雷钦文，谢应广，郭晋远，彭石林，2，袁剑辉，2

（1 长沙理工大学 物理与电子科学学院，长沙 410114；2 柔性电子材料基因工程湖南省重点实验室，长沙 410114）

0 引言

随着现实世界中传感器的广泛部署，互联网技术逐渐渗透到物理实体世界中，越来越多的物理实体通过传感器连接到互联网中，实现信息共享，物联网在此背景下应用而生［1］。技术的进步能大大提高企业的竞争力，高效合理的仓储可以帮助厂商加快物资流动的速度、降低成本、保障生产的顺利进行，并可以实现对资源有效控制和管理［2］。以往传统仓储的仓储系统只能被动的适应环境，使得受储存的货物种类受到了极大地制约，现代化的仓储系统可以准确的监控室内的环境参数，从而完成设备的调控［3］。为了保证货物的质量以及延长存储时间，本文设计了一种基于CC2530 的ZigBee 无线传感网络，其网络的每个节点都可作为相邻节点的数据传输中转站，实时监控仓储室内的环境状况，通过上位机实现数据显示，通过电脑进行控制的智能环境仓储监控系统。

1 系统总体设计方案

仓储控制系统主要包括无线传感网络、命令接收平台以及远距离的控制中心。ZigBee 远程仓储监控系统的总体框架如图1 所示。

图1 系统总体框架Fig.1 Overall framework of the system

（1）无线传感网络。主要是由各终端或者路由器组成，终端上连接各种传感器来采集环境数据，并定时将所采集的数据发送给命令控制平台；

（2）命令接收平台。主要是接收各个终端节点所采集到的数据，并把数据通过RS232 串口传输给与之连接的电脑，还负责接收电脑上传递过来的控制命令，并把消息发送给对应的终端；

（3）远距离控制中心。主要是负责接收收集平台传输的信息和发送管理人员的命令，将接收到的数据通过上位机显示，对相应的数据进行分类存储，管理人员可以在这里对仓储室内的环境进行实时监控和设备控制。

2 系统硬件设计

2.1 系统芯片选择

系统主控芯片采用德州仪器公司生产的CC253x系列控制器—CC2530F256。该芯片使用8051 内核，建立在适应2.4GHz IEEE 802.15.4 标准协议上，CC2530F256 内置RF 收发器，8KB 静态随机存储器［4］。256 闪存块和18 个中断源的中断控制器，具有21 个通用I／O 引脚，5 通道DMA，32kHZ 的睡眠计时器等丰富的外设接口［5］。应用互联网和云端技术，通过传感器采集环境信息实时传递到控制中心，针对环境信息变化及时进行有效调节。其电路图如图2 所示。

图2 CC2530 电路图Fig.2 CC2530 circuit diagram

2.2 传感器节点设计

系统的硬件由传感器、协调器和上位机模块组成，传感器节点由低功耗的无线微控制器CC2530模块构成，其硬件结构如图3 所示。

图3 节点硬件结构图Fig.3 Node hardware structure

温湿度传感器模块：温湿度传感器采用DHT11，其与CC2530 通过单总线串行通讯，由5 个字节组成数据格式［6］。DHT11 程序采用模块化编程思想，只需调用温度读取数据即可，方便且移植性好。当温湿度超过预设定的值时，蜂鸣器就发出报警，系统就会触发相应的控制程序使室温恢复设定的范围。

（1）气体传感器模块：采用MQ－2，不仅对液化气、丙烷、氢气的检测灵敏度高，而且对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想［7］。当空气中易燃易爆有害气体浓度超过设定值时，气体传感器就会报警，触发设定，实施后续控制步骤。

（2）风扇模块：达到预设条件后，通过继电器对风扇自动开关，进行通风控制。

2.3 硬件平台设计

系统节点均采用模块设计方案。其主要特点是体积小、功耗低、抗干扰能力强，特别是能建立强大的网络节点和完整的ZigBee 解决方案［8］。无线传感网络主要是由ZigBee 节点组成，终端连接传感器和负责接收传输数据的协调器组成。终端分布式置于仓库各个地方，以便收集室内环境的温度、湿度、气体种类及浓度等数据，协调器放置在控制室内并和电脑串口相连。室内控制平台是用来直观展示数据的上位机，其主要功能为解析串口数据、以图像化形式显示、并对网络运行情况进行监控，遇到异常情况及时预警。

3 系统软件设计

本系统选择的开发环境是IAR Embedded Workbench平台。IAR 作为ARM 的开发工具，支持多种语言，对不同芯片都具有较好的兼容性［9］。系统的软件设计包括控制协议的设计、无线传感网络设计、控制中心界面设计等。要保证数据的准确收发，必须有合理的通讯协议，从而简化管理中心和传感器终端节点的数据分析过程。

3.1 控制协议设计

若要通过串口使PC 和协调器通信发送控制指令，首先需要制定一套控制协议，以便协调器解析，所有控制指令都是一串具有特定格式的字符串。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管其是经过何种网络进行通信的。查询控制指令见表1。

表1 查询功能报文表Tab.1 Query function message table

此协议规定了每个控制器须要知道其设备地址，然后按地址发来的消息进行识别，最后决定要产生何种行动。功能码的作用是用来让机器区分不同的指令操作，其描述见表2。

表2 功能码描述Tab.2 Function code description

3.2 系统设计流程

所有节点先初始化系统，然后协调器选择一个信道和网络ID 负责建立网络，广播发送入网信息，当附近设备等待各个终端节点接收到信息加入网络［10］。定时发送查询命令，收集各个传感器终端发过来的各种数据，并对数据进行分析排序，统一成预设命令的要求，发送给命令控制平台，再由控制平台通过串口发送给上位机，上位机将数据转化、显示在控制中心。控制中心也可下发命令，根据解析的命令发送给指定的终端执行对应的操作。具体的流程图如图4 所示。

图4 协调器节点流程设计Fig.4 Flow design of coordinator node

3.3 上位机界面设计

仓储智能控制中心是系统交互的中心，控制中心界面设计使用VisualStudio2015。界面由用户管理、传感器节点管理、传感器节点监测构成。用户管理采用MySql 数据库，具有登录与注册功能，方便区分使用的管理人员。数据存储模块把传过来的数据整理后进行存储以便日后查看。上位机主界面如图5 所示。

图5 上位机主界面Fig.5 Main interface of upper computer

4 系统测试与分析

智能仓储环境监控系统实物如图6 所示。最上面的节点为协调器，负责组网和与上位机进行串口通讯。下面的3 个节点是终端，终端上的传感器分别有温湿度传感器DHT11，气体传感器MQ－2，还有控制风扇的继电器。

图6 智能仓储远程控制系统实物图Fig.6 Physical diagram of intelligent warehouse remote control system

组网成功后通过智能仓储中心进行控制，经过测试系统温度、湿度显示正常，能随时监测仓库的环境参数，当温度超过预定值（如15 ℃～20 ℃）、湿度比例超过（50%～70%），终端会将温度、湿度数据发送到协调器，智能控制中心会将设定值与传来的数据对比。如当温度、湿度过高时，协调器发送指令，对应终端接收到指令后，打开风扇进行通风。气体异常监测测试时采用打火机对传感器测试，当系统检测到有害气体时，能迅速引起传感器电压变化，其信号由终端立刻发送到协调器，协调器上的蜂鸣器随之响起警报，最后经控制中心显示出来。灯光系统的控制由仓库智能监控中心管理，既能远程通过界面逐个开启，也能统一开关。

5 结束语

为充分利用ZigBee 芯片低功耗、低复杂度、可靠性高的特点，本文设计了一种基于CC2530 的新型无线智能仓储监控系统。结合实际仓储基本特征参数，采用ZigBee 组网，通过控制仓库通风等手段，实时监控环境的温度、湿度、及环境中的常见易燃易爆有害气体。通过协调器建立的网络，将传感器收集的数据汇集到协调器，协调器通过串口将数据传输到上位机，以简洁的方式显示出来。经过实验测试，该系统响应迅速，通信可靠，可大大提高仓储环境的安全性，并能有效监控环境信息，保障货物长期处于合适的存储环境。