基于ZigBee和GPRS技术的仓储环境监测系统设计

江西农业学报

2 0 1 3, 2 5 ( 3 ): 1 0 7~1 1 0

A c t a Ag r i c u h u r a e J i a n g x i

基于 Z i g B e e和 GP R S技术的仓储环境监测系统设计郑宝周 ,李富强 ,吴莉莉 ,林爱英 ,郑丹 ,郁会平 ,袁超( 1 .河南农业大学理学院，河南郑州 4 5 0 0 0 2; 2,郑州大学综合设计研究院，河南郑州 4 5 0 0 0 2 )

摘

要：针对粮仓环境的特点，提出了基于 Z i g B e e和 G P R S技术的粮仓环境无线监测方案。方案采用 Z i g B e e技术搭建

测量网络并实时采集温湿度数据，通过 G P R S模块将数据发送至远程监测中心，实现了数据的短距离采集与远程传输相结

合。本文详细阐述了该无线监测系统的总体方案设计、主要功能模块的软硬件设计。测试结果表明，该系统运行稳定、安装维护简单，能满足实际应用的需求。关键词：仓储；环境监测；无线系统； Z i g B e e; G P R S

中图分类号：￥ 5 1 . 0 9 3文献标志码： A文章编号： 1 0 0 1—8 5 8 1 ( 2 0 1 3 ) 0 3— 0 1 0 7— 0 4

De s i g n o f St o r a g e Env i r o nm e n t a l Mo ni t o r i ng Sy s t e m Ba s e d

o n Zi g Be e a n d GP RS Te c h n o l o g yZ HEN G B a o—z h o u,L I F u—q i a n g,W U L i—l i ,L I N Ai—y i n g,Z HE NG D a n,YU Hu i—p i n g 2 YU AN Ch a o’,

( 1 .C o l l e g e o f S c i e n c e s, H e n a n A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y, Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2, C h i n a; 2 .Mu l t i—f u n c t i o n a l D e s i g n a n d R e s e a r c h A c a d e m y, Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y, Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2,C h i n a )Ab s t r a c t:Ac c o r d i n g t o t h e c h a

r a c t e i r s t i c s o f g r a n a r y e n v i r o n me n t,a d e s i g n o f s t o r a g e e n v i r o n me n t l a w i r e l e s s mo n i t o in r g s y s t e mb a s e d o n Zi g B e e a n d GP RS t e c h n o l o g y wa s p r o p o s e d .Zi g B e e t e c h n o l o y g w a s u s e d t o e s t a b l i s h t h e me a s u in r g n e t w o r k a n d c o l l e c t t h e r e l—t a i me d a t a o f t e mp e r a t u r e a n d h u mi d i t y .T h e c o l l e c t e d d a t a we r e s e n t t o t h e r e mo t e mo n i t o i r n g c e n t e r t h r o u g h GP R S mo d u l e .

T h u s。t h i s s y s t e m r e li a z e d t h e i n t e g r a t i o n o f s h o r t—d i s t a n c e d a t a c o l l e c t i o n a n d l o n g—d i s t nc a e d a t a t r a n s mi s s i o n .T h i s p a p e r e l a b o— r a t e d t h e o v e r a l l s c h e me d e s i g n o f t h i s w i r e l e s s mo n i t o i r n g s y s t e m,a n d t h e h a r d wa r e a n d s o t f w a r e d e s i n g o f ma i n f u n c t i o n l a mo d u l e s . T h e t e s t r e s u l t s s h o we d t h a t t h e s y s t e m h a d t h e a d v a n t a g e s o f g o o d s t a b i l i t y,s i mp l e i n s t ll a a t i o n a n d ma i n t e n a n c e,a n d c o u l d me e t t h en e e d s f o r p r a c t i c a l

a p p l i c a t i o n s . Ke y wo r d s:S t o r a g e;En v i r o n me n t a l mo n i t o r i n g;W i r e l e s s s y s t e m;Z i g B e e;GP R S

近年来，我国大中型粮仓都存在着不同程度的粮

高，往往难以在国内推广…。

食潮湿发热、发霉变质、滋生害虫等问题，每年因此造成的粮食损失巨大。粮堆内的温度和湿度与粮食的储藏品质密切相关，是影响粮食安全储藏最重要的两个因素。借助于粮仓环境实时监测系统，时刻掌握粮堆

针对上述实际情况，并考虑到粮仓储粮对温湿度监测的特殊要求，我们在粮仓中搭建 Z i g B e e网络对温湿度数据进行了实时监测，并借助 G P R S网络将采集数据发送至远程监测中心。测试结果表明，将Z i g B e e和 G P R S技术引入到粮仓环境无线监测系统中，能克服在粮仓中布线和维护的种种困扰及不可预知因素的影响，并能显著降低系统的维护成本，在可靠性、扩展性方面使整个系统得到优化。

内部温度、湿度的变化情况，为制定有效的通风、降温、 降湿等调控措施提供准确的参考数据，是保障粮食储藏安全不可缺少的手段。

目前，我国粮仓大多采用由 P C机和单片机组成的主从式有线监测系统。经过长期使用后，发现这种有线系统存在着可靠性低、功能扩展受限、易受电磁干扰、布线改线工作量大等问题。基于 Z i g B e e技术的无线传感器网络是一种集信息采集、处理和无线传输于一

1 系统构成及工作原理如图1所示，本无线监测系统采用三层式结构：底层由大量廉价的终端节点组成，每个终端节点包括 Z i g B e e无线通信模块和温湿度数据采集模块；中间层

体的先进监测技术，具有低复杂度、低功耗、低成本、

近距离传输和部署方便等特点。国内外科研人员已将 Z i g B e e技术应用于不同的农业环境监测领域，但从国外进口的同类系统及设备价格昂贵，运行、维护成本较

是网关节点，由Z i g B e e通信模块和 G P R S通信模块组成；上层是远程的监测中心，由P c机和 G P R S通信模块组成。网关节点和所有终端节点组成星型 Z i g B e e网

收稿日期： 2 0 1 2—1 1—1 6

基金项目：河南省教育厅科学技术研究重点项目“基于随机共振的电子鼻信号的分类研究” ( 1 2 A 5 1 0 0 1 4 )。

作者简介：郑宝周 ( 1 9 7 9一),男，河南桐柏人，讲师，硕士，从事信息检测与处理技术、嵌人式控制技术等方面的研究。 通讯作者：袁超。

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络，其中网关节点为全功能 Z i g B e e节点 ( F F D ),是整个 Z i g B e e网络的协调器，负责发起并组织 Z i g B e e网络；终

2 . 1终端节点的硬件设计

终端节点是本监测系统

的基本组成单元，其任务是实现粮仓环境参数的感知、 采集、处理及无线传输等功能。终端节点硬件电路由

端节点为部分功能节点 ( R F D),在收到协调器发来的信标帧后，申请注册并加入 Z i g B e e网络。本仓储环境监测系统以某中型粮仓为监测对象， 该粮仓长 4 2 m,宽1 8 m,粮面高 5 I T I,储粮约4 0 0 0 t。我

Z i g B e e通信模块、数据采集模块和电源供电模块组成， 其结构如图 2所示。Z i g B e e通信模块包括 C C 2 4 3 0芯片及其相关外围电路。C C 2 4 3 0是 C l l i p c o n公司生产的一

国粮情测控系统国标要求粮堆中温度传感器布置水平方向行列间距不大于 5 n l,垂直方向间距不大于 3m…。

款真正符合 I E E E 8 0 2 . 1 5 . 4标准的片上 Z i g B e e产

据此要求，监测系统 Z i g B e e网络节点采用图 1

品，有C C 2 4 3 0一 F 3 2/ 6 4/ 1 2 8三个版本，分别对应内置 3 2/ 6 4/ 1 2 8 k B的片内 F l a s h存储器。该芯片具有两个功能强大的 U S A R T串行接口和 2 3个可编程的 I/ O引脚，在休眠模式时仅 1 A的耗流。由于 C C 2 4 3 0集成

所示的部署方案。终端节点在水平方向行列间隔 4 m,

需l O行 5列共 5 0个节点。终端节点的 Z i g B e e通信模块安放于粮面上，数据采集模块则埋入其正下方的粮堆中。数据采集模块由安放在 Z i g B e e通信模块正下方 0 . 5、 2 . 5和4 . 5 m处的 3个温湿度传感器组成，传感器通过测量电缆与 Z i g B e e通信模块相连接。网关节点安

有增强型工业级 8 0 5

1处理器和 2 . 4 G H z无线收发模块，因而省去了无线收发芯片与处理器之间接口电路的设计，简化了设计过程，缩短了研发周期。鉴于系

统对终端节点的数据存储和处理能力要求不是很高，为了节约成本，选用集成 3 2 k B片内 F l a s h的 C C 2 4 3 0

放在粮仓顶部中心处，可与所有终端节点进行 Z i g B e e无线通信。

作为 Z i g B e e通信模块核心器件。C C 2 4 3 0的 R F~ P、T X/RX—

S WI T C H和 R F— N三个引脚经非平衡变压器与

非平衡天线相连，满足射频天线 5 0 Q阻抗匹配的要求。C C 2 4 3 0采用低电压 ( 2 . 1~3 . 6 V)供电，由3 2 M H z石英晶振电路提供工作状态下的系统时钟。Z i g .

B e e通信模块安放于粮堆表面，经无障碍传输空间与网关节点进行 Z i g B e e无线通信。为了延长终端节点的工

作周期， Z i g B e e通信模块在闲置时快速进入低功耗模图 1仓储环境无线监测系统的结构

式，其外设电路也进入休眠状态。CC24 3O…一

监测系统的工作原理可以描述为：系统上电后，网关节点和终端节点进行初始化操作，接着网关节点搜

i数据

索空闲工作信道、启动 Z i g B e e网络并等待终端节点的连接请求。待所有终端节点成功加入 Z i g B e e网络后， 运行定位算法，以确定每个终端节点的确切位置。随后，如果网关节点收到监测中心发出的数据采集命令， 则将命令经 Z i g B e e网络转发至所有终端节点。终端节

采集：横块

:…

.

.

点根据命令或者定时调用数据采集程序获取当前温湿度信息，对数据做初步处理后上传至网关节点。网关节点收集所有采集数据并进行分析、处理、融合，得到统一格式的数据包，由 G P R S模块将数据包上传至 G P R S网络。监测中心的 G P R S模块接收数据包，经图 2终端节点的硬件结构

数据采集模块主要包括 3个数字式温湿度传感器S H T 1 1。S H T 1 1是瑞士 S e n s i r i o n公司推出的基于

R S 2 3 2串行通信发送至 P C机，由P C机数据管理软件完成对数据的处理、分析工作。

C MO S e n s T M技术的新型温湿度传感器，其

相对湿度测量范围是 0%~1 0 0%,温度测量范围为一 4 0℃~+

2系统硬件设计在本监测系统中，网关节点一方面通过 Z i g B e e网络与终端节点进行无线通信，另一方面通过 G P R S网络与远程监测中心 P C机进行通信。为简化系统设计，网关节点与终端节点的 Z i g B e e通信模块采用相同的设计方案，监测中心和网关节点的 G P R S通信模块采用相同的设计方案。

1 2 3 . 8℃。S C K为串行时钟输入引脚，负责 S H T 1 1与C C 2 4 3 0芯片中的 8 0 5 1 M C U保持同步。D A T A为串行

数据输出引脚， S H T 1 1采集的数据经 D A T A传送到 8 0 5 1 M C U,电路中该引脚需接一个 1 0 k D的上拉电阻。1至3号S H T 1 1的 S C K分别与 C C 2 4 3 0的 P 0 _ J D~ P 0 _ 2

引脚连接； 3个传感器的 D A T A引脚与 C C 2 4 3 0的 P 1 . 0~

P 1 _ 2引脚连接。

3期

郑宝周等：基于 Z i g B e e和G P R S技术的仓储环境监测系统设计

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电源供电模块负责为 Z i g B e e通信模块和数据采集模块提供稳定的工作电压，该模块使用 2节 A A电池供电。供电电路主要包括 1 . 8 V和3 . 3 V电源滤波电路，

3系统软件设计3 . 1网关节点的软件设计网关节点软件选用 I A R

具体设计参考 C h i p c o n公司滤波电容组设计。 2 . 2 网关节点的硬件设计网关节点主要负责 G P R S与Z i g B e e网络之间的双向数据转换，实际上是一个基于G P R S协议和 Z i g B e e协议的转换网关。一方面，在 z i g B e e网络中，网关节点起到网络协调器的作用，主要

E m b e d d e d Wr o k b e n c h f o r M C S一 5 1作为开发调试平台，Z i g B e e协议采用 T I公司的 z— S T A C K协议栈。网关节

点软件运行在一个基于任务调度机制的 O S A L操作系统上，该操作系统通过对任务的事件触发来实现任务调度。

工作包括 Z i g B e e网络组建、监听终端节点以及与终端节点间的双向通信等任务；另一方面，网关节点还要承担 G P R S协议与 Z i g B e e协议间数据的转换、 G P

R S网络数据的接收和发送等任务。 考虑到系统对网关节点功能的具体要求，本文将

网关节点软件按功能可划分为主程序、 G P R S数据

发送子程序和接收子程序、 Z i g B e e数据处理子程序等几个部分。Z i g B e e数据处理子程序主要负责 G P R S与Z i g B e e网络之间的双向数据转换、 Z i g B e e数据的接收和发送等任务。发送 Z i g B e e数据时，为提高数据传输

速度，采用 D M A传输方式将内存区中的数据传送到 Z i g B e e无线收发模块的先进先出缓存器 T X F I F O中，经过一系列的硬件处理，最后通过天线向外发射无线信号。接收 z i g B e e数据是发送数据的逆过程，同样采用

网关节点的硬件电路划分为 Z i g B e e通信模块、 G P R S通信模块和电源供电模块，图 3为网关节点的硬件结构图。在运行过程中，网关节点需要完成大量的数据接

收、处理与发送任务，其电能消耗远大于终端节点的消耗。为了确保系统可靠运行，供电电路采用外部有线电源方式供电。

D M A方式将 R X F I F O中的数据送入内存中。主程序工作流程如图 4所示，节点上电后，首先分别对 C C 2 4 3 0 各硬件模块和 Z i g B e e协议栈进行初始化工作，通过确定U S A R T 0串口波特率、数据传输格式等参数，做好 C C 2 4 3 0与 S I M1 0 0通信的准备；接着对能量进行检测，

基于系统对网关节点的数据处理能力和存储能力有较高的要求， Z i g B e e通信模块选用集成有 1 2 8 k B

F l a s h存储器的 C C 2 4 3 0芯片。为了简化系统设计， C C 2 4 3 0的射频天线电路、系统时钟电路采用与终端节点相同的设计方案。C C 2 4 3 0的通用异步同步收发器U S A R T 0与 G P R S模块连接，实现 8 0 5 1 MC U对 G P R S

确定一个合适的工作信道，随后启动 Z i g B e e网络并发

送超帧，等待终端节点的连接请求；待所有终端节点成功加入 z i g B e e网络后， 8 0 5 1 M C U进入低功耗休眠模

式。当接收到完整的 Z i g B e e数据帧开始标志 S F D后会产生 R F中断，中断请求信号唤醒 MC U,通过调用 Z i g B e e数据处理

子程序接收 Z i g B e e数据。随后主程序对收到的数据进行判断，如果是来自终端节点的连接

模块的控制与通信。CC2 4 30

Zi g B e e通继 模块∞ 0

V U— 2 _ 4 G H z r R T X F R P N× 援嚣戡制 c暑 一3 2 M H￣,广 X O S C O 1 摄蠖辘 L X O S c _ 0 2I

.

请求信息，则为终端节点分配 Z i g B e e网络短地址并发出允许连接命令；如果是终端节点采集的温湿度数据，则调用 z i g B e e数据处理子程序对 z i g B e e数据进行解

- - - 1 攥霍横辘 }

包、分析和处理，并按照 G P R S协议对数据进行打包，转序，将数据发送至监测中心。G P R S数据发送子程序的

换成 G P R S数据，随后主程序调用 G P R S数据发送子程图 3网关节点的硬件结构

运行步骤为：首先 8 0 5 1 M C U向 S I M 1 0 0发送 A T命令， G P R S模块主要由 S I MI O 0电路、电平转换电路、 S I M卡接口和电源电路组成。S I M 1 0 0是 S I M C O M公司完成 G P R S初始化工作，然后建立 T C P/ I P连接，实现 G P R S网络的附着，接下来可以进行数据发送操作。来自监测中心的 G P R S数据到达网关节点后， S I M1 0 0在

生产的 G S M/G P R S双频通信模块。S 1 M1 0 0内部嵌入 T C P/ I P协议，集成了完整的射频电路和 G S M基带处理器，并提供标准的 R S一 2 3 2串行接口，具有很高的性价比。在本系统中， C C 2 4 3 0通过串口 U S A R T 0与 S I M1 0 0

C C 2 4 3 0的 U S A R T 0串口产生中断，中断信号唤醒 M C U并调用 G P R S数据接收子程序。G P R S数据接收过程

如下：首先对接收到的 G P R S数据包进行校验，如果校验错误则做丢弃处理；如果校验正确则根据 G P R S协议对数据解包并存入 D A T A内存区。随后主程序对 D A . T A内存区数据进行查询，根据查询结果决定是对网关节点进行控制还是调用 Z i g B e e数据处理子程序继续向终端节点发送数据采集命令。3 . 2终端节点的软件设计鉴于系统对节能的严格

进行通信，在具体实现过程中，

需借助于 S P 3 2 3 2 E芯片将， r I ' L电平转换到 R S 2 3 2电平。为实现 G P R S通信， 选用的 S I M卡需开通 G P R S业务， S I M1 0 0可直接与3 . 0V S I M卡或者 S V S I M卡连接，并能自动检测和适应 S I M 卡类型。S I M1 0 0的工作电压为 3 . 3~ 4 . 6 V,由电源供电模块供电。

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需求，终端节点软件采用需求唤醒工作机制，软件工作流程主要包括节点上电及自检、数据采集、接收与发送

储、分析和打印输出等功能。数据管理软件使用面向 T C P/ I P协议 S o c k e t通信机制的 C/ S结构，按照模块化设计原则在 C— B u i l d e r集成开发环境中进行开发调

等。软件运行步骤为：首先上电初始化，然后扫描 Z i g— B e e网络可用信道并向网关节点发送连接请求，成功加入Z i g B e e网络后终端节点进入低功耗休眠状态；收到数据采集命令后 M C U由休眠状态进入工作状态，先解析命令并做出回应，然后启动数据采集子程序，最后由发送子

试。监测中心软件由通信、数据库管理和人机界面三个模块组成。数据库管理模块为软件的核心部分，该模块选用 A c c e s s数据库存储有关数据。通信模块负责P C机与网关节点间的 G P R S通信， P C机通过 R S一 2 3 2

程序将温湿度数据上传至网关节点。数据成功发送后 MC U再次进入低功耗状态并等待下次被激活。

串口与 S I M 1 0 0模块连接并向其发送控制命令，实现G P R S数据的收发功能。人机界面模块为工作人员提供一个图形化界面，能够实时显示温湿度数据和报警

信息，将监测结果以报表、曲线的形式打印输出；工作人员通过界面上的操作按钮，可以向网关节点发送数

据采集命令。

4系统测试结果该系统在设计完成之后，进行了粮仓温湿度测试。 考虑到本实验研究的成本，按照前述部署方案在粮堆内安装了 1个网关节点和 6个终端节点，设置终端节点编号为 N 1一 N 6。监测中心 P C机每隔 3 0 m i n发送 1

次数据采集命令，对粮仓内温湿度信息进行实时采集。终端节点 N 1、 N 2监测到的温湿度数据如表 1所示。如果某个节点采集的温湿度数据超过设定值，

则监测中 心P C机管理软件会发出报警提示，并在人机界面显示

报警节点编号和超限数据。

5结束语Z J i g B e e技术具有低功耗、低成本和高可靠性等特点，将其应用在粮仓环境无线监测系统中，可以对粮堆

内温度、湿度等参数进行无线采集与管理。在本无线监测系统中，粮仓内的 Z i g B e e测量网络通过网关节点与G P R S网络连接，实现了温湿度数据的短距离采集与

远程传输，从而构建了一个基于 Z i g B e e和 G P R S技术图 4网关节点软件主程序的运行流程

的粮仓环境无线监测系统。该系统很好地解决了现有监测系统易受干扰、连线多、扩展性差等问题。本系统的测试结果表明，该系统运行稳定、开发成本低、安装维护简单，数据监测精度能满足实际应用的需求。

3 . 3监测中心的软件设计

监测中心P C机通过数据

管理软件，可以实现对粮仓温湿度数据的实时采集、存

表 1粮仓环境无线监测系统的温湿度测试结果

参考文献：…网络粮 D] _ E京

开发与实践[ M] 北京：国防工业出版社， 2 0 1 0: l l 5一 l 1 6 折

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系

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……~

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(下转第 1 1 4页)

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图7植物光合作用的有效光谱 6结论本文综述了光致变色高分子薄膜材料、可降解高分子膜材料、高透光薄膜、高分子半透膜材料、太阳能薄膜电池材料 5种先进功能高分子材料的性能，并对其在现代设施农业中的应用前景进行了展望。综述了

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(责任编辑：曾小军 )

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(责任编辑：黄荣华)

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