黃曉紅 朱寶明

摘 要：文中設(shè)計了一種基于ZigBee和GSM網(wǎng)絡(luò)的倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對倉庫環(huán)境信息的采集、數(shù)據(jù)傳輸及對倉庫通風(fēng)窗口的智能控制。用戶可以通過GSM網(wǎng)絡(luò)以手機短信的方式對倉庫的溫濕度、氣味濃度等環(huán)境參數(shù)進行查詢，還可以通過手機短信對倉庫通風(fēng)窗口、除濕設(shè)備的開閉進行遠(yuǎn)程控制。

關(guān)鍵詞：ZigBee；GSM；環(huán)境監(jiān)控；智能控制；遠(yuǎn)程控制

中圖分類號：TP277 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-03

0 引 言

我國不僅是一個農(nóng)業(yè)大國，更是工業(yè)大國，倉庫成為了眾多企業(yè)和公司不可缺少的一部分。糧食、工業(yè)產(chǎn)品在儲存過程中易受溫濕度等因素的影響，可能會霉變、生銹甚至引起火災(zāi)等，而無人看管的倉庫則會出現(xiàn)無關(guān)人員隨意進入、偷盜等情況[1]。企業(yè)和公司的傳統(tǒng)做法是安裝有線監(jiān)控或者采用人工值守等方式，但有線監(jiān)控在多個監(jiān)測點或者布線困難的情況下顯得繁瑣，且成本高，不靈活；而人工值守的方式不僅費時、費力且隨機性大，數(shù)據(jù)測量不準(zhǔn)確。針對這些問題，本文基于ZigBee和GSM網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一種以STM32F103ZET6為主控芯片，成本低，靈活性好，可靠程度高的倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)主要由ZigBee模塊、主控芯片、GPRS無線發(fā)射模塊組成。

ZigBee模塊分為終端和協(xié)調(diào)器兩部分，終端負(fù)責(zé)接收并處理傳感器采集的溫濕度、煙霧等倉庫環(huán)境數(shù)據(jù)，并將處理好的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控芯片。

主控芯片負(fù)責(zé)接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)。控制液晶屏顯示溫濕度信息，并等待用戶以短信形式發(fā)送指令，當(dāng)接收到查詢指令時，主控芯片通過GPRS無線發(fā)射模塊及時將倉庫的溫濕度信息發(fā)送給用戶；接收到命令指令后，主控芯片將命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，進而控制各個終端，終端依照接收的指令控制繼電器的開閉，最終實現(xiàn)打開或關(guān)閉通風(fēng)窗口和除濕設(shè)備的目的。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計

系統(tǒng)終端和協(xié)調(diào)器均采用TI公司生產(chǎn)的ZigBee SOC CC2530F256芯片，該芯片基于 IEEE 802.15.4 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[3]，能夠以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點[4]。CC2530芯片集成了RF收發(fā)器、增強工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU、可編程 Flash 存儲器、8 KB RAM和許多其他強大功能[5]。此外，ZigBee模塊安裝了3 dB的2.4 GHz膠棒天線，使得輸出功率達(dá)到22dBm，終端與協(xié)調(diào)器之間的有效傳輸距離長達(dá)500 m，可滿足大型倉庫的通信要求。

主控芯片采用STM32F103ZET6處理器。該處理器不僅功耗低，還帶有512 KB Flash和64 KB SRAM存儲器[6]。工作電壓范圍為2.0～3.6 V，具有多種省電模式，可完全滿足低功耗的要求。無線發(fā)射模塊采用具有緊湊型、高可靠性特點的無線模塊SIM900A，它采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，擁有強大功能的處理器ARM9216EJ-S內(nèi)核，能夠滿足低成本，緊湊尺寸的要求。

2.1 終端節(jié)點設(shè)計

系統(tǒng)由四個終端組成，其中兩個終端分別監(jiān)測倉庫中的溫濕度和氣味濃度，另外兩個負(fù)責(zé)紅外報警和繼電器控制。采用DHT11溫濕度傳感器監(jiān)測倉庫中的溫濕度，該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[7]，具有極高的可靠性和優(yōu)秀的穩(wěn)定性，適合長期監(jiān)測環(huán)境的溫濕度。采用MQ2煙霧傳感器監(jiān)測氣味濃度，該傳感器對可燃性氣體有較高的靈敏度，完全契合倉庫預(yù)防火災(zāi)的要求。該終端采用紅外熱釋電傳感器HC-SR501進行紅外報警，是一款基于紅外技術(shù)的自動控制產(chǎn)品，具有靈敏度高，可靠性好，超低功耗等優(yōu)點，能夠在超低電壓下工作，采用一款5 V或兼容3.3 V的繼電器連接到ZigBee終端模塊即可。圖2中從左到右依次是溫濕度傳感器、煙霧傳感器和紅外傳感器。

2.2 協(xié)調(diào)器設(shè)計

協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)啟動、配置網(wǎng)絡(luò)和收發(fā)數(shù)據(jù)，無需連接任何傳感器和繼電器。協(xié)調(diào)器通過串口與主控芯片連接，可實現(xiàn)串口通信。因ZigBee模塊、主控芯片和無線發(fā)射模塊擁有相同的通信協(xié)議，因此僅需注意各模塊串口的正確連接即可。通訊協(xié)議的格式見表1所列。

2.3 主控電路設(shè)計

主控電路芯片采用STM32F103ZET6處理器，由主控芯片作為系統(tǒng)中樞，起到承上啟下的作用。主控芯片通過串口連接SIM900A模塊、液晶顯示模塊和協(xié)調(diào)器。各模塊連接方式如圖3所示。圖中從左到右依次是協(xié)調(diào)器、主控電路、SIM900A無線發(fā)射模塊，主控電路連接電源，為協(xié)調(diào)器和無線發(fā)射模塊供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由主控芯片的系統(tǒng)軟件和ZigBee模塊部分的系統(tǒng)軟件組成。

3.1 主控芯片的系統(tǒng)軟件

主控芯片既要負(fù)責(zé)接收各種傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，又要接收用戶發(fā)送的指令，經(jīng)常需要處理多個任務(wù)，因此在主控芯片中植入一個實時多任務(wù)的操作系統(tǒng)很有必要。系統(tǒng)采用μC/OS-II操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)可基于ROM運行，可裁剪，含實時多任務(wù)內(nèi)核，具有高度的可移植性，適用于微處理器和控制器[8]。待操作系統(tǒng)移植好后，根據(jù)需要確定各任務(wù)的優(yōu)先級，安排各任務(wù)的執(zhí)行順序并設(shè)計相應(yīng)的程序。將設(shè)計好的程序燒到主控芯片，使芯片具有運行協(xié)調(diào)任務(wù)的能力，從而確保任務(wù)之間可無沖突、流暢地同步運行。

3.2 ZigBee模塊的系統(tǒng)軟件

為了讓用戶更方便地使用ZigBee技術(shù)，TI公司向用戶免費提供了Z-Stack，即CC2530開發(fā)板的配套程序。Z-Stack包含了協(xié)調(diào)器和終端程序設(shè)計的例程，用戶可根據(jù)自身需要在相應(yīng)的例程基礎(chǔ)上修改協(xié)議棧規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、PANID、信道和數(shù)據(jù)收發(fā)函數(shù)等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及與系統(tǒng)工程相關(guān)的應(yīng)用層和與硬件部分相關(guān)的程序。本文所設(shè)計的系統(tǒng)中，系統(tǒng)協(xié)調(diào)器和終端程序設(shè)計都通過在IAR Embedded Workbench for 8051開發(fā)環(huán)境下修改Z-Stack-CC230-2.5.1的SampleApp例程來完成。

3.3 系統(tǒng)軟件執(zhí)行過程

操作系統(tǒng)啟動后首先初始化硬件設(shè)備，從配置文件中讀取相關(guān)配置信息，之后初始化串口，接收協(xié)調(diào)器從串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，等待用戶發(fā)送命令指令，如果接收到指令則發(fā)送實時數(shù)據(jù)給用戶，或者將用戶的指令發(fā)送給協(xié)調(diào)器。ZigBee內(nèi)網(wǎng)的建立和維護由ZigBee協(xié)調(diào)器承擔(dān)，接收主控芯片傳送的控制指令并轉(zhuǎn)發(fā)到各個終端[9]。在本系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)，星形網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)命令都通過中心節(jié)點傳輸?shù)囊粋€輻射狀系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本低等優(yōu)點。網(wǎng)絡(luò)組建主要包括系統(tǒng)初始化、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓潞凸?jié)點通信幾方面[10]。協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)通信流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)設(shè)計的模塊包括傳感器終端模塊、主控電路模塊，與主控電路連接的協(xié)調(diào)器模塊以及GPRS無線發(fā)射模塊。系統(tǒng)連接如圖5所示。

將制作好的系統(tǒng)終端節(jié)點模塊和主控電路等模塊放在模擬倉庫中進行測試，將不同類別的傳感器模塊等間隔放置在倉庫內(nèi)的不同位置。系統(tǒng)上電后，液晶屏開始顯示倉庫的溫濕度。當(dāng)用戶手機發(fā)送短信查詢倉庫環(huán)境信息時，可以收到系統(tǒng)發(fā)送的倉庫溫濕度數(shù)據(jù)信息。當(dāng)紅外傳感器檢測到有人時，系統(tǒng)主動將報警信息以短信形式發(fā)送到手機。用打火機在煙霧傳感器周圍釋放可燃?xì)怏w，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度超過程序中預(yù)設(shè)的上限時，系統(tǒng)會主動發(fā)送報警信息給手機，如圖6所示。

經(jīng)測試，該系統(tǒng)對溫度的檢測誤差為0.1℃，濕度誤差為1%RH，煙霧濃度分辨率為0.3，可滿足對倉庫環(huán)境參數(shù)的檢測精度要求。該系統(tǒng)對可燃性氣體反應(yīng)靈敏，當(dāng)檢測到可燃性氣體時會迅速向用戶發(fā)送報警短信，并準(zhǔn)確控制繼電器的開閉。

5 結(jié) 語

本文所設(shè)計的倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用ZigBee無線通信方式，用戶無需布線，只需將終端設(shè)備放置到需要監(jiān)測的位置即可，便于安裝。系統(tǒng)使用的主控芯片功能強大，具有良好的擴展性，可以根據(jù)客戶的不同需要在原來的基礎(chǔ)上增加新的功能。用戶可以短信方式查詢倉庫環(huán)境信息并控制倉庫通風(fēng)窗口，非常人性化。本文設(shè)計的系統(tǒng)具有耗能少，成本低，穩(wěn)定性好等特點，具有一定的推廣價值。

參考文獻

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