基于ZigBee和GSM网络的仓库环境监控系统设计

引 言

我国不仅是一个农业大国，更是工业大国，仓库成为了众多企业和公司不可缺少的一部分。粮食、工业产品在储存过程中易受温湿度等因素的影响，可能会霉变、生锈甚至引起火灾等，而无人看管的仓库则会出现无关人员随意进入、偷盗等情况[1]。企业和公司的传统做法是安装有线监控或者采用人工值守等方式，但有线监控在多个监测点或者布线困难的情况下显得繁琐，且成本高，不灵活；而人工值守的方式不仅费时、费力且随机性大，数据测量不准确。针对这些问题，本文基于ZigBee 和GSM 网络设计了一种以 STM32F103ZET6 为主控芯片，成本低，灵活性好，可靠程度高的仓库环境监控系统 [2]。

1 系统总体设计

该系统主要由ZigBee 模块、主控芯片、GPRS 无线发射模块组成。

ZigBee 模块分为终端和协调器两部分，终端负责接收并处理传感器采集的温湿度、烟雾等仓库环境数据，并将处理好的数据通过无线网络发送给协调器。

协调器负责接收终端发送的数据，然后通过串口将数据发送给主控芯片。

主控芯片负责接收协调器发送的数据。控制液晶屏显示温湿度信息，并等待用户以短信形式发送指令，当接收到查询指令时，主控芯片通过 GPRS 无线发射模块及时将仓库的温湿度信息发送给用户；接收到命令指令后，主控芯片将命令发送给协调器，进而控制各个终端，终端依照接收的指令控制继电器的开闭，最终实现打开或关闭通风窗口和除湿设备的目的。系统总体设计框图如图 1 所示。

2 系统硬件选型与设计

系统终端和协调器均采用TI公司生产的 ZigBeeSOC CC2530F256芯片，该芯片基于 IEEE 802.15.4规范标准[3]，能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点[4]。CC2530芯片集成了RF收发器、增强工业标准的 8051MCU、可编程 Flash 存储器、8KBRAM和许多其他强大功能[5]。此外，ZigBee 模块安装了 3dB的 2.4GHz 胶棒天线，使得输出功率达到22dBm，终端与协调器之间的有效传输距离长达 500m，可满足大型仓库的通信要求。

主控芯片采用STM32F103ZET6 处理器。该处理器不仅功耗低，还带有 512 KB Flash 和 64 KB SRAM 存储器[6]。工作电压范围为 2.0 ～3.6 V，具有多种省电模式，可完全满足低功耗的要求。无线发射模块采用具有紧凑型、高可靠性特点的无线模块 SIM900A，它采用SMT 封装的双频GSM/GPRS 模块解决方案，拥有强大功能的处理器ARM9216EJ-S 内核， 能够满足低成本，紧凑尺寸的要求。

2.1 终端节点设计

系统由四个终端组成，其中两个终端分别监测仓库中的温湿度和气味浓度，另外两个负责红外报警和继电器控制。采用DHT11 温湿度传感器监测仓库中的温湿度，该传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器 [7]，具有极高的可靠性和优秀的稳定性，适合长期监测环境的温湿度。采用MQ2 烟雾传感器监测气味浓度，该传感器对可燃性气体有较高的灵敏度，完全契合仓库预防火灾的要求。该终端采用红外热释电传感器HC-SR501 进行红外报警，是一款基于红外技术的自动控制产品，具有灵敏度高，可靠性好，超低功耗等优点，能够在超低电压下工作，采用一款 5 V 或兼容 3.3 V 的继电器连接到ZigBee 终端模块即可。图 2 中从左到右依次是温湿度传感器、烟雾传感器和红外传感器。

图 2 传感器实物

2.2 协调器设计

协调器主要负责启动、配置网络和收发数据，无需连接任何传感器和继电器。协调器通过串口与主控芯片连接，可实现串口通信。因ZigBee 模块、主控芯片和无线发射模块拥有相同的通信协议，因此仅需注意各模块串口的正确连接即可。通讯协议的格式见表 1 所列。

2.3 主控电路设计

主控电路芯片采用 STM32F103ZET6 处理器，由主控芯 片作为系统中枢，起到承上启下的作用。主控芯片通过串口 连接 SIM900A 模块、液晶显示模块和协调器。各模块连接 方式如图 3 所示。图中从左到右依次是协调器、主控电路、 SIM900A 无线发射模块，主控电路连接电源，为协调器和无 线发射模块供电。

图 3 模块连接图

3 系统软件设计

系统软件由主控芯片的系统软件和 ZigBee 模块部分的系 统软件组成。

3.1 主控芯片的系统软件

主控芯片既要负责接收各种传感器发送的数据，又要接 收用户发送的指令，经常需要处理多个任务，因此在主控芯 片中植入一个实时多任务的操作系统很有必要。系统采用μC/ OS-II 操作系统，该系统可基于 ROM 运行，可裁剪，含实时 多任务内核，具有高度的可移植性，适用于微处理器和控制 器 [8]。待操作系统移植好后，根据需要确定各任务的优先级， 安排各任务的执行顺序并设计相应的程序。将设计好的程序 烧到主控芯片，使芯片具有运行协调任务的能力，从而确保任 务之间可无冲突、流畅地同步运行。

3.2 ZigBee 模块的系统软件

为了让用户更方便地使用 ZigBee 技术，TI 公司向用户免 费提供了 Z-Stack，即 CC2530 开发板的配套程序。Z-Stack 包 含了协调器和终端程序设计的例程，用户可根据自身需要在相 应的例程基础上修改协议栈规范、网络拓扑结构、PANID、信 道和数据收发函数等网络参数及与系统工程相关的应用层和与 硬件部分相关的程序。本文所设计的系统中，系统协调器和终 端程序设计都通过在 IAR Embedded Workbench for 8051 开发 环境下修改 Z-Stack-CC230-2.5.1 的 SampleApp 例程来完成。

3.3 系统软件执行过程

操作系统启动后首先初始化硬件设备，从配置文件中读 取相关配置信息，之后初始化串口，接收协调器从串口发送的 数据，等待用户发送命令指令，如果接收到指令则发送实时数 据给用户，或者将用户的指令发送给协调器。ZigBee 内网的建 立和维护由 ZigBee 协调器承担，接收主控芯片传送的控制指 令并转发到各个终端 [9]。在本系统采用星形网络，星形网络是 数据和网络命令都通过中心节点传输的一个辐射状系统，具有 结构简单，设备成本低等优点。网络组建主要包括系统初始化、 网络拓扑更新和节点通信几方面 [10]。协调器网络通信流程如 图 4 所示。

4 系统测试

本系统设计的模块包括传感器终端模块、主控电路模块，与主控电路连接的协调器模块以及 GPRS 无线发射模块。系 统连接如图 5 所示。

将制作好的系统终端节点模块和主控电路等模块放在模 拟仓库中进行测试，将不同类别的传感器模块等间隔放置在 仓库内的不同位置。系统上电后，液晶屏开始显示仓库的温湿 度。当用户手机发送短信查询仓库环境信息时，可以收到系 统发送的仓库温湿度数据信息。当红外传感器检测到有人时， 系统主动将报警信息以短信形式发送到手机。用打火机在烟 雾传感器周围释放可燃气体，当可燃气体浓度超过程序中预设 的上限时，系统会主动发送报警信息给手机，如图 6 所示。

经测试，该系统对温度的检测误差为 0.1℃，湿度误差为 1%RH，烟雾浓度分辨率为 0.3，可满足对仓库环境参数的检 测精度要求。该系统对可燃性气体反应灵敏，当检测到可燃性 气体时会迅速向用户发送报警短信，并准确控制继电器的开闭。

5 结 语

本文所设计的仓库环境监控系统采用 ZigBee 无线通信 方式，用户无需布线，只需将终端设备放置到需要监测的位置 即可，便于安装。系统使用的主控芯片功能强大，具有良好的 扩展性，可以根据客户的不同需要在原来的基础上增加新的 功能。用户可以短信方式查询仓库环境信息并控制仓库通风窗 口，非常人性化。本文设计的系统具有耗能少，成本低，稳定 性好等特点，具有一定的推广价值。