1、 http:/ - 1 - 中国 科技 论文 在线基于 LabVIEW 的无线粮情监控系统 王彬彬，周慧玲 *作者简介：王彬彬，（1988-），女，硕士研究生，主要研究方向为检测技术与自动化装置。 通信联系人：周慧玲，（1965-），女，河北秦皇岛人，副教授，硕士研究生导师，主要研究方向为嵌入式 系统与测控网络. E-mail: （北京邮电大学自动化学院，北京 100876） 摘要：基于目前粮情监控系统的发展现状，本文给出了一种智能化、信息化、自动化程度高 5 的仓储粮情管理系统解决方案。系统运用 LabVIEW 软件平台结合 GPRS 无线传输技术，实现 了数据采集、数据存储、用户管理等功
2、能，为用户能够随时对粮仓环境进行监控提供便利。 经过实际部署，对整个系统进行了测试，证明了其稳定性和可靠性。 关键词：检测技术与自动化装置；LabVIEW；无线传感；粮情监控 中图分类号：TP273+.5 10 Grain Monitoring System Based on LabVIEW and Wireless WANG Binbin, ZHOU Huiling (Beijing University of Posts and Telecommunications Institute of Automation, Beijing 100876) Abstract: According t
3、o he development of Chinas Grain monitoring system status ,this paper 15 presents an intelligent, information-based, high degree of automation of the Grain Warehouse Management System solution.The system combines the LabVIEW software platform and GPRS wireless transmission technology, Design a grain
4、 inspection system of data acquisition,data storage and user management. To facilitate the user to monitor the environment of the barn at any time.Finnaly,Through the actual deployment,the monitoring system has been tested,proved its 20 stability and reliability. Keywords: Detection Technology and A
5、utomation Devices; LabVIEW; Wireless sensor; Grain Monitoring 0 引言 25 粮食是国民经济的基础，是关系国计民生的特殊战略物资。粮食的数量、质量与安全直 接关系到国民经济发展和社会稳定的大局。我国是个产粮大国，收获的粮食一般都是集中储 藏，粮食的储藏安全一直是困扰粮食管理的重大问题。粮食在存储过程中的安危主要表现在 粮食的水分和温度的变化。一旦粮食受潮，其新陈代谢加快，产生呼吸热，导致局部粮食温 度升高，使粮食发生霉烂变质，因此，在粮食储藏过程中如何检测、判断和控制粮食的储藏 30 环境，使粮食始终处于合适的温度和湿度状态下，是保
6、证粮食质量的关键 1 。 目前我国大部分粮库对于温湿度等粮食参数的检测大多使用商业组态软件，如 InTouch HMI、WinCC 和组态王等来实现，在功能上存在一定的缺陷，内置函数库稀少，价格昂贵， 二次开发困难，性价比较低，且主要针对中小型系统。目前在测试、测量和自动化领域， 由美国 NI（National Instrument）公司所推出的 LabVIEW 通用编程语言异军突起。 35 LabVIEW 软件相较于传统的程序语言具有结构简明，逻辑严密，集成化好，可操作 性强以及自带函数十分丰富等优点。集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯
7、的全部功能。它还内置了便于应用 TCP/IP、 ActiveX 等软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。在开发大型测控系统中有其 独到的优势。因此， LabVIEW 广泛应用于粮食的信息化管理，如农药残留检测系统的开发 40 2 和结合无线传感器网络进行农作物的水分状况监测系统的开发 3 等。 http:/ - 2 - 中国 科技 论文 在线 因此，本文提出并设计实现了一种采用 LabVIEW 作为开发平台的监测系统的软件，并 在下位机采用 Zigbee 结合 GRPS 无线通信的方式，实现了对粮库温湿度数据的监测。实现 了粮库温湿度数据的定时采集，并对数据进行存储、分析、回放，同时建
8、立数据报警与用户 管理机制。 45 1 系统设计 1.1 系统开发平台 目前在测试、 测量和自动化领域， 由美国 NI （National Instrument） 公司所推出的 LabVIEW 通用编程语言异军突起，其与传统的编程语言相比具有以下明显优势： 1. 提供了丰富的图形控件，并采用图形化的变成方法，彻底把工程师们从复杂苦涩的 50 文本编程工作中解放出来。 2. 内建的编译器在用户编写程序的同时就在后台自动完成了编译。 因此用户在编写程 序的过程中如果有语法错误，它会被立即显示出来。 3. 由于采用数据流模型，它实现了自动的多线程，从而能充分利用处理器尤其是多处 理器的处理能力。 5
9、5 4. 通过 DLL、CIN 节点、ActiveX、.NET或 MATLAB 脚本节点等技术，可以轻松实 现 LabVIEW 与其它编程语言混合编程。 5. 通过应用程序生成器可以轻松地发布 EXE、动态链接库或安装包。 6. LabVIEW 提供了大量的驱动与专用工具，几乎能与任何接口的硬件轻松连接。 7. LabVIEW 内建了 600多个分析函数，用于数据分析和信号处理。 60 NI同时提供了丰富的附加模块，用于扩展 LabVIEW在不同领域中的应用。例如实时模 块、PDA模块、FPGA模块、数据记录与监控（DSC）模块、机器视觉模块与触摸屏模块等 4 。 1.2 硬件设计 监测系统的
10、下位机测控节点主要功能是实现温度、湿度的数据采集。通过 GPRS网络发 65 送至 PC 机客户端。 粮仓内传感器的测点分布越多， 测得数据曲线越精确， 对于粮食危险点的预测越为准确。 实验中，粮仓的尺寸大小为高 13.5 米，半径 2.4米，容量 180 吨。 根据粮仓尺寸与客户要求， 在粮仓内布置了 83个温度传感器，21个温湿度传感器，以便能够准确测量粮仓内的温度、 湿度。 70 1.2.1 硬件选型 温度检测采用 Dallas 公司生产的单总线数字温度传感器 DS18B20，它不仅能直接输出 串行数字信号，而且具有微型化、低功耗、高性能、易于微处理器连接和抗干扰能力强等优 点 5 。
11、湿度检测采用温湿度传感器 SHT10。 SHT10 是瑞士 Sensirion公司推出的一款高度集成、 75 低功耗、高精度、抗干扰能力强的基于 技术的数字温湿度传感器。SHT10 实现了温湿度传 感器的数字式输出，具有免调试、免标定等特点，极大方便了在嵌入式测控领域的应用。 无线汇聚节点选用了 Philips 公司的 LPC2119 作为微控制器。LPC2119 是基于一个支持 实时仿真和跟踪的 16/32 位 ARM7TDMI-S CPU 的微控制器，并带有 128kB 嵌入的高速 http:/ - 3 - 中国 科技 论文 在线 Flash 存储器，采用 64脚封装、极低的功耗、 多个
12、32 位定时器、 4 路 10 位 ADC、 2路 CAN 80 以及多达 9个外部中断 6 。 GPRS模块选用 SIMCOM公司的 SIM300C。 该模块支持 GSM/GPRS 900/1800/1900MHz， 内嵌强大的 TCP/IP 协议栈，低功耗设计，增强的 AT 控制指令，应用广泛 7 。 ZigBee 无线收发模块选用 ZigBee212 模块，它由 ATMEL 公司的 ATmega1281+AT86RF212 构成。ATmega1281 是一款高性能、低功耗的 8 位单片机，特别 85 适合低成本的 ZigBee 应用 8 。 1.2.2 硬件布局 数据采集系统由本地监控中
13、心、传感器节点、无线粮情中心汇聚节点四部分组成。其中 本地监控中心是粮情采集系统的核心，对整个系统进行统一控制和管理，保证整个系统协调 有效的运行；传感器节点用于采集粮库中温湿度数据；无线粮情中心汇聚节点用于将传感器 90 数据打包，通过 GPRS网络经由 Internet 网发送至控制中心，同时接收控制中心发送的各类 控制命令，可实现远距离通信。 图 1 采集系统硬件布局 95 1.3 软件设计 1.3.1 系统主界面设计 对于粮情监控系统的用户界面应满足界面友好,具有直观、有效、便于管理和可扩充性 等特点。 如图：系统主界面分为以下几个部分： 100 1数据实时显示：在界面左方，根据传感器
14、实际在粮仓中的布局绘出传感器分布图， 从下位机传上来的温湿度数据将会实时显示在界面上，当数据超出所设门限时，传感器图标 http:/ - 4 - 中国 科技 论文 在线 将会变红报警。同时每一层最高温度显示为蓝色，最低温度显示为紫色。 2.系统状态显示栏：在界面中间，显示当前系统数据状态、系统网络连接状态、以及仓 壁温度传感器与仓顶温湿度传感器的数据。用户可选择查看每层、每根电缆上传感器数据、 105 并可对温湿度上下限等条件进行设置。 3.用户操作栏：在界面右方，用户可双击相应选项选择查看每层、每根电缆上传感器数 据。 4.菜单：在系统菜单中可进入用户管理系统和密码修改系统，在曲线显示菜单中
15、可选择 查看单个传感器、单根传感器、单层传感器温湿度曲线以及不同传感器之间对比曲线。设置 110 菜单中可对报警手机号、采集周期、粮库信息等进行设置。 图 2 软件系统主界面 1.3.2 数据通信 115 在数据采集系统的设计中，关键的一步是对实时采集的数据进行显示、处理和查询等。 此过程涉及数据采集及存储问题。数据采集是指将温度、湿度转化为数字量以后，再由计算 机进行存储、处理和显示。 LabVIEW 继承了满足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的 全部功能。它还内置了便于应用的 TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。不同的粮库可选 1
16、20 择不同的通信方式实现数据采集。本文中选取 TCP/IP 数据采集为例进行具体阐述。 数据采集系统通过调用 LabVIEW 中内置的 TCP 函数实现 TCP/IP 通信。从而完成 GPRS/Internet 网络与下位机无线采集节点之间的数据交换。 在 LabVIEW 中，采用 TCP 节点来实现基于 TCP 协议的局域网通讯，该节点在 FUNCTION/COMMUNICATION/TCP下，该节点分为三个部分： 125 Connection节点：用于建立客户机和服务器之间通讯的连接。 Transmission节点：用于在客户机和服务器之间传输数据。 http:/ - 5 - 中国 科技
17、 论文 在线 Conversion节点：用于计算机 IP 地址和计算机名称间的切换。 在本系统中，PC 机作为 TCP/IP 服务器端，通过侦听本机固定端口号，读取网络数据， 从而实现与下位机之间的通信。服务器端通讯流程如下： 130 初始化 侦听端口等待连接 连接成功？ 读写数据 退出循环？ 关闭连接图 3 TCP服务器通讯流程 以 DS18B20 为例，数据通信协议如下： 135 表1 数据通信协议 起始符 数据长 度 ID 类型 坐标 X 坐标 Y 坐标 Z 温度 电池电压 采集时 间 结束符 1 字节 1 字节 1 字节 1 字节 1 字节 1 字节 1 字节 18 字节 2 字节 3
18、 字节 HL 0 D 0 A 0x24 0x1F 0x01 0x01 0x00 0x00 0x00 0x01 0x78 0x0D 0x0A 校验其中 ID 号代表传感器号，类型信息标定了四种不同种类的数据信息，SHT温湿度传感 器占 4个字节，其中前两个字节为温度数据，后两个字节为湿度数据。 140 1.3.3 数据存储与回放 为实现数据的持久化，便于对数据后续的分析与查看。数据存储在 Sql Server 数据库中 便于数据管理。通过对 LabVIEW中调用数据库的各方式的分析与比较，基于本实验中对于 数据库的访问较为简单以及费用的考虑。选择使用 LabVIEW 用户开发的免费 LabVIE
19、W 数 据库访问的工具包 LabSQL来解决数据库访问问题 9 。 145 用户通过在系统控制面板中创建 ODBC数据源， 然后通过 LabSQL Create Connection函 数建立连接，Open Connection函数打开连接，连接上数据源以后，就可以通过 SQL Excute 函数对数据库进行查询、添加、删除、修改等工作。 150 http:/ - 6 - 中国 科技 论文 在线图 3 数据库操作流程 在数据存入数据库以后，通过输入一定的条件查询，从而调出相应的数据进行后续观察 和分析处理，并显示为图形，即历史数据曲线。 155 通过在前面板上选择时间段从而从数据库中查询出该时
20、间段内各传感器数据并绘制成 曲线图。各传感器以曲线颜色不同以示区别。同时，可以将查询出来的数据导出为 EXCEL 报表存储便于打印等功能。 1.3.4 监测报警 如果粮仓环境参数和粮食状态参数超过预设值，界面上相应的传感器图标将变红，系统 160 数据状态等将闪烁提示用户当前数据异常，同时系统将会把超限温/温湿度传感器位置、超 限数据、超限时间等信息通过手机短信的方式通知管理人员，以便于及时采取措施。 本系统报警采用行业标准所默认的颜色：绿色为正常，红色为异常。同时，异常数据与 采集时间将会写进报警日志中便于查看。 1.3.5 报表导出 165 系统安装完成以后，将会在 D 盘根目录下生成名为
21、“粮食局小汤山实验基地 180 吨粮 仓实验数据” 的文件夹， 系统采集上来的数据将会自动以 excel 格式存储在此文件夹中。 Excel 报表中将包含日期、操作人员、温湿度传感器数据、系统数据状态等信息。报表名称以年月 日_时分格式存储。 当用户查询历史数据曲线时，可将该曲线时间区间内的数据导出成报表格式存储，数据 170 将按照不同数据类型分别存储在“仓内温度数据”，“仓内温湿度数据”，“仓壁温度数 据”，“仓顶温湿度数据”四个子文件夹中。 在系统主界面上点击“查看报表”按钮，将会自动打开报表存储文件夹，用户可双击选 择想要查看的报表。 2 测试 175 系统已实际部署在粮科院小汤山实验
22、基地中，81 个仓内温度传感器节点放置在 13.5*2.4*2.4*PI m3（高*半径*半径）的玉米粮仓中的粮堆内。18个温湿度传感器节点分两 层放置于粮面下 45cm和 245cm的位置。2 个温度传感器节点放置于仓壁上，3 个温湿度传 感器节点放置在仓顶，每隔 3秒上报一次心跳帧。根据用户设置的采集周期定时向上发送温 湿度数据。9个无线汇聚节点各自带有 1根垂直埋在粮堆中的电缆，每根电缆里面等距分布 180 着 9个 DS18B20温度传感器和 2个 SHT 温湿度传感器，采集粮堆表层、中层和底层的温湿 度，无线汇聚节点放置在粮仓外部，与传感器进行 ZigBee 通信，并同时与上位机管理
23、软件 进行 GPRS通信，基本实现了温湿度参数的采集、传输、显示、历史数据查询等功能。 部分测试数据如表 2所示，其中显示的是 83 个 DS18B20 温度采集节点和 20个 SHT温 湿度采集节点某次上报的温湿度数据。系统经过一星期不间断测试，运行稳定，报警和存储 185 功能正常。基本上能够满足粮仓的温湿度监测要求。 http:/ - 7 - 中国 科技 论文 在线 表 2 温湿度数据报表 天气：晴 检测人员：王彬彬 123456 1层 23.75 25.19 23.62 24.56 27.37 25.31 2层 23.94 28.5 25.25 24.12 26.5 26.81 3层
24、23.06 28 34 24.75 24.62 26.31 4层 28.25 25.12 28.87 25.56 29.31 25.31 5层 27.31 24 27.75 26.06 26.56 27.31 6层 27.31 26.81 27.31 27.75 26 25.37国家粮食局科学研究院储藏实验室粮情测控实验平台180吨实验仓 粮情报表 号 缆 电 温 度 () 层 号190 3 结论 本文提出了一种基于 LabVIEW软件平台和无线传感技术的监控系统的实现方案，有效 结合了 LabVIEW 在测控软件开发中的优势和 GPRS 可靠的远程数据传输技术和 ZigBee 的 低成本、低
25、功耗等优点，为构建智能化、自动化、低成本的粮情监控系统提供了示范，并为 以后粮情检测的大型应用提供了基础。 195 参考文献 (References) 1 林军.现阶段我国的粮食安全问题J.求是,2007,(8)：34-36 2 张宇林，周红标，唐中一.基于 LabVIEW的农药残留检测系统J.安徽农业科学，2010，38（23）： 12560 12563. 200 3 高峰，俞立，王涌，等.无线传感器网络作物水分状况监测系统的上位机软件开发J.农业工程学报， 2010，26（5）： 175 181. 4 陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通M.北京：清华大学出版社，2007.7：85-218 5 周立功.嵌入式系统基础教程M.北京：北京航空航天大学出版社，2008. 6 LPC2119_DatasheetEB/OL. http:/ 205 7 SIM300C_HD_V1.02EB/OL.SIMCOM,2006. 8 AT86RF212_DataSheetEB/OL. http:/ 9 LabVIEW 中利用 LabSQL 访问数据库EB/OL电子制作资源网 2005.3
