基于ZigBee无线传感器网络与ASP.NET技术的粮储环境监测系统的设计.pdf

1620232023年SHAANXISCIENCE&RESEARCHNO.1第1期陕西交通科教研究基于ZigBee无线传感器网络与ASP.NET技术的粮储环境监测系统的设计胡玥（陕西交通职业技术学院轨道交通学院，陕西西安7 10 0 18）摘要：截至2 0 2 2 年底，我国粮食产量已连续8 年稳定在1.3万亿斤以上，人均粮食产量远超国际粮食安全线，做到谷物基本自给、口粮绝对安全。粮食的储备量对人民生活具有重要意义。在储粮作业中，影响粮食品质最主要的因素是湿度和温度。如果能够对粮仓内的温、湿度等信息进行实时监测，自动采集、存储及分析，能在PC端实时显示并自动报警，让监管人员直观地看到问题所在，对温度和湿度进行及时调控，则能使储粮工作更加便捷、高效。将分布在粮仓内的温度和湿度传感器通过下位机进行信息采集，再利用无线通信技术将温度和湿度的数值在PC端传递给上位机。其中，下位机的CC2530模块采用ZigBee无线通信技术，构建终端采集传输子系统；上位机应用ASP.NET技术，为操作者的手持设备提供实现监控的平台。在上位机的监控窗口实时更新监控数据，同时在后台SQLServer数据库中有效保存。经测试证明本设计基本能够实现粮仓温湿度的实时监测、显示及预警工作。关键词：无线传感器网络；温湿度监测；关系型数据库管理中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：（2 0 2 3)0 1-0 0 16-0 0 0 51引言粮储环境监控系统是保证仓储量的重要环节，本文利用ZigBee无线温湿度感应器网络和ASP.NET技术，在粮储环境监测系统中实时显示粮仓的温、湿度。系统中，粮仓内分散布置的温湿度传感器组成ZigBee无线感应器网络，向PC端传递采集到的信息并显示温、湿度值，超过设定阈值的温、湿度数值则提醒工作人员做相应的处理。上位机采用C#构建PC显示界面，通过ASP.NET技术为监控人员远端监控提供了便捷的网站平台搭建。PC端采集的实时数据能够在PC界面及时显示，并保存在SQL服务器数据库中。2温湿度监测系统构成2.1温湿度监测系统结构本设计体系中，系统结构按照功能需要，分为上位机和下位机两部分。上位机搭建了用户查看粮仓温湿度的网站和监测显示窗口，采用了ASP.NET技术。下位机的目标是实时监控储粮环境的温、湿度，下位机通过ZigBee组网传输数据至PC端。系统的硬件选择主要是采用终端采集模块，可以监测温度和湿度因素，同时连接PC，协调器模块完成数据的返回。粮仓内收集终端对温湿度进行实时收集处理；协调模块通过ZigBee网络接收各终端节点的实时数据，并与电脑连接，通过串口将各终端采集到的数据打包后传送至PC。系统的软件程序设计采用传感器采集节点设计、上位机界面设计及实时数据显示设计。系统调试与测试包括：ZigBee网络调试、终端收稿日期：2 0 2 3-3-2 0作者简介：胡玥（1994），男，陕西交通职业技术学院轨道交通学院助教。1720232023年陕西交通科教研究NO.1第1期采集模块调试、实时显示主机数据、网站调测。2.2ZigBee无线组网技术ZigBee技术是一种覆盖有限空间内信息传输、功耗和成本极低的短距离无线通信技术。粮储环境监测不需要传递大量数据，数据传输距离较短。从系统成本和传输能力方面考虑，ZigBee是最恰当的选择。2.3ASP.NET技术ASP.NET是微软统一的Web集成开发平台，动态Web页面（ActiveWeb）是一种更新的技术应用，Web开发者可以用它来创建所需的企业Web应用服务。ASP.NET是基于.NET环境的动态网页设计，应用范围广泛。3系统设计方案根据系统的需求分析，设计采用ZigBee无线通信技术和ASP.NET搭建粮储监测系统，利用温湿度传感器采集环境状态数据、通过ZigBee模块传输实时数据。同时，在上位机端，通过粮储环境监测系统进行数据的分析和显示。监测系统利用终端采集、ZigBee传输、CC2530模块处理，通过粮储监测系统实现对粮食储备环境的实时监控与预警，系统结构如图1所示。实时数据显示上层结构实时数据存储与处理阅值设暨与超限报警粮储环境监测系统温湿度传感器下层结构CC2530芯片（含ZigBee模块）PC机图1系统结构以CC2530为核心的下位机终端设备中，使用一个有效的数据采集传感器设备。终端集成数据传输的ZigBee无线通信模块，将数据传输到通过USB转串口与计算机连接的协调器上。最后，实现实时数据并提交给PC进行下一阶段的处理。计算机在接收到下一个机器数据包传输后，需要根据预先设定好的消息格式，按照PC图像窗口的数据接口，及时与系统应用ASP.NET技术构建网站平台，将数据实时发送到计算机进行显示，并在后台与SQLServer数据库进行连接存储。WSN网络通信系统的低级机器主要收集和传输实时数据，从而有效地实现实时信息。用户可以通过查看当前数据来访问Web站点并进行实时的远程控制。3.1粮储监测系统硬件设计粮仓场景的系统硬件应用设计方案是在分析了系统功能需求后给出的。整个硬件设计分为获取温、湿度的传感器，CC2530芯片（含ZigBee模块）以及PC机三个部分。温度、湿度信息采集工作由DHT11温湿度传感器完成。模块主控芯片CC2530通过ZigBee模块实现数据传输，与PC机构成了完整的无线传感网络，接收DHT11获取的数据包并将这些数据包转发到PC端。通过相互协调工作，完成整个硬件系统的信息获取和向上位机的数据传输。3.1.1传感器与ZigBee节点设计监测系统利用DHT11温湿度传感器，与ZigBee模块共同完成数据的采集与传输。在传感器设计上，采用DHT11温湿度传感器，为满足粮仓实际温湿度监测系统对温、湿度的监测要求，收集环境中的温度、湿度数据。DHT11收集实时数据后通过CC2530处理数据完成数据打包后，通过ZigBee模块节点向协调器节点发送数据包。将ZigBee终端节点设为终点节点。它只用于数据采集和传输，因此在采集到实时数据后，它会通过ZigBee实现无线通信。3.1.2协调器的硬件设计ZigBee网络结构需要通过协调器完成构建整个网络的无线数据传输网络，同时通过协调器中的USB转串口芯片完成与上位机之间的数据通信。将ZigBee模块节点设置为通过USB线将协调器连接至PC的协调器收发器类型，协调器开始接收终端节点在系统上电后采集的数据，并将收到的有效数据通过串口传递至PC机处理。协调器节点采用CC2530作为模块芯片，搭载ZigBee模块用于组网和数据传输工作，为方便PC机与协调器模块进行通信，采用CH340G芯片实现USB串口功能，即PC机端通过串口进行通信，通过读取串口，PC机可以直接获得CC2530芯片通过ZigBee模块发送的数据。在协调器中使用USB连接PC机，将接收到的182023年2023陕西交通科教研究NO.1第1期数据加人采集节点标号打包后通过窗口发送到PC机端，PC机识别为串口接口通信方式，接收终端采集的数据并进行相应的处理。3.2粮储监测系统软件设计粮储监测系统的软件设计包括上位机与粮储环境监测平台的构建。在平台设计中，采用ZigBee无线通信技术以完成局域短距离信息通信。在实际环境中，采用ZigBee默认的网状网络拓扑构建ZigBee通信网络，用于收集整个粮仓的实时温、湿度数据，并使实时数据显示在粮储环境监测平台界面。为满足用户对温、湿度数据和串行口数据进行实时监测的需求，构建ASP.NET的动态平台界面进行实时数据的显示。该平台利用ASP.NET搭建并连接后台数据库，实现实时数据的读取和阈值的设置。在Visual Studio2010应用开发平台上设计一个图形界面窗口，通过C+语言编程显示实时数据。首先在VisualStudio2010中生成并创建一个新的窗体项目，然后在窗体内部选择一个串口，通过组件将所有串口以列表的形式罗列出来供用户进行选择。在读写方式上，由于从指定串口实时读取数据的效率较低，因此采用事件触发模式，当输人缓存区接收到数据后触发事件。通过serialportl.open（）和 serial portl.close（）两个功能实现对串口的开关操作，直接将温度和湿度阈值配置到粮储环境监测平台界面中，便于工作人员设定阈值及超限提醒。上位机显示界面如图2 所示粮储环境监测系统XZigBee节点终端一，温度：0，湿度：0终端二，温度：0，湿度：0终端三，温度：0，湿度：0串口设置串口号：波特率：1152 0 0打开串口图2PC端粮储环境监测系统界面粮储环境监测系统的结构框图如图3所示。处理结果客户端请求粮储环检索请求ASP.NE客户端境检测平台引擎回复请求.NET其他SQLFrame资源数据库work图3粮储环境检测系统结构图对于ASP.NET项目的创建，首先在VisualStu-dio.NET环境中创建一个“ASP.NET网站”，并对网站的位置进行设置和存储。主要创建项目文件如下：(1)App_d,default.aspx文件夹，包含XML文件或数据库等数据文件。(2)default.aspx，是动态网页的Home页面。(3)default.aspx.vb,是由VB编写的Home后台文件。（4）存储ASP.NetWeb应用中配置信息的Web.Config。（5）其他资源文件。由于ASP.NET服务器对于控件的支持度较高，因此许多控件可在ASP.NET服务器中直接使用，通过VB编写的Home后台文件将程序和数据封装为一个对设计人员可见的对象。设计界面时，直接通过工具箱选择不同类型的对象，如对应的窗口、菜单、命令按键等，可以直接对布局进行调整，对部件的外观属性进行设置，对每个对象设置对应的事件处理功能。所以设计人员仅需要对要完成事件过程的对象进行编写代码即可实现网页的编写工作。利用LabelWeb控件Databind来完成SQL数据源的数据系连，获得实时的数据库信息，实现每次页面刷新时数据的及时更新。界面设计如图4所示：Defaultaspk智能粮仓网值设货温度：26湿度：29图4界面设计3.3终端采集节点软件设计粮仓内温度、湿度数据的实时采集由DHT11温1920232023年陕西交通科教研究NO.1第1期湿度传感器负责，采集到的数据通过ZigBee终端的无线电模块在CC2530进行打包后发送到网络协调器。当ZigBee端点处于网络连接时，首先会有网络加人请求，ZigBee转接器成功响应后才会加入网络并将数据发送出去。节点的软件设计主要包括数据采集程序和传输程序。对于数据采集程序，只需要将终端节点的数据采集程序添加到任务列表中进行周期性执行即能满足需求；对于传输程序，在节点编译的Zig-Bee协议中使用相应的API接口即可实现，在采集节点成功加人协调器的ZigBee网络后，将数据封装并通过API发送至协调器即可完成传输工作。由于硬件会自动重置，因此需要在节点上电后对应用进行初始化。终端设备在节点搜索匹配相应协调器后向网关发送连接请求。接到设备的连接请求后，协调器将根据预先设计做出反应。当请求被同意后，协调员将网络地址分配给终端节点，然后在休眠模式下与协调员进行通信，使整个系统的功耗保持在较低的水平。具体软件流程如下图5所示：上电初始化败尝试加入网络成功采集温，湿度失败发送数据成功图5采集节点软件设计4整体系统测试4.1ZigBee组网测试对于采集节点的供电，采用USB供电或电池供电；对于协调器供电，直接通过USB线将其连接到PC机上，使系统的工作得以维持。因此，针对不同的电路设置了显示系统工作正常与否的LED指示灯。同时，在系统组网成功并开始传输时，设计了表明系统正在工作的网络指示灯（LED）。组网测试见图6。图6ZigBee组网测试4.2ZigBee终端采集测试及上位机显示测试对于ZigBee终端实时采集到的数据进行处理和传输的测试，在PC端的上位机界面进行，设计了相应的控件进行实时的数据显示，以测试功能是否完善。如图7 所示。ZigBee节点终端一，温度：2 6，湿度：2 9终端二，温度：2 9：湿度：2 0终端三，温度：0，湿度：0串口设置串口号：FCOM6波特率：1152 0 0关闭串口图7PC显示界面测试4.3网站功能测试在网站的设计中，通过图形窗界面中的事件触发按钮，实现对用户登录网站、环境温湿度的实时显示和阈值设置的测试。测试中各按键均能正常跳转至对应页面，如图8 所示。智能粮仓温豆度选机尚结设费温度：2 6湿度：29图：网页测试2020232023年陕西交通科教研究NO.1第1期5结论随着传感器和无线通信的快速发展和应用，设计粮储环境温湿度监测系统，采用无线传感网络、ZigBee无线通信技术和ASP.NET技术，通过温湿度传感器装置采集数据，CC2530实时处理并传输数据，将所需数据信息按照预先设定好的消息格式及时显示在主机界面窗口中，并通过系统应用ASP.NET技术搭建用户平台，用户可通过上位机设备登录Web平台查看环境温湿度实时数据，为粮食存储作业提供了更高效、更便捷的调控方法，保障大国粮仓储备的品质。参考文献1罗丹妮.基于ZigBee无线传感网络的实验室智能管理系统 J.科学技术创新，2 0 19（12)：135-136.2丁立兵，郑攀海，覃文辉，党佳丽，张世雷.基于ZigBee技术智能水表 J.电子世界，2 0 19（0 8）：16 7-16 8.3李建，饶钰，姚亮.ZigBee无线网络与公网数据传输协同技术的实际应用研究 J.低碳世界，2 0 19,9（0 3）：8 889.4 黄定懿.基于Zigbee无线传感器网络的远程抄表设计J.电子技术与软件工程,2 0 19（0 6）：5-13.5】张建军.基于Zigbee的地下转载机无线监控网络的设计与优化 J.煤矿现代化，2 0 19（0 2）：12 9-130.6辛华.基于ZigBee的无线传感器网络定位技术J.山东工业技术,2 0 19（0 3）：17 5-190.7邓理文,刘晓军,扶宣伊,贾南.基于ZigBee的无线传感网络在火灾探测中的应用 J.武警学院学报，2 0 18，34(12):10-14.8田学军，何江芸.一种基于ZigBee的智慧农业无线网络监控系统 J.机床与液压，2 0 18,46（2 2）：112-115+134.9秦宁然.Zigbee无线火灾自动报警系统在铁路隧道中的应用探讨 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