在某些领域, 一些重要物资需要装入密封真空塑料包装袋后再装箱存储, 仓储时间可能会长达数年, 在此过程中, 密封包装袋有可能会发生泄漏, 导致其内部的温湿度发生变化, 对物资的性能参数造成影响, 使用的安全性得不到保证。所以, 本文研究的密封物资温湿度检测与监控系统旨在对仓储中重要物资的密封包装袋内部温湿度进行实时检测与监控, 通过分布在物资箱体内的传感节点检测采集包装袋内部及环境的温湿度数据, 再通过低功耗的无线传感器网络将数据传输到监控终端, 管理者通过监控终端对任意仓库的任意节点的温湿度进行实时监控, 如果节点温湿度出现异常, 系统将自动报警, 管理者可迅速方便的找出异常节点, 并进行下一步处理, 可减少物资在仓储过程中的损耗, 提高仓储物资使用的安全可靠性。

目前, 常用的温湿度测量技术主要有红外和超声波, 具有便捷、非接触式的优点, 但由于这两种方式成本高, 且有可能对物资造成损伤, 故不能采用[1]。本系统对于包装袋内部温度测量采取在箱体内部安装温度传感器, 所得箱内温度即为包装袋内部温度;湿度测量由于无法将传感器探入物资密封包装袋内部而采取非接触式, 需设计符合安全性要求的非接触式湿度传感器。另外, 由于传感节点星罗棋布, 且置于箱体内部, 难以布线, 故采用无线传感器网络进行数据传输, 传感节点用电池供电。在对比了红外、蓝牙等几种常见通信方式后, 决定采用低成本、低功耗、自配置、多节点、安全性高的Zigbee进行数据传输[2], 实现一个多跳的自组织无线传感器网络系统。本系统还具有组态的监控界面, 可形象地显示出被监测对象的位置, 温湿度等信息, 可实现自动报警等功能。

本系统主要由温湿度检测、Zigbee低功耗无线传输网络和监控终端3部分组成 (图1) 。由分布在各仓库的箱体内的若干个底层数据采集节点负责检测采集温湿度数据, 尔后通过底层路由器将数据传至底层协调器, 此即为底层采集网络。底层协调器连接上层终端将数据经上层路由器最终发送至上层协调器, 此即为上层传输网络, 底层采集网络和上层传输网络一起组成了本系统的无线传输网络。上层协调器通过RS232串口电路再与监控终端通信。

图1 系统示意图  下载原图

该节点由数据采集、数据处理、无线通信和供电4个模块组成, 如图2所示。数据采集模块由数字传感器组成, 包括接触式温湿度传感器DHT-11、和自行设计的非接触式湿度传感器, 负责区域内的温湿度信息采集和数据转换[3,4,5,6,7];数据存储处理模块由微控制器组成, 负责控制整个传感器节点的操作和数据存储;无线通信模块由无线收发器组成, 负责与其他节点进行通信。供电模块为其他3个部分提供能量。

图2 节点结构框图  下载原图

如图3所示, 系统硬件结构的实现主要采用CC2530芯片内部提供的接口逻辑, 其内部集成1个8位高性能和低功耗的8051微控制器核[8]。

图3 节点硬件结构框图  下载原图

如图4所示, 整个系统的程序包括CC2530启动程序、外设初始化程序、传感器读取子函数等。

图4 节点软件流程  下载原图

采用电容式湿度测量原理, 制作类似于电容式湿度传感器HS1101的湿敏电容。将待测密封包装置于湿敏电容两极板中间, 包装内部湿度变化会影响到湿敏电容特性, 进而得出电容值。该湿敏电容的湿度-电容值特性曲线也应该具有线性特性。通过PCB制版方式制作非接触式湿敏电容的两个极板, 外围覆加金属层屏蔽外界干扰。

借鉴湿度传感器HS1101测量电路, 将湿敏电容置于555振荡电路中, 将电容值的变化转换为电压频率信号, 可以直接被微处理器采集。图5为非接触式测量电路。

图5 非接触式湿度测量电路  下载原图

555芯片外接电阻R2, R3与非接触式湿度传感器, 构成对非接触式湿度传感器的充电回路。引脚7端通过芯片内部的晶体管对地短路实现对非接触式湿度传感器的放电回路, 并将引脚2, 6端相连引入到片内比较器, 构成一个多谐波振荡器, 其中, R3相对于R2必须非常的小, 但决不能低于一个最小值。R4是防止短路的保护电阻。非平衡电阻R1是做内部温度补偿, 目的是为了引入温度效应。非接触式湿度传感器作为一个变化的电容器, 连接引脚2和6。引脚7作为R3的短路引脚。非接触式湿度传感器的等效电容通过R3和R2充电达到上限电压 (近似于0.67 vcc, 时间记为T1) , 这时555的引脚3由高电平变为低电平, 然后通过R2开始放电, 由于R3被引脚7内部短路接地, 所以只放电到触发界线 (近似于0.33 vcc, 时间记为T2) , 这时555芯片的引脚3变为高电平。通过R2, R3进行传感器的不停充放电, 产生方波输出。充电、放电时间分别为

输出方波的频率和占空比的公式如下:

由此可以看出, 空气相对湿度与555芯片输出频率存在一定线性关系。对于非接触式湿度传感器和555多谐振荡回路输出的频率可变的方波, 直接输入至CC2530内部计数器中即可读取频率值, 另外还需要通过查询不同温度下湿度线性补偿值进而获得精确湿度值。

将非接触式湿度传感器置于555振荡电路中, 并将输出接入示波器, 探究湿度与555多稳态触发器输出频率的线性关系。实验中湿度值由DHT11温湿度传感器测量所得, 且测得实验在23.4℃环境中进行, 数据如表1所示。

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由图6分析得, 非接触式湿度传感器湿度与555振荡电路输出方波频率确实呈线性关系, 在23.4℃, 其线性关系为44 Hz/%RH。

图6 非接触式湿度传感器湿度-频率线性图  下载原图

在本系统中, 协调器主要有2个任务:负责建立新网络并允许其他节点加入到该网络中;能够接收终端传感器节点发送的数据信息, 并将这些数据信息汇合整理后通过串口传给上位机。这部分的软件实现主要有设备的初始化、协调器建网、节点加入网络、数据信息的收发和处理等, 网络协调器的工作流程如图7所示。

路由器负责4个功能;加入协调器建立的网络、接受子节点加入网络的请求、接收终端节点发送过来的数据、将该数据转发给协调器, 路由器工作流程如图8所示。

图7 协调器工作流程  下载原图

图8 路由器工作流程  下载原图

当协调器和路由器都上电后, 网络已建立完成, 当底层节点上电后, 通过前文叙述的扫描信道申请加入现有的网络, 加入成功后被协调器分配一个地址, 即可开始将仓储对象的温湿度信息采集发送至协调器节点并与上位机通信。底层节点的运行流程如图9所示。

CC2530有PM0, PM1, PM2和PM3 4种工作模式。PM0模式是全功能模式, 用于普通操作。PM1模式适用于相当短时间内的休眠事件。PM2模式适用于相当长时间内的休眠事件, 特别是用于休眠定时状态。PM3模式适用于有重置或外部事件触发的条件下要求低功耗的场合。

本系统设计的无线传感器网络是针对仓储物资监测, 网络通常长时间无人介入, 人力重置模块难以实现;再者由于传感器节点主要有射频传输模块和传感器模块, 且传感器模块为射频传输模块从设备, 也无法通过外部中断对传感器进行唤醒。因此选择功率消耗第二位的PM2模式作为传感器节点的休眠模式。通过设置电源模式控制寄存器及睡眠定时器, 选择系统工作时钟源, 关闭不用的时钟源, 以使传感器节点发送完数据后进入PM2模式休眠状态, 隔一定的时间后再唤醒进入PM0工作模式发送数据。这样系统可以在很长时间段内处于能量消耗很低的休眠模式状态, 使得传感器节点在很大程度上节省了能量。延长了电池寿命。

图9 底层节点工作流程  下载原图

本文中Zig Bee节点使用2节1.5 V的电池供电, 并设置节点每15 min进行一次数据采集, 对节点电池寿命进行评估。两节电池总电量为3 000 m A·h, 因为需满足节点额定电压要求, 所以可供节点正常工作的电量为1 000 m A·h, 终端节点数据发送时瞬时电流为29 m A, 数据接收时瞬时电流为24 m A, 假设各种传感器工作电流为30 m A, 那么数据发送期间所需电流为59 m A, 数据接收期间所需电流为54 m A, 为了讨论方便, 总电流定为60 m A, 可知两节电池能连续工作近17 h。但如果采用休眠机制, 每小时工作50 s (其他时间都在休眠, 休眠时工作电流在微安级, 可以忽略不计) , 可算出两节电池可供终端节点工作时间为1 200 h, 即大约50 d。由此可见, Zig Bee设备采用“睡眠—唤醒采集数据—睡眠”工作模式可以很好降低功耗, 满足系统需要。

上层监测软件将通过串口收到的若干个8位数据按照定义好的数据接口进行分类, 赋给相应变量, 利用编写的控件将各类型数据以动画形式形象地显示出来, 并按照预先设定的各类型数据的报警阀值进行判断, 最后根据判断的结果, 决定是否发生报警事件, 并将实时的数据记录和报警记录存储到数据库中。整个监控软件包含登录模块、主监控模块、历史数据模块 (历史数据表格、历史数据曲线图、报警时间表格) 、实时数据模块 (实时数据表格、实时数据曲线图、监测节点仓库地图、实时数据方框图) 。监控软件各部分功能结构图如图10所示。

图1 0 监控软件各部分功能结构  下载原图

数据采集工作流程如图11所示。

图1 1 数据采集流程  下载原图

用户身份验证成功后, 程序首先在后台初始化数据交换机, 对接收的数据在软件内部各串口之间进行分发。对于各种形式的监控窗口, 每收到9 B长度的数据后便进行检验判断, 首先判断起始位是否分别是110和130, 如果不是, 则认为此帧数据不完整, 将此帧数据从接收缓存中删除, 直到数据包起始位均判断正确后, 开始检测数据包的第二位, 控制字为150代表当前接收到的数据包为温湿度有效数据, 将数据通过制作好的显示组件的公共方法传递给显示控件, 用于以表格和地图的形式显示部分实时数据, 控制字为160, 代表当前接收到的数据包为新增监控节点指令数据, 程序收到指令后会激活节点信息存储模块功能, 将新节点的坐标、库号、节点号等信息存储至数据库的当前节点信息表和历史节点信息表中, 控制字为170, 代表当前接收到的数据为已存在监控节点移出网络指令数据, 程序收到指令后会自动根据发出此指令的节点的仓库号和节点号信息从数据库的当前节点信息表中将此节点的信息移除。在各种形式监控窗口初始化的过程中或收到温湿度有效数据后, 程序会首先从数据库的报警信息表中加载对应于当前所选择或所观测的仓库的报警事件判断阀值, 与收到的数据进行比较, 如果有在温度、内部湿度、外部湿度、电源电量这些数据中存在超出报警阀值范围的量, 则产生报警数据, 不仅要将收到的数据存入数据库的数据信息表中, 并且要在数据库的报警数据表中记录报警事件发生时的各个数据值以及报警的变量类型。

本文研究的密封物资温湿度检测与监控系统采用无损伤的温湿度检测方式, 利用Zigbee无线传感器网络进行数据通信, 管理者可方便的通过监控终端对仓储物资的真空塑料包装袋内部温湿度进行实时监控, 可有效提高仓储物资使用的安全性, 经过实验调试, 该系统性能稳定, 成本低廉, 功耗较低, 测试效果良好.达到了设计要求, 可广泛应用于仓储物资温湿度检测与监控领域.