基于ZigBee的糧倉溫濕度監測系統設計

杜岳濤，楊娜娜，董綿綿

（西安工業大學，陜西西安，710032）

基于ZigBee的糧倉溫濕度監測系統設計

杜岳濤，楊娜娜，董綿綿

（西安工業大學，陜西西安，710032）

本文設計了一種基于無線傳感器網絡的糧倉溫濕度監測方法，該系統采用數字傳感器DHT11采集糧倉溫濕度，Zigbee無線模塊實現自組網后發送到上位機，實現實時監測、無線數據傳輸、動態顯示及報警、上位機查看、自動調節等功能，解決了傳統糧倉有線監測系統布線難、維護難、升級難以及成本高等問題。

Zigbee；無線傳感器網絡；DHT11

0　引言

糧食儲藏的安全質量一直是各國研究的重點課題。長期以來，由于經濟條件等原因導致我國的糧食儲藏環境差、管理落后，即使有部分糧倉的儲藏環境好點，但是大多數糧倉依然都停留在傳統的人工管理階段。既然是人工管理，就存在由于人的生活作息習慣等因素造成的管理的滯后性，甚至造成大的災難，給人們物質財產帶來較大損失。若能自動、準確及時的監測糧倉內溫濕度變化，人們再根據其變化及時采取相應的應對措施，就可以達到防止糧食變質、保證糧食的存儲質量的目的，以減少不必要的浪費。

本文針對傳統的糧倉監測系統的缺點，采用ZigBee技術組建無線傳感器網絡，設計了一種基于ZigBee技術的糧倉溫濕度測控系統，根據糧倉這個實際應用場合不需要很高的傳輸速率，但要求傳輸時延小、功耗低等特點，因此利用低功耗的無線傳輸芯片和超低功耗的微處理器，構建分布式的無線傳感器監測網絡，實現糧倉溫濕度的無線化實時檢測、數據傳輸、自動報警、通風控制等。

圖1　系統的總體結構

1　總體設計

本糧倉溫濕度監測系統是由溫濕度傳感器采集節點、協調器以及上位機組成，系統的總體結構圖如圖1所示。

基于Zigbee技術的糧倉溫濕度監測系統在功能上實現了數據的采集、處理和傳輸及對糧倉內溫濕度的調節。同時本系統可實現的測量范圍為：測溫在0℃～50℃之間；測濕在20%RH～90%RH之間。由于本溫濕度監測系統的驗證是在糧倉與糧倉外，同時考慮成本等原因只組建簡單的樹形網絡，不需要路由器節點轉發所采集的數據信息，數據直接在傳感器節點與協調器節點之間傳送。

2　硬件電路設計

本系統的硬件電路主要包括傳感器節點、協調器節點及其與上位機的連接三部分。

2.1傳感器節點

傳感器采集節點主要負責實時采集糧倉內的溫度和濕度信息，并將采集到的數據通過無線射頻模塊發送出去。其主控芯片是CC2530芯片，它是一種系統級芯片（SoC），可以應用在使用IEEE 802.15.4、ZigBee以及RF4CE標準的模塊中。CC2530芯片結合了具有卓越性能的先進射頻（RF）收發器和符合行業標準的增強型8051 MCU，系統內部可編程閃存，8-KB RAM以及其他功能。本文所涉及的CC2530芯片采用的均是CC2530F256芯片，它結合德州儀器 （TI）推出的ZigBee協議棧（Z-Stack），提供了一個強大而完整的ZigBee解決方案。CC2530具有不同的運行模式，極其適合應用于功耗要求非常低的系統；同時，各運行模式間的轉換時間短，進一步確保了系統的低功耗。傳感器選用的是數字式溫度傳感器DHT11，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。

其中，傳感器用來測量糧倉內的溫度和濕度信息，并把測量到的信息在其內部進行放大、A/D 轉換等處理后直接輸出溫濕度的數字信號；CC2530芯片及其外圍電路，用來控制傳感器工作，并處理傳感器采集的數據，將其顯示在LCD上，實現報警、控制繼電器等工，同時將最終數據無線發送給網絡協調器；天線可以讓傳感器采集節點將所采集并處理后的數據信息通過無線信道進行無線傳輸，并接受協調器發過來的信息；電源用于為采集節點工作時提供所需要的能量；按鍵用于啟動傳感器節點，并調整溫濕度的報警值；蜂鳴器及LED燈在溫濕度超出溫濕度報警值時報警；繼電器模塊在超出溫濕度報警值后啟動風機調節溫濕度。

2.2協調器節點

協調器負責組建、維護整個網絡，在接收到傳感器節點發來的溫濕度信息時與PC機進行通信，由上位機顯示并繪制變化曲線。本設計中協調器的通信接口使用的是MINI USB A型接口。由于CC2530芯片輸出的是TTL電平，它是由電平的高低來表示邏輯狀態，而電腦串口輸出的電平是由電壓的正負來表示邏輯狀態，這就需要對單片機輸出的TTL電平和RS-232的EIA電平進行電平轉換。若是不進行電平轉換，串口通信就會出錯，本設計中采用RS-232電平轉換芯片FT232，實現了 EIA 和TTL的電平轉換。FT232芯片提供串行通信接口與上位機通信以便將糧倉內的溫度和濕度信息及時上傳，其他部分硬件設計與傳感器節點相同。

3　系統軟件設計

本設計軟件主要包括：傳感器節點的軟件設計、協調器節點的軟件設計以及上位機軟件設計。采用的軟件開發平臺結合了IAR Systems公司推出的IAR Embedded Workbench （簡稱EW ）集成開發環境和TI公司提供的ZigBee協議?！猌-Stack 2007，使用IAR開發最大的優勢就是能夠直接使用Z-Stack 2007進行開發，我們只需要調用API接口函數即可。

3.1傳感器節點軟件設計

本系統中傳感器采集節點主要負責實時采集糧倉內的溫度和濕度信息，并將采集所得的數據進行內部處理，然后通過無線射頻模塊發送至網關。然而，傳感器節點若想將采集到的數據無線發送給網關，必須先申請加入ZigBee網絡，當其加入網絡成功并成功綁定后，才開始無線發送數據。

3.2協調器節點軟件設計

本系統中協調器主要用于啟動網絡和配置網絡參數，并負責無線接收傳感器采集節點發送的數據，即與傳感器采集節點無線通信；同時，通過RS-232 串行通信接口與上位機通信，以便將糧倉內的溫度和濕度信息及時上傳。對于網關的軟件設計主要包括無線傳感器網絡的組建、無線數據的接收以及串口通信。協調器上電后，首先進行初始化操作，并建立ZigBee網絡。然后，在網絡中搜索是否有傳感器節點需要加入網絡，若檢測到有傳感器節點節點需要加入，則將該節點的地址信息存入協調器的地址表中。最后，搜索信道上是否有傳感器采集節點傳來的數據，若有，協調器將在地址表中匹配該節點網絡地址后，開始接收終端節點傳來的數據，并將接收到的數據通過串口傳送給上位機。

3.3上位機軟件設計

本設計采用Visual C++ 6.0編寫上位機軟件，本上位機設計主要包括串口配置區域、操作提示區域、讀取溫度和濕度信息區域以及溫濕度波形顯示區域。

4　結論

本文針對傳統的糧倉溫濕度監測系統布線困難、維護升級難、通信距離短等缺點，在糧倉溫濕度監測系統中應用了無線傳感器網路，提出一種基于ZigBee技術的糧倉溫濕度監測系統實現方案。該系統利用ZigBee技術組建無線傳感器網路，實現傳感器采集節點與協調器的數據傳輸。同時，本系統中協調器還可以和PC機串口通信，在上位機上實時顯示當前的溫濕度數值。經過系統試運行表明，該糧倉溫濕度監控系統具有較高的測量精度，而且整個系統具有較高的可靠性、較低的成本和功耗等特點，非常適用于無人看守糧倉的監控領域。

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Design of temperature and humidity monitoring system for grain depot based on ZigBee

Du Yuetao，Yang Nana，Dong Mianmian
（Xi'an Technological University，Xi'an Shaanxi，710032）

This paper introduces the design of a wireless sensor networks granary temperature and humidity monitoring method based on， the system uses digital sensors DHT11 collection of granary temperature and humidity，the ZigBee wireless module to realize self networking is sent to the host computer，realize realtime monitoring，wireless data transmission，dynamic display and alarm，host computer to view，automatic regulation and other functions，to solve the traditional granary wired monitoring system hard wiring，difficult to maintain，upgrade is difficult and the cost is high.

Zigbee；wireless sensor network；DHT11