【摘要】针对当前粮情监测方面存在的问题，设计了基于ZigBee技术的粮库中央监测系统，采用传感器进行温湿度监测，采用无线通信进行数据传输，性能稳定，可靠性高，灵活性强，成本低，易于管理。
【关键词】传感器；ZigBee技术；终端节点；中心节点
我国是一个粮食大国，国家每年为粮食储藏支付了很高的费用。粮仓的温湿度检测及控制，直接影响到粮食的储存质量。传统的粮仓检测设备采用有线方式，需要铺设大量电缆，布线困难，信息分散，不易管理。针对当前在粮情监测方面存在的问题和不足，我们将现代传感技术和无线网技术相结合，设计了基于ZigBee的无线粮仓监控系统。采用基于ZigBee技术的无线通信网络对粮仓各点的温湿度进行监测，可以使系统采样的布置更灵活，采用无线通讯方式实现数据传输，管理者在控制室就可以随时了解仓库现场的信息，在后期维护上可以节省更多人力、物力，使粮仓管理实现自动化、智能化。
一、ZigBee技术简介
ZigBee技术是一种新兴的无线网络通信技术，具有短距离、低功耗、低成本、高容量等特点，的是当今世界发展最快，市场前景最广阔的新技术之一。目前广泛应用于工业、农业、军事、医疗等领域。ZigBee无线传感网络最多可由65000个无线传感器节点组成，十分类似于CDMA网或GSM网。每个Zigbee“基站”不到1000元人民币，数据传送的过程是通过相邻节点接力传送的方式传回基站，再通过基站以卫星通信或有线网络连接的方式传送给最终用户。基于ZigBee技术构建的无线传感器网络，具有组网简单、系统花费少、扩展网络容易、通讯稳定、无需支付网络费用等优点，在实际中有很好的应用价值。
二、硬件系统设计
1.将ZigBee技术和传感器结合组建无线传感器网络
本系统是采用集中分布式控制的监控系统，总控制点设在监测室，而各分控制点是由一个ZigBee中心节点和若干ZigBee终端节点组成，ZigBee终端节点外接传感器节点。系统的结构框架如图1所示，传感器节点负责对粮仓的温湿度进行采集，然后将采集到的数据信息发送给终端节点；终端节点再通过Zig-Bee协议将此数据发送给中心节点；中心节点负责建立ZigBee网络，并发送和接收指令，通过串口通信与PC机进行数据通信；PC主机是系统的中央监控设备，负责对粮仓的温湿度进行监测和调节设备控制，通过丰富的显示界面实现人机交互，系统结构见图1。
2.终端节点设计
ZigBee终端节点以CC2430通信模块为核心，由射频模块、供电装置、LCD显示模块、温度传感器、湿度传感器组成，结构框图如2所示。该部分负责监测粮仓内的温度和湿度信息，并遵循ZigBee传输协议通过射频模块将提取到的数据发送给协调器。传感器部分负责采集粮仓内的温湿度数据，检测到的数据传送给CC2430通信模块，CC2430通信模块存储传来的数据，并预先对数据进行处理，然后再通过LCD显示出来并通过射频模块发送给中心节点。供电装置采用锂电池供电，传输完成后，控制器进入低功率睡眠模式来延长电池寿命。
终端节点设计模块中传感器模块的设计尤为重要。温度检测使用DS18B20数字温度传感器，其测温范围在-55℃～+125℃，固有测温分辨率为0.5℃。采用单总线通信，不需外部供电，用户自己可以设定温度报警值，可以方便地实现多点测温。湿度检测使用数字式智能湿度传感器SHT11，其测量精度高，转换速度快，特别适合粮仓监控使用。在实际电路设计中，传感器在一定的温度范围和相对湿度环境下性能比较稳定，但超出这个范围时，检测精度会受到环境因素的影响和干扰，因此要在电路设计时考虑对温度和湿度传感器进行线性处理和温度补偿，保证数据检测的精确性和稳定性。
3.中心节点设计
中心节点是整个系统的通讯和控制核心，中心节点框图如图3所示。CC2430通信模块作为中心节点的关键部分，接收并存储终端节点传感器发来的数据，并发送网络指令给终端节点，同时通过RS232串口通信将数据发送到上位机，并于上位机进行信息交换。LED显示网络节点工作状态；电源模块提供调制后的3.3V稳压电源。
三、软件模块设计
本系统软件开发平台为IAR EW8051集成开发环境。该开发环境包含了IAR的C/C++编译器，汇编器，连接器，文件管理器，文本编辑器等，可用于对汇编，C/C++编写的嵌入式应用程序进行编译和调试。系统采用模块化结构设计，主要分为中央监测系统模块、终端节点模块、中心节点模块等部分。
1.中央监测系统软件负责设计出丰富的人机交换界面，以满足整个监测系统的需要。当监测到粮仓的实际温湿度超过设定的范围则进行声光报警，并能及时做出相应的处理。
2.终端节点软件的功能是完成硬件初始化、协议站初始化，并负责温湿度数据的采集与发送。
3.中心节点负责建立一个ZigBee无线网络，接收终端节点发送的数据，并通过串行通信发送给上位机。
4.数据优化。
系统采集到的数据经过网络传输到PC机，为保证数据传输的精确性和稳定性除了要在硬件上加以补偿外还要在软件上进行校正。利用算法进行优化在软件设计上采用最小二乘法算法对检测的数据进行优化。最小二乘法（又称最小平方法）是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。
四、结论
随着计算机技术、现代检测技术和自动控制技术等高新技术的延伸，计算机测控技术已广泛应用于粮情监测系统中。基于ZigBee技术的粮库中央监测系统，性能稳定，可靠性高，具有很强的灵活性，易于扩展，与传统的粮食存储环境的检测方式相比较，具有检测效率高、覆盖范围大、实时性好的特点，并可节省施工成本，提高检测效率，降低检测管理成本，同时节省了大量的人力和物力，提高了粮食储藏的安全性和有效性。该系统由于终端节点多，传感器布置均匀，使得检测更具有权威性，从而实现规模型粮库设施的智能化、现代化管理。通过系统功能进一步开发，还能为其在本领域的应用增加新的价值，因此具有较高的经济价值和较好的应用前景。
参考文献
[1]衣翠平，柏逢明.基于ZigBee技术的CC2530粮库温湿度检测系统研究[J].长春理工大学学报，2011，12.
[2]卢超.粮仓无线温湿度监控系统[J].计算机系统应用，2011，9.
