粮仓温湿度监测管理系统1

基于zigbee的粮仓温湿度监测系统设计引言最初的粮仓监测系统是通过人工对粮仓内的温度和湿度进行测量和观察，采取相应的控制措施。再后来的粮仓监测系统采用有线传输方式，这两种监测系统都需要耗费大量的人力、财力和物力。针对上述粮仓监测系统出现的问题，本文在参考大量资料和剖析传统粮仓监测系统的基础上，设计了一种无线粮仓监测系统，以替代传统的有线传输系统。随着我国经济的飞速发展，粮食储备日益增加，粮库建设对温湿度监测技术的要求越来越高。由于粮食在储藏过程中易受温度、水分等因素影响，使粮食发生霉变、虫害滋生等情况，为了确保储粮安全，需准确掌握粮食储藏过程中温湿度的实时变化，并对粮情数据进行分析，采取相应控制措施，而设计合理的粮仓监测系统可以为安全储粮提供技术保证和科学依据。最初的粮仓监测系统是通过人工对粮仓内的温度和湿度进行测量和观察，采取相应的控制措施;再后来的粮仓监测系统采用有线传输方式，这两种监测系统都需要耗费大量的人力、财力和物力。针对上述粮仓监测系统出现的问题，本文在参考大量资料和剖析传统粮仓监测系统的基础上，设计了一种无线粮仓监测系统，以替代传统的有线传输系统，系统结合了现有的多种先进技术，提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径。该系统布线少、故障率低、易于维护、结构简单、成本低廉、工作稳定可靠。使粮仓监测系统朝“网络化智能监测”方向发展，即具有自动测温、数据共享等特征。ZigBee技术概述在ZigBee联盟的网站上有一个关于“ZigBee”名字由来的传说，大体上描述的是蜜蜂在采蜜的过程中，通过ZigZag形状的舞蹈在同伴之间交换蜜源信息，称之为“ZigBee法则”，蜂群就是通过这种法则维持生存和发展的。由于蜜蜂本身体积小，能量消耗低，采集并互相传送花粉，故ZigBee即表示一种短距离、低成本、低功耗、低速率的无线通信技术。在此之前，ZigBee亦被称作“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术，目前统称为“ZigBee”，国内通常翻译为“紫蜂”技术。ZigBee技术并非完全独有、全新的标准，它是在IEEE802.15.4—2003标准的基础上建立的。该标准定义了物理（PHY）层和媒体访问控制（MAC）子层；在它的基础上，ZigBee联盟提供了网络（NWK）层和应用层框架（AF）。其中应用层框架包括应用支持子层（APS）和ZigBee设备对象（ZDO），制造商定义的应用对象使用该框架，并与ZDO分享APS和安全服务[15]。根据IEEE802.15.4—2003协议标准，ZigBee的工作频段共分为3个频段，分别为868MHz、915MHz和2.4GHz。其中，868MHz频段范围是868.0~868.6MHz，该频段上只有一个信道，调制方式是二进制相移键控（BPSK），数据传输速率为20kbit/s；915MHZ频段范围是902~928MHz，该频段上有10个信道，调制方式也是BPSK，其数据传输速率为40kbit/s；2.4GHz频段范围为2400~2483.5MHz，调制方式是偏移四相相移键控（O-QPSK），数据传输速率是250kbit/s。868MHz和915MHz属于欧洲频段，主要在美国和澳大利亚使用；而2.4GHz是全球通用的工业、科学、医学（ISM）频段，且该无线电频段不仅是免费的，而且无需申请[16，17]。根据ZigBee联盟的观点，他们开发的低成本、低功耗、双向的ZigBee标准可被嵌入在消费类电子产品、家庭和楼宇自动化、工农业控制、PC外设、医疗传感器应用、玩具以及游戏，具有非常广泛的市场应用前景。ZigBee技术的特点根据ZigBee技术的本质，可归纳出ZigBee具有以下几点优越特性：1、高可靠性：ZigBee联盟在制定ZigBee规范时，针对数据在传输过程中的内在的不确定性，采取了一些措施来提高数据传输的可靠性，主要措施有：物理层兼容高可靠的短距离无线通信协议IEEE802.15.4，同时使用偏移四相相移键控（O-QPSK）和直接序列扩频（DSSS）技术；采用载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA-CA）技术解决数据冲突问题；使用16-bitCRC来确保数据的正确性；采用带应答的数据传输方式来确保数据传输的目的地址；采用网状网络尽量保证数据可以沿着不同的传输路径从源地址到目的地址。2、功耗低：低功耗通常是针对终端设备而言的，一般情况，路由器和协调器需一直处于供电状态，只有终端设备可以定时休眠。当终端设备不需要工作，可以让其处于休眠模式，此时耗电量非常低；当其需要工作时，唤醒设备，使其处于工作状态，唤醒时间非常短，一般只需15ms。在实际系统中，终端设备对数据的采集一般都是定时采集的，就这样在工作与休眠之间交替转换，使ZigBee终端设备非常省电，通常两节普通的五号电池可支持一台ZigBee终端设备长达6~24个月的使用时间。3、成本低：ZigBee技术可以应用于8-bit的MCU，目前TI公司推出的兼容ZigBee2007协议的SoC芯片CC2530每片价格也才20~35元，外围只需要简单的电路设计即可实现网络节点的构建，且随着半导体集成技术的发展，ZigBee芯片的体积将会越来越小，开发成本也会随之下降[19]；ZigBee的协议栈是免专利费的，开发人员可直接调用协议栈里的一些函数，缩短了开发周期，这大大降低了开发成本。4、安全性高：为了保证数据传输的安全性，ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查和鉴权、认证功能；还可以使用AES-128加密算法对传说的数据进行加密处理，提高整个传输过程的安全性。5、网络容量大：一个ZigBee网络理论上可支持高达65000个节点[20]。总体设计方案1.1基于zigbee的粮仓温湿度监测系统设计指标以及要求本文选取粮仓中的温度、湿度为监测对象，采用zigbee无线网络进行数据传输。为了确保监测系统数据采集的准确性和无线传输的可靠性，系统的测量参数和zigbee网络性能需要满足以下要求:粮仓监测系统的测量参数要求如下：测量温度在40℃~123.8℃之间，测量适度范围在0~100%RH之间，分辨力分别为0.1℃和0.1%RH，允许的误差范围在±0.4℃以及3.0%RH。1.2基于zigbee的粮仓温湿度监测系统的方案设计基于ZigBee的粮仓温湿度监测系统主要由监测网络和信息监测管理系统(上位pc机)两部分组成，系统总体设计示意图如图1所示。监测网络是由若干个传感节点和一个汇聚节点按照一定的协议形成的无线传感器网络。传感节点放在特定的监测区域中，将采集的数据以多跳的通信方式传送到聚节点，同时能够接收汇聚节点发来相应命令。监测网络中的汇聚点接收网络内所有传感节点的信息，并将这些数据解析成帧后通过RS232串口上传至pc机监测管理系统;同时汇聚节点也能够接收pc(上位)机发来的帧，解析帧后向网络中的节点发送管理信息，完成用户自定义网络设置功能。一、无线传感器网络节点的硬件设计由于本温湿度测控系统的验证实验是在一个小型的粮库中进行的，组建简单的星形网络即可，不需要路由器节点转发所采集的信息。本粮仓温湿度测控系统各部分工作情况如下：1、传感器采集节点工作过程首先，根据实际需求，将传感器采集节点撒布在粮仓内所需监测的区域，传感器感知并采集监控区域周围的温湿度信息，并在其内部对所采集到的温度和湿度信息进行放大、A/D转换等处理；然后，通过MCU读取传感器输出的数据，并对读到的数据进行计算处理以得到温湿度真实值；最后，将粮仓内温湿度的最终真实数据无线发送给网关。其中，为了保证数据能够顺利传送至网关，传感器采集节点在采集数据和发送数据之前，必须能够并顺利加入ZigBee网络。2、网关的工作过程本粮仓温湿度测控系统中的网关相当于ZigBee网络中的协调器，担负着ZigBee组网工作。各终端设备申请加入网络成功后，就可以和该网关进行无线通信。本网关接收到传感器采集节点发送过来的数据，经过相关处理后，会通过串口将这些数据传输到上位机或者通过以太网将它们传送到远程PC端，从而实现对粮仓内温度和湿度信息的监测。同时，当监测的温度或湿度值超出系统所设定值的范围，上位机或远程PC端会发送相应的控制信息给网关，再通过网关将这些控制信息无线转发给粮仓内相应的控制节点。3、控制节点的工作过程对于本设计中的控制节点，同样根据实际需求将其撒布在粮仓内，且在工作之前，也需要申请加入ZigBee网络。加入网络成功后，才可以实时监听无线信道上是否有网关无线发送过来的控制命令，若控制节点接收到控制命令，会立即通过控制节点中的MCU控制继电器的通断以控制粮仓内的现场调控设备（如电风扇、降温器、除湿机等），从而实现对粮仓内温度和湿度信息的远程调控。2.1传感节点系统结构设计2.2汇聚节点系统结构设计ZigBee无线传感器网络中的传感节点和汇聚节点由于功能不同，所需的硬件结构也会有所不同，本文分别对传感节点和汇聚节点进行了设计。汇聚节点主要由电源模块、微处理器模块、无线通信模块组成，其系统硬件结构框图如图3所示汇聚节点主要是接收传感网络中传感节点的信息，通过RS232串口发送给PC机上的信息监测管理系统，同时一能够接收PC机发来的帧，经解析后完成用户自定义网络的管理功能.由图2和图3可知，传感节点和汇聚节点都是以集成有数据处理和无线通信功能与一体的CC2430芯片为主控模块的.传感器节点硬件模块负责信息采集，因此其硬件电路还有CC2430和传感器的接口电路.汇聚节点硬件模块负责将信息上传至PC机，因此还需要串口电路RS232.2.3主控模块（CC2430）电路设计基于TI公司生产的CC2430片上系统芯片，除了具有符合IEEE802.15.4规范的2.4GHzDSSS无线射频前端外，它还在片内集成了一个8位的8051增强型微处理器、8kbyte的SRAM和大容量FLASH(用来保存Zigbee协议栈)等。.因此CC2430芯片在本设计中同时一兼有微处理器模块和无线通信模块的双重功能，其接口电路如图4所示.2.4温湿度传感器电路设计传感器模块采用的是瑞士Scnsirion公司推出的温湿度传感器SHT11，SHT11是一款将温湿度集成于一体的传感器，同时具有温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能，使用非常方便。SHT11传感器可以通过SPI接口方式与CC2430相连，两者一之间的连接电路如图5所示.2.5RS232串口通信电路设计汇聚节点的主控模块CC2430与PC上位机之间的通信是通过RS232串口进行数据传输的.RS232串口发送数据时一，需要经过MAX2犯将电平转换为TTL电平后，再通过CC2430无线发送.接收数据则是发送数据的逆过程，CC2430先接收到数据信号，然后经MAX232将TTL电平转换为RS232的标准电平，再通过RS232向上位机输入数据。则其MAX232与CC2430之间的接口电路(汇聚节点硬件结构图中微处理器模块的电平转换电路)如图6所示.2.6电源电路设计本系统的芯片使用的都是3.3V的电源，而且对于稳定性都比较高，功耗不是很大.所以本文选用了LDO低压差模拟电源芯片AMS1117一3.3(U,)为整个系统提供稳定的电压，如图7所示，其次级输出电压为3.3V。二、监测网络节点软件设计和系统性能测试1、传感器采集节点工作过程首先，根据实际需求，将传感器采集节点撒布在粮仓内所需监测的区域，传感器感知并采集监控区域周围的温湿度信息，并在其内部对所采集到的温度和湿度信息进行放大、A/D转换等处理；然后，通过MCU读取传感器输出的数据，并对读到的数据进行计算处理以得到温湿度真实值；最后，将粮仓内温湿度的最终真实数据无线发送给网关。其中，为了保证数据能够顺利传送至网关，传感器采集节点在采集数据和发送数据之前，必须能够并顺利加入ZigBee网络。2、网关的工作过程本粮仓温湿度测控系统中的网关相当于ZigBee网络中的协调器，担负着ZigBee组网工作。各终端设备申请加入网络成功后，就可以和该网关进行无线通信