基于GPRS和ZigBee的糧庫智能監控系統的設計與實現

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摘 要 針對目前糧庫中糧食儲存存在的監控點分布范圍廣和一些的相關存儲環境的參數的情況，實現了一種星型網絡拓撲結構的糧庫智能監控系統。選用MC13213&BeeKit芯片和相關環境參數傳感器構成終端節點，與作為中心節點的GPRS網關組成星型網絡結構，通過將實時數據傳送到遠程監控中心。此外，遠程管理員還可以通過Internet主動向GPRS網關發送查詢命令，進行實時監控。實驗結果顯示，本糧庫智能監控系統具有布置網絡靈活、動工成本低、傳輸穩定，為目前糧庫的提供了更科學的管理方式。

【關鍵詞】ZigBee 無線智能監控系統 傳感器 GPRS 網關

俗話講“國以民為本，民以食為天”，體現了糧食對于一個國家的重要性。據統計，我國糧食生產總量從1978年前的3億噸多一點迅速增長到2012年的近6億噸。在糧食產量如此增長的基礎上，如何更好地保存糧食成為各個地方糧庫工作的關鍵點。為了防止糧庫中的糧食發生腐爛或者產生變質等情況，需要精確掌控糧庫中的煙霧濃度、光照度、溫濕度等重要信息，控制其在指定的安全范圍之內。進而避免因糧庫內部溫濕度變化引起的糧食霉變和蟲害問題。

ZigBee是一種最新興起的無線網絡通信技術。其特點是傳輸速率慢，功耗低，材料使用成本低，適用于短距離穩定可靠傳輸。承載這種技術的MC13213芯片模塊，與當代傳感器模塊相結合，并與GPRS網關構成星型網絡，可實現大型糧庫中糧食存儲環境的智能檢測，實現自動調節、實時監控、遠程報警的目標。采用無線傳感網技術實現的智能糧庫監控預警系統，重點解決傳感器模塊與承載ZigBee技術的MC13213芯片可靠組合，依靠通訊協議標準，達到檢測無線網絡穩定傳輸信息的標準，廢除人工憑感覺監控的粗糙方式，不但簡化施工和增加了節點的分布范圍、而且能更方便地拓展功能、降低維修的難度。由于系統具備十分智能的監控手段，能為目前的糧庫設施提供更加科學和現代化的管理，節約人力物力，增強工作效率。

1 系統總體架構

系統主要由分為硬件和軟件兩大部分。硬件部分包括終端節點和無線網絡，無線網絡分為短距離的Zigbee無線網絡和長距離的GPRS無線通訊網絡。軟件部分主要是存儲和管理數據的遠程監控系統。

系統結構如圖1所示。

1.1 傳感器終端節點

在糧庫的各個位置放置的用于監測環境溫度、濕度和煙霧等各種環境參數的傳感器與ZigBee模塊（MC13213）連接在一起組成終端節點，由此實現實時感知糧庫各個不同位置的環境參數。此外，還能通過網絡，接收遠程監控系統的監控與管理指令，進而實現遠程操控。

1.2 ZigBee無線網絡

為了實現在糧庫各個位置全方位無死角監控環境參數，將傳感器終端節點安裝在糧庫各個位置。傳感器終端節點將接收到的信息，傳送到網關，以此形成監控網絡。網關接收到ZigBee網絡中的實時數據后，將數據傳送到與之通過RS-232串口連接的GPRS模塊。

1.3 GPRS網絡

GPRS網絡通過使用分組交換技術，能夠兼容GSM。通過GPRS網絡，將匯集在協調器節點的溫濕度等實時數據傳送到遠程監控系統。

1.4 遠程監控系統

遠程監控系統通過GPRS網絡，接收網關傳輸過來的數據，進行實時比對，檢查是否超過系統中設置好的標準的環境參數警戒值。一旦超出警戒值，立即發出報警信息以便工作人員在警報指定的糧庫地點，即時采取的處理突發事故的應急措施。

2 硬件架構

2.1 傳感器終端節點的設計

傳感器終端節點可以分為RFD節點（稱為精簡功能設備）和FFD節點（稱為全功能設備）。RFD節點只負責進行采集數據，FFD節點具有路由和中繼功能。FFD節點之間可以通信，還可與RFD節點通信.FFD節點可以防止RFD節點與網關無法進行通信的問題，能夠實現RFD節點和網關通信的目的。

節點的硬件主要有連有5V電源的電路板、ZigBee無線網絡傳輸模塊、傳感器檢測環境參數的模塊3部分構成一個節點。

2.2 網關的設計

2.2.1 電源底板

為了解決不行麻煩和電線暴露在室外容易產生的危險，網關使用3節7號電池，為系統的ZigBee網絡傳輸模塊和GPRS網絡傳輸模塊提供能量。電量不足給監測帶來的不便。

2.2.2 MC13213無線模塊

通過對比采購各個無線模塊相關的成本、功耗和開發軟硬件難易程度等因素，決定選用Freescale公司的MC13213芯片作為終端節點和無線網關中的ZigBee模塊，通過SIP技術將一個功耗底的射頻收發器和8個主科MCU封裝在一起。MCU用來存放ZigBee協議棧，通過4 KB RAM和64 KB FLASH，可以實現簡單應用程序的工作。它的CPU的時鐘頻率由于可以達到40 MHz，能夠實時地發送無線射頻。它集成了1個SPI ，1個IIC和2個SCI （串行通信接口），它擁有的3種低功耗模式中，功耗最低的模式只需消耗20 nA。

無線模塊引腳圖如圖2所示。

2.2.3 傳感器的選取

終端節點中用于監測環境參數的溫濕度傳感器選用瑞士Sensirion公司的SHT75數字傳感器，它能隙式測溫元件和電容式聚合體測濕元件組成，連接上A/D轉換器后，實現與串行接口電路的同一芯片上的無縫連接。SHT75能夠監測的溫度范圍在- 41℃到122.8℃之間 ，精度可達±0.3℃ ，能夠檢測的濕度范圍為0～100%RH，精度可達±1.8%RH。SHT75的數據交換是通過微控制器和采用串行接口進行的，通過MC13213的I/0口與它的SCK（串行時鐘輸入）和DATA （串行數據）引腳分別直接與相連。

2.3 GPRS模塊的選型

GPRS模塊用于將糧庫實時環境參數信息的傳輸到遠程上位機監控系統。系統選用了Siemens公司的新一代能夠實時、高效、安全和可靠地傳送數據、短信和語言的GPRS模塊MC35i。MC35i模塊可以達到永久在線實時傳輸的功能，通過RS-232接口接收MC13213發送的AT命令和數據，達到設定模塊、數據輸入/輸出以及控制系統等功能。MC35i的ZIF連接器具有40引腳，用于完成電源的連接和數據信號的傳送，傳送速率可以達到162.3kb/s。

3 軟件架構設計

在上位機所在遠程監控系統上運行應用軟件，通過internet獲取GPRS遠程數據，存儲并顯示在界面中，實現監控與管理的功能。

3.1 傳感器終端節點的子系統設計

傳感器終端節點子系統分為環境參數感知傳感器模塊、ZigBee無線通信和用于處理信息的信息分析模塊。通常，系統處于待機狀態，當接收到網絡發送的采集環境參數的命令或提前設置好的中斷觸發時，環境參數會通過過ZigBee網絡進行傳輸。

其主要程序流程如圖3所示。

3.2 網關子系統的設計

網關在通電后先初始化MC13213，建立一個ZigBee無線網絡。隨著傳感器終端節點的依次加入，無線網絡中各個傳感器終端節點獲得來自網關的分配地址。當遠程監控系統發送需要數據監控命令時，網關通過ZigBee無線網絡向各個傳感器終端節點發出數據采集指令，并且準備接收來自傳感器終端節點發送來的實時環境參數。 當子系統通電后，使用AT指令初始化GPRS模塊，期間對GPRS模塊的工作參數（工作方式和波特率等）的進行設置，使其連入GPRS網。通過內置的芯片，與GGSN撥號協商，取得動態IP地址， 接入Internet。最終，網關通過GPRS網絡與遠程監控中心實現全雙工的數據通信方式。糧庫中的各個環境參數由此被傳送到遠程監控系統中。網關子系統程序流程圖如圖4所示。

3.3 遠程監控系統的設計

遠程監控系統是由網關、監控中心和數據庫服務器構成。網關完成終端節點與上位機監控系統的協議匹配，接收終端節點采集到的實時環境參數數據，并將這些數據傳遞給上位機監控系統。監控系統能夠將糧庫中的實時環境參數顯示到窗口，可以實時地調取各個環境參數數據，并對此進行測評等。數據庫服務器可以保存以往環境中的參數，并通過內置算法對其進行相關參數的挖掘和分析預測。

從傳感器終端節點接收到的數據存儲到數據庫后，系統對其進行分析和檢測，將與設定的警戒值進行比對，如果超過規定的標準范圍，立即發送報警信息。

遠程監控系統采用圖形化界面，工作人員在遠程監控系統的屏幕是能夠直觀地查看到遠端糧庫現場的溫度、濕度和煙霧濃度等參數變化情況。選用人機交互形式，使用彈出式窗口、下拉列表單、快捷鍵操作和防范錯誤等技術，提升用戶體驗。

4 系統測試

在對傳感器終端節點、網關節點和GPRS模塊分別進行單獨性能測試之后，整個監測系統在糧庫進行了現場的功能測試。通過在當地小型糧庫中布置8個終端節點、2個協調器節點、1個網關和1臺配有上位機監控系統的計算機，在現場對系統進行了測試。現場將8個采用5 v電池供電的終端節點，分散安放在2個糧倉內。終端節點的環境參數傳感器模塊，采用了高精度溫濕度數字傳感器SHT75標注精度，通過系統中的硬件部分已無線數據的形式，將實時的溫濕度數據傳送給上位機監控系統。當天測試現場的系統采集到的實時溫度和相對濕度分別為18.9℃，32%。測試表明，終端節點與網關的在有障礙的情況下，能在20m內穿過40cm的墻，在無障礙的情況下，無線通訊距離長達為136m。測試出的溫度，誤差不超過±0.3℃，測試出的相對濕度，誤差小于2%。終端節點傳送給上位機監控系統的環境實時檢測參數的如果超標，計算機會立即顯示參數超標的參數值和地址，并進行報警提示。參數傳輸的時間間隔可以通過軟件設置，現場測試采用了2s的間隔。軟件系統中，可以隨時調取歷史記錄，對歷史數據的查看。

參考文獻

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[2]潘勇，孟慶斌.基于DS18B20的多點溫度測量系統設計[J].電子測量技術，2008，31（9）：108-l12.

作者單位

蘇州大學計算機科學與技術學院 江蘇省蘇州市 215000