第1章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
我们的国家是一个农业大国，每年都会有大量的粮食收获[1]。我国不但是个农业大国，同时面对人口众多的情况，粮食的消费也很大，我国的耕地面积占世界的耕地面积不到 10%，却可以养活世界将近 22%的人口，因此对于我国粮食的储备问题备受世界各国的关注[2]。
中国是粮食大国，粮食的存储量非常大，粮食的存储方式主要是通过各地的粮库对粮食进行长期或短期的存放[3]。目前在对粮仓环境监测的研究中，采集的信息主要包括：温度、湿度、有害气体浓度等[4]。粮仓中较高的温湿度会对粮仓中粮食的存储产生不良的影响，粮食会发生霉变，同时也容易导致粮食在存储过程中产生害虫[4]。粮仓内的气体成分与其他环境相比比较复杂。首先，粮仓内的粮食在入库前会经过各种科学储藏技术的处理，药物熏蒸就是其中之一，而熏蒸后残留的气体会停留在整个粮仓内；其次，粮食内残存的害虫以及微生物通过呼吸作用释放的气体也会停留在整个粮仓内；第三，如果粮食发生霉变，挥发的气体也夹杂在空气之中。由此看来，粮仓内的气体成分较为复杂，如遇到高温、明火时可能会对储粮造成危害，因此需要在粮仓内配置气体浓度传感器[5]。
1.1 课题研究的背景及意义
我们的国家是一个农业大国，每年都会有大量的粮食收获[1]。我国不但是个农业大国，同时面对人口众多的情况，粮食的消费也很大，我国的耕地面积占世界的耕地面积不到 10%，却可以养活世界将近 22%的人口，因此对于我国粮食的储备问题备受世界各国的关注[2]。
中国是粮食大国，粮食的存储量非常大，粮食的存储方式主要是通过各地的粮库对粮食进行长期或短期的存放[3]。目前在对粮仓环境监测的研究中，采集的信息主要包括：温度、湿度、有害气体浓度等[4]。粮仓中较高的温湿度会对粮仓中粮食的存储产生不良的影响，粮食会发生霉变，同时也容易导致粮食在存储过程中产生害虫[4]。粮仓内的气体成分与其他环境相比比较复杂。首先，粮仓内的粮食在入库前会经过各种科学储藏技术的处理，药物熏蒸就是其中之一，而熏蒸后残留的气体会停留在整个粮仓内；其次，粮食内残存的害虫以及微生物通过呼吸作用释放的气体也会停留在整个粮仓内；第三，如果粮食发生霉变，挥发的气体也夹杂在空气之中。由此看来，粮仓内的气体成分较为复杂，如遇到高温、明火时可能会对储粮造成危害，因此需要在粮仓内配置气体浓度传感器[5]。
虽然粮食储备的状况在接连不断的改善中，但其改善效果并不显著[6]。最原始的储备方式已经占据了全国百分之八十以上的百分比，甚至人工检测这种原始方法仍在使用，这样的非智能化方法对粮食的温度、湿度以及害虫的存在情况不能够及时的发现，会产生粮食质变，劣化等严重后果[7]。如若能够实现粮仓的温度、湿度等信息的自动监测，并及时将信息传递到 PC 端、手机终端，让监管人员无论在何地都能直观清晰的看到各个地方粮仓内部情况，也就可以及时对粮仓采取措施，避免造成损失，同时也可以实现在一处对不同地区的粮仓进行管理，从而使得粮仓向着更智能化、自动化、现代化方向发展。
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1.2 粮仓环境监测系统的国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
在当今全国乃至全世界的范围内，粮食存储一直是各个国家都密切关注的焦点[8]。由于技术和材料合成等领域上的领先，欧美国家已经在粮食存储监测等方面的发展遥遥领先于我国[9]。随着技术上的发展，新型的数字传感器和无线通信技术在粮仓环境监测方面运用的越来越成熟，大大降低了整套系统开发维护的成本，测量结构也更加的明确[10]。
在当今一些计算机技术比较发达的国家，各个行业早已引入了智能化监测技术[11]。国外的智能化监测技术经过多年的发展已经非常成熟，不仅拥有完全自动的监测流程，还具有完善的大数据分析和记录能力，能够智能的感应储备仓内各项参数的细微变化并进行自动调节，例如温度、湿度和通风。通过自动化调节环境参数保持在合适的范围内[12]，如果超出了可调节范围，则会及时以报警方式通知工作人员进行手动干预，并将处理方法流程记录下来作为以后类似事件的解决方法。
虽然我国的相关技术的发展晚、起点低，但是进步也是非常明显的[13]。
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1.2 粮仓环境监测系统的国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
在当今全国乃至全世界的范围内，粮食存储一直是各个国家都密切关注的焦点[8]。由于技术和材料合成等领域上的领先，欧美国家已经在粮食存储监测等方面的发展遥遥领先于我国[9]。随着技术上的发展，新型的数字传感器和无线通信技术在粮仓环境监测方面运用的越来越成熟，大大降低了整套系统开发维护的成本，测量结构也更加的明确[10]。
在当今一些计算机技术比较发达的国家，各个行业早已引入了智能化监测技术[11]。国外的智能化监测技术经过多年的发展已经非常成熟，不仅拥有完全自动的监测流程，还具有完善的大数据分析和记录能力，能够智能的感应储备仓内各项参数的细微变化并进行自动调节，例如温度、湿度和通风。通过自动化调节环境参数保持在合适的范围内[12]，如果超出了可调节范围，则会及时以报警方式通知工作人员进行手动干预，并将处理方法流程记录下来作为以后类似事件的解决方法。
虽然我国的相关技术的发展晚、起点低，但是进步也是非常明显的[13]。
在国内，粮仓存储环境问题也越来越引发重视[14]，如何将物联网技术与粮仓环境监测融合起来并结合已经掌握的传感技术，来形成对粮仓环境监测自动化采集，传输，处理等一整套完善的体系也是越来越多个人和部门侧重的焦点[15]。并且市面上已经有几套产品流通并且日渐成熟并也取得了不错的成绩。 结合国际主流技术发展情况来看，粮仓环境监测系统的发展既离不开无线通信技术的发展而单独存在，也离不开传感器技术的进步而一枝独秀。虽然目前看来有线监测仍是主流，但是从长远来看，无线检测技术才是未来的选择，是监测技术发展的大势所趋[16]。通过对国外和国内技术发展的综合分析来说，只有把理论与实践相结合，才能够很好的为以后监测系统增强实效性。
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第2章 系统总体方案的设计
2.2 数据采集中心
前端数据采集单元和数据中心单元实现了粮仓环境数据的采集系统，主要集中在粮仓的内部，负责采集、传输粮仓中的环境数据。前端数据采集单元与数据中心单元的通信方式选用无线通信的方式，下面我们对粮仓环境、粮仓内部的无线通信方式以及采集节点的布局进行介绍。
2.2.1 粮仓环境分析
本系统是针对粮仓环境进行监测的，因而系统的需求分析与设计都是围绕粮仓的具体类型和其内部实际情况来确定布局的。国内现有粮仓类型主要有立筒仓、浅圆仓、高大平仓[21]。国内使用最普遍的粮仓即为高大平仓，其建筑指标为高度不小于 6 米，长度不小于 30 米，宽度不小于 20 米。所以本文所设计的系统的应用场景选定为在高大平仓内进行监测[22]。
2.2.2 粮仓环境参数需求分析
粮仓需要保证粮食质量，其内部环境的一些参数需要在一定的范围内，适合粮食的存储，依据《粮仓环境测控系统国家标准》，粮仓内传感器需要监测参数范围如下：
1.湿度范围：湿度的检测范围在 20%RH-90%RH，测量精度≤3%RH，传感器使用寿命至少要在 1 年以上[23]。
2.温度范围：温度的检测范围在 0℃-50℃，测量精度≤0.1℃，传感器使用寿命至少要在 1 年以上。
3.气体浓度：传感器配置在粮堆面的中心位置以及四个角落，距离粮堆面0.3-0.5 米[24]。
依据上述要求，在高大平仓内需要配置若干不同种类的传感器，对粮仓内的环境参数进行全面而又准确的监测。
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2.1 系统总体架构设计
本文设计的粮仓环境监控系统总体架构由三部分构成：前端数据采集单元、数据中心单元、系统数据监测单元。前端数据采集单元和数据中心单元在粮仓的内部实现的，组成了粮仓数据采集中心。系统总体结构包含多个粮仓监测点，每个粮仓监测点内需要监测粮仓的温度、湿度、气体浓度、明火信息数据，这个工作是由数据采集单元实现的，然后将信息汇总给数据中心，数据中心在通过 RS-485 串口通信方式发送到数据监测中心（虚拟网关），数据监测中心显示采集到的数据的同时，还要将数据进行协议转换，打成所需的格式包再上传至服务器，可以实现其他终端设备远程监测粮仓环境。总体结构框架如图 2.1 所示：
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本文设计的粮仓环境监控系统总体架构由三部分构成：前端数据采集单元、数据中心单元、系统数据监测单元。前端数据采集单元和数据中心单元在粮仓的内部实现的，组成了粮仓数据采集中心。系统总体结构包含多个粮仓监测点，每个粮仓监测点内需要监测粮仓的温度、湿度、气体浓度、明火信息数据，这个工作是由数据采集单元实现的，然后将信息汇总给数据中心，数据中心在通过 RS-485 串口通信方式发送到数据监测中心（虚拟网关），数据监测中心显示采集到的数据的同时，还要将数据进行协议转换，打成所需的格式包再上传至服务器，可以实现其他终端设备远程监测粮仓环境。总体结构框架如图 2.1 所示：
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2.2 数据采集中心
前端数据采集单元和数据中心单元实现了粮仓环境数据的采集系统，主要集中在粮仓的内部，负责采集、传输粮仓中的环境数据。前端数据采集单元与数据中心单元的通信方式选用无线通信的方式，下面我们对粮仓环境、粮仓内部的无线通信方式以及采集节点的布局进行介绍。
2.2.1 粮仓环境分析
本系统是针对粮仓环境进行监测的，因而系统的需求分析与设计都是围绕粮仓的具体类型和其内部实际情况来确定布局的。国内现有粮仓类型主要有立筒仓、浅圆仓、高大平仓[21]。国内使用最普遍的粮仓即为高大平仓，其建筑指标为高度不小于 6 米，长度不小于 30 米，宽度不小于 20 米。所以本文所设计的系统的应用场景选定为在高大平仓内进行监测[22]。
2.2.2 粮仓环境参数需求分析
粮仓需要保证粮食质量，其内部环境的一些参数需要在一定的范围内，适合粮食的存储，依据《粮仓环境测控系统国家标准》，粮仓内传感器需要监测参数范围如下：
1.湿度范围：湿度的检测范围在 20%RH-90%RH，测量精度≤3%RH，传感器使用寿命至少要在 1 年以上[23]。
2.温度范围：温度的检测范围在 0℃-50℃，测量精度≤0.1℃，传感器使用寿命至少要在 1 年以上。
3.气体浓度：传感器配置在粮堆面的中心位置以及四个角落，距离粮堆面0.3-0.5 米[24]。
依据上述要求，在高大平仓内需要配置若干不同种类的传感器，对粮仓内的环境参数进行全面而又准确的监测。
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第 3 章 粮仓监测系统硬件的设计 .................................. 15
3.1 监测系统采集单元的硬件设计 .................................... 15
3.1.1 主控芯片的选择 ................................ 15
3.1.2 采集单元电路设计............................. 18
第 4 章 粮仓环境监测系统软件设计 ................................. 24
4.1 采集单元与数据中心间的网络与数据通信方式 .................... 25
4.1.1 网络通信方式 .......................... 25
4.1.2 数据通信方式 ............................ 27
第 5 章 粮仓环境监测系统实验 ................................. 36
5.1 无线传输通信距离检测 ................................. 36
5.2 系统样机运行实验 ........................ 37
第5章 粮仓环境监测系统实验
5.1 无线传输通信距离检测
数据采集单元与数据中心之间的无线通信连接是否顺畅，关系到系统能够正常运行，所以我们对蓝牙的传输距离进行了测试，从而判断数据采集单元距离数据中心的最佳位置。
我们通过不同距离信号的强弱情况来判断蓝牙通信连接是否流畅。我们选择的实验环境是一个空旷的仓库，使用苹果手机软件 BLE Finder 对信号强度(RSSI)进行测试，纵轴代表信号强度，横轴代表测试距离，图中红色线代表实时信号强度值，蓝色线代表 3s 内信号强度振动额平均值。测试结果如图 5-1 所示。首先我们检测了 10m 内的通信连接情况，由图可以看出 10m 内的连接情况最佳，10~20m 距离的通信连接情况流畅，20~30m 距离的通信连接情况非常不稳定，所以我们可以得到数据采集单元距离数据中心的最佳位置应该在 20m 以内（含 20m）。
数据采集单元与数据中心之间的无线通信连接是否顺畅，关系到系统能够正常运行，所以我们对蓝牙的传输距离进行了测试，从而判断数据采集单元距离数据中心的最佳位置。
我们通过不同距离信号的强弱情况来判断蓝牙通信连接是否流畅。我们选择的实验环境是一个空旷的仓库，使用苹果手机软件 BLE Finder 对信号强度(RSSI)进行测试，纵轴代表信号强度，横轴代表测试距离，图中红色线代表实时信号强度值，蓝色线代表 3s 内信号强度振动额平均值。测试结果如图 5-1 所示。首先我们检测了 10m 内的通信连接情况，由图可以看出 10m 内的连接情况最佳，10~20m 距离的通信连接情况流畅，20~30m 距离的通信连接情况非常不稳定，所以我们可以得到数据采集单元距离数据中心的最佳位置应该在 20m 以内（含 20m）。
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结论
本文根据粮仓需要监测的数据和对粮仓火灾的重视的实际需求出发，设计了一套以物联网技术为基础，将软件与硬件相结合，以实现远距离对粮仓进行及时并且有效的监测为目的的一整套完善的系统，并对整体系统进行大量的调试和试验。可以为将来智能粮仓的发展提供一定的参考。本论文的工作总结如下：
1.本文将物联网技术应用在粮仓环境监测系统中，以实际需求为基础，以整体系统模块化为目标，以能够实现模块化进行数据采集、传输、分析为最终理想。可以实现异地粮仓统一监测所需参数，方便管理。
2.在现实的生产生活中存在着对粮仓监测系统能够实现远距离监测、数据存储以及整体系统的低功耗的实际需求，在以物联网技术为基础的前提下，在分析对比了目前市场上已经存在的几种能够实现有距离进行无线通信的技术之后，明确了以低功耗蓝牙技术为基础实现无线数据传输的最终目标。在实际设计中采用的芯片为 TI 公司生产的 CC2541 芯片。在该芯片特有的采集模块和数据传输模块的基础上配合自主设计的外围电路，实现了远距离无线通信技术并且可以实现对多个参数进行同时检测和监控。该系统具有非常大的弹性监控范围并且具有较强灵活性，对于后续的功能扩展和修理也十分简单。
3.本系统的节点间通信的核心功能是以低功耗蓝牙协议栈为基础，以外界环境变化强度为触发阈值，实现采集数据模块和处理数据模块之间的数据传输；监测数据的接收以及串口通信程序是在蓝牙主机上通过 GATT 协议实现的。在PC 端实现了数据的处理和上传至服务器的程序。
4.本系统实现了对粮仓环境的温湿度、气体浓度的监测以及火灾的预警。使用免费开放的 One Net 物联网平台，自行开发了网络服务器，使用该服务器实现与终端节点及时进行数据沟通，实现数据的实时刷新达到能够及时掌握远程粮仓环境的变化情况。在对系统进行了大量测试之后，有足够的经验和数据可以解决任何突发状况，保证系统运行的稳定性。
参考文献（略）