基于ZigBee的倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的倉(cāng)庫(kù)管理方式也朝著智能化方向發(fā)展。傳統(tǒng)倉(cāng)庫(kù)管理需要人工實(shí)時(shí)查看倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的溫濕度、光照、火警和安全情況,費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率較低；另外，如果采用布線(xiàn)方式組成有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)環(huán)境參數(shù)，存在布線(xiàn)復(fù)雜、維護(hù)不便、成本高等缺點(diǎn)。因此，采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)方式(WSN)[1]監(jiān)測(cè)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

ZigBee[2]是一種低成本、低功耗、低速率、短距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它適用于通信數(shù)據(jù)量不大，數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低,分布范圍較小，但對(duì)數(shù)據(jù)的安全可靠有一定要求，而且成本和功耗非常低，并容易安裝使用的場(chǎng)合，在工業(yè)控制、智能建筑、家庭自動(dòng)化、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)、能源管理、智能交通、個(gè)人護(hù)理等領(lǐng)域都有用武之地。

本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了5種傳感器：溫濕度傳感器、光敏傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器和超聲波傳感器。當(dāng)收到外界觸發(fā)時(shí)，這些傳感器采集外界物理量參數(shù)，與之相關(guān)的ZigBee節(jié)點(diǎn)處理后，通過(guò)ZigBee路由節(jié)點(diǎn)傳給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)串口將這些數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)VB軟件進(jìn)行處理，顯示出各種傳感器的參數(shù)值,并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中。在局域網(wǎng)內(nèi)，通過(guò)瀏覽網(wǎng)頁(yè)的形式查看倉(cāng)庫(kù)內(nèi)情況，便于管理員做出決策，如打開(kāi)通風(fēng)孔,打開(kāi)遮陽(yáng)板等。

1總體設(shè)計(jì)

整個(gè)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)由3個(gè)部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)顯示。數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器和CC2530節(jié)點(diǎn)兩部分構(gòu)成：傳感器感知外界信號(hào)；CC2530節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行處理，使之成為數(shù)字量。數(shù)據(jù)傳輸模塊為路由節(jié)點(diǎn)，它在網(wǎng)絡(luò)中僅起數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和擴(kuò)大傳輸距離的作用，并且路由節(jié)點(diǎn)通過(guò)路由將CC2530節(jié)點(diǎn)采集并處理的數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳遞給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)，并且將數(shù)據(jù)保存在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中。這些數(shù)據(jù)在PC機(jī)上可以實(shí)時(shí)顯示，用戶(hù)也可以通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)傳感器的相關(guān)信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由三個(gè)部分構(gòu)成：ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)器。

2.1ZigBee終端節(jié)點(diǎn)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)由CC2530核心板團(tuán)、外圍電路和傳感器三個(gè)部分組成。CC2530核心板是由業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型51單片機(jī)［4］和RF無(wú)線(xiàn)射頻模塊組成，系統(tǒng)內(nèi)可編程的256KB閃存，8KBRAM和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適用低功耗要求的系統(tǒng)。核心板原理圖如圖2所示。

本系統(tǒng)運(yùn)用到了5種傳感器，分別是煙霧傳感器、紅外傳感器、溫濕度傳感器、超聲傳感器和光敏傳感器。因各種傳感器的插槽結(jié)構(gòu)都相同，僅對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)口不同，故以溫濕傳感器為例說(shuō)明硬件結(jié)構(gòu)，其他傳感器在此不做贅述。所用的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包含一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)連接。此傳感器有3個(gè)有效引腳：VDD、DATA（接P1.2口）、GND。其接口電路圖如圖3所示。

2.2ZigBee路由節(jié)點(diǎn)

ZigBee路由節(jié)點(diǎn)僅僅作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的中轉(zhuǎn)站，尋找最佳路由，提高數(shù)據(jù)傳輸距離，故其硬件原理圖與ZigBee終端節(jié)點(diǎn)大致相同，只是缺少傳感器連接設(shè)計(jì)。

2.3ZigBee協(xié)調(diào)器

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)經(jīng)路由器節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，為了形象地看到數(shù)據(jù)信息，在協(xié)調(diào)器上加了LCD12864液晶屏，這樣便于查看，其他硬件部分與ZigBee路由節(jié)點(diǎn)大致相同。LCD12964液晶屏原理圖如圖4所示。

3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)采集與傳輸程序、協(xié)調(diào)器控制程序和上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示程序。

3.1數(shù)據(jù)采集與傳輸程序

數(shù)據(jù)采集程序主要采集倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的溫濕度和光照情況。當(dāng)有盜賊時(shí)，就會(huì)觸發(fā)紅外傳感器報(bào)警，并且啟動(dòng)超聲波傳感器測(cè)量盜賊的距離情況；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙霧傳感器就會(huì)啟動(dòng)，蜂鳴器報(bào)警。其流程圖如圖5所示。

3.2協(xié)調(diào)器控制程序

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)把節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳給上位機(jī)進(jìn)行處理和顯示，并且，上位機(jī)也通過(guò)串口向協(xié)調(diào)器發(fā)送控制指令，協(xié)調(diào)器將指令處理后發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)操作。其流程圖如圖6所示。

3.3上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示程序

上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示程序包括數(shù)據(jù)處理和信息查詢(xún)兩部分。數(shù)據(jù)處理模塊基于VB6.0[6]實(shí)現(xiàn)，主要包括串口通信與數(shù)據(jù)處理和顯示。使用MSComm控件來(lái)實(shí)現(xiàn)串口通信，使之非常方便地連接協(xié)調(diào)器設(shè)備和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。終端節(jié)點(diǎn)將相應(yīng)信息無(wú)線(xiàn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)串口傳給VB上位機(jī)軟件，在VB中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)信息顯示在VB界面上。VB界面上顯示紅外傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、光敏傳感器、超聲波傳感器的數(shù)據(jù)信息。圖7為傳感器節(jié)點(diǎn)顯示圖。

傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)VB處理顯示后，同步存到后臺(tái)SQLServer[7]數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，以便用戶(hù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)和調(diào)用。數(shù)據(jù)庫(kù)有對(duì)應(yīng)5個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的5張表，以溫濕度傳感器為例，表內(nèi)字段包括ID（傳感器ID號(hào)），Time（采集時(shí)間），Temperature（溫度值）,Humidity（濕度值）。

除了通過(guò)VB上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感器狀態(tài)外，還可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)形式在局域網(wǎng)任何地方查看傳感器狀態(tài)。網(wǎng)頁(yè)語(yǔ)言使用ASP.net同實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程是讀取SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)中表的字段值，然后發(fā)布到IIS服務(wù)器，這樣使得用戶(hù)在局域網(wǎng)中的任何位置都能通過(guò)網(wǎng)頁(yè)形式訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，查看傳感器節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)的倉(cāng)庫(kù)管理監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)為布線(xiàn)困難、維護(hù)不易的領(lǐng)域解決了數(shù)據(jù)采集、傳輸和監(jiān)控的難題。在遠(yuǎn)程端可以通過(guò)上位機(jī)軟件監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)的各種物理信息，無(wú)需人為干預(yù)，起到防火、防盜的作用，并且加入CO傳感器、酒精傳感器等各種傳感器后，能布置到充滿(mǎn)有毒、有害氣體的領(lǐng)域。

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