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在某些領域, 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數年, 在此過程中, 密封包裝袋有可能會發生泄漏, 導致其內部的溫濕度發生變化, 對物資的性能參數造成影響, 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控系統旨在對倉儲中重要物資的密封包裝袋內部溫濕度進行實時檢測與監控, 通過分布在物資箱體內的傳感節點檢測采集包裝袋內部及環境的溫濕度數據, 再通過低功耗的無線傳感器網絡將數據傳輸到監控終端, 管理者通過監控終端對任意倉庫的任意節點的溫濕度進行實時監控, 如果節點溫濕度出現異常, 系統將自動報警, 管理者可迅速方便的找出異常節點, 并進行下一步處理, 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主要有紅外和超聲波, 具有便捷、非接觸式的優點, 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]。本系統對于包裝袋內部溫度測量采取在箱體內部安裝溫度傳感器, 所得箱內溫度即為包裝袋內部溫度;濕度測量由于無法將傳感器探入物資密封包裝袋內部而采取非接觸式, 需設計符合安全性要求的非接觸式濕度傳感器。另外, 由于傳感節點星羅棋布, 且置于箱體內部, 難以布線, 故采用無線傳感器網絡進行數據傳輸, 傳感節點用電池供電。在對比了紅外、藍牙等幾種常見通信方式后, 決定采用低成本、低功耗、自配置、多節點、安全性高的Zigbee進行數據傳輸[2], 實現一個多跳的自組織無線傳感器網絡系統。本系統還具有組態的監控界面, 可形象地顯示出被監測對象的位置, 溫濕度等信息, 可實現自動報警等功能。

本系統主要由溫濕度檢測、Zigbee低功耗無線傳輸網絡和監控終端3部分組成 (圖1) 。由分布在各倉庫的箱體內的若干個底層數據采集節點負責檢測采集溫濕度數據, 爾后通過底層路由器將數據傳至底層協調器, 此即為底層采集網絡。底層協調器連接上層終端將數據經上層路由器最終發送至上層協調器, 此即為上層傳輸網絡, 底層采集網絡和上層傳輸網絡一起組成了本系統的無線傳輸網絡。上層協調器通過RS232串口電路再與監控終端通信。

圖1 系統示意圖  下載原圖

該節點由數據采集、數據處理、無線通信和供電4個模塊組成, 如圖2所示。數據采集模塊由數字傳感器組成, 包括接觸式溫濕度傳感器DHT-11、和自行設計的非接觸式濕度傳感器, 負責區域內的溫濕度信息采集和數據轉換[3,4,5,6,7];數據存儲處理模塊由微控制器組成, 負責控制整個傳感器節點的操作和數據存儲;無線通信模塊由無線收發器組成, 負責與其他節點進行通信。供電模塊為其他3個部分提供能量。

圖2 節點結構框圖  下載原圖

如圖3所示, 系統硬件結構的實現主要采用CC2530芯片內部提供的接口邏輯, 其內部集成1個8位高性能和低功耗的8051微控制器核[8]。

圖3 節點硬件結構框圖  下載原圖

如圖4所示, 整個系統的程序包括CC2530啟動程序、外設初始化程序、傳感器讀取子函數等。

圖4 節點軟件流程  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, 包裝內部濕度變化會影響到濕敏電容特性, 進而得出電容值。該濕敏電容的濕度-電容值特性曲線也應該具有線性特性。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端通過芯片內部的晶體管對地短路實現對非接觸式濕度傳感器的放電回路, 并將引腳2, 6端相連引入到片內比較器, 構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是防止短路的保護電阻。非平衡電阻R1是做內部溫度補償, 目的是為了引入溫度效應。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由高電平變為低電平, 然后通過R2開始放電, 由于R3被引腳7內部短路接地, 所以只放電到觸發界線 (近似于0.33 vcc, 時間記為T2) , 這時555芯片的引腳3變為高電平。通過R2, R3進行傳感器的不停充放電, 產生方波輸出。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內部計數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多穩態觸發器輸出頻率的線性關系。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℃環境中進行, 數據如表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系, 在23.4℃, 其線性關系為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

在本系統中, 協調器主要有2個任務:負責建立新網絡并允許其他節點加入到該網絡中;能夠接收終端傳感器節點發送的數據信息, 并將這些數據信息匯合整理后通過串口傳給上位機。這部分的軟件實現主要有設備的初始化、協調器建網、節點加入網絡、數據信息的收發和處理等, 網絡協調器的工作流程如圖7所示。

路由器負責4個功能;加入協調器建立的網絡、接受子節點加入網絡的請求、接收終端節點發送過來的數據、將該數據轉發給協調器, 路由器工作流程如圖8所示。

圖7 協調器工作流程  下載原圖

圖8 路由器工作流程  下載原圖

當協調器和路由器都上電后, 網絡已建立完成, 當底層節點上電后, 通過前文敘述的掃描信道申請加入現有的網絡, 加入成功后被協調器分配一個地址, 即可開始將倉儲對象的溫濕度信息采集發送至協調器節點并與上位機通信。底層節點的運行流程如圖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模式適用于相當短時間內的休眠事件。PM2模式適用于相當長時間內的休眠事件, 特別是用于休眠定時狀態。PM3模式適用于有重置或外部事件觸發的條件下要求低功耗的場合。

本系統設計的無線傳感器網絡是針對倉儲物資監測, 網絡通常長時間無人介入, 人力重置模塊難以實現;再者由于傳感器節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備, 也無法通過外部中斷對傳感器進行喚醒。因此選擇功率消耗第二位的PM2模式作為傳感器節點的休眠模式。通過設置電源模式控制寄存器及睡眠定時器, 選擇系統工作時鐘源, 關閉不用的時鐘源, 以使傳感器節點發送完數據后進入PM2模式休眠狀態, 隔一定的時間后再喚醒進入PM0工作模式發送數據。這樣系統可以在很長時間段內處于能量消耗很低的休眠模式狀態, 使得傳感器節點在很大程度上節省了能量。延長了電池壽命。

圖9 底層節點工作流程  下載原圖

本文中Zig Bee節點使用2節1.5 V的電池供電, 并設置節點每15 min進行一次數據采集, 對節點電池壽命進行評估。兩節電池總電量為3 000 m A·h, 因為需滿足節點額定電壓要求, 所以可供節點正常工作的電量為1 000 m A·h, 終端節點數據發送時瞬時電流為29 m A, 數據接收時瞬時電流為24 m A, 假設各種傳感器工作電流為30 m A, 那么數據發送期間所需電流為59 m A, 數據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, 可知兩節電池能連續工作近17 h。但如果采用休眠機制, 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) , 可算出兩節電池可供終端節點工作時間為1 200 h, 即大約50 d。由此可見, Zig Bee設備采用“睡眠—喚醒采集數據—睡眠”工作模式可以很好降低功耗, 滿足系統需要。

上層監測軟件將通過串口收到的若干個8位數據按照定義好的數據接口進行分類, 賦給相應變量, 利用編寫的控件將各類型數據以動畫形式形象地顯示出來, 并按照預先設定的各類型數據的報警閥值進行判斷, 最后根據判斷的結果, 決定是否發生報警事件, 并將實時的數據記錄和報警記錄存儲到數據庫中。整個監控軟件包含登錄模塊、主監控模塊、歷史數據模塊 (歷史數據表格、歷史數據曲線圖、報警時間表格) 、實時數據模塊 (實時數據表格、實時數據曲線圖、監測節點倉庫地圖、實時數據方框圖) 。監控軟件各部分功能結構圖如圖10所示。

圖1 0 監控軟件各部分功能結構  下載原圖

數據采集工作流程如圖11所示。

圖1 1 數據采集流程  下載原圖

用戶身份驗證成功后, 程序首先在后臺初始化數據交換機, 對接收的數據在軟件內部各串口之間進行分發。對于各種形式的監控窗口, 每收到9 B長度的數據后便進行檢驗判斷, 首先判斷起始位是否分別是110和130, 如果不是, 則認為此幀數據不完整, 將此幀數據從接收緩存中刪除, 直到數據包起始位均判斷正確后, 開始檢測數據包的第二位, 控制字為150代表當前接收到的數據包為溫濕度有效數據, 將數據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據, 控制字為160, 代表當前接收到的數據包為新增監控節點指令數據, 程序收到指令后會激活節點信息存儲模塊功能, 將新節點的坐標、庫號、節點號等信息存儲至數據庫的當前節點信息表和歷史節點信息表中, 控制字為170, 代表當前接收到的數據為已存在監控節點移出網絡指令數據, 程序收到指令后會自動根據發出此指令的節點的倉庫號和節點號信息從數據庫的當前節點信息表中將此節點的信息移除。在各種形式監控窗口初始化的過程中或收到溫濕度有效數據后, 程序會首先從數據庫的報警信息表中加載對應于當前所選擇或所觀測的倉庫的報警事件判斷閥值, 與收到的數據進行比較, 如果有在溫度、內部濕度、外部濕度、電源電量這些數據中存在超出報警閥值范圍的量, 則產生報警數據, 不僅要將收到的數據存入數據庫的數據信息表中, 并且要在數據庫的報警數據表中記錄報警事件發生時的各個數據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控系統采用無損傷的溫濕度檢測方式, 利用Zigbee無線傳感器網絡進行數據通信, 管理者可方便的通過監控終端對倉儲物資的真空塑料包裝袋內部溫濕度進行實時監控, 可有效提高倉儲物資使用的安全性, 經過實驗調試, 該系統性能穩定, 成本低廉, 功耗較低, 測試效果良好.達到了設計要求, 可廣泛應用于倉儲物資溫濕度檢測與監控領域.