原理：當傳感器所在位置濕度發生變化時，振蕩電路提供正弦波信號，通過電壓跟隨器處理后輸出電壓值，電壓信號經過A/D轉換，由模擬信號轉化為數字信號，經無絡網絡傳送到主機進行分析處理。

2.2.3聲音（微振）檢測聲音（微振）檢測采用HX-SLM3蟲害聲音傳感器，利用糧食生蟲后，蟲子運動產生聲音的特點，采集糧倉蟲害數據。該傳感器內置1個對聲音敏感的電容式駐極體話筒，聲波使話筒內的駐極體薄膜振動，導致電容變化，從而產生與之對應變化的微小電壓，這一電壓隨后被放大成0～5 V，經過A/D轉換成數字信號，通過無線網絡傳送給主機進行分析處理。工作原理：傳感器采集到聲音信號，通過神經網降噪技術除去信號中的噪音，進行幅度歸一化，從抽樣數據中利用靜音分離出獨立的樣本。為保證取樣數據能準確地反映蟲子運動，用自適應抵消器抵消環境噪聲，即把一個聲音傳感器放在谷堆里，一個傳感器放在谷堆外，谷堆里的傳感器提供環境和蟲子雙重原始聲音輸入，外面的傳感器只提供環境聲音（即噪聲）輸入，兩者疊加，最終環境噪聲被自適應地過濾掉，留下了蟲子的聲音。

2.2.4視頻監控視頻監控模塊前端采用市場上成熟的高精度網絡攝像頭，帶紅外功能，360 ℃自控制旋轉，可手動變焦，采用最新節能電路，低功耗，發熱小，具有較長的使用壽命。采集到的圖像經A/D轉換成數字信號，通過流媒體服務提供網絡監控。用戶可以通過3G手機或電腦，隨時隨地查看倉庫內部的實時圖像，對倉庫進行遠程監控。

2.3數據處理系統

數據處理處于系統后臺，是整個智能糧倉監控系統的核心，也是指揮環境調節設備運行的中樞，其數據處理流程決定了智能糧倉監控系統軟件的設計。本系統管理軟件采用 VC++ 開發，分為前臺用戶界面和后臺數據庫組成。數據處理系統工作流程如圖3所示。首先采集數據準備就緒，系統接收傳感網絡采集到的糧倉環境數據，經過A/D處理轉化為數字信號，通過網絡傳到服務器并寫入后臺數據庫，服務器對數據進行存儲、分析、比較和挖掘，與管理員預先設置的閥值進行比對，如不在正常范圍之內，管理員會收到系統自動發送的預警信息，同時系統自動啟動相應的設備進行環境調節，直到新采集到的環境數據達標為止；如傳感器采集到的糧倉環境實時數據中溫度高于20 ℃或空氣濕度大于70%，系統會向管理者手機發出預警短信，并智能開啟鼓風機、空調等設備進行環境調節，直到糧倉環境達到正常值才停止設備運行。倉庫管理員可以通過控制終端查詢任一傳感節點狀態、實時環境數據和歷史數據。

整個數據處理系統設計本著確保實用、節省能耗的原則，采用定時采集數據的工作模式，即在傳感器節點上設置斷點，間歇性啟動數據采集和發送任務，每完成1次采集和發送后，進入一段休眠狀態，休眠時間間隔可以由管理員自行設置，時間到了再喚醒，本系統設計的是5 min采集和發送1次數據。

2.4智能控制系統

智能控制系統由環境調節設備和繼電器控制電路組成。該系統中環境調節設備主要分2個部分：一是糧倉溫濕度的調節。由系統通過啟動空調與鼓風機來實現，當糧倉溫濕度不在正常的閥值范圍之內時，則啟動進出口鼓風機，通過風機及糧倉內的通風管道使冷卻后的空氣吹過糧堆形成對流[6]；如果風機啟動后仍不讓環境數據達到正常范圍，則要開啟空調進行降溫與排濕；如果糧倉空氣太干燥，還可以配加濕器進行調節。二是糧倉蟲害的監控。糧食生蟲后，其爬動會產生聲音，如果采集到的環境數據中有微振，則開啟攪拌設備和噴藥設備，以達到及時殺蟲的目的，避免蟲害進一步擴大。

繼電器控制就是控制環境調節設備的運行或停止。工作原理：當檢測到環境數據不在預設閾值范圍內，則輸出低電平信號，經驅動器加到光電隔離器TLP521-4的輸入端引腳，當光耦加載的電壓超過3 V時就會產生光信號，將光信號轉為電信號，經三極管放大，控制繼電器打開環境調節設備開始工作；當檢測到信號輸出在預設閾值范圍內，則發出高電平信號，控制環境調節設備停止工作[6]。繼電器控制電路圖見圖4。

2.5用戶交互系統

用戶交互系統直接面向用戶，實現人機對話，因此在界面設計上要集方便、美觀為一體，簡單易學，便于操作。本系統主界面上設有：環境閥值設置、權限設置、歷史數據分析、報表打印、設備控制、視頻調用、實時數據顯示等。糧倉管理員可以通過PC、PAD或智能手機隨時隨地訪問系統，對數據進行統計分析，形成數據倉庫，為糧倉科學化管理提供決策依據，實現足不出戶地遠程管理。

3運行測試

3.1測試準備工作

在糧倉內放置溫度傳感網絡節、濕度傳感網絡節點各1個、聲音傳感節點1組、裝好應用軟件的控制主機1臺；ZigBee 網絡通過網關與3G網絡相連，控制終端與服務器連接正常，各種環境調節設備準備就緒。一般情況，糧食最佳保存環境為溫度低于20 ℃，空氣濕度小于70%。

3.2測試結果

試驗開始前，將溫度傳感器、濕度傳感器分別放置在糧倉2個角落，離地面距離為糧倉凈高一半；聲音傳感器1個放在谷堆里，1個放在谷堆外；接收設備放置在控制室實驗臺上，距離傳感器發送模塊30 m左右，ZigBee中心節點通過網關與3G網絡相連[7]。試驗開始后，管理員通過軟件能夠直觀地看到糧倉內各監測點的環境數據，并通過調節閥值，啟動相關環境調節設備，基本實現了糧倉智能化的遠程監控。在3 h的試驗過程中，各試驗傳感網絡節點每5min采集1組數據并發送，各節點共采集發送36條記錄，在遠程監控主機上接收到34條記錄，傳輸準確率達94.44%，完全滿足系統運行要求。運行畫面截圖如圖5、圖6所示。

4總結

本監控系統基于ZigBee技術，設計了糧倉智能監控網絡和管理軟件；完成了對糧倉溫度、濕度、蟲害等相關環境數據的采集、傳輸、分析和處理，有效解決了目前糧倉管理因經驗主義、人工防治等而引發的高出錯率、高成本的缺點；運用3G無線互聯網技術，建立了糧倉管理的后臺數據庫，為糧倉管理員提供隨時、隨地，跨躍時空的工作模式。試驗結果表明，系統數據采集傳輸可靠，環境數據精確，運行成本降低，具有推廣的意義和價值。下一步將增加傳感網絡節點，擴大ZigBee網絡覆蓋范圍，以實現糧倉更多環境數據的精確采集[8]，并把該設計進一步應用和推廣。

參考文獻：

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