ZigBee与RS485混合网络的粮情监控系统的研究

杨盛泉,刘海泉,刘白林

(西安工业大学 计算机科学与工程学院,西安 710021)



ZigBee与RS485混合网络的粮情监控系统的研究

杨盛泉,刘海泉,刘白林

(西安工业大学 计算机科学与工程学院,西安 710021)

为了解决使用传统方式采集粮库温度、湿度过程中表现出的低效率、误差大、维护难等问题,提出研究与设计基于ZigBee与RS485混合网络的粮情监控系统.文中首先介绍了粮情监控混合网络模型结构,它由感知层、网络层与应用层组成；进而叙述了无线网络中传感器节点和汇聚节点的硬件组成和运行机理；最后讨论了ZigBee网络通信的数据帧的设计以及节点底层程序与工控机上位程序设计.通过工程实例运行表明,粮库监控中使用ZigBee与RS485混合网络模式搭建运行可以扬长避短,具有组网灵活、数据精度高、低成本、方便维护管理等优点.

ZigBee； RS485； 传感器节点； 汇聚节点

我国是农业大国且每年的粮食产量巨大,粮库是保证粮食储存安全的重要基础设施,全国各地分布了大大小小若干粮库,每个粮库一般来说又由很多粮仓组成.粮仓的防潮、防霉、防火历来是粮食仓储企业工作人员的主要任务,而这个任务的顺利完成需要通过一定的手段实现对粮仓内部温湿度等信息的有效实时监测，且发现问题后立即采取对应有效措施[1].粮仓内部的温度、湿度的监测(又称为粮情监测)在现代科学储粮中占有非常重要地位,传统的粮情监测方法主要有两种：① 早期自动化落后的粮库是利用手持式传感仪器进行人工读数监测并手动记录,该方法存在劳动强度大、精度低、不连续、效率低下等缺点；② 现代很多新建的粮库粮情监控系统大多采用了有线集散式(DCS)监控系统,其粮仓内外均采用多点有线传输仪器进行监测,克服了早期人工监测系统的部分缺点,但该方法实践上存在施工周期长、粮仓内部布线复杂、系统扩展适应能力差等缺点.

ZigBee作为一种新兴物联网的通信技术,是一种低成本、低复杂度、低功耗、高可靠性、高效率的双向无线通信技术.ZigBee一般有效传输距离在10～100 m,主要用于物联网中位置分散、结构复杂且组网灵活多变的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低延迟时间数据传输的应用[2].但是ZigBee技术本身是一种短距离的无线通信技术,有效通信距离不超过100 m.传统RS485接口在工业通信总线型网络上是允许连接多达128个下位收发器,即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS485接口方便地建立起总线型设备网络.RS485不仅可以只需要两个线连接远距离的下位设备,而且可以保持很强的抗干扰能力.因此采用新兴无线ZigBee网络技术与传统RS485有线工业总线网络相结合的粮情监控策略,可以扬长避短、实现两者优势互补.将ZigBee无线通信技术应用于粮食存储环境的温度、湿度监测,可以很好地解决粮仓中监测节点众多,分散性强,扩展和维修不方便等问题,将有效地解决粮仓内有线系统的局限性以及各种缺点.同时利用RS485通信远距离与抗干扰多机通信优势实现粮仓外与远程粮情中心工控机持续高效通信.

1 粮库ZigBee与RS485混合网络监控系统宏观设计

在无线网络IEEE802.15.4协议标准中ZigBee网络一共定义了3种网络拓扑结构：星型(Star Net)拓扑结构、树簇型(Cluster Net) 拓扑结构和网格型(Mesh Net) 拓扑结构[3].根据粮库中粮情监测的特点，本系统采用星型(Star Net)拓扑结构,基于ZigBee与RS485混合网络的粮库监测系统宏观结构如图1所示.

图1 粮库ZigBee与RS485混合网络监控宏观结构图

整个系统采用一般物联网分层设计的方式,本系统设计为三层,具体如下：① 粮库中1#～n#粮仓中各个传感器节点为最低层,称为感知层；② 每一个粮仓都有一个汇聚节点对粮仓信息统一采集管理,汇聚节点在物联网中又称为协调器节点,若干个粮仓的汇聚节点构成了中间层,称为网络层；③ 本地工业控制计算机以及通过Lan、Internet向上拓展的远程客户端为最高层,称为应用层.

1.1 粮库ZigBee系统感知层

系统的感知层主要是在粮仓中有规律地布置若干温度、湿度传感器节点.粮仓内部的温度、湿度进行检测主要使用热电偶或热电阻以及湿敏电阻或电容等测量技术,其输出信号是模拟量,需要经过模数转换才能得到实际的温湿度值.本系统中粮仓中传感节点模块硬件是通过ZigBee芯片及其辅助电路连接实际的各种传感器进行数据采集,并将数据进行简单处理后通过其节点中的ZigBee自带的RFID射频发射器将数据发送给网络层的ZigBee汇聚父节点.传感器节点不能再连接子节点,它对于整个粮库无线网络系统来说没有特定的维持网络结构的责任,系统运行过程中为了维持低功耗的设计要求,传感器节点要么处于睡眠状态(Sleeping State)要么处于唤醒启动至工作状态(Working State),传感器节点中一般使用氧化银电池来供电.

一个粮库中的各个ZigBee传感节点模块如何放置主要是由三大因素所决定的,他们分别是粮库中粮仓的面积、粮仓之间的间距以及ZigBee节点模块之间的通信距离[1].此外,它还受周围环境等一些其它因素的影响.根据国家粮食行业标准规定,对于散装粮食、农副产品或者食用油料仓库采用粮情监控时,粮仓上层、下层及四周检测点应分别设在距粮面、底部、仓壁0.3 m处,粮仓内部在垂直方向大约每隔1 m左右安装一套温度、湿度传感器,如高度为5 m左右的粮仓大概可以分 6 层布置检测点.

1.2 粮库ZigBee系统网络层

粮库ZigBee系统的网络层由若干个汇聚节点通过有线的RS485总线连接组成,他们之间本身不进行数据通信,它包含两个部分：下行为无线网络、上行为有线网络.汇聚节点在整个网络系统也称为协调器(Coordinator)节点.每一个粮仓内部所有传感器节点和该粮仓的协调器节点实质是一个相对独立的ZigBee子网,粮仓的网络协调器负责该粮仓子网络的启动和配置,它的硬件组成结构非常复杂.粮仓内部系统工作的时候该粮仓的协调器选择一个信道和网络标识(Personal Area Network ID ,即PAN ID),发送网络信标给所有的子节点,随后启动该粮仓子网络.它跟传感器节点比,它的存储容量大、计算能力强,可以定期唤醒粮仓子网内所有传感节点上传测量信息,同时通过协调器节点模块的串口(UART)RS485接口将信息实时传给本地工业控制计算机处理.

协调器节点在本系统起到连接远程上位工业控制计算机与各粮仓传感器节点通信桥梁的作用.各个粮仓的协调器节点一般安装在粮仓附近的控制箱中,必须是一直处于活动状态,它需要使用持续电源供电.系统运行过程中,粮仓协调器节点通过动态优先级进行周期循环扫描系统所有的传感器节点并与其通信,如果某个粮仓传感节点出现故障(如节点因缺电死去),能够自动隔离并报警,同时将收集到的所有节点信息打包转换成Modbus数据包发送给工业控制计算机.协调器节点模块本身有LCD显示屏和按键Key,可以在本地查看对应粮仓中的所有测量数据和历史数据.

1.3 粮库ZigBee系统应用层

系统的应用层主要是面向粮库企业用户和操作人员,它主要是一台本地工业控制计算机,内部安装粮情数据显示管理软件系统和粮情信息存储数据库.

考虑到粮库企业远程管理需要,系统可以通过企业局域网(LAN)或者广域网(Internet)提供远程访问浏览粮情信息.远程系统可以基于传统的PC机,也可以基于移动设备开发的专用客户端程序.从本地工业计算机到远程系统信息传输使用网络Socket通信中的TCP/IP协议进行数据传输.系统扩展这一部分不是本系统设计的重点(限于篇幅,本文后面不再详述),但它可以提高粮情数据的使用效率和便捷性.

应用层核心部分是软件设计,尤其是本地工业计算机中的管理系统软件,它主要完成从ZigBee协调器节点串口通信过来的数据的采集、处理、分析、预警、显示与储存工作.

2 ZigBee节点硬件设计

系统中节点设计主要包含：传感器节点、汇聚节点的硬件设计,这些节点他们的共同特征都包含无线通信ZigBee接口的设计,这是ZigBee网络系统硬件设计的重点部分.传感器节点主要任务是收到汇聚节点数据请求后采集本地温度、湿度信号数据、滤波管理后发送给汇聚节点；汇聚节点设计中包含上下行通信接口,上行接口中要实现RS232向RS485转换,其数据通过RS485送给工业计算机显示、存储管理.

2.1 CC2530

国际通信联盟(ITU)规定ZigBee无线网络可以使用的频段共有868 MHz、 915 MHz和2.4 GHz三个.其中915 MHz和2.4 GHz频段为全球通用的ISM (Industrial Scientific Medical)频段,此频段主要是开放给工业、科学、医学三个主要行业使用,属于Free License,无需政府或者组织授权许可即可使用.CC2530 是德州仪器(TI)公司在2.4 GHz 频段推出的第二代支持ZigBee 协议的片上系统(System On a Chip,SOC)芯片.它能够以非常低的总的材料成本建立强大的物联网节点.CC2530芯片内部集成了高性能射频(Radio Frequency ,RF) 收发器、工业标准增强型8051 单片机(MCU)内核、 256KB Flash ROM(Read-Only Memory)和 8KB RAM(Random Access Memory)存储器[4].

CC2530芯片主要特性如下：具有2个USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)统一同步异步收发器、8位和16位普通定时器、硬件看门狗定时器(Watchdog Timer)、8路输入可配置的12位ADC(Analog-to-Digital Converter)模拟量转数字量转换器、21 个 GPIO(General Purpose Input Output)通用开关量输入输出单元、AES128 协同处理器,硬件支持CSMA/CA网络监测协议、数字化的接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication,RSSI)/链路质量指示(Link Quality Indication,LQI)和强大的 DMA(Direct Memory Access)直接数据传输功能,有电池监测和温度感测功能；内部工作可支持5种工作模式,能较好地满足低功耗系统的要求；在接收和发送模式时,电流损耗分别为24 mA和29 mA[4].由于它的硬件设计比较简单、封装小、功耗低,软件上函数库丰富、语法代码兼容C语言,因此CC2530在无线传感器网络中得到了越来越广泛的应用,当然它更满足本系统硬件节点设计中应用.

2.2 传感器节点

粮库传感器节点有温度、湿度两种,本系统中温度、湿度传感器选取SHT15二合一温湿度传感器,它是瑞士Sensirion公司推出的超小型、自校准、多功能式智能传感器,可以测量相对湿度、温度和露点等参数[5].SHT15传感器是单片多用途的智能传感器,芯片内部包含基于湿敏电容器的微型湿度传感器和基于带隙电路的微型温度传感器,电路中使用了14位的A/D转换器和2线串行接口,它内部实时计算采集点的湿度和温度数据,所以节点中不再使用传统设计需要的信号调理电路和放大电路,它能在同一测点位置测量粮仓的湿度和温度信息.

温度、湿度传感器节点硬件组成原理框图如图2所示,它主要包含传感器芯片SHT15、电源管理模块LM3671、USB接口FT232RL、无线ZigBee模块CC2530、带通滤波器2.4G、天线单元.各个部分功能分别描述如下：

图2 粮库传感器节点硬件组成原理框图

1) 传感器芯片SHT15：智能芯片采集并内部计算温度、湿度原始数据信息,它通过I2C总线跟无线ZigBee模块CC2530连接.

2) 电源管理模块LM3671：提供节点运行的供电电源,LM3671为电压转换芯片,它将锂电池电压转换成3.3 V或者5 V给传感器芯片和CC2430芯片使用.

3) USB接口FT232RL：本系统选取FTDI公司的FT232RL作为转换芯片,用来将USB串行数据通过UART接口与CC2530数据实现透明传输.采用USB通信接口可以缩小传感器节点体积,该接口既可用于程序的有线初始化下载和安装前调试,也可作本地测试传感器信息输出的人机交互接入口.传感器节点正常工作的情况下是采用无线的方式进行数据收集和网络节点管理,为了降低功耗,节点设计有专门的电源开关将该USB接口关闭.

4) 带通滤波器2.4 G：带通滤波器(band-pass filter)是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备.为CC2530芯片提供纯净的2.4 G信号,滤去干扰频率.

5) 天线单元：天线为ZigBee输入输出的信号变换器,它把节点传输线上传播的导行波,变换成在给上行节点中传播的电磁波,或者进行相反的变换.

2.3 汇聚节点

每个粮仓都设有一个汇聚节点,它允许该粮仓中的所有传感器节点通过它加入到粮仓子网络并成为其子节点,系统运行时,它负责与上层工业控制计算机进行RS485有线通信,为粮仓传感器节点与远程工业控制计算机联系起到中继作用所以在本系统中也称为中继节点,汇聚节点必须是一直处于活动状态,要使用持续电源供电.系统设计的汇聚节点与传感器节点硬件组成有部分一样,其硬件组成原理如图3所示,内部包含的主要模块有：无线ZigBee模块CC2530、节点LCD本地显示模块、节点本地Key输入模块、节点辅助储存模块、带通滤波器2.4 G、天线单元以及电源管理模块9 V等组成.其中跟传感器节点不同的部分功能描述如下：

1) 节点LCD本地显示模块：可以显示网络内部传感节点传送过来的采集数据信息与节点运行状态,还可以显示节点本身的设置参数,方便用户现场直接查看或者通过本地Key修改.

2) 节点本地Key输入模块：提供一个专用的小型键盘,其使用矩阵扫描方式工作检查用户按键信号,通过Key模块,可以本地设定节点性质参数和网络参数,可以设定节点的工作模式.汇聚节点有两种模式：Remote与Local,正常情况处于远程Remote模式,对于一旦跟上位机通信故障该节点自动转入本机Local模式.汇聚节点处于Local模式时USB接口启用,节点本地可以连接PC机进行调试.

3) 节点辅助储存模块：选用了AT 24C256 芯片,通过多片互联,可方便扩展存储容量,主要是存放历史采集数据与后备参数设置.

4) RS232 转485单元：该单元将芯片的RS232接口转换成RS485可以直接连接到计算机的RS485串口上进行通信.汇聚节点可以用外部设备通过该通信口给其设定如波特率、地址、停止位等参数.多个汇聚节点通过它挂到一条总线上直接与工业计算机进行数据交换.节点的RS485通信口与USB通信接口任何时候只能启用一个(通过Key可设置修改或者通信Remote/Local方式转换),内部都是直接通过电路连接到CC2530的通信接口.

5) 持续电源模块9 V：因为汇聚节点一直必须处于工作状态,所以必须选用持续直流9 V电源,通过电压转换给CC2530以及节点其他部分实现持续供电.

图3 粮库汇聚节点硬件组成原理框图

3 系统软件设计

3.1 节点底层软件设计

节点底层软件设计包含传感器节点程序设计与协调器节点(汇聚节点)程序设计,底层程序下载首先要设置好常规参数如节点地址、节点性质以及网络号等,然后下载ZigBee默认协议栈程序和用户编制的程序.传感器节点工作时收到汇聚节点周期性地采集温度、湿度数据指令后,驱动内部芯片工作采集并适当处理后,存入到储存缓冲区中,经过ZigBee内部的8051MCU进行数据打包并通过RFID发送给汇聚节点.他们的无线通信程序是底层程序的核心,为了方便管理和编程,本系统中传感器节点与汇聚节点通信的数据包协议格式统一设计见表1.

表1 节点通信数据包协议格式

各个部分解释如下：

1) 帧头(STX)： 通信时标志一个数据帧的开始.长度为一个字节,内容固定为0x02.

2) 数据长度(DLen)：发送数据从帧头到数据域长度,不包括数据块校验值和帧尾,在本协议中固定为0x10.

3) 源节点地址(SAddr)： 该地址Zigbee为发送端节点地址,节点地址编号在网络中唯一,占据2个字节.

4) 目标端节点地址(DAddr)：该地址Zigbee为接收端节点地址,节点地址编号在网络中唯一,占据2个字节.

5) 数据域信息(Data)：该项为信息内容载体,包含发送控制指令信息2个字节和数据信息8个字节,总共长度10字节.

6) 数据块校验值(BCC)：该数据帧校验方式为异或校验,即由帧头到数据域信息所有字节异或XOR得到.BCC为一个字节.

7) 帧尾(ETX)： 通信时标志一个数据帧的结束.长度为一个字节,内容固定为0x03.

传感器节点上电后,装载设定参数并且寻找有效ZigBee网络加入.然后进入休眠模式,在休眠状态中主要是进行低功耗地扫描上层网络读指令.节点一旦接收到测量指令,立刻唤醒其内部的微处理器进入工作模式,启动芯片工作读取传感器数据.最后芯片处理器将测量数据按照帧协议格式打包发送给协调器节点.其程序工作流程如图4所示.

图4 传感器节点程序工作流程

在每一个粮仓中,每个汇聚节点与该粮仓的所有传感器节点构成一个粮仓子网,汇聚节点的ZigBee无线射频模块接通电源并复位后,首先开始一个具有唯一ID标识的ZigBee网络并初始化该子网.节点程序其次扫描同信道号与网络号的节点入网申请并应答,为每个同粮仓内的传感器节点分配本网络内唯一的16位的地址[6].为了遵守系统整体运行低功耗的要求,汇聚节点程序每隔一定的周期(参数可设,本系统默认周期为300 S)扫描采集粮仓内所有传感器节点的信息数据,如果没有到扫描周期,系统直接进入LCD本地数据显示子程序；采集周期到了后,汇聚节点依次发出节点测量指令,直到收到所有节点的数据信息.汇聚节点收到传感器传过来的数据适当滤波处理并且保存到本地节点储存器中,通过节点设计的LCD显示屏可以显示当前采集的数据和历史数据.节点同时还设计了按键Key,进行本地参数设置和操控.每个周期中,节点都留有时间片,响应跟上位工控机机进行RS485通信.其程序工作流程如图5所示.

图5 协调器节点程序工作流程

3.2 本地工控机粮情管理软件设计

本地上位工控机粮情管理软件主要实现与现场各个汇聚节点控制模块通过有线RS485通信,软件画面实时显示各个粮仓的各种测量温度、湿度数据.RS485的优点可以实现远距离(最长可达1 200 m)无干扰稳定通信,满足粮食仓储企业的布线长距离要求,而且布线只需两根线即可,实施成本低[7].本地上位工控机系统与多个粮仓汇聚节点进行有线RS485的通信采用动态优先级主从模式,通信程序算法步骤描述如下：① Open Comm_hand,用于初始化并打开上位机RS485串口； ② Build Handshake,用于与下位机汇聚节点RS485的建立握手信号；③ Send Data Frame,定期循环发送通信数据帧给下位汇聚节点；④ Receive Data Frame,接收来自于下位汇聚节点信测量数据帧;⑤ Close Comm_hand 关闭RS485串口.

本地上位工控机粮情管理软件系统的主要模块框图如图6所示,其主要包含：汇聚节点通信模块、粮仓布置显示模块、测量预警控制模块、数据存储管理模块、曲线动态显示模块、数据统计打印模块等.系统将各个粮仓所有的传感器采集数据显示到人机界面上并且在后台定期记录到数据库中,另外还可以用动态趋势图显示温度曲线或者圆饼图的形式直观显示相对湿度百分比.系统可以根据事先设定的温湿度监控范围对温湿度进行预警,一旦超出设定范围,计算机立即启动声光报警提醒操作人员进行通风或者干燥工作.操作人员根据系统存储记录数据可以按照一定的条件进行筛选、统计并打印出来,以供专家或技术人员离线存档、分析或者决策,实现对粮情问题提前发现,提前提出控制策略来保护粮食的保存质量.

图6 粮情管理软件系统模块组成图

4 系统实现

基于无线ZigBee和有线RS485总线的混合网络使用Delphi XE开发工具在Windows 7平台下为国内某粮食集团粮库设计了实时温湿度监控系统,该企业的粮库分布范围广,数量众多,每个粮仓内部安装若干温湿度传感器节点,每个粮仓旁安装一个汇聚节点使用无线ZigBee网络对其统一管理,并且所有汇聚节点都通过有线RS485总线连接到工控机的通信口上,其工控机运行的软件系统实际主画面如图7所示.

软件系统中通过三维图片逼真地显示企业粮仓布置情况,从画面上可以直观地显示各个测量数据.软件中实现通过下拉列表选择任意一个粮仓,粮仓里面分多层布置了若干温湿度传感器,每一个传感器节点都有三维坐标(x,y,z)进行标识,在窗口画面中点击哪一层按钮,系统就自动切换到该层的采集温湿度标签显示.软件中另外设计了数据查询、报警信息和温湿度趋势、历史曲线和统计打印按钮,可以切换到该粮仓其他操作应用界面窗口.

图7 粮情管理系统实际开发主画面

5 结 论

本文提出了一种基于无线ZigBee和有线RS485总线的混合网络粮情监控系统,每个粮仓采用核心为CC2530芯片的ZigBee模块设计了若干温湿度采集的传感器节点和一个汇聚节点,构成了无线ZigBee网络.所有粮仓的汇聚节点通过RS485有线网络连接到远程工业控制计算机.这种设计发挥了两种网络的优点,实际工程实施运行表明,本系统具有易于搭建、组网灵活、施工周期短、通信距离长、采集数据精度高、可扩展性强和运行稳定可靠等优点,在国内外粮库监控中具有良好的应用前景.

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(责任编辑、校对 肖 晨)

Research on Grain Monitoring System Based on ZigBee and RS485 Hybrid Network

YANGShengquan,LIUHaiquan,LIUBailin

(School of Computer Science and Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021)

The traditional way of collecting the temperature and humidity of grain depots has the disadvantages of low efficiency,big deviation and difficult maintenance. In order to solve the problems,the paper presents a new monitoring system based on the ZigBee and RS485 Hybrid Network.First,the structure of the hybrid network model is introduced, which is composed of a perception layer,a network layer and an application layer.Then the hardware composition and operation mechanism of the sensor node and sink node in the wireless network are described. Finally,the design of the data frame of the ZigBee network communication, the design of the chip internal programs of the two nodes and the design of the upper program of the industrial control computer are discussed in detail.An engineering example shows that the new monitoring system based on the ZigBee and RS485 hybrid network mode has the advantages of flexible networking,high data accuracy,low cost and simple maintenance,etc.

ZigBee;RS485;sensor node;sink node

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.09.012

2016-03-28项目基金：新型网络与检测控制国家地方联合工程实验室基金项目(GSYSJ2016014)

杨盛泉(1974-),男,西安工业大学副教授.主要研究方向为智能控制、专家系统、软件工程.E-mail:xaitysq@163.com.

TP277

A

1673-9965(2016)09-0749-08