摘要：设计了基于ZigBee技术的智能粮仓监控系统，改变了目前粮仓管理依靠经验主义、人工防治的现状，有效解决了高出错率、高成本的缺点。该系统将传感网络监测到的环境参数经过A/D转换传输给后台服务器进行存储、分析和处理，通过监测数据与预设阈值数据对比，自动发出预警信息和智能启动环境调节设备。结果表明，该系统人机交互方式较好，具有监测数据精确、成本低、能耗小等优点，能让粮仓管理员的工作跨跃时空限制，具有推广价值。
关键词：ZigBee；智能粮仓；智能化监控；系统；设计
中图分类号： TP277.2 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）07-0420-04
收稿日期：2013-09-22
作者简介：刘国红（1979—），男，江西鄱阳人，硕士，副教授、高级工程师，主要从事无线网络应用、农业信息化及物联网应用技术等研究。E-mail：2318878980@qq.com。民以食为天，对于拥有13亿人口的我国来说，做好粮食储藏工作对稳定发展、保证民生具有重要的现实意义。国家对粮食储藏工作曾提出“三低、三高”的要求，即低损耗、低污染、低成本和高质量、高营养、高效益。然而储存环境和条件直接影响粮食储存期限和食用价值。国家粮食局局长任正晓接受媒体采访时说，我国粮食产后损失惊人，每年的粮食损失浪费量约相当于0.133亿hm2耕地的产量，比第一产粮大省黑龙江省1年的产量还要多。其中最主要的损失就是粮食虫害和霉变造成的损失。因此，运用ZigBee技术对粮仓环境实时监控，对提高粮食储藏质量、减少粮食损失具有重要作用。目前，物联网技术在交通、医疗、家居中应用较多，也很成熟[1]，但ZigBee技术在智能粮仓监控中应用的研究较少，许多设计与研究不能很好地与粮食仓储结合起来。本研究设计的基于ZigBee技术的智能粮仓监测系统，通过相关的传感器收集粮仓不同位置的温度、湿度、微振等参数，实现对粮食储藏环境的实时监测和智能调节，提高管理效率，减少人为误差，降低劳动强度，为实施粮仓日常智能化监控提供了科学依据。
1基于ZigBee技术的物联网概述
1.1ZigBee技术简介
ZigBee是一种双向无线通讯技术，可工作在2.4 GHz、868 MHz和915 MHz 3个频段上，分别具有最高250、20、40 kbit/s 的传输速率，传输距离在10～75 m之间；主要特点有距离短、速率低、成本低、容量大、延时短、功耗小等；常用于周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的传输及应用。ZigBee是一种高安全、高可靠的无线数据传输技术，方便在各种电子设备之间进行数据传输[1-3]。
1.2物联网简介
物联网是新一代信息技术的重要组成部分，是智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用，被称为继计算机、互联网之后信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网应用的拓展，其架构可分为3层：感知层、网络层和应用层[4]。 感知层由各种传感器构成，如温湿度传感器、二维码标签、摄像头、红外线、GPS等感知终端，是物联网识别物体、采集信息的来源。网络层是互联网、网络管理系统和云计算平台等组成的数据传输部分，是整个物联网的中枢，负责传输和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户之间的接口，它与行业需求结合，实现智能化人机交互。
综上所述，基于ZigBee的物联网技术在智能粮仓监控系统设计中应为首选技术，两者有机结合、优势互补，具有很强的现实意义和应用价值，可为本系统的设计提供经济、科学、适用的解决方案。
2基于ZigBee技术的智能粮仓监控系统设计
2.1系统总体框架
智能化粮仓是粮食储藏的先进手段和方法，其应用良好具有很强的社会意义，能产生较大的经济效益。系统要求具有使用安全、控制可靠、运行稳定、扩展性强等优点。笔者经过走访省内多家粮库，在充分了解粮食储藏要求的基础上，对温湿度、防虫等关键要素进行梳理，从实际应用出发，坚持科学、方便、经济、易用的设计原则，把基于ZigBee技术的智能粮仓监控细分为4个子系统，分别为无线传感网络系统、数据分析处理系统、智能控制系统和人机交互系统。
基于ZigBee的无线传感技术为智能粮仓环境监控和数据采集提供了很好的途径，可避免管理员进粮仓凭经验而引发的误判。系统通过分布在粮仓不同位置的各种传感器，把采集到的环境数据通过ZigBee节点汇集到中心节点，经过智能网关连接到3G通信网络，实现与控制主机之间实时、安全、高效地通信；主机对采集到的环境数据进行自动处理和科学分析，提供实时监测状态、历史报表等信息供管理员参考；系统把监测到的环境数据与管理员设置的阀值进行比较，如果采集到的环境数据不在阀值范围之内，则分析粮仓环境变化，自动启动预警装置，在继电器控制下，通风降温等环境调节设备自动运行，直到新采集到的环境数据达标为止，从而防止粮食发热、霉变、虫害等情况发生[5]。本系统允许管理员足不出户，远程控制，实现粮仓管理智能化。系统结构框图如图1所示。
2.2无线传感网络系统
无线传感网络系统是智能粮仓监控系统的前导，是信息采集核心部位，为粮仓环境数据监测和设备控制提供第一手资料。在粮食储藏过程中，粮仓内的温度、湿度、气体成分等都会对粮食品质产生重要影响。无线传感网络系统通过在粮仓内不同位置设置传感器节点，对粮仓内部温度、湿度、微振及视频等数据实时采集，并通过ZigBee技术传送到中心节点，再经网关和3G网络传输到服务器。这种部署具有灵活性强、扩展方便、能耗少等特点，其结构主要分为供电模块、传感器模块、无线通信模块和A/D模块4个部分（图2）[5]。供电模块为传感器供电，一般用5 V锂电池，可维持60～180 d；A/D模块把传感器采集到的模拟信号转化为数字信号，便于在网络上快捷、安全地传输。整个ZigBee网络节点工作过程如下：首先初始化，协调器参与并建立无线网络后，再通过路由器（FFD）和终端设备（RFD）发现网络，最后建立起连接并开始数据采集和发送。ZigBee节点采用间歇式工作模式，以达到环保节能的目的，有任务时则采集传感器数据和接受来自协调器的控制数据，没有任务时则进入休眠状态，节点功耗降到最低。
主要传感器工作过程如下。
2.2.1温度检测智能粮仓温度检测采用AD590传感器，该传感器的输出电流会随着温度的变化而变化。工作原理：AD590传感器通过与10 kΩ电阻连接，把电流转化为电压值，电压信号经过A/D转换，由模拟信号转化为数字信号，经无线网络传送到主机进行分析处理。AD590温度传感器设计科学，应用成熟，具有传输距离远、线性度好、精度高等特点，其测量范围可达-50～150 ℃之间。
2.2.2湿度检测智能粮仓湿度检测采用HIH-5030/5031系列传感器，该传感器是相对湿度值的线性电压输出，热固塑料外壳、激光调整互换，设计上具有低功率、高精度、响应快、稳定好、漂移小、抗化学性等特点。工作原理：当传感器所在位置湿度发生变化时，振荡电路提供正弦波信号，通过电压跟随器处理后输出电压值，电压信号经过A/D转换，由模拟信号转化为数字信号，经无络网络传送到主机进行分析处理。
2.2.3声音（微振）检测声音（微振）检测采用HX-SLM3虫害声音传感器，利用粮食生虫后，虫子运动产生声音的特点，采集粮仓虫害数据。该传感器内置1个对声音敏感的电容式驻极体话筒，声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容变化，从而产生与之对应变化的微小电压，这一电压随后被放大成0～5 V，经过A/D转换成数字信号，通过无线网络传送给主机进行分析处理。工作原理：传感器采集到声音信号，通过神经网降噪技术除去信号中的噪音，进行幅度归一化，从抽样数据中利用静音分离出独立的样本。为保证取样数据能准确地反映虫子运动，用自适应抵消器抵消环境噪声，即把一个声音传感器放在谷堆里，一个传感器放在谷堆外，谷堆里的传感器提供环境和虫子双重原始声音输入，外面的传感器只提供环境声音（即噪声）输入，两者叠加，最终环境噪声被自适应地过滤掉，留下了虫子的声音。
2.2.4视频监控视频监控模块前端采用市场上成熟的高精度网络摄像头，带红外功能，360 ℃自控制旋转，可手动变焦，采用最新节能电路，低功耗，发热小，具有较长的使用寿命。采集到的图像经A/D转换成数字信号，通过流媒体服务提供网络监控。用户可以通过3G手机或电脑，随时随地查看仓库内部的实时图像，对仓库进行远程监控。
2.3数据处理系统
数据处理处于系统后台，是整个智能粮仓监控系统的核心，也是指挥环境调节设备运行的中枢，其数据处理流程决定了智能粮仓监控系统软件的设计。本系统管理软件采用 VC++ 开发，分为前台用户界面和后台数据库组成。数据处理系统工作流程如图3所示。首先采集数据准备就绪，系统接收传感网络采集到的粮仓环境数据，经过A/D处理转化为数字信号，通过网络传到服务器并写入后台数据库，服务器对数据进行存储、分析、比较和挖掘，与管理员预先设置的阀值进行比对，如不在正常范围之内，管理员会收到系统自动发送的预警信息，同时系统自动启动相应的设备进行环境调节，直到新采集到的环境数据达标为止；如传感器采集到的粮仓环境实时数据中温度高于20 ℃或空气湿度大于70%，系统会向管理者手机发出预警短信，并智能开启鼓风机、空调等设备进行环境调节，直到粮仓环境达到正常值才停止设备运行。仓库管理员可以通过控制终端查询任一传感节点状态、实时环境数据和历史数据。
整个数据处理系统设计本着确保实用、节省能耗的原则，采用定时采集数据的工作模式，即在传感器节点上设置断点，间歇性启动数据采集和发送任务，每完成1次采集和发送后，进入一段休眠状态，休眠时间间隔可以由管理员自行设置，时间到了再唤醒，本系统设计的是5 min采集和发送1次数据。
2.4智能控制系统
智能控制系统由环境调节设备和继电器控制电路组成。该系统中环境调节设备主要分2个部分：一是粮仓温湿度的调节。由系统通过启动空调与鼓风机来实现，当粮仓温湿度不在正常的阀值范围之内时，则启动进出口鼓风机，通过风机及粮仓内的通风管道使冷却后的空气吹过粮堆形成对流[6]；如果风机启动后仍不让环境数据达到正常范围，则要开启空调进行降温与排湿；如果粮仓空气太干燥，还可以配加湿器进行调节。二是粮仓虫害的监控。粮食生虫后，其爬动会产生声音，如果采集到的环境数据中有微振，则开启搅拌设备和喷药设备，以达到及时杀虫的目的，避免虫害进一步扩大。
继电器控制就是控制环境调节设备的运行或停止。工作原理：当检测到环境数据不在预设阈值范围内，则输出低电平信号，经驱动器加到光电隔离器TLP521-4的输入端引脚，当光耦加载的电压超过3 V时就会产生光信号，将光信号转为电信号，经三极管放大，控制继电器打开环境调节设备开始工作；当检测到信号输出在预设阈值范围内，则发出高电平信号，控制环境调节设备停止工作[6]。继电器控制电路图见图4。
2.5用户交互系统
用户交互系统直接面向用户，实现人机对话，因此在界面设计上要集方便、美观为一体，简单易学，便于操作。本系统主界面上设有：环境阀值设置、权限设置、历史数据分析、报表打印、设备控制、视频调用、实时数据显示等。粮仓管理员可以通过PC、PAD或智能手机随时随地访问系统，对数据进行统计分析，形成数据仓库，为粮仓科学化管理提供决策依据，实现足不出户地远程管理。
3运行测试
3.1测试准备工作
在粮仓内放置温度传感网络节、湿度传感网络节点各1个、声音传感节点1组、装好应用软件的控制主机1台；ZigBee 网络通过网关与3G网络相连，控制终端与服务器连接正常，各种环境调节设备准备就绪。一般情况，粮食最佳保存环境为温度低于20 ℃，空气湿度小于70%。
3.2测试结果
试验开始前，将温度传感器、湿度传感器分别放置在粮仓2个角落，离地面距离为粮仓净高一半；声音传感器1个放在谷堆里，1个放在谷堆外；接收设备放置在控制室实验台上，距离传感器发送模块30 m左右，ZigBee中心节点通过网关与3G网络相连[7]。试验开始后，管理员通过软件能够直观地看到粮仓内各监测点的环境数据，并通过调节阀值，启动相关环境调节设备，基本实现了粮仓智能化的远程监控。在3 h的试验过程中，各试验传感网络节点每5min采集1组数据并发送，各节点共采集发送36条记录，在远程监控主机上接收到34条记录，传输准确率达94.44%，完全满足系统运行要求。运行画面截图如图5、图6所示。
4总结
本监控系统基于ZigBee技术，设计了粮仓智能监控网络和管理软件；完成了对粮仓温度、湿度、虫害等相关环境数据的采集、传输、分析和处理，有效解决了目前粮仓管理因经验主义、人工防治等而引发的高出错率、高成本的缺点；运用3G无线互联网技术，建立了粮仓管理的后台数据库，为粮仓管理员提供随时、随地，跨跃时空的工作模式。试验结果表明，系统数据采集传输可靠，环境数据精确，运行成本降低，具有推广的意义和价值。下一步将增加传感网络节点，扩大ZigBee网络覆盖范围，以实现粮仓更多环境数据的精确采集[8]，并把该设计进一步应用和推广。
参考文献：
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