论文题目：Design and Implementation of An Environment Monitoring System for Significant Material Warehouse
摘要：物资仓库是储存物资的场所,是每个地区不可缺少的重要保障基地。而保证重要物资库的安全对其相应产业乃至整个国家都至关重要。加强物资仓库的管理,对于保证物资供应,提高物资流通的经济效益具有重要的意义。现在物资库已有的监测和控制手段主要有两种,一种是处于人工定点巡检,人工定点巡检虽然能够获得物资库的环境信息,但是还是有效率低、时间和人力成本高和数据误差大等缺点;另一种是有线在线监控可以获得环境参数的实时信息,但是有布线复杂、扩展难和管理维护成本高等缺点。除去监测和控制手段外,信息管理系统大部分也是单独运行,各个物资库获得信息不能够共享,使得环境信息匮乏,在监测和控制的基础上不能很好的防范。综上所述,智能仓库体系将会是其必然的发展趋势,特别是自动化仓储与无线技术相结合加快了物资库管理朝着智能化方向发展的步伐,物资库环境监测与控制系统作为智能物资库监控体系的一个重要组成部分,物资库环境监测与控制系统监测环境信息并改善不良环境因素,保障物资库中的物料质量和安全。本文研究了基于ZigBee无线传感器网络的仓储环境监控系统,它实现的操作过程是在监测区域设置多个传感器的节点,然后通过无线自组网的方式,形成无线网络,最后由传感器采集该网络覆盖范围内的监测目标的环境数据,当环境参数出现意外情况时,传感器设备会发出报警信息并立刻通知在远程监控的管理人员迅速对所发生情况进行处理。这种方式能够实时监测环境参数信息,没有时间和环境的限制。在众多的无线通信技术中,ZigBee技术在能耗、成本和可靠性等方面具有显著的优势。近几年来,ZigBee技术的应用越来越广泛,涉及到的领域不断扩展,涵盖了医疗、工业安全、农业生产、电子产品、农业生产等各个领域。它能够很好的解决传统仓储管理中布线复杂、效率低下等问题,具备了传统仓储管理无法比拟的优势。搭建系统硬件平台。选择CC2530芯片作为无线传感器网络的硬件基础,传感器选择有温湿度传感器DHT11,烟雾报警器MQ-2,和人体红外探测器HC-SR501。设计ZigBee网络节点电路,包括终端节点和协调器节点电路的设计。在本监控系统所设计的无线局域网中,协调器的主要实现网络建立、管理网络节点、存储节点信息等功能;路由节点的主要负责将申请加入网络的终端节点添加到网络拓扑中,然后对其进行管理和维护并和其它节点通信;系统中的终端节点在功能上分为传感器采集设备和相关电器控制设备。为了满足用户的需求,将终端节点与不同的传感器相搭配进行数据得采集和测量。本监控系统选用的是CC2530系列的CC2530-F256芯片。由于CC2530具有的多种运行模式,在不需要工作时可以进入功耗极低的体眠模式;且不同的运行模式间转换时间很短,因此,CC2530芯片十分适合应用于超低功耗的物资库环境监控系统中。各功能终端节点与协调器组成网络,终端节点在检测到环境信息后,通过ZigBee技术无线传输给协调器,协调器再通过串口以有线的形式传输到监控中心。应用LabVIEW软件编写上位机显示界面,远程显示物资库内的环境信息。本网关使用一个ZigBee节点和一个ESP8266 wifi模块组成,ZigBee和Wifi之间基于串口通信,ESP8266模块内置UDP协议栈,使得手机或者其它的通信设备可以直接连接到ESP8266上,相当于直接连接到了 ZigBee上。通过UDP协议进行传输的通信.它是0S1参考模型中一种无连接的传输层协议,它主要用于不要求分组顺序到达的传输中,分组传输顺序的检查与排序由应用层完成,提供面向事务的简单不可靠信息传送服务。UDP协议基本上是IP协议与上层协议的接口。UDP协议适用端口分别运行在同一台设备上的多个应用程序。在软件设计方面,ZigBee无线局域网的设计在IAR Embedded workbench软件中完成,包括ZigBee节点、传感器节点的软件设计。根据系统的具体需要可分为阿里云平台设计和下位机软件设计两个部分。阿里云在系统中起主控作用,负责接收显示下位机传送来的数据,并进行远程监视。首先,对下位机软件开发平台进行介绍,并介绍了 Z-Stack协议栈各层目录;然后,分析基于Z-Stack协议栈软件架构,在此基础上编写无线组网与数据传输的实现代码;最后,详细的阐述了阿里云远程监视平台的开发环境并设计了整个物资库环境监控系统的人机交换界面,阿里云界面具备系统配置、环境范围设置、数据显示、报警等功能。无线局域网的软件程序的编写在Z-Stack协议栈平台下完成。Z-Stack协议栈采用的是ZigBee 2007规范的开放式协议栈,是ZigBee联盟所认定的TI公司的标准协议,ZigBee协议在很多的环境中被广泛地应用。协议栈软件装载在IAR开发环境的工程里。协调器节点是整个传感网络的主要控制器件,它主要负责组建网络,如果有节点请求加入网络,需要协调器来进行处理,并且分配地址等。协调器上电后,第一步进行硬件模块和软件模块的初始化,这由启动代码来完成。然后,协调器开始扫描信道,查看建立的ZigBee网络是否成功成功。如果成功,整个模块就进入无线监控模式下。协调器会选择一条合适的信道和空闲的PAN,并在此基础上发起ZigBee网络,等待路由器和终端设备发现网络后请求加入。当有节点请求加入网络时,协调器会自动分配地址。最后将其新的网络节点地址存储处理,更新和显示关联设备的数据,协调器节点便接收从路由节点和传感器节点传送来的数据,并将其传送esp8266模块,然后指令请求中断返回,形成一个多循环实时监测数据模式。此外,在大型物资库中心,由于物资自身需要在干燥,黑暗的地方存储的限制,物资库通常是相对隐蔽,并且光线是昏暗的,所以如果有意外情况发生时,不熟悉内部结构的救援人员是不能及时到达相应的地点的。因此,本文针对具体仓库内部位置提出了一个最优路径的设计思路,并利用迪杰斯特拉算法的模型。迪杰斯特拉算法是单源最短路径算法中的典型算法,可以计算出一个节点到其他节点的最短路径。该算法的算法特点是以起始点为中心向外层扩展,直到扩展到终点为止。利用实际的路况和距离,对每一块仓库的几种到达方法进行加权,可以选出一个耗时最短,也最平整的路径,通过计算从入口到每一个小区域的权值来对每一个区域的距离进行排序,使得有事故发生时,能够以最短的时间定位到事故现场。在每一个小区域分别安装可燃气体探测器和人体红外检测器,并对它们依次进行编号,使终端节点与编号一一对应。当有突发情况发生时,其上方照明灯会开启,相关人员到达分区后可以根据灯光的提示直观快速地找寻到被分配的物资库区域。针对物资库光线昏暗,可能会浪费找特定区域的时间问题,本设计的方案为控制区域上方照明灯在接收到信号时,为开启的状态,在传感器输出信号为设定正常范围内时,灯光再变暗或者熄灭。最后进行系统的调试与分析。首先要完成的是对系统中各个子功能程序的单体调试,应用IAR Embedded Workbench软件,分别各个传感器终端节点烧录End Device程序,在采用同样的方法将Coordinator程序烧录到协调器之中。在测试完成之后,进行系统的组网测试。将eps8266与阿里云ECS进行连接。最后,打开远程监控系统,即可看到相应界面:系统每四秒更新一次数据,当温度高于40度,或气体浓度大于50%,或有人时,界面进行红色提示。本文设计的重要物资库环境监测系统将ZigBee技术与远程监控相结合,传感器检测环境参数,并采集信息后通过ZigBee无线网络发送到汇聚节点,汇聚节点将其数据打包后传输给透传网关ESP8266,通过UDP协议与阿里云服务器连接,远程监控中心通过传输网络进行响应控制,对接收到的数据包进行适当的处理,实现节点设备和监控中心之间的有效通讯。监控中心利用互联网等技术和各类监控系统、数据系统,实现对数据的实时监测和监测环境的控制,并且将得到数据进行保存后,其他管理者还可以获取相关历史数据。相比干传统人工监测环境参数的方法,该网络节点能够更加实时、精确的对环境进行监测保证仓库环境达到标准;而且监测的范围广、可在无人值守的情况长期工作,可以极大的降低成本、防止灾害事故的发生和保护仓库中人员和财产的安全。能够更好的推动智能化监管的发展,为物资库中重要物资的安全起到重要作用。
关键词：
学科专业：电子与通信工程（专业学位）
Acknowledgements
Abstract
1 Introduction
1.1 Research background
1.2 State of arts
1.2.1 At abroad
1.2.2 At home
1.3 Research significance
1.4 The research content and arrangement of the paper
1.4.1 Main work of the thesis
1.4.2 Chapter arrangement of this thesis
2 Introduction To Zigbee Technology
2.1 Wireless sensing technology
2.1.1 Common wireless communication technology
2.2 ZigBee technology
2.2.1 ZigBee features
2.2.2 ZigBee topology
2.2.3 ZigBee protocol architecture
2.2.4 Address allocation
2.3 Dijkstra algorithm
2.4 Overall system design
2.4.1 Demand analysis
2.4.2 System design architecture
2.5 Summary
3 System Hardware Module Design
3.1 Environmental monitoring system overall design
3.2 ZigBee sensor module design
3.2.1 DHT11 temperature and humidity sensor
3.2.2 Human body infrared sensor
3.2.3 gas sensor
3.3 ZigBee Coordinator Network
3.3.1 CC2530 chip module
3.3.2 Coordinator design
3.4 Embedded gateway design
3.4.1 ESP8266 wireless module
3.4.2 communication method
3.5 Summary
4 System Software Design
4.1 Software development environment
4.1.1 Introduction to software development tools
4.1.2 Z-stack software architecture
4.1.3 VS2013 Introduction
4.2 Alicloud ECS
4.2.1 ECS definition
4.2.2 Advantages of Alicloud Platform
4.2.3 Alicloud ECS instance
4.3 Wireless networking and communication
4.3.1 Coordinator establishes network
4.3.2 Terminal node joins the network
4.3.3 Data acquisition and control of terminal equipment
4.4 Summary
5 System Debugging And Analyse
5.1 System single node simulation and testing
5.1.1 Temperature and humidity detection
5.1.2 Combustible gas concentration detection
5.1.3 Human body infrared detection
5.2 System multi-node networking test
5.3 WIFI gateway parameter configuration
5.4 Remote monitoring platform test
5.5 Summary
6 Conclusion
References
Chinese abstract