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在某些領(lǐng)域, 一些重要物資需要裝入密封真空塑料包裝袋后再裝箱存儲, 倉儲時間可能會長達(dá)數(shù)年, 在此過程中, 密封包裝袋有可能會發(fā)生泄漏, 導(dǎo)致其內(nèi)部的溫濕度發(fā)生變化, 對物資的性能參數(shù)造成影響, 使用的安全性得不到保證。所以, 本文研究的密封物資溫濕度檢測與監(jiān)控系統(tǒng)旨在對倉儲中重要物資的密封包裝袋內(nèi)部溫濕度進(jìn)行實時檢測與監(jiān)控, 通過分布在物資箱體內(nèi)的傳感節(jié)點檢測采集包裝袋內(nèi)部及環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù), 再通過低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控終端, 管理者通過監(jiān)控終端對任意倉庫的任意節(jié)點的溫濕度進(jìn)行實時監(jiān)控, 如果節(jié)點溫濕度出現(xiàn)異常, 系統(tǒng)將自動報警, 管理者可迅速方便的找出異常節(jié)點, 并進(jìn)行下一步處理, 可減少物資在倉儲過程中的損耗, 提高倉儲物資使用的安全可靠性。

目前, 常用的溫濕度測量技術(shù)主要有紅外和超聲波, 具有便捷、非接觸式的優(yōu)點, 但由于這兩種方式成本高, 且有可能對物資造成損傷, 故不能采用[1]。本系統(tǒng)對于包裝袋內(nèi)部溫度測量采取在箱體內(nèi)部安裝溫度傳感器, 所得箱內(nèi)溫度即為包裝袋內(nèi)部溫度;濕度測量由于無法將傳感器探入物資密封包裝袋內(nèi)部而采取非接觸式, 需設(shè)計符合安全性要求的非接觸式濕度傳感器。另外, 由于傳感節(jié)點星羅棋布, 且置于箱體內(nèi)部, 難以布線, 故采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸, 傳感節(jié)點用電池供電。在對比了紅外、藍(lán)牙等幾種常見通信方式后, 決定采用低成本、低功耗、自配置、多節(jié)點、安全性高的Zigbee進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2], 實現(xiàn)一個多跳的自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。本系統(tǒng)還具有組態(tài)的監(jiān)控界面, 可形象地顯示出被監(jiān)測對象的位置, 溫濕度等信息, 可實現(xiàn)自動報警等功能。

本系統(tǒng)主要由溫濕度檢測、Zigbee低功耗無線傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控終端3部分組成 (圖1) 。由分布在各倉庫的箱體內(nèi)的若干個底層數(shù)據(jù)采集節(jié)點負(fù)責(zé)檢測采集溫濕度數(shù)據(jù), 爾后通過底層路由器將數(shù)據(jù)傳至底層協(xié)調(diào)器, 此即為底層采集網(wǎng)絡(luò)。底層協(xié)調(diào)器連接上層終端將數(shù)據(jù)經(jīng)上層路由器最終發(fā)送至上層協(xié)調(diào)器, 此即為上層傳輸網(wǎng)絡(luò), 底層采集網(wǎng)絡(luò)和上層傳輸網(wǎng)絡(luò)一起組成了本系統(tǒng)的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。上層協(xié)調(diào)器通過RS232串口電路再與監(jiān)控終端通信。

圖1 系統(tǒng)示意圖  下載原圖

該節(jié)點由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、無線通信和供電4個模塊組成, 如圖2所示。數(shù)據(jù)采集模塊由數(shù)字傳感器組成, 包括接觸式溫濕度傳感器DHT-11、和自行設(shè)計的非接觸式濕度傳感器, 負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)的溫濕度信息采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[3,4,5,6,7];數(shù)據(jù)存儲處理模塊由微控制器組成, 負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作和數(shù)據(jù)存儲;無線通信模塊由無線收發(fā)器組成, 負(fù)責(zé)與其他節(jié)點進(jìn)行通信。供電模塊為其他3個部分提供能量。

圖2 節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖  下載原圖

如圖3所示, 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)主要采用CC2530芯片內(nèi)部提供的接口邏輯, 其內(nèi)部集成1個8位高性能和低功耗的8051微控制器核[8]。

圖3 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖  下載原圖

如圖4所示, 整個系統(tǒng)的程序包括CC2530啟動程序、外設(shè)初始化程序、傳感器讀取子函數(shù)等。

圖4 節(jié)點軟件流程  下載原圖

采用電容式濕度測量原理, 制作類似于電容式濕度傳感器HS1101的濕敏電容。將待測密封包裝置于濕敏電容兩極板中間, 包裝內(nèi)部濕度變化會影響到濕敏電容特性, 進(jìn)而得出電容值。該濕敏電容的濕度-電容值特性曲線也應(yīng)該具有線性特性。通過PCB制版方式制作非接觸式濕敏電容的兩個極板, 外圍覆加金屬層屏蔽外界干擾。

借鑒濕度傳感器HS1101測量電路, 將濕敏電容置于555振蕩電路中, 將電容值的變化轉(zhuǎn)換為電壓頻率信號, 可以直接被微處理器采集。圖5為非接觸式測量電路。

圖5 非接觸式濕度測量電路  下載原圖

555芯片外接電阻R2, R3與非接觸式濕度傳感器, 構(gòu)成對非接觸式濕度傳感器的充電回路。引腳7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路實現(xiàn)對非接觸式濕度傳感器的放電回路, 并將引腳2, 6端相連引入到片內(nèi)比較器, 構(gòu)成一個多諧波振蕩器, 其中, R3相對于R2必須非常的小, 但決不能低于一個最小值。R4是防止短路的保護(hù)電阻。非平衡電阻R1是做內(nèi)部溫度補償, 目的是為了引入溫度效應(yīng)。非接觸式濕度傳感器作為一個變化的電容器, 連接引腳2和6。引腳7作為R3的短路引腳。非接觸式濕度傳感器的等效電容通過R3和R2充電達(dá)到上限電壓 (近似于0.67 vcc, 時間記為T1) , 這時555的引腳3由高電平變?yōu)榈碗娖? 然后通過R2開始放電, 由于R3被引腳7內(nèi)部短路接地, 所以只放電到觸發(fā)界線 (近似于0.33 vcc, 時間記為T2) , 這時555芯片的引腳3變?yōu)楦唠娖?。通過R2, R3進(jìn)行傳感器的不停充放電, 產(chǎn)生方波輸出。充電、放電時間分別為

輸出方波的頻率和占空比的公式如下:

由此可以看出, 空氣相對濕度與555芯片輸出頻率存在一定線性關(guān)系。對于非接觸式濕度傳感器和555多諧振蕩回路輸出的頻率可變的方波, 直接輸入至CC2530內(nèi)部計數(shù)器中即可讀取頻率值, 另外還需要通過查詢不同溫度下濕度線性補償值進(jìn)而獲得精確濕度值。

將非接觸式濕度傳感器置于555振蕩電路中, 并將輸出接入示波器, 探究濕度與555多穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出頻率的線性關(guān)系。實驗中濕度值由DHT11溫濕度傳感器測量所得, 且測得實驗在23.4℃環(huán)境中進(jìn)行, 數(shù)據(jù)如表1所示。

    下載原表

由圖6分析得, 非接觸式濕度傳感器濕度與555振蕩電路輸出方波頻率確實呈線性關(guān)系, 在23.4℃, 其線性關(guān)系為44 Hz/%RH。

圖6 非接觸式濕度傳感器濕度-頻率線性圖  下載原圖

在本系統(tǒng)中, 協(xié)調(diào)器主要有2個任務(wù):負(fù)責(zé)建立新網(wǎng)絡(luò)并允許其他節(jié)點加入到該網(wǎng)絡(luò)中;能夠接收終端傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)信息, 并將這些數(shù)據(jù)信息匯合整理后通過串口傳給上位機(jī)。這部分的軟件實現(xiàn)主要有設(shè)備的初始化、協(xié)調(diào)器建網(wǎng)、節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)信息的收發(fā)和處理等, 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的工作流程如圖7所示。

路由器負(fù)責(zé)4個功能;加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)、接受子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的請求、接收終端節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)、將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器, 路由器工作流程如圖8所示。

圖7 協(xié)調(diào)器工作流程  下載原圖

圖8 路由器工作流程  下載原圖

當(dāng)協(xié)調(diào)器和路由器都上電后, 網(wǎng)絡(luò)已建立完成, 當(dāng)?shù)讓庸?jié)點上電后, 通過前文敘述的掃描信道申請加入現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò), 加入成功后被協(xié)調(diào)器分配一個地址, 即可開始將倉儲對象的溫濕度信息采集發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點并與上位機(jī)通信。底層節(jié)點的運行流程如圖9所示。

CC2530有PM0, PM1, PM2和PM3 4種工作模式。PM0模式是全功能模式, 用于普通操作。PM1模式適用于相當(dāng)短時間內(nèi)的休眠事件。PM2模式適用于相當(dāng)長時間內(nèi)的休眠事件, 特別是用于休眠定時狀態(tài)。PM3模式適用于有重置或外部事件觸發(fā)的條件下要求低功耗的場合。

本系統(tǒng)設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是針對倉儲物資監(jiān)測, 網(wǎng)絡(luò)通常長時間無人介入, 人力重置模塊難以實現(xiàn);再者由于傳感器節(jié)點主要有射頻傳輸模塊和傳感器模塊, 且傳感器模塊為射頻傳輸模塊從設(shè)備, 也無法通過外部中斷對傳感器進(jìn)行喚醒。因此選擇功率消耗第二位的PM2模式作為傳感器節(jié)點的休眠模式。通過設(shè)置電源模式控制寄存器及睡眠定時器, 選擇系統(tǒng)工作時鐘源, 關(guān)閉不用的時鐘源, 以使傳感器節(jié)點發(fā)送完數(shù)據(jù)后進(jìn)入PM2模式休眠狀態(tài), 隔一定的時間后再喚醒進(jìn)入PM0工作模式發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣系統(tǒng)可以在很長時間段內(nèi)處于能量消耗很低的休眠模式狀態(tài), 使得傳感器節(jié)點在很大程度上節(jié)省了能量。延長了電池壽命。

圖9 底層節(jié)點工作流程  下載原圖

本文中Zig Bee節(jié)點使用2節(jié)1.5 V的電池供電, 并設(shè)置節(jié)點每15 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集, 對節(jié)點電池壽命進(jìn)行評估。兩節(jié)電池總電量為3 000 m A·h, 因為需滿足節(jié)點額定電壓要求, 所以可供節(jié)點正常工作的電量為1 000 m A·h, 終端節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送時瞬時電流為29 m A, 數(shù)據(jù)接收時瞬時電流為24 m A, 假設(shè)各種傳感器工作電流為30 m A, 那么數(shù)據(jù)發(fā)送期間所需電流為59 m A, 數(shù)據(jù)接收期間所需電流為54 m A, 為了討論方便, 總電流定為60 m A, 可知兩節(jié)電池能連續(xù)工作近17 h。但如果采用休眠機(jī)制, 每小時工作50 s (其他時間都在休眠, 休眠時工作電流在微安級, 可以忽略不計) , 可算出兩節(jié)電池可供終端節(jié)點工作時間為1 200 h, 即大約50 d。由此可見, Zig Bee設(shè)備采用“睡眠—喚醒采集數(shù)據(jù)—睡眠”工作模式可以很好降低功耗, 滿足系統(tǒng)需要。

上層監(jiān)測軟件將通過串口收到的若干個8位數(shù)據(jù)按照定義好的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行分類, 賦給相應(yīng)變量, 利用編寫的控件將各類型數(shù)據(jù)以動畫形式形象地顯示出來, 并按照預(yù)先設(shè)定的各類型數(shù)據(jù)的報警閥值進(jìn)行判斷, 最后根據(jù)判斷的結(jié)果, 決定是否發(fā)生報警事件, 并將實時的數(shù)據(jù)記錄和報警記錄存儲到數(shù)據(jù)庫中。整個監(jiān)控軟件包含登錄模塊、主監(jiān)控模塊、歷史數(shù)據(jù)模塊 (歷史數(shù)據(jù)表格、歷史數(shù)據(jù)曲線圖、報警時間表格) 、實時數(shù)據(jù)模塊 (實時數(shù)據(jù)表格、實時數(shù)據(jù)曲線圖、監(jiān)測節(jié)點倉庫地圖、實時數(shù)據(jù)方框圖) 。監(jiān)控軟件各部分功能結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

圖1 0 監(jiān)控軟件各部分功能結(jié)構(gòu)  下載原圖

數(shù)據(jù)采集工作流程如圖11所示。

圖1 1 數(shù)據(jù)采集流程  下載原圖

用戶身份驗證成功后, 程序首先在后臺初始化數(shù)據(jù)交換機(jī), 對接收的數(shù)據(jù)在軟件內(nèi)部各串口之間進(jìn)行分發(fā)。對于各種形式的監(jiān)控窗口, 每收到9 B長度的數(shù)據(jù)后便進(jìn)行檢驗判斷, 首先判斷起始位是否分別是110和130, 如果不是, 則認(rèn)為此幀數(shù)據(jù)不完整, 將此幀數(shù)據(jù)從接收緩存中刪除, 直到數(shù)據(jù)包起始位均判斷正確后, 開始檢測數(shù)據(jù)包的第二位, 控制字為150代表當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)包為溫濕度有效數(shù)據(jù), 將數(shù)據(jù)通過制作好的顯示組件的公共方法傳遞給顯示控件, 用于以表格和地圖的形式顯示部分實時數(shù)據(jù), 控制字為160, 代表當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)包為新增監(jiān)控節(jié)點指令數(shù)據(jù), 程序收到指令后會激活節(jié)點信息存儲模塊功能, 將新節(jié)點的坐標(biāo)、庫號、節(jié)點號等信息存儲至數(shù)據(jù)庫的當(dāng)前節(jié)點信息表和歷史節(jié)點信息表中, 控制字為170, 代表當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)為已存在監(jiān)控節(jié)點移出網(wǎng)絡(luò)指令數(shù)據(jù), 程序收到指令后會自動根據(jù)發(fā)出此指令的節(jié)點的倉庫號和節(jié)點號信息從數(shù)據(jù)庫的當(dāng)前節(jié)點信息表中將此節(jié)點的信息移除。在各種形式監(jiān)控窗口初始化的過程中或收到溫濕度有效數(shù)據(jù)后, 程序會首先從數(shù)據(jù)庫的報警信息表中加載對應(yīng)于當(dāng)前所選擇或所觀測的倉庫的報警事件判斷閥值, 與收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較, 如果有在溫度、內(nèi)部濕度、外部濕度、電源電量這些數(shù)據(jù)中存在超出報警閥值范圍的量, 則產(chǎn)生報警數(shù)據(jù), 不僅要將收到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)信息表中, 并且要在數(shù)據(jù)庫的報警數(shù)據(jù)表中記錄報警事件發(fā)生時的各個數(shù)據(jù)值以及報警的變量類型。

本文研究的密封物資溫濕度檢測與監(jiān)控系統(tǒng)采用無損傷的溫濕度檢測方式, 利用Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信, 管理者可方便的通過監(jiān)控終端對倉儲物資的真空塑料包裝袋內(nèi)部溫濕度進(jìn)行實時監(jiān)控, 可有效提高倉儲物資使用的安全性, 經(jīng)過實驗調(diào)試, 該系統(tǒng)性能穩(wěn)定, 成本低廉, 功耗較低, 測試效果良好.達(dá)到了設(shè)計要求, 可廣泛應(yīng)用于倉儲物資溫濕度檢測與監(jiān)控領(lǐng)域.