无线传感器网络的粮库监控系统设计
目 录
1 引言 1
2 粮库系统的设计任务与方案 2
2．1 设计任务 2
2．2 粮库监控系统方案的论证 2
2．3 粮库监控系统的最终方案 3
3 粮库监控系统的硬件设计 5
3．1 STC89C52系统及外围电路 5
3．2 NRF24L01无线模块 8
3．3 DHT11温湿度传感器 11
3．4 红外传感器模块 13
3．5 烟雾传感器模块 14
3．6 监测端显示模块 15
3．7 粮食量按键电路 16
3．8 报警电路 16
3．9 电源转换电路 17
3．10 用PROTEL 99 SE绘制硬件电路图 17
4 软件设计 21
4．1 数据采集端主程序 21
4．2 温湿度采集子程序 21
4．3 无线发送子程序 22
4．4 无线接收子程序 23
4．5 无线组网 23
5 粮库监控系统的制作与调试 24
5．1 PCB设计 24
5．2 系统调试 25
5．3 调试结果及性能分析 27
结 论 28
致 谢 29
参考文献 30
附录A 元器件清单 32
附录B 代码 33
1 引言
中国是一个人口基数庞大的国家，则作为国家战略储备的粮食则是关系到国计民生的大事。而且粮食历来是大众的安生立命之本，所以粮食问题关乎社会安定团结，关乎国家是否能安全健康的发 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
展。而作为粮食安全问题首要的两个因素就是粮食的产量问题和粮食的保存问题。但随着超级水稻的培养成功之后，我国的粮食产量迅速增加，据近几年的数据统计的结果表明，我国的粮食产量已经基本达到我国民众日常的消耗水平，由此可见经过长年的发展，我国在粮食的产量问题上已经不存在很大的问题，由此可见，对于我国的粮食安全问题，还是出在粮食的存储上面。所以粮食的保存是否完好，才是当前我国粮食安全的重中之重。
但在粮食存储环节，由于我国种地的大部分是农民，文化水平不是很高，导致他们采用的存粮方法，相对过时，不能很好的保证粮食的存储。因为在粮食的保存中会因为温湿度的变化导致粮食霉变；因为天气干燥而引发火灾，导致粮食损耗；因为虫害导致粮食减少。所以在目前粮食大部分被农户所存储的情况下，只要能保证降低在农户手中粮食的损失率就可以大大减少粮食的浪费，从而有利于提高粮食的安全。所以，就当前的形势而言，解决粮食的存储问题迫在眉睫。
为了解决粮食在当前情况下的损耗问题，不能满足于陈旧的储粮经验，需要采取高新技术手段来进行对粮食存储的检测和管理，要摈弃过去利用人工对粮食量进行计数的方法，摈弃用温度计来计量粮库温度的方法，因为这些方法总会因为人为，或环境因素而产生影响。所以，我们要在当今飞速发展的高新技术上寻找突破口，如随着计算机技术的发展，有利于粮食量的存储计数；网络技术平台的诞生和成长，也为粮情监控提供了很好的平台；超大规模集成电路的发展，为建立粮情监控系统的硬件制作打下了基础。
而随着无线技术迅速发展，其优良的性能，使其成为许多系统建立的首要选择，因为他摈弃了建立系统时复杂的线路问题，而且其具有丰富的软件和硬件的关联产品，还有比较成熟的通信协议。所以如果使用无线传感技术建立一个粮库监控系统，不但能有有效的降低粮库监控的成本，还能有效的提高粮库监控的效率，使其更方便，更直接更具体的就能知晓当前粮库粮食的情况。由此可见，建立基于无线传感技术的粮情监控系统，对于粮食存储问题的解决提供了一个很好的方法。
2 粮库系统的设计任务与方案
2．1 设计任务
本次课题研究的是基于WSN的粮库监控系统设计，主要要解决的是对粮库的温湿度，异物，火情，库存量进行监控与异常报警。
随着人们对无线传感器网络的深入研究，已经开发出许多比较成熟的网络通信协议，经过有针对性的修改后，可以有效的应用于各种应用场合。特别是对于将节点以无线通信的方式进行联系起来，再通过无线传感器进行进行传输，所以本课题设计的目的就是构建以一个局域无线传感器为主体的系统，让其来进行的粮食监控，从而实现对粮库的温度、湿度、火情、异物、粮食量的监控与报警。
2．2 粮库监控系统方案的论证
2.2.1 主要控制芯片方案
就主控芯片的而言，其必须要符合许多的要求。第一他的操作需要比较简单，适合大部分人群的使用；第二寿命要长，而且其在完成所执行的任务时，要具有较高的执行速率；第三价格要便宜，功耗要比较低。所以结合以上因素，本课题设计采用了完全能满足这些条件的STC89C52作为主控芯片。
2.2.2 无线通信模块方案
方案一：利用GSM模块来通信，但是由于用该模块来通信的话需要用到手机卡，不方便，而且既然用了手机卡，那么就要消费高额的费用，那么相对来说在进行较远距离传输的的时候，它的通信成本就会比较高，而且在后期还需要不定时的进行维护，导致其额外成本的增加，所以性价比不高。
方案二：利用NRF24L01来进行通信，作为一个无线射频模块，它的价格比较便宜，而且它的传输距离比较远，相对其他通信模块而言，它的功耗还比较低，其次它的操作很简单。
考虑到系统的复杂性和程序的复杂度，且设计具有成本低、传输速率高、软件设计简单以及通信稳定可靠等特点，所以采用方案二作为本系统的通信模块。
2.2.3 温湿度传感器方案
方案一：采用AM2301复合温湿度传感器。该温湿度数字传感器能够与一个8位的单片机相连，且与之相连的单片机的性能很高，同时该传感器内有两个元件一个是电阻式的感湿元件和一个测温元件NTC。同时为了保证其能够有比较高的可靠性和比较强的稳定性，所以他使用的数字采集模块和温湿度传感器技术都是专用的。而且该传感器已经把数字信号校准了。因此该传感器的抵抗环境的干扰能力很强，响应温湿度变化速度很快，所以他的质量在同类产品中比较突出。
方案二：采用DHT11温湿度传感器。该温湿度传感器是集温度和湿度测量与一体的数字式的传感器。该温湿度数字传感器能够与一个8位的单片机相连，且与之相连的单片机的性能很高，同时该传感器内有两个元件一个是电阻式的感湿元件和一个测温元件NTC，所以其要想要实现对温度和湿度进行实时的采集只需要通过单片机等微处理器连接一些比较简答的电路就能够实现。与此同时 ，当单片机和DHT11之间需要进行简单的单总线通信的时候，一个I/O口就能解决。为了保证准确性，在进行数据传输的的时候，数据传输需要进行校验，依此来达到目的。而且该传感器的功耗比较低，最大平均工作的电流是0.5mA，可以在5V的电压下进行工作。
考虑到DHT11的功耗低，成本便宜，以及器件的便捷程度，决定采用方案二的DHT11传感器作为本系统的温度传感器。
2.2.4 数据显示方案
图3.12 Nokia 5110显示屏电路图
图3.13 Nokia 5110 实物图
1 引言 1
2 粮库系统的设计任务与方案 2
2．1 设计任务 2
2．2 粮库监控系统方案的论证 2
2．3 粮库监控系统的最终方案 3
3 粮库监控系统的硬件设计 5
3．1 STC89C52系统及外围电路 5
3．2 NRF24L01无线模块 8
3．3 DHT11温湿度传感器 11
3．4 红外传感器模块 13
3．5 烟雾传感器模块 14
3．6 监测端显示模块 15
3．7 粮食量按键电路 16
3．8 报警电路 16
3．9 电源转换电路 17
3．10 用PROTEL 99 SE绘制硬件电路图 17
4 软件设计 21
4．1 数据采集端主程序 21
4．2 温湿度采集子程序 21
4．3 无线发送子程序 22
4．4 无线接收子程序 23
4．5 无线组网 23
5 粮库监控系统的制作与调试 24
5．1 PCB设计 24
5．2 系统调试 25
5．3 调试结果及性能分析 27
结 论 28
致 谢 29
参考文献 30
附录A 元器件清单 32
附录B 代码 33
1 引言
中国是一个人口基数庞大的国家，则作为国家战略储备的粮食则是关系到国计民生的大事。而且粮食历来是大众的安生立命之本，所以粮食问题关乎社会安定团结，关乎国家是否能安全健康的发 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
展。而作为粮食安全问题首要的两个因素就是粮食的产量问题和粮食的保存问题。但随着超级水稻的培养成功之后，我国的粮食产量迅速增加，据近几年的数据统计的结果表明，我国的粮食产量已经基本达到我国民众日常的消耗水平，由此可见经过长年的发展，我国在粮食的产量问题上已经不存在很大的问题，由此可见，对于我国的粮食安全问题，还是出在粮食的存储上面。所以粮食的保存是否完好，才是当前我国粮食安全的重中之重。
但在粮食存储环节，由于我国种地的大部分是农民，文化水平不是很高，导致他们采用的存粮方法，相对过时，不能很好的保证粮食的存储。因为在粮食的保存中会因为温湿度的变化导致粮食霉变；因为天气干燥而引发火灾，导致粮食损耗；因为虫害导致粮食减少。所以在目前粮食大部分被农户所存储的情况下，只要能保证降低在农户手中粮食的损失率就可以大大减少粮食的浪费，从而有利于提高粮食的安全。所以，就当前的形势而言，解决粮食的存储问题迫在眉睫。
为了解决粮食在当前情况下的损耗问题，不能满足于陈旧的储粮经验，需要采取高新技术手段来进行对粮食存储的检测和管理，要摈弃过去利用人工对粮食量进行计数的方法，摈弃用温度计来计量粮库温度的方法，因为这些方法总会因为人为，或环境因素而产生影响。所以，我们要在当今飞速发展的高新技术上寻找突破口，如随着计算机技术的发展，有利于粮食量的存储计数；网络技术平台的诞生和成长，也为粮情监控提供了很好的平台；超大规模集成电路的发展，为建立粮情监控系统的硬件制作打下了基础。
而随着无线技术迅速发展，其优良的性能，使其成为许多系统建立的首要选择，因为他摈弃了建立系统时复杂的线路问题，而且其具有丰富的软件和硬件的关联产品，还有比较成熟的通信协议。所以如果使用无线传感技术建立一个粮库监控系统，不但能有有效的降低粮库监控的成本，还能有效的提高粮库监控的效率，使其更方便，更直接更具体的就能知晓当前粮库粮食的情况。由此可见，建立基于无线传感技术的粮情监控系统，对于粮食存储问题的解决提供了一个很好的方法。
2 粮库系统的设计任务与方案
2．1 设计任务
本次课题研究的是基于WSN的粮库监控系统设计，主要要解决的是对粮库的温湿度，异物，火情，库存量进行监控与异常报警。
随着人们对无线传感器网络的深入研究，已经开发出许多比较成熟的网络通信协议，经过有针对性的修改后，可以有效的应用于各种应用场合。特别是对于将节点以无线通信的方式进行联系起来，再通过无线传感器进行进行传输，所以本课题设计的目的就是构建以一个局域无线传感器为主体的系统，让其来进行的粮食监控，从而实现对粮库的温度、湿度、火情、异物、粮食量的监控与报警。
2．2 粮库监控系统方案的论证
2.2.1 主要控制芯片方案
就主控芯片的而言，其必须要符合许多的要求。第一他的操作需要比较简单，适合大部分人群的使用；第二寿命要长，而且其在完成所执行的任务时，要具有较高的执行速率；第三价格要便宜，功耗要比较低。所以结合以上因素，本课题设计采用了完全能满足这些条件的STC89C52作为主控芯片。
2.2.2 无线通信模块方案
方案一：利用GSM模块来通信，但是由于用该模块来通信的话需要用到手机卡，不方便，而且既然用了手机卡，那么就要消费高额的费用，那么相对来说在进行较远距离传输的的时候，它的通信成本就会比较高，而且在后期还需要不定时的进行维护，导致其额外成本的增加，所以性价比不高。
方案二：利用NRF24L01来进行通信，作为一个无线射频模块，它的价格比较便宜，而且它的传输距离比较远，相对其他通信模块而言，它的功耗还比较低，其次它的操作很简单。
考虑到系统的复杂性和程序的复杂度，且设计具有成本低、传输速率高、软件设计简单以及通信稳定可靠等特点，所以采用方案二作为本系统的通信模块。
2.2.3 温湿度传感器方案
方案一：采用AM2301复合温湿度传感器。该温湿度数字传感器能够与一个8位的单片机相连，且与之相连的单片机的性能很高，同时该传感器内有两个元件一个是电阻式的感湿元件和一个测温元件NTC。同时为了保证其能够有比较高的可靠性和比较强的稳定性，所以他使用的数字采集模块和温湿度传感器技术都是专用的。而且该传感器已经把数字信号校准了。因此该传感器的抵抗环境的干扰能力很强，响应温湿度变化速度很快，所以他的质量在同类产品中比较突出。
方案二：采用DHT11温湿度传感器。该温湿度传感器是集温度和湿度测量与一体的数字式的传感器。该温湿度数字传感器能够与一个8位的单片机相连，且与之相连的单片机的性能很高，同时该传感器内有两个元件一个是电阻式的感湿元件和一个测温元件NTC，所以其要想要实现对温度和湿度进行实时的采集只需要通过单片机等微处理器连接一些比较简答的电路就能够实现。与此同时 ，当单片机和DHT11之间需要进行简单的单总线通信的时候，一个I/O口就能解决。为了保证准确性，在进行数据传输的的时候，数据传输需要进行校验，依此来达到目的。而且该传感器的功耗比较低，最大平均工作的电流是0.5mA，可以在5V的电压下进行工作。
考虑到DHT11的功耗低，成本便宜，以及器件的便捷程度，决定采用方案二的DHT11传感器作为本系统的温度传感器。
2.2.4 数据显示方案
图3.12 Nokia 5110显示屏电路图
图3.13 Nokia 5110 实物图
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