蘇世雄，李 川，馬新華，韓思蕊

（西安航空學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，西安 710077）

我國是世界上的人口大國，糧食作為人類生存的必需物品，具有舉足輕重的作用，而科學(xué)合理地存儲(chǔ)糧食是國家戰(zhàn)略物資儲(chǔ)備的必然要求。糧庫作為糧食存儲(chǔ)的基本單元具有十分重要的作用，糧食在存儲(chǔ)過程中，常因糧食的溫度、濕度、CO2濃度過高等，導(dǎo)致糧食發(fā)熱霉變[1]，給國家和人民帶來巨大的損失[2]。因此，對(duì)糧庫中的糧情監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。傳統(tǒng)的糧庫監(jiān)測(cè)由糧庫工作人員采用工具人工測(cè)量糧食的溫度、濕度等參數(shù)，此方法需要耗費(fèi)大量的人力物力財(cái)力。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，學(xué)術(shù)界針對(duì)糧庫監(jiān)測(cè)進(jìn)行了相應(yīng)研究，例如文獻(xiàn)[3]等設(shè)計(jì)了一款無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧庫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了糧庫內(nèi)糧情的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一款基于ZigBee技術(shù)的多傳感器糧庫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)了一種自組網(wǎng)的糧庫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一款智能多參數(shù)糧情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)糧庫的溫濕度變化和誘捕害蟲，實(shí)現(xiàn)了糧庫的智能化監(jiān)測(cè)功能。文獻(xiàn)[6]開發(fā)了一套基于LoRa 的糧庫糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決了多點(diǎn)傳輸沖突問題。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一款基于嵌入式ARM9 平臺(tái)的糧庫糧情智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8]針對(duì)單一傳感器采集數(shù)據(jù)片面、易造成誤報(bào)、漏報(bào)等情況，設(shè)計(jì)了一種多傳感器融合的糧倉環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)糧庫溫濕度、CO2濃度、O2濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控，從而降低外界環(huán)境干擾[9]，確保糧庫存儲(chǔ)的質(zhì)量。

雖然相關(guān)學(xué)者已經(jīng)提出了一些糧庫監(jiān)測(cè)方案，但是這些方式大多數(shù)是從某一方面進(jìn)行研究分析，并沒有將擴(kuò)展性與控制方式結(jié)合在一起，因此，本系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款智能糧庫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)一方面無需布線，自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多糧庫實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)、預(yù)警等功能，可隨時(shí)增加或刪除采集節(jié)點(diǎn)，具有良好的擴(kuò)展性；另一方面設(shè)計(jì)了2 種控制模式，手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)糧庫環(huán)境，確保糧食存儲(chǔ)安全。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

大型糧庫具有分布廣、監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散、地域面積集中等特點(diǎn)，因此，該設(shè)計(jì)采用覆蓋范圍廣、自組網(wǎng)能力強(qiáng)、信息傳輸可靠、低成本[10]的ZigBee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線通信功能，該方式一方面節(jié)省了布線的繁瑣和成本，另一方面具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，可隨時(shí)加入節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)利用ZigBee 技術(shù)構(gòu)建了網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由上位機(jī)和下位機(jī)組成，上位機(jī)的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)顯示所采集的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)控制方式的選擇；下位機(jī)主要任務(wù)是環(huán)境監(jiān)測(cè)與環(huán)境調(diào)控。下位機(jī)又分為協(xié)調(diào)器與路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的建立、數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送以及與上位機(jī)的通信；路由節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)發(fā)送與接收功能，所接收的數(shù)據(jù)用以對(duì)外圍調(diào)節(jié)設(shè)備的控制。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 Overall system architecture

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)即下位機(jī)的設(shè)計(jì)，主要分為協(xié)調(diào)器與路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)兩部分，都采用當(dāng)前流行的具有ZigBee 無線通信功能的CC2530 單片機(jī)為核心結(jié)合外圍電路所設(shè)計(jì)。協(xié)調(diào)器的主要任務(wù)是建立網(wǎng)絡(luò)，并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機(jī)；路由節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因此，該模塊框架圖設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單只有通信模塊和串口模塊即可，如圖2 所示。

圖2 協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)框圖Fig.2 Coordinator and routing node block diagram

終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送/接收以及設(shè)備的控制，因此，該模塊框架圖設(shè)計(jì)如圖3 所示，主要由傳感器模塊、調(diào)控設(shè)備模塊、通信模塊和報(bào)警模塊組成。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)框圖Fig.3 Terminal node block diagram

傳感器模塊包括溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器。其中，溫濕傳感器采用DHT11 數(shù)字溫度傳感器，該傳感器是一款已校準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)輸出傳感器，該傳感器采用單總線串行接口，具有采集精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[11]；CO2濃度傳感器采用MG-812型二氧化碳傳感器，該傳感器利用紅外光吸收原理檢測(cè)空氣中的CO2濃度，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，可通過AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長等特點(diǎn)。調(diào)控設(shè)備模塊采用風(fēng)扇進(jìn)行模擬，模擬改善當(dāng)前環(huán)境。報(bào)警模塊由LED 報(bào)警燈和蜂鳴器組成，用來提醒庫房管理人員糧庫異常。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用 IAR Embedded Workbench for 8051 軟件對(duì)Z-Stack 協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)，IAR for 8051 是開發(fā)CC2530 的常用工具，它具有完全標(biāo)準(zhǔn)的C 兼容、良好的版本控制和擴(kuò)展工具、便捷的模擬和中斷處理[12]等優(yōu)點(diǎn)。Z-Stack 協(xié)議棧采用的是操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）協(xié)議棧調(diào)度程序，用戶只能通過調(diào)用API 接口開發(fā)具體應(yīng)用，因此，該協(xié)議也被成為半開源的協(xié)議棧[13]。下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要是協(xié)調(diào)器與路由器和終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)原理由Z-Stack 協(xié)議棧決定，所有流程基本類似，其流程參考文獻(xiàn)[3]，此處不再贅述。本文重點(diǎn)介紹上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

上位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示和選擇控制方式，這就要求界面友好且簡(jiǎn)單，而Qt 是一款跨平臺(tái)的開發(fā)環(huán)境[14]，具有面向?qū)ο蟮乃袃?yōu)點(diǎn)[15]，提供豐富的圖形界面且支持輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫Sqlite3。因此，上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用基于Qt 平臺(tái)和Sqlite 3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種控制方式：手動(dòng)方式和自動(dòng)方式。手動(dòng)方式即傳統(tǒng)方式，用戶自行控制外圍設(shè)備；自動(dòng)方式即智能方式，系統(tǒng)根據(jù)用戶在界面中設(shè)置的不同閾值區(qū)間，判斷采集的數(shù)據(jù)是否在閾值范圍內(nèi)，若數(shù)值不在閾值范圍內(nèi)，則開啟設(shè)備，對(duì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，使糧庫環(huán)境置于合適的環(huán)境中，否則設(shè)備就關(guān)閉，設(shè)計(jì)的軟件流程如圖4 所示。用戶通過登錄界面輸入正確的用戶名和密碼，配置好相應(yīng)的串行口數(shù)據(jù)即可獲得糧庫中不同倉庫的實(shí)時(shí)溫度、濕度、CO2濃度以及各設(shè)備狀態(tài)等信息。通過按鈕選擇控制模式，用以調(diào)節(jié)糧庫中的環(huán)境。當(dāng)選擇自動(dòng)模式時(shí)，可以根據(jù)糧庫中存放的糧食類型實(shí)時(shí)的設(shè)置溫度、濕度、CO2濃度等閾值區(qū)間，以便系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境。同時(shí)，在手動(dòng)模式時(shí)，用戶也可以查看歷史數(shù)據(jù)，以便于數(shù)據(jù)分析。

圖4 上位機(jī)軟件流程Fig.4 Upper computer software flow chart

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的糧庫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)實(shí)物如圖5所示，上位機(jī)UI 界面如圖6 所示，此時(shí)系統(tǒng)控制模式為手動(dòng)模式。

圖5 下位機(jī)實(shí)物Fig.5 Physical object of lower computer

圖6 上位機(jī)界面Fig.6 Upper computer interface

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能的完整性和穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，分為手動(dòng)模式測(cè)試和自動(dòng)模式測(cè)試。

（1）手動(dòng)模式，顯示各測(cè)量數(shù)據(jù)，控制外部設(shè)備，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 手動(dòng)模式測(cè)試表Tab.1 Manual mode test

（2）自動(dòng)測(cè)試，顯示各測(cè)量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證各個(gè)模塊聯(lián)動(dòng)功能，測(cè)試如圖7 所示，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)在閾值區(qū)間內(nèi)，則報(bào)警和風(fēng)扇關(guān)閉，如圖7（a）所示；更改閾值區(qū)間范圍，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)不在閾值區(qū)間范圍內(nèi)，則報(bào)警和風(fēng)扇打開，如圖7（b）所示，其全部測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 自動(dòng)模式測(cè)試表Tab.2 Automatic mode test

圖7 自動(dòng)模式Fig.7 Automatic mode

當(dāng)在手動(dòng)模式時(shí)，可以點(diǎn)擊界面中查看歷史數(shù)據(jù)按鈕，查看采集的數(shù)據(jù)變化過程，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)，為用戶分析異常提供數(shù)據(jù)支撐，顯示界面如圖8 所示。所有測(cè)試次數(shù)均為100 次，測(cè)試結(jié)果均正常。因此，系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)功能，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖8 歷史數(shù)據(jù)記錄Fig.8 Historical data record

5 結(jié)語

該系統(tǒng)采用CC2530 單片機(jī)、各種傳感器、外圍設(shè)備模塊和Qt 平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的糧庫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了糧庫環(huán)境信息實(shí)時(shí)采集和設(shè)備智能化控制，使得糧庫管理更加智能化。經(jīng)運(yùn)行測(cè)試表明，該系統(tǒng)功能符合設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，具有較高的實(shí)用性。本設(shè)計(jì)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了兩種控制方式，手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，既考慮了傳統(tǒng)方式又兼顧了智能化方式；閾值設(shè)定不再是單一的、固定的方式，而通過上位機(jī)設(shè)定閾值區(qū)間，既方便用戶根據(jù)糧庫中存放的不同糧食類型動(dòng)態(tài)更改閾值范圍，又可以不用再次下載下位機(jī)程序；在手動(dòng)工作方式下，可以查看歷史數(shù)據(jù)記錄，以便管理員分析當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)變化情況，為糧食安全存儲(chǔ)提供數(shù)據(jù)支撐；系統(tǒng)采用ZigBee 自組網(wǎng)技術(shù)，隨著糧庫數(shù)量的增加，只需要增加路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)數(shù)即可完成對(duì)糧庫的監(jiān)測(cè)，無需布線，具有良好的可擴(kuò)展性。