智能粮仓的采集终端的设计与应用

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇智能粮仓的采集终端的设计与应用范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要

设计基于ZigBee和LabVIEW的智能粮仓温湿度监控系统，由温、湿度采集节点、无线传输模块ZigBee、主控模块，以及具有数据显示、分析、记录功能的LabVIEW上位机组成。用温度和湿度传感器对现场数据进行采集，再利用ZigBee无线传输模块将温湿度数据发送给ZigBee协调器模块，协调器再通过串口传给LabVIEW上位机，由上位机对各监测点的温湿度值进行显示、分析与处理，主控机根据接收到的指令对降温除湿设备进行自动控制，使粮仓内达到适温适湿的目的。通过开发功能齐全的粮仓监测软、硬件系统，为大型粮仓设施提供现代化、智能化的科学、高效的管理手段。

【关键词】智能粮仓 采集终端 无线传输模块 主控模块

粮仓库房的温湿度检测是粮食质量的重要保障，随着自动化技术的飞速发展，传统的人工检测方法显然已经不能满足需要，采用有线方式或电力线进行监控则存在施工劳动强度大、投资大的问题。需要通过开发功能齐全的粮仓监测软、硬件系统，为大型粮仓设施提供现代化、智能化的科学、高效的管理手段。以Zigbee CC2530开发模块为核心，采用无线通信技术作为传输方式，对粮仓区内每个仓房中的温湿度变化情况进行自动检测，并能对现场进行控制，使粮仓达到适温、适湿状态，解决了传统粮仓管理系统的缺点和不足之处，从而提高生产效率。

1 智能粮库监控系统

智能粮库监控系统是基于ZigBee和LabVIEW的粮仓温湿度监控系统，由无线传输模块ZigBee和主控模块，以及数据显示、分析、记录的上位机LabVIEW界面组成。利用温度和湿度传感器对现场数据进行采集，再利用ZigBee无线数据发送模块将温湿度数据发送给接收模块，接收模块接受数据后通过串口传给LabVIEW上位机，由LabVIEW上位机对各监测点的温湿度值进行显示、分析与处理，控制模块再根据接收的指令对降温除湿设备进行自动控制，使粮仓达到适温适湿的目的。

1.1 智控系统结构与工作流程

智能粮库监控系统结构是由采集终端温湿传感器采集数据，经无线传输模块将采集到数据，通过路由器、协调器传输到上位机；上位机经过对数据处理，在经过协调器、路由器将控制指令传到降温除湿设备。系统结构框架如图1-1所示。

智能粮库监控系统主控工作流程，设备及端口初始化，采集温湿度，无线传输，逻辑判断，结束完成一个工作循环。主控工作流程如图1-2所示。

1.2 智控系统功能需求

在功能需求上，智能粮库监控系统要实现对粮库的各个主要位置进行温湿度的实时采集，并通过无线传输模块将数据信息传送到上位机并在界面上显示出来。经过查询资料、咨询和分析，智能粮仓温湿度监控系统主要应该具有以下功能模块：

1.2.1 上位机模块部分，主要要求如下：

（1）由LabVIEW显示部分和计算机组成；

（2）负责数据信息的显示、分析、处理。

1.2.2 无线传输模块，主要要求如下：

（1）由ZigBee无线节点构成；

（2）分别有协调器节点，路由器节点，终端节点；

（3）协调器节点：负责网络的搭建和组织，初始化网络信息；

（4）路由节点：负责提供路由信息，数据融合与转发；

（5）终端节点：负责将采集的数据信息送。

1.2.3 控制模块，主要要求如下：

主要负责控制降温除湿设备工作。

1.3 智控系统软件开发

智能粮库监控系统软件是运用一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。

VI指虚拟仪器，是 LabVIEW的程序模块。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。本系统利用LabVIEW软件开发了一个数据信息显示、分析和处理的智能粮库管理的客户端，LabVIEW充分利用计算机的强大运算处理能力，同时在数据分析、处理和显示等方面与传统仪器相比具有很大的优越性。利用网蜂科技的Zigbee CC2530开发模块进行开发的，无需改变底层程序，只要在应用层等来编写需要实现功能的代码。利用ZigBee开发模块进行硬件开发的特点有短距离、低功耗、低速率、低成本、高容量、能自组网进行无线网络通信。

2 采集终端的设计

2.1 温湿度一体数字传感器

DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms左右，数据分小数部分和整数部分，具体格式在下面说明，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零.操作流程如下：一次完整的数据传输为40bit，高位先出。数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。

用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据.从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。

2.2 ZigBee技术

ZigBee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。ZigBee名称来源于蜜蜂的舞蹈，蜂群通过跳ZigZag形状的舞蹈交换信息，蜂群里的蜜蜂众多，身材纤细，所需食物不多。这正是ZigBee的主要特点：简单的结构、灵活的网络、极低的功耗、极低的成本和数量不等的网络成员。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

ZigBee的最大特点就是低速率、低功耗、低成本、短时延、高容量、自组网、多种组网方式和灵活的网络拓扑结构。

ZigBee具体有三种网络拓扑结构，分别为星型网、树状网和网状网三种。

2.3 ZigBee开发模块

WeBee CC2530 核心板的功能特点：

体积小（3.6*2.7 cm） ，重量轻，引出全部 IO 口，标准 2.54 排针接口。可直接应用在万用板或自制 PCB 上。模块使用 2.4G 全向天线，可靠传输距离达 250米。自动重连距离高达 110 米。

WeBee 功能底板，如图2-1所示。

功能特点：

（1）底板尺寸：7 * 5 cm。

（2）串口通讯：自带 USB 转串口功能（PL-2303），方便笔记本用户。

（3）供电方式：方口 USB、DC2.1 电源座（5V）。7 号锂电池（3.7V）。

（4）功能接口：Debug 接口，兼容 TI 标准仿真工具，引出所有IO 口，常用的串口引脚以及 5V/3.3V 引脚。

（5）功能按键：1 个复位，2 个普通按键。

（6）LED 指示灯：电源指示灯、组网指示灯和普通 LED。

（7）模块支持：支持 WeBee CC2530 核心板。

2.4 CC DEBUGGER 仿真器

如图2-2所示。

功能特点：

（1）小尺寸 4.7*2.3 cm ，标准 USB 接口，直接使用。

（2）支持 IAR 在线调试下载和 SmartRF STUDIO7packet sniffer 协议分析功能。

（3）支持 TI zigbee 系列芯片，如：CC111x/CC243x/CC253x/CC251x。

（4）预留 USB_bootloader 更新接口，允许用户自行更新 USB_bootloader。

2.5 数据通信程序设计

利用VISA和ZigBee实现通信可分为以下几个步骤：

（1）初始化串口，设置串口的通信参数与ZigBee模块的串口参数一致；

（2）向ZigBee发送模块节点查询指令；

（3）延时一定时间，等待ZigBee执行命令，并返回相应的字符串；

（4）从串口中读出ZigBee的返回的字符串，并提取出节点地址；

（5）对该节点地址发送的检测数据进行识别，每隔一个扫描周期，按照上一步返回的各个节点地址，对检测数据进行识别；

（6）延时一定时间，等待ZigBee执行命令，并返回相应的字符串；

（7）从串口中读出ZigBee返回该节点的温度或湿度数据包，并提取出温湿度值。

3 智能粮库监控系统的应用

基于ZigBee和LabView的智能粮仓温湿度监控系统，主要针对粮仓中温度和湿度的监控，采用新型一体化数字温湿度传感器DHT11对温度和湿度进行采集，实现了一种数据无线传输途径和智控降温除湿设备的基于ZigBee的树状网络，该系统具有硬件简单化、成本较低、编程方便、通信可靠性高等特点，实现了通信双方非接触式的数据信息传送。

由于采用ZigBee无线传输方式，免去了有线布线方式的较多不利之处，有很好的应用前景。采用LabView图形化编程语言，使操作员更加容易实时监测到各个粮仓内的状态情况并及时的采取相应的控制及措施；同时LabView还具有可靠性高、速度快、功能强大、性能好等优点。

参考文献

[1]吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[2]许毅，李文锋等.无线传感器网络原理及方法[M].北京：清华大学出版社，2012（01）.

[3]邓蓓.海河职业教育园高职专业建设教育资源共享的研究[R].天津市教育科学规划课题，2014（06）.

作者简介

邓蓓（1962-），女，工学硕士。现为天津中德职业技术学院信息与通信学院院长、副教授。研究方向为物联网应用技术。

作者单位

天津中德职业技术学院 天津市 300350