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        基于ZigBee技術的物流倉庫溫濕度監控系統設計

          信息來源:   發布時間:2021-09-06  點擊數:

        近年來, 電子商務已成為我國經濟增長的重要引擎, 并已經進入密集創新和快速發展的新階段。2015年, 我國的電子商務交易額為16.2萬億元, 同比增長21.2%。電子商務市場的快速發展, 也帶來了快遞業爆發式增長。據統計, 2015年, 快遞企業業務量達到2 016.7億件, 同比增長48%[1]。因此, 隨著目前網絡購物的快速增長, 特別是“互聯網+”的新型消費模式提出, 可以預見未來物流業務量還將進一步增長。然而物流交易量的增加, 也給物流倉庫存儲帶來較大的管理成本, 制約著物流企業的進一步發展。因此, 迫切需要進一步提高物流企業的自動化管理水平, 從而可以有效地降低企業的運營管理成本。而利用傳感信息技術監測物流倉庫的溫濕度是一種有效的管理手段。有研究人員利用無線網絡技術實現了對果蔬產品全程冷鏈的監控, 使得果蔬產品的保鮮品質得到有效控制[2,3]。李勤國[4]提出了利用冷藏集裝箱對冷鏈產品進行保鮮。但傳統的冷鏈方法主要在運輸中對產品狀態進行監測, 而未能有效地對倉儲環境進行自動化監測。

        在這種背景下, 本文提出了一種基于Zig Bee技術的物流倉庫溫濕度監控系統。該系統將常用的溫濕度傳感器和無線傳感器網絡相結合, 利用無線傳感器網絡移動性強、實時性好、組網方便等優點, 可以對物流倉庫中的溫度和濕度的監測數據進行無線傳輸, 并通過控制程序對溫控和濕控設備進行自動控制。本文設計的系統可以有效地降低倉庫的管理成本, 系統快速部署, 減少布線的成本。

        1 系統組成

        基于Zig Bee技術的物流倉庫監控系統設計方案如圖1所示。具體可以分為三部分, 第一部分是溫濕度傳感器采集節點, 第二部分是匯聚節點和嵌入式設備, 第三部分是監控中心。傳感器采集節點負責溫度和濕度采集, 其包括美國德州儀器公司 (TI) 生產的CC2530芯片模塊和溫濕度傳感器。匯聚節點負責對采集節點的數據進行匯聚, 其包括CC2530芯片模塊。嵌入式網關設備負責將匯聚節點的數據信息進行解析處理、存儲和轉發至監控中心, 其包括1 GHz Cortex TM-A8 ARM處理器、Android 2.3操作系統和相關外接設備。節點之間的通信方式采用Zig Bee協議進行無線傳輸, 匯聚節點和嵌入式網關采用RS232串口通信方式, 嵌入式網關與監控中心采用485總線方式進行數據通信。監控中心可以實時顯示部署在物流倉庫中每一處位置的傳感器監測狀態。圖1中, 序號1、2、3代表Zig Bee網絡路由跳數步長。

        圖1 基于Zig Bee技術的物流倉庫溫濕度監控系統框圖Fig.1 Temperature and humidity monitoring system for logistics warehouse based on Zig Bee technology

        圖1 基于Zig Bee技術的物流倉庫溫濕度監控系統框圖Fig.1 Temperature and humidity monitoring system for logistics warehouse based on Zig Bee technology   下載原圖


        2 硬件設計

        本系統的硬件設計包括兩部分, 分別為采集節點硬件設計、匯聚節點及嵌入式網關的設計。

        2.1 采集節點硬件設計

        采集節點采用TI公司生產的CC2530芯片, 其特點是低成本、近距離、低復雜度、自組織、低功耗[5,6]。CC2530是基于2.4 GHz IEEE802.15.4和Zig Bee協議的芯片, 該芯片包括射頻收發器、增強型8051 CPU、可編程flash、8 k B RAM和許多其他輔助功能模塊。同時CC2530運行模式之間的轉換時間很短, 使其進一步降低能源消耗[7,8]

        采集節點的傳感器使用SHT10溫濕度傳感器[9,10]。傳感器SHT10既可以采集溫度數據也可以采集濕度數據, 通過寫入不同命令分別進行溫度和濕度的采集與發送。SHT10傳感器用于采集周圍環境中的溫度和濕度, 其工作電壓為2.4~5.5 V, 25℃時測溫精度為±0.5℃, 測濕精度為±4.5%。傳感器封裝采用貼片封裝, 具有體積小的特點。圖2中J12為傳感器模組與CC2530的接口, C25為濾波電容, R36和R37為電阻, 傳感器的2引腳為輸出引腳。

        圖2 SHT10溫濕度傳感器硬件連接電路圖Fig.2 Hardware circuit diagram for SHT10 temperature and humidity sensor

        圖2 SHT10溫濕度傳感器硬件連接電路圖Fig.2 Hardware circuit diagram for SHT10 temperature and humidity sensor   下載原圖


        2.2 匯聚節點及嵌入式網關硬件設計

        嵌入式網關硬件設計如圖3所示。嵌入式網關采用Tiny 210開發板, 該開發板中央處理器 (CPU) 采用基于Cortex-A8的三星CPU, 運行主頻1 GHz。其存儲空間包括512 MB的RAM和512 MB NAND flash。7寸液晶顯示器 (LCD) 支持觸屏操作, 用于Android程序顯示和輸入[11]。外部接口支持兩個串口, 聯合測試工作組 (JTAG) 接口和通用串行總結 (USB) 接口。兩個串口分別用于CPU和匯聚節點的232通信、CPU和監控中心通信的485通信。匯聚節點采用TI公司的CC2530芯片, 通過RS232串口通信方式與嵌入式網關進行數據傳輸。

        圖3 嵌入式網關硬件設計Fig.3 Hardware design of embedded gateway

        圖3 嵌入式網關硬件設計Fig.3 Hardware design of embedded gateway   下載原圖


        3 軟件設計

        本系統的軟件設計包括三個部分, 分別為采集節點的程序設計、匯聚節點的程序設計、嵌入式網關的程序設計。采集節點的程序設計用于完成數據采集和發送, 匯聚節點的程序設計用于轉發采集的數據至嵌入式網關, 嵌入式網關的程序設計用于數據存儲、解析和轉發。

        3.1 采集節點的程序設計

        由圖4可以看出, 采集節點的程序主要完成CC2530和SHT10傳感器的命令寫入和數據讀取。采集節點工作流程為:首先對SHT10內部寄存器進行初始化, 接著設置測量精度, 之后寫入溫度測量或者濕度測量命令, 最后將溫度或者濕度測量數據轉換并將其讀出。

        圖4 溫濕度傳感器程序流程圖Fig.4 Program flow diagram of temperature and humidity sensor

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        SHT10采集節點傳感器數據讀取關鍵代碼如下所示:



        3.2 匯聚節點設計

        匯聚節點通過開發板的串口1實現CC2530芯片與嵌入式網關設備的232通信。由圖5可以看出, 匯聚節點首先進行初始化, 掃描無線信道內的數據通信幀, 如果查詢到有采集節點加入至Zig Bee網絡, 則建立相應的路由信息。匯聚節點向已加入網絡的采集節點發送握手命令, 如果匯聚節點收到采集節點的握手反饋消息, 則握手成功, 采集節點可以上傳數據至匯聚節點。反之, 匯聚節點繼續定時發送握手命令, 直到收到反饋消息。

        圖5 匯聚節點程序流程圖Fig.5 Program flow diagram of sink nodes

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        3.3 嵌入式網關設計

        本系統的嵌入式網關采用Android平臺進行開發[12], 主要包括界面顯示, 數據接收、發送和解析處理功能, 通過調用底層封裝庫函數進行雙串口通信, 一個為RS232, 另一個為RS485。RS232用于嵌入式網關與匯聚節點的短距離通信, RS485用于嵌入式網關和監控中心的長距離可靠通信。

        4 結果與分析

        為驗證本文所設計的檢驗系統的可行性和正確性, 對本系統進行實際運行測試。本系統采用基于Android系統的開發板進行網關軟硬件開發, 充分利用Android系統界面的友好性和便捷性, 同時節點軟件設計采用C語言開發, 進行信號采集和傳輸。本系統的開發板系統如圖6所示, 采集節點如圖7所示。

        圖6 系統開發板Fig.6 System development kit

        圖6 系統開發板Fig.6 System development kit   下載原圖


        圖7 傳感器采集節點Fig.7 Sensor acquisition node

        圖7 傳感器采集節點Fig.7 Sensor acquisition node   下載原圖


        本文對本系統的Zig Bee網絡傳輸性能進行了測試和分析, 以不同節點數量和不同傳輸距離進行了網絡傳輸時間的測試。試驗性能如圖8所示。在試驗中, 以200幀/s的速率傳輸數據幀, 在匯聚節點對采集節點的傳輸時間進行測試統計。通過試驗分析可知, Zig Bee協議的網絡性能主要受節點數量和傳輸距離影響。隨著加入網絡的節點增加, 導致在匯聚節點接受數據的時間增加。另外傳輸距離的增加, 也會導致傳輸時間的增加。從輸出時間上可以看出, 本系統的傳輸時間保持在毫秒級, 可以較好地滿足實時的需求。

        圖8 Zig Bee網絡性能對比Fig.8 Comparison of network performance for Zig Bee

        圖8 Zig Bee網絡性能對比Fig.8 Comparison of network performance for Zig Bee   下載原圖


        監控中心可以實時顯示由嵌入式網關轉發來的傳感器采集到的溫度和濕度數據, 其實際運行效果如圖9所示。顯示信息包括每一處位置傳感器的設備值、地址、采集時間、溫度值和濕度值。同時, 當檢測到的傳感器數據超過正常值時, 系統可以自動報警和開啟相關的控制設備, 對物流倉庫進行溫度和濕度調整。

        圖9 監控中心實際運行效果Fig.9 Actual operation results of monitoring processing center

        圖9 監控中心實際運行效果Fig.9 Actual operation results of monitoring processing center   下載原圖


        5 結束語

        本文提出了一種基于Zig Bee技術的物流倉庫溫濕度監控系統設計方案, 對物流倉庫的溫度和濕度狀態進行監測, 并通過Zig Bee技術將傳感器數據傳輸至匯聚節點和嵌入式網關設備, 并由嵌入式網關設備將數據轉發至監控中心;同時監控中心可以根據倉庫狀態自動開啟相關控溫和控濕設備。結果證明, 本文設計的系統可以有效提升物流企業的倉庫狀態監控效率, 降低倉庫的管理成本, 達到智能化管理要求。

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