基于物联网技术的粮仓环境监测系统设计与实现

引言粮食，作为一种特殊的商品和重要的战略物资，直接关系到国家的经济和民生。随着人口增长、经济发展和工业化进程加快，人类对粮食需求将持续增长。粮食安全是保障国民经济健康发展和社会和谐稳定的重要保障，因为它直接关系到广大人民群众身体健康和食品安全。随着经济全球化进程的加快以及人们生活水平的不断提升，粮食的需求量越来越大。我国作为一个粮食生产大国，每年都面临着新粮丰收和陈粮积压的挑战，若储存不当，将会导致大量粮食的浪费，给国家和人民带来巨大的经济损失。目前，国内对粮食储存的要求越来越高，传统的仓房仓储方式已经不能满足现代粮食加工企业的需要。因此，在面对不断增长的粮食需求时，迫切需要建立一套科学合理的粮食存储体系和相应的粮仓存储智能监控系统，以提高粮食存储的质量，确保粮食的安全使用。一、绪论(一)研究背景与意义作为人类生存所必需的基本物质资源，粮食不仅是一个国家经济发展和民生稳定的重要物质基础，更是其不可或缺的重要组成部分。近年来随着农业生产水平不断提高，粮食产量大幅增长，但由于受气候条件影响较大，每年都有不同程度的减产现象出现。随着社会的不断进步，我国的人口数量逐年攀升，然而，农村的耕地面积却在逐渐菱缩。因此，我国每年都要从国外进口大量的粮食以满足国内的需求。作为一种无线通信方式，ZigBee技术以其独特的优势在智能家居、工业控制、环保和医疗等多个领域得到广泛应用，同时其卓越的性能也预示着其应用潜力和价值的巨大潜力。目前，粮仓监测系统已经成为了现代农业发展过程中不可缺少的一部分，而粮仓环境监测系统的实现更是离不开对传感器节点进行有效地布置。因此，将该技术应用于粮仓环境监测系统，无疑将带来诸多益处。(二)国内外粮仓环境监控的研究现状在全球范围内，粮食存储安全问题一直备受关注，随着经济和科技的不断发展，各国也越来越重视粮食存储领域的科技投入，各种网络通信技术已经成为人们生活的各个方面不可或缺的重要组成部分。1.国外研究现状2002年见证了ZigBee技术的一个重要里程碑，当时Motorola、英维斯、三菱和荷兰飞利浦公司联合成立了ZigBee联盟。该联盟旨在为人们提供一种低成本、低功耗、低复杂度并且能够快速实现数据传送的短距离无线通信解决方案。目前，该联盟的成员企业数量已超过300家，覆盖了人类生活的各个方面。在农业领域，ZigBee技术的应用已经在国外获得了大量的研究成果。我国对这一新兴技术的研究起步较晚，目前还没有形成一套完善的体系。该系统对葡萄树上不同位置安装有大量的无线节点，通过对这些节点之间的信息传递来达到控制整个葡萄园的目的。本文还对两种无线传输方式进行对比分析并给出了相应的解决方案。因为ZigBce技术在粮食存储系统应用中表现出更高的适应性，这为后续的研究提供了坚实的基础。2.国内研究现状目前国内外已经出现了许多基于无线传感网的粮仓智能监测管理系统。相对于欧美国家较为成熟的粮仓监控系统，我国在这一领域的表现还有待提高。目前国内外对粮库监测设备进行远程控制的方法都是通过有线或者无线两种方式来实现。在众多无线通信方式中，ZigBee技术因其卓越的性能而备受瞩目，仅仅几年的时间里，国内众多企业和制造商都将主要精力投入到了ZigBee技术的研究和开发中，从而使得该技术在多个领域得到了广泛的应用。由于其独特的优点，它必将对未来仓储管理产生重大影响。在粮食储存领域，已经涌现出了大量的研究计划和成果，为该领域的发展注入了新的活力。利用ZigBee技术李理等人构建了一套小型粮仓无线监控系统，以实现对粮仓的实时监控。该系统对粮情进行实时监测，并能对信息传输过程进行有效地管理，具有一定的实际应用价值。该系统由两个模块组成，一个用于数据采集，另一个则用于数据处理。尽管国内外对于粮仓环境监测系统的研究已经达到了相当高的水平，但是在粮仓环境监测系统传感器方面的研究却相对较少，因此本文致力于完善ZigBee所搭建的无线传感器网络，以提高其参考价值。二、ZigBee技术介绍在本章中，我们将探讨ZigBee技术优势，以及ZigBee网络体系结构、ZigBee协议栈体系结构和各层规范的应用情况。(一)ZigBee技术ZigBee技术的命名灵感来自于蜜蜂的通信方式，研究表明蜜蜂会以“Z字舞”的方式进行互相交流。在21世纪初期，IEEE协会成立了IEE802154工作组，旨在定义一种简单的短距离无线通信技术，并制定了物理层和MC层的协议标准。由于采用了无线传输模式，因此其具有成本低、功耗低、体积小、重量轻、易于安装和部署的优点，非常适合应用于低功耗设备中。基于IEEE80215.4工作组的成果，ZigBee联盟对ZigBee技术的高层协议进行了精心的制定和完善，并经过全面的测试和推广，现已广泛应用于市场。它具有低功耗、低数据率、低成本、高可靠及自组网能力强的优点，可以满足各种复杂环境下数据传输要求。ZigBee技术已被广泛运用于医疗、环境保护、智能家居等多个领域，为现代社会的可持续发展提供了强有力的支撑。它以其低功耗、低成本以及组网灵活等优势而得到广泛认可。随着物联网技术的蓬勃发展，ZigBee技术已经深入渗透到人类生活的各个领域，成为了不可或缺的一部分。(二)ZigBee网络体系结构1.ZigBee网络设备类型ZigBee协议涵盖了协调器、路由和终端三种不同的设备类型。在实际应用中，由于不同设备所使用的硬件电路结构不一样，因此其功能也各不相同。以下是对三类设备的详细阐述。ZigBee协调器，作为整个网络的中枢节点，承担着ZigBee网络的构建和配置任务，为每个节点分配了16个网络地址。协调器是由多个不同厂家生产的器件组成，每个器件都具有独立的功能，并与其它器件通过接口电路连接。为了维持协调器的正常运行，必须确保其持续供电，以保证其正常运转。一旦出现故障或其他异常情况，就需要更换新的器件才能继续正常运行。ZigBee路由器：在信息传输的过程中，它承担着数据存储、转发、路由寻址以及多跳中继等重要职责。当发生故障或者需要重新布线时，路由器将根据自身情况进行重新部署。为了确保路由器始终处于正常运行状态，必须持续提供电力以维持其正常运行。2.ZigBee网络拓扑结构ZigBee协议规定了三种不同的网络拓扑结构，分别为星型、树型和网状。在实际应用中，为了满足不同用户需求，需要根据其特点选择合适的网络拓扑类型。以下是三种网络拓扑结构的详细阐述。星型拓扑结构呈现出辐射状，在组网时需要根据不同应用场景选择合适的网络结构来实现业务功能。星型拓扑结构之所以备受青睐，是因为其简约的结构、少量的路由信息以及低廉的设备成本，使其成为一种极具优越性的选择。星型拓扑结构的不足之处在于其可靠性欠佳，这一点不容忽视。一旦协调器遭遇故障，整个网络便会陷入瘫痪之中，无法正常运作。由于星型拓扑结构中每个节点都有自己独立的通信接口和处理能力，因此当出现某个结点失效时，其他所有节点都不能及时地恢复其原有功能，导致整个星型拓扑结构崩溃。树形拓扑结构：可以由多个分支构成，每个分支又可能包含多个节点。当网络连接时，各结点间通过路由来传递信息，而不是直接传递消息。如果该部分路径上有其它站发送出了信息，则其余站点也会收到相应的信息，这样就构成了树型拓扑结构。网络节点排列成树