基于ZigBee的仓库智能环境监控系统设计

文 晖

（兰州石化职业技术学院 信息处理与控制工程学院，甘肃，兰州 730060）

0 引言

随着全球经济的快速发展，仓库和库房数量大幅增加，储存规模也日益增大。这给仓储安全管理提出了更高要求。目前，国内在仓储管理方面主要是进行信息化提升和防盗安全管理，能把物联网技术全面应用于仓储环境安全管理方面的较少。虽然有的仓库能够监测温度指标、监控入侵，但系统还远远没有达到智能化的要求，特别是在报警手段和问题处理上主要依赖人工，且由于其体系架构局限于局域网，基本是一个仓库一套应用，普遍使用有线传感器。因此，直接、准确、高效的基于云平台控制的无线仓储智能监控预警显得尤为需要。本设计在原有的仓库信息系统的基础上，使用少量必要的传感器与执行器建立了一个低成本、高效率的环境监控系统来保证仓库的安全。

1 系统需求分析

目前，大多数仓储环境监控系统主要是基于局域网的体系结构，其基本原理是通过内部有线或者无线传感器采集环境数据，然后将数据上传到内部服务器的应用端，再根据控制策略对控制器发出指令。由于是在局域网内部的应用系统，这种系统很难与广域网的智能终端进行实时通讯、预警。随着ZigBee技术、移动智能终端技术与云平台技术的发展，实现以无线传感器与执行器为基础，以广域网云平台集中管控并与移动终端实时通讯的仓储智能环境监控系统成为一种更为优化的选择。

2 系统组成与功能

作为一种无线通信技术，ZigBee具有低功耗、低成本、短时延、网络容量大、可靠安全的特点。因此，在本设计中现场网络采用ZigBee无线传感网络。

如图1所示为智能仓储环境监控系统的方案架构，包括无线传感网、互联网云平台、WEB客户端和移动客户端App三部分，分别构成了感知层、传输层、管理层和应用层。无线传感网部分包含感知层、传输层以及无线执行器。感知层以CC2530单片机为核心进行设计，由分布于仓库中的多种传感器构成，用以采集仓库中的温度、湿度、火焰、烟雾、光照等环境参数。传输层基于ZigBee[1]技术而设计，由终端节点、路由节点以及协调器节点（内置于物联网网关之中）构成无线传输网络。

传感器采集到的仓库温度、湿度、火焰、烟雾、光照等环境数据经网关转换、传输层传输到云平台。云平台的设备管理与策略管理系统共同构成了IoT的处理层，这也是智能监控系统的核心。

利用ASP.NET开发的基于B/S结构的管理云平台有以下优点：

第一，通过使用浏览器客户端管理多个物联网网关的数据来管理不同的仓库。

第二，针对不同网关上连接的设备配置智能管理策略。

第三，管理移动端（手机）用户、发送报警信息到移动端。

图1 系统方案结构图

图2 系统方案数据流图

如图2所示为系统的数据流图。系统的工作原理是：物联网网关（刷新时间5秒）将传感器信息采集后发送到云平台并存入到数据库中，实时对采集到的数据进行智能分析和处理，根据采集到的数据和既定的管理策略发送命令到物联网网关，驱动执行器，同时通过无线网络将环境信息发送到手机App。对于严重的火灾等事件直接通过传感网启动报警系统、开启电磁阀控制的喷淋头灭火，也可同时发送到管理者的手机App，经其确认后进行消防火灾报警。

3 系统设计

3.1 系统硬件设计与选型部署

系统硬件包括ZigBee节点、板载传感器、板载继电器、网关、宽带路由器、风扇、电磁阀、视频摄像头、服务器和客户端电脑。主要硬件的设计如下

（1）传感器

本设计中温度、湿度、火焰、烟雾、光照传感器为板载方式，通过IAR编写相应程序，编译配置后使用，通过锂电池供电。图3为传感器连接示意图。

图3 传感器连接图

（2）执行器

具体执行器，如通风、自动喷水有关的设备均通过继电器控制，本设计通过ZigBee控制板连接继电器的方式实现。具体配置与传感器类似。图4为执行器连接示意图。

图4 执行器连接图

（3）网关

网关设备是传感器、执行硬件设备与云平台之间的中间件，负责收集传感器信息，并通过网络方式将数据传给云平台。网关采用新大陆NLEPE9000，支持 Wifi、RS485、以太网、Zigbee 协调器、USB、RFID、蓝牙等通讯功能，支持电容触摸屏，电源电压为12V。

选型与部署原则如下：

传感器选型主要考虑量程与精度。具体由仓储特性决定，精度高则成本偏大，适用即可。本系统中主要用到的传感器有ZigBee板载温湿度、火焰、烟雾、光照传感器。

传感器节点数量与位置。考虑到ZigBee通信特点与效果要求，节点实际距离不应超过20米。温湿度传感器属于不密封的，根据其测量特点，安装位置应当是不通风的部位。火焰、烟雾、光照传感器以顶部为上，且不能遮挡。

图5 智能仓储监控云平台网关配置界面

图6 部分监控策略配置界面

执行器节点主要实现通风、照明、灭火功能。节点实际距离不应超过20米，照明需求是在ZigBee继电器上连接照明灯实现。温湿度需求则是在Zig-Bee继电器上连接空调、风扇设施实现。对于自动灭火需求则通过在顶部安装喷淋头，其开关通过Zig-Bee继电器控制。执行器的数量由仓库大小决定。

3.2 软件设计

3.2.1 云平台设计

云平台采用Visual Studio 2012集成开发环境，设计一个基于.NET Framework的ASP.NET[3]程序进行设备管理和策略控制，程序中使用CSS进行布局，引入设备的dll文件，用C#编程语言调用设备API进行服务器端脚本编程。WEB服务器使用腾讯云服务器，其IP地址是移动终端寻址的目标。管理员登录后添加网关设备，每个网关由唯一的标识号识别，一个云平台可以添加多个网关设备，所以该平台可以对多个仓储点进行监控。图5为监控云平台网关配置界面。

3.3.2 移动端App设计

移动端主要针对Android系统利用Eclipse、JDK、SDK等ADT工具基于Socket[4]技术进行编程。客户端登录后获取对应客户仓库的平台信息，可以通过移动客户端配置监控参数、监控策略，并接收报警信息。

3.3 监测与控制策略

传感器的各种电信号在通过网关转化后，上传到仓储监控云平台。在云平台进行的基本操作包括：

第一，添加设备。通过网关管理下属设备，每个传感器与执行器在云平台上对映一个逻辑设备，同种设备通过序列号加以区分。

第二，添加传感器变量。在监控云平台对各个传感器设置对应的变量，每个传感器都有唯一的变量与其关联，传感器变量是设置智能监控策略的基础。

第三，设置控制策略。执行器是通过策略设置与传感器关联，不同的仓储应用对参数的需求不同。在策略设置中设置好温度报警策略、通风策略、喷淋策略并启用后，系统就处于自动监控状态。图6为监控云平台部分监控策略配置界面。

4 系统测试

测试实验主要针对温湿度、光照、火焰子系统进行测试，喷淋头数控电磁阀用同类开关量设备风扇代替。监控测试能够正常进行，即按照策略要求控制执行器。系统启动后，先进行组网操作，在通道号与序列号正确的前提下，逐一给传感器和执行器节点通电，之后方可在物联网网关和云平台上完全上线，投入工作。