基于无线传感器网络的实时粮仓监控系统研究

引 言

粮食在储存、运输过程中，水分含量的高低直接影响粮食的质量[1]。粮仓是粮食储存的重要场所，其环境将影响粮食的水分含量。若粮食水分含量较高，浪费仓容，引起生霉和其他生化现象，引起变质 ；粮食水分含量较低，导致使用品质降低，淀粉量减少。因此有效监控粮食水分含量至关重要。

传统的监控系统，采用有线方式连接传感设备、转换器及控制设备，造成布线繁琐、成本偏高、设备移动性差、维护不方便等缺点。

无线传感器网络是由大量传感器节点在大范围区域内自组织组成的网络。作为新兴技术，其应用领域广泛。无线传感器网络的出现，大大提高了设备的移动性、可维护性，避免布线复杂等问题。具有低成本、低功耗、自组织、可靠性高等特点，且工作在免费的 2.4 GHz 频段[2]。

组建一个星型无线传感器网络，低成本，只需要一个协调器和若干终端节点；低功耗，仅需要 5 V 电池；覆盖范围广， 最多支持六万多个节点 ；具有 24 个信道，足以支持数据的实时传输，避免数据冲突。

1 监控系统整体设计

系统整体设计如图 1所示，整个系统分 3 个部分，粮仓温湿度、粮食水分含量的采集，空调、换气扇、报警灯的控制， 管理人员Internet远程监控。为能更好地反映粮仓的温湿度， 将节点 1～5分别放置在粮仓的四个角落和中间位置 ；节点7～9放置在墙面上，与相应设备距离较近。在上位机 1上进行界面开发，通过串口RS232利用协调器将节点 1～5的数据采集，并进行数据处理，且在界面上实时显示温湿度数据。粮食水分仪采用谷物类水分仪，能够满足粮仓存储不同谷物的需要。本文对选用的水分仪进行改装，使其测量的水分含量值通过节点 6 采集并传输到上位机 1 中，并在界面显示。系统对于空调、换气扇、报警灯的控制，是通过上位机 1 编程实现相应联动设置。当温度高于/ 低于预设值时，联动空调； 当湿度高于/ 低于预设值时，联动换气扇 ；当水分含量不在安全范围内时，启动报警。为了更好地满足管理人员对粮仓的监控，通过上位机 1 的设置，实现 Internet 远程监控，达到管理人员只需通过网络进行监控的目的。

2 系统硬件选择及结构设计

在整个监控系统中，温湿度传感器采用DHT11，数字信号输出，湿度量程为 20～90% RH，温度量程为 0～50℃， 满足普通粮仓内温湿度数据的采集。水分仪采用电容式粮食水分测量系统，结构简单、成本低、易于在线测量。

2.1 协调器设计

图 2 所示为本系统协调器 [3] 的结构设计图。协调器是整个无线传感器网络的核心，它负责选择一个信道和网络标识符（PANID）来建立网络，并且对加入的节点进行管理和访问，对整个无线网络进行维护。在同一个无线传感器网络中，只 允许一个协调器工作。芯片选择 TI 公司的内置 RF 收发器和 增强 8051 CPU 的 CC2530，支持 ZigBee2007 标准和在线调试。 外接 JTAG 调试、电源稳压、串口 RS 232 通信。JTAG 调试 能够支持在线调试，电源稳压将外接 5 V 电源稳压成 CC2530 的工作电压，串口 RS 232 通信满足上位机与协调器之间数据 和命令的通信。

2.2 节点板设计 

由于组建无线传感星型网络，节点板没有路由功能，完 成的是整个网络的终端数据采集及设备控制任务。节点与协调 器之间通信采用内置无线 RF 收发器 [4]。为了能够完成数据采 集及设备控制任务，引出的 I/O 接口可以外接传感器和设备。 节点设计结构图如图 3 所示。

2.3 水分采集设计 

粮食水分含量测量采用电容式传感器测量，经检测电路， 得出传感器电容值的计算方法以及电容值与玉米水分之间的关 系。水分采集结构设计图如图 4 所示。用狄克逊准则进行数 据处理，最小二乘法三次拟合出同一温度下电容值与水分含 量之间的关系曲线与方程，不同温度下定容积重量与水分含量 之间的关系，综合分析系统测量玉米水分的影响因素即电容值、 温度、定容积重量，建立回归方程。MSP430 将测出的水分含 量值送至节点板的 I/O 接口。

2.4 设备控制设计 

设备控制硬件设计的体现是设备与节点的连接，节点板 的工作电压为 5 V，而设备的工作电压为设备启动所需电压， 这个时候需要电压型四路继电器。设备控制结构图如图5所示。

3 系统软件设计 

系统软件设计主要包含协调器、节点板的软件设计和上 位机 1 的监控软件设计。协调器、节点板的软件设计基于免费 的 ZStack 协议栈。

3.1 CC2530 的软件设计

利用IAR7.51 开发环境和ZStack 协议栈[5]，分别对协调器和节点进行编程、编译、下载，并设置为同一信道。利用烧写软件进行MAC 地址的写入，方便 XML 文件的配置。

3.2 监控软件 

监控软件包含三部分，界面、串行通信、节点板的数据 采集及联动控制。采用 C# 语言在 VS2010 集成开发环境作 界面开发。界面的开发主要是控件的添加和使用，重点是串 行通信。根据 DLL 开发库 Configuration.dll、Controllers.dll、 Helpers.dll，做一个窗体应用程序，完成基础网络数据读取的 功能，传感器数据、水分采集功能，控制节点板设备的功能， 最后配置、添加 XML文件。

4 系统测试 

将协调器和节点进行程序下载，烧写 MAC 地址，协调 器与上位机 1 通过串口进行连接，温湿度传感器、水分仪、报 警灯、空调、排风扇与节点 1 ～ 9 连接。打开上位机开发软件， 设置好串口参数，读取基础网络数据，采集传感器数据、水 分含量。人为改变粮仓环境，测试设备的联动功能。 

5 基于 Internet 的远程监控 

将上位机 1 设置成 Web 服务器 [6]，提供远程监控的内含 插件的 Web 网页，远程客户对服务器进行通信访问。

6 结 语

本项目立足点为粮仓监控系统研究，利用 ZigBee 技术构 建无线传感器网络，节点模块将粮仓的数据进行传送，利用 上位机软件开发，将数据分析处理显示，并联动设备的控制。 由此便可以实现远程控制，便于无人值班；节点模块独立性强， 便于维护。系统实时性强，但系统安全性有待进一步提高。