基于ZigBee 的新型遠程倉儲監控系統研究

雷欽文，謝應廣，郭晉遠，彭石林，2，袁劍輝，2

（1 長沙理工大學 物理與電子科學學院，長沙 410114；2 柔性電子材料基因工程湖南省重點實驗室，長沙 410114）

0 引言

隨著現實世界中傳感器的廣泛部署，互聯網技術逐漸滲透到物理實體世界中，越來越多的物理實體通過傳感器連接到互聯網中，實現信息共享，物聯網在此背景下應用而生［1］。技術的進步能大大提高企業的競爭力，高效合理的倉儲可以幫助廠商加快物資流動的速度、降低成本、保障生產的順利進行，并可以實現對資源有效控制和管理［2］。以往傳統倉儲的倉儲系統只能被動的適應環境，使得受儲存的貨物種類受到了極大地制約，現代化的倉儲系統可以準確的監控室內的環境參數，從而完成設備的調控［3］。為了保證貨物的質量以及延長存儲時間，本文設計了一種基于CC2530 的ZigBee 無線傳感網絡，其網絡的每個節點都可作為相鄰節點的數據傳輸中轉站，實時監控倉儲室內的環境狀況，通過上位機實現數據顯示，通過電腦進行控制的智能環境倉儲監控系統。

1 系統總體設計方案

倉儲控制系統主要包括無線傳感網絡、命令接收平臺以及遠距離的控制中心。ZigBee 遠程倉儲監控系統的總體框架如圖1 所示。

圖1 系統總體框架Fig.1 Overall framework of the system

（1）無線傳感網絡。主要是由各終端或者路由器組成，終端上連接各種傳感器來采集環境數據，并定時將所采集的數據發送給命令控制平臺；

（2）命令接收平臺。主要是接收各個終端節點所采集到的數據，并把數據通過RS232 串口傳輸給與之連接的電腦，還負責接收電腦上傳遞過來的控制命令，并把消息發送給對應的終端；

（3）遠距離控制中心。主要是負責接收收集平臺傳輸的信息和發送管理人員的命令，將接收到的數據通過上位機顯示，對相應的數據進行分類存儲，管理人員可以在這里對倉儲室內的環境進行實時監控和設備控制。

2 系統硬件設計

2.1 系統芯片選擇

系統主控芯片采用德州儀器公司生產的CC253x系列控制器—CC2530F256。該芯片使用8051 內核，建立在適應2.4GHz IEEE 802.15.4 標準協議上，CC2530F256 內置RF 收發器，8KB 靜態隨機存儲器［4］。256 閃存塊和18 個中斷源的中斷控制器，具有21 個通用I／O 引腳，5 通道DMA，32kHZ 的睡眠計時器等豐富的外設接口［5］。應用互聯網和云端技術，通過傳感器采集環境信息實時傳遞到控制中心，針對環境信息變化及時進行有效調節。其電路圖如圖2 所示。

圖2 CC2530 電路圖Fig.2 CC2530 circuit diagram

2.2 傳感器節點設計

系統的硬件由傳感器、協調器和上位機模塊組成，傳感器節點由低功耗的無線微控制器CC2530模塊構成，其硬件結構如圖3 所示。

圖3 節點硬件結構圖Fig.3 Node hardware structure

溫濕度傳感器模塊：溫濕度傳感器采用DHT11，其與CC2530 通過單總線串行通訊，由5 個字節組成數據格式［6］。DHT11 程序采用模塊化編程思想，只需調用溫度讀取數據即可，方便且移植性好。當溫濕度超過預設定的值時，蜂鳴器就發出報警，系統就會觸發相應的控制程序使室溫恢復設定的范圍。

（1）氣體傳感器模塊：采用MQ－2，不僅對液化氣、丙烷、氫氣的檢測靈敏度高，而且對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想［7］。當空氣中易燃易爆有害氣體濃度超過設定值時，氣體傳感器就會報警，觸發設定，實施后續控制步驟。

（2）風扇模塊：達到預設條件后，通過繼電器對風扇自動開關，進行通風控制。

2.3 硬件平臺設計

系統節點均采用模塊設計方案。其主要特點是體積小、功耗低、抗干擾能力強，特別是能建立強大的網絡節點和完整的ZigBee 解決方案［8］。無線傳感網絡主要是由ZigBee 節點組成，終端連接傳感器和負責接收傳輸數據的協調器組成。終端分布式置于倉庫各個地方，以便收集室內環境的溫度、濕度、氣體種類及濃度等數據，協調器放置在控制室內并和電腦串口相連。室內控制平臺是用來直觀展示數據的上位機，其主要功能為解析串口數據、以圖像化形式顯示、并對網絡運行情況進行監控，遇到異常情況及時預警。

3 系統軟件設計

本系統選擇的開發環境是IAR Embedded Workbench平臺。IAR 作為ARM 的開發工具，支持多種語言，對不同芯片都具有較好的兼容性［9］。系統的軟件設計包括控制協議的設計、無線傳感網絡設計、控制中心界面設計等。要保證數據的準確收發，必須有合理的通訊協議，從而簡化管理中心和傳感器終端節點的數據分析過程。

3.1 控制協議設計

若要通過串口使PC 和協調器通信發送控制指令，首先需要制定一套控制協議，以便協調器解析，所有控制指令都是一串具有特定格式的字符串。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管其是經過何種網絡進行通信的。查詢控制指令見表1。

表1 查詢功能報文表Tab.1 Query function message table

此協議規定了每個控制器須要知道其設備地址，然后按地址發來的消息進行識別，最后決定要產生何種行動。功能碼的作用是用來讓機器區分不同的指令操作，其描述見表2。

表2 功能碼描述Tab.2 Function code description

3.2 系統設計流程

所有節點先初始化系統，然后協調器選擇一個信道和網絡ID 負責建立網絡，廣播發送入網信息，當附近設備等待各個終端節點接收到信息加入網絡［10］。定時發送查詢命令，收集各個傳感器終端發過來的各種數據，并對數據進行分析排序，統一成預設命令的要求，發送給命令控制平臺，再由控制平臺通過串口發送給上位機，上位機將數據轉化、顯示在控制中心。控制中心也可下發命令，根據解析的命令發送給指定的終端執行對應的操作。具體的流程圖如圖4 所示。

圖4 協調器節點流程設計Fig.4 Flow design of coordinator node

3.3 上位機界面設計

倉儲智能控制中心是系統交互的中心，控制中心界面設計使用VisualStudio2015。界面由用戶管理、傳感器節點管理、傳感器節點監測構成。用戶管理采用MySql 數據庫，具有登錄與注冊功能，方便區分使用的管理人員。數據存儲模塊把傳過來的數據整理后進行存儲以便日后查看。上位機主界面如圖5 所示。

圖5 上位機主界面Fig.5 Main interface of upper computer

4 系統測試與分析

智能倉儲環境監控系統實物如圖6 所示。最上面的節點為協調器，負責組網和與上位機進行串口通訊。下面的3 個節點是終端，終端上的傳感器分別有溫濕度傳感器DHT11，氣體傳感器MQ－2，還有控制風扇的繼電器。

圖6 智能倉儲遠程控制系統實物圖Fig.6 Physical diagram of intelligent warehouse remote control system

組網成功后通過智能倉儲中心進行控制，經過測試系統溫度、濕度顯示正常，能隨時監測倉庫的環境參數，當溫度超過預定值（如15 ℃～20 ℃）、濕度比例超過（50%～70%），終端會將溫度、濕度數據發送到協調器，智能控制中心會將設定值與傳來的數據對比。如當溫度、濕度過高時，協調器發送指令，對應終端接收到指令后，打開風扇進行通風。氣體異常監測測試時采用打火機對傳感器測試，當系統檢測到有害氣體時，能迅速引起傳感器電壓變化，其信號由終端立刻發送到協調器，協調器上的蜂鳴器隨之響起警報，最后經控制中心顯示出來。燈光系統的控制由倉庫智能監控中心管理，既能遠程通過界面逐個開啟，也能統一開關。

5 結束語

為充分利用ZigBee 芯片低功耗、低復雜度、可靠性高的特點，本文設計了一種基于CC2530 的新型無線智能倉儲監控系統。結合實際倉儲基本特征參數，采用ZigBee 組網，通過控制倉庫通風等手段，實時監控環境的溫度、濕度、及環境中的常見易燃易爆有害氣體。通過協調器建立的網絡，將傳感器收集的數據匯集到協調器，協調器通過串口將數據傳輸到上位機，以簡潔的方式顯示出來。經過實驗測試，該系統響應迅速，通信可靠，可大大提高倉儲環境的安全性，并能有效監控環境信息，保障貨物長期處于合適的存儲環境。