大型仓储设备远程监控系统的设计（Zig Bee+NFC技术）

　　大型仓储设备库房中装有重要的专用器械。当储存环境发生变化，超出正常工作范围，就会影响到这些设备的正常运行，损毁物资或危害操作人员的健康安全，对企业造成经济损失，甚至会造成严重的社会危害。因此必须对储存环境内的温、湿度及有害气体等环节实行严格有效的监控。本文设计并实现了一套针对大型仓储设备的温、湿度、有害气体的远程监控系统。
　　传统的监控方法是专职人员进入现场，使用便携式的传感设备实地进行数据采集，并通过手动方式控制电器开关。随着计算机通信网络及无线传感技术的蓬勃发展，这种手动操作的监控方式在快捷性、方便性、可靠性等方面已显得十分落后。因此，在这种特殊环境中使用手机、平板电脑等现代化移动设备实现远程监控已经成为大势所趋。
　　本文针对当前主要的几种远程控制技术进行了深入研究，提出了基于公网的MCU-DSP总体解决方案，设计实现了一个可通过手机、平板电脑等设备实施远程监控的系统。其中的重点环节采用了Zig Bee技术。该技术具有组网方式快捷、信号稳定性强、系统功耗低、传输速率高等优点。
　　首先，在硬件方面，设计了集成多种协议的复合网关结构。复合网关采用了Gate way2.0片上系统，集成了CC2530芯片（Zig Bee协议）、RT5350芯片（IEEE802.11b协议）。在此硬件平台上，使用IAR软件实现了包括温湿度、有害气体、继电器等传感器的无线组网编译；其次，在软件方面，设计了基于Android系统的应用程序，使用Eclipse软件平台完成开发；第三，通过硬件与软件的联调完成了Android端与复合网关结构中嵌入式Open Wrt系统互联，实现了手机端操控网关节点进行远程监控；最后本文对监控系统的Zig Bee传感器部分进行了对比参照测试，通过测试数据来验证本系统的实用价值。

　　关键词：远程监控，多协议网关，Android终端，Linux平台，Zig Bee技术
　　Large warehouse equipped with important special devices. The storage environment willaffect the normal operation of equipment，damage to materials or endanger the health andsafety of operators when it goes beyond the normal working range, and then cause economiclosses to the enterprise, even cause serious harm to society. Therefore, we must strictlymonitor the temperature, humidity and harmful gases in the storage environment. This paperdesigns and implements a set of remote monitoring system for the temperature, humidity andharmful gases of large storage facilities.
　　The traditional monitoring method is the warehouse keeper enters the scene, usesportable sensing device to collect data and manual control of electrical switches.With thevigorous development of computer communication network and wireless sensor technology,this manual operation monitoring method has become very backward in terms of convenienceand reliability. Therefore, using mobile phones, tablets and other modern mobile devices toachieve remote monitoring in this special environment has become the trend.
　　This paper study of the current main remote control technologies, put forward the overallsolution of MCU-DSP based on the public network, then designed and implemented a systemthat enables remote monitoring via devices such as mobile phones and tablets. One of the keyaspects of using Zig Bee technology, the technology has the advantages of fast networking,signal stability, low system power consumption, high transmission rate.
　　First, the paper designs a composite gateway structure integrating multiple protocols inthe aspect of hardware. Gatekeeper uses gate way 2.0 system on chip, integrated CC2530 chip(Zig Bee protocol), RT5350 chip (IEEE802.11b protocol). On this hardware platform, IARsoftware is used to compile the wireless network including sensors such as temperature,humidity, harmful gases and relays. Secondly, an Android-based application is designed anddeveloped by using Eclipse software platform in the aspect of software. Thirdly, theembedded Open Wrt system interconnection is completed through the hardware and softwareinterworking, which enables the mobile terminal to control the gateway node for remotemonitoring. Finally, the paper compares the Zig Bee sensor part of the monitoring system withthe reference test, and verifies the practical value of the system by the test data.
　　Keywords: Remote monitoring, multi-protocol gateway, Android system, Linuxsystem, Zig Bee

　　大型仓储设备库房中存有重要的专用器械。若储存环境发生变化，超出正常工作范围就会影响器械的工作，危害货物储存安全及现场工作人员的健康，对企业造成经济损失、对社会产生不良影响。因此对仓储环境内的温度、湿度监测、有害气体监测和报警等环节实行严格有效的监控是非常必要的。
　　传统的监控方法是专职人员进入现场，使用便携式的监测设备，实地进行数据采集，并通过手动方式控制电器开关。随着计算机网络技术及无线传感技术的发展，这种纯手工操作的监控方式在快捷性、方便性、可靠性等方面已显得十分落后。为了解决此类问题，远程在线监控技术应运而生。此项技术是利用设置在环境现场内的传感器采集现场的实时数据，通过有线或无线网络等技术传输给监视设备，如手机、计算机终端，实现监控功能。目前此类问题的解决办法大多采用有线传输。有线传输不仅成本高、还存在着设备安装、调试以及后期维护不方便的问题。当传感器与主机房距离比较远时，采用有线网络监控缺点更为明显，此外长距离传送数据需要安装信号中继设备，增加了造价成本。还有一部分监控现场的环境较为特殊，例如噪音过大，温度过高，现场人员不宜长时间工作或根本无法靠近操作，这种情况下的有线传输对监控设备及线缆的要求更高，实施难度更大，整体监控系统的造价也难以接受。
　　目前利用无线技术手段实现的监控系统发展还比较缓慢。无线技术手段一般采用自组网、电话网等方式来进行远程控制。这两种远程无线技术的主要弊端就是抗干扰不足、稳定性差、超长距离监控的效率低下，无法快速解决故障，实现监控的过程也不灵活，需要配以人工及定时装置管控。
　　随着通信技术和设备的不断进步与发展，利用手机、平板电脑等设备通过无线网（3G、4G通信网络）控制网关节点实现远程监控，则可以有效的解决上述技术存在的不足。利用现今最先进的通信网络技术（是指第四代通信技术。包含FDD-LTE和TD-LTE两种制式。集成了3G与WLAN，可以实现高速传输超大型数据，例如视频影像图片等），组成远程监控系统，可以使工作人员从繁琐的工作中解放出来，从而大幅提高工作效率，同时也增强了传统无线系统的稳定性及抗干扰能力。
　　采用手机等移动设备结合无线组网技术实现远程监控系统具有以下几点显著的优势，一是对受控环境的要求较小，系统适应能力强。对于复杂环境中只需进行终端传感器的架设，自组网内的数据交换可以因地制宜。二是系统的稳定性，抗干扰能力强。自组网内部一般采用蓝牙、WIFI、Zig Bee、NFC等近距离遥感技术，远程采用3G、4G通信网络。依托于大型通信运营商的硬件设备平台，在稳定性方面有着强力的保障。三是控制端具有超高度的便捷性。在手机、平板电脑等设备上开发相应的控制端程序，用户可以直接通过手机进行远程操控，极大程度上扩展了监控系统的灵活性。
　　在大型设备的仓储环境中实现无线技术的远程监控，可以对现场已有的安防报警设备予以辅助，使工作人员在离开监控室时，依然能够对环境中重点监控指标有所掌控。借助手机等移动终端，可以随时的把环境内的温湿度、易燃气体报警等信号反馈给管理层，进一步实现了企业的自动化运营能力。此外，实现远程监控系统可以提升企业自身的科研技术价值，进而增强综合竞争能力。
　　综上所述，无线组网系统明显降低了硬件投入及维护等方面的成本，并且提高了操作便捷化程度。因此，在大型仓储环境中实施无线组网监控对当今社会生产生活和日常保障等工作有着极其重要的意义。
　　远程监控系统技术在国外开展的比较早，美国早在1997年，斯坦福大学和麻省理工学院联合开展了此项技术的研讨会，并制定了开放式系统体系及远程传输的协议，在当时对此项技术的未来发展趋势进行预估。自此之后，远程监控技术发到了制造业，当时的许多计算机公司，例如Sun公司、HP公司，Intel公司等对此项技术都显示出了极大的热情，纷纷推出各自的设计产品。其中最著名的就是National Instruments公司研制了一款产品，利用当时的因特网通过在电子邮件等软件加入处理模块，在一定范围内实现监控数据的收发。此外，法国一家名为ALARM的研究小组也对此项技术进行深入研究，其研究主要集中在远程监控报警领域。
　　近年来国外的此项技术已经发展到整体系统阶段，例如美国市场上的X-10集成智能系统，配备了全套数字化传感器，使用PC机作为控制端，利用有线网络进行布控。
　　德国在此类技术上研发了一套EIB（European Installation Bus）智能监控系统，这项技术是通过电缆实现布控，布控的范围可以覆盖到整栋建筑。EIB系统功能异常强大，不仅局限于无线监控功能，总控制平台还可以对系统内所有用电设备进行管控，其发展是朝着智能化楼宇建筑方向进行。国外在远程监控技术上的发展已经从协议标准制定的阶段，进入到应用实现领域。
　　国内在远程监控领域的进展，起先是从各大高校中开始。最早由西安交大、哈尔滨工业大学等知名高校，开展了关于计算机组化监听等课题的研究。后来随着计算机技术的发展及家庭网络的普及，国内的各种商业公司也相继研发了具有远程控制功能的网络产品。
　　此类产品在国内主要用于智能家居领域，以小米、中兴、华为及京东等知名企业均开了发带有智能控制功能的产品。例如小米公司打造的智能生态系统，通过手机端来控制家庭内部网关从而实现远程控制。目前，国内此类产品大多使用3G、或者4G网络通过内部网关及串口通信技术对一个节点实现继电器远程控制。2016年小米推出了一款基于Zig Bee技术的智能插座，通过远程访问家庭局域网实现远程控制电源插座。另外还有相关的其他衍生网关产品配套销售。这种应用新技术产品的量产商业化行为，其影响虽然在整个市场范围内微不足道，但却意味着我国无线监控技术已经走向蓬勃发展的时代。
　　目前远程监控技术主要分为五大类，分别是电力载波系统、小功率射频芯片系统、电话交换系统、数字电台系统和公网MCU-DSP系统。
　　1）小功率射频芯片系统：芯片带有解码器，配有射频功率发射天线。信息的发送、接收编译等工作都由芯片系统进行处理，然后再通过天线发射实现无线监控功能。这种技术是通过射频系统在周围形成电磁波范围场。芯片负责将电磁场内的信号转换解码，形成可编译数据发送给控制单元模块。控制模块通过处理接收到的数据来实现远程监控效果。这种小功率芯片系统多用于汽车防盗系统。此技术近年来也有一定的发展，但因其性能的限制，主要使用在一些特定领域。
　　2）电力载波系统：这种系统是利用现有电力线资源，通过电力系统的线缆进行通信。其优点是无需单独使用通信链路，不占有过多资源，实现成本较低。缺点是在电力负荷压力大的时候，通信系统的承载能力也随之下降，信号大幅度衰减。实现电力载波系统还需要单独配备电力转换模块，将电力信号转换为无线网络信号实现远程监控。目前应用这种技术的远程监控系统较为少见。
　　3）电话交换系统：基于电话线缆进行数据交换。电话交换系统通过调制解调器将受控端设备与主控中心相连接。这种技术具有长距离传输、精准度高等优点。伴随现今无线通信业的发展壮大，这种基于电话线缆再进行信号转制的远程监控系统已经明显落后于时代的发展。
　　4）数字电台系统：数字电台系统是在常见的有线通信及无线网络信号覆盖不全的特殊环境下，使用数字电台进行数据通信的远程监控系统。其特点是使用特殊频段，在数十公里范围内实现覆盖。这种监控系统的局限于特定场合，抗干扰能力差，适合在信号干扰较小的偏远地区。此外，数字电台系统的成本及后期维修费用也相对较高。
　　5）公网MCU-DSP系统：基于公共网络的微控制单元(又称单片微型计算机SingleChip Microcomputer )数字信号处理系统（Digital Signal Processing）。这种系统是集合单片机和数字处理系统两者的优势，基于公共网络实现远程监控系统。单片机的优点是可以进行控制操作，数字处理系统可以提供强力高效的数模转化能力。MUC与DSP结合起来，各自发挥相应的优点，因此这种系统可以完成复杂的监控操作。现在的单片机厂商已经推出了两者相结合的芯片，使一块芯片同时具有数模转换和强大的微处理控制能力。这种嵌入式芯片具有成本低廉、性能强大、体积小巧等诸多优点。用户可以自行研发多种终端平台控制软件，通过公网无线技术实现远程监控。公网MCU-DSP系统现已广泛应用在各行业领域。
　　综上，本课题针对仓储行业的特殊性，在设计实现上重点考虑到系统的易用性、稳定性、便捷性、高效性、安全性等方面因素。因其环境中电力系统的复杂性，设计系统尽量降低能耗，并选用最先进的硬件芯片及技术手段实现远程监控系统。
　　Zig Bee技术在国内已经日趋成熟，但通过Zig Bee技术进行远程监控并应用到大型仓储设备环境中还很少见。本课题针对项目的特殊性，采用Zig Bee结合WIFI技术组建复合网关节点，在此类特殊环境中实现了一套完整的监控系统并进行了实际效果测试。主要工作内容归纳如下：
　　1）首先分析并归纳出某企业大型仓储设备远程监控项目需求：统计对仓储环境内温湿度监测点；远程控制电气开关；烟雾报警；后期系统可扩展空间。
　　2）对主要相关技术进行研究，总结出基于公网的MCU-DSP系统兼具单片机和数字处理系统两者的优势且适合用于本课题环境。再对主要的几种通信协议进行对比研究，归纳出IEEE802.15.4标准下的蓝牙协议、802.11b（WIFI）协议和Zig Bee的协议的各自特点及应用范围，对比分析了这几种技术的优劣之处。
　　3）利用上述研究结论再针对本项目的需求，确定了总体解决方案（基于公网的MCU-DSP系统），采用局域网WIFI技术和Zig Bee短技术相结合的办法，构建复合网关节点来解决大型设备仓储环境内复杂的数据传输问题。
　　4）设计工作内容：完成了包括网络协议设计、组网硬件设计、无线通信硬件选型设计、Zig Bee协调器组网设计、Zig Bee路由器组网设计、终端传感器组网设计。设计内容还包括手机端开发模块设计、软件开发平台的选择、APP软件开发设计。
　　5）软件部分的实现工作：完成了手机端操作软件开发，软件采用了图形交互模式界面便于用户使用，具有良好的控制体验。功能方面，操作软件针对大型仓储设备的具体需求，实现了数据监控显示、执行控制等功能。
　　6）硬件部分的实现工作：完成了Zig Bee各节点间组网编译；终端传感器硬件编译，其中包括DHT11温湿度传感器、ZYMQ—2气敏传感器、继电器开关。本文详细说明了温湿度数据采集、Zig Bee节点间组网和串口间通信的实现过程及测试效果。确保远程监控系统能够达到实际应用的要求。
　　本设计的创新点体现在如下三个方面：
　　1）硬件方面设计完成了复合网络协议节点。节点包含了CC2530(Zig Bee芯片)、RT5350（WIFI芯片）、PL2303（串口芯片），用来桥联终端传感器和控制端。然后以复合节点为核心组建组建了点对多点的拓扑结构，即使用一个协调器网关同时连接多个终端传感器进行组网通信，这种结构的优势是更加快捷的建立组网，同时可以降低整体系统的能耗。设计原理是利用CC2530单片机的CSMA（Carrier Sense Multiple Access，载波侦听）硬件能力。传感器编译设计采用了ADC (Analog to Digital Converter数模转换器)功能的引脚，既可以降低终端节点长时间数据采集的热量及能耗，又能提高系统的整体运行效率，体现了硬件方面的设计优化思想。
　　2）软件方面主要体现在复合网关节点上建立基于Linux的Open Wrt微型系统，可以充分发挥网关节点处理器芯片的全部性能，使网关节点不通过PC端上位机即可储存管理终端传感器数据。其次，基于Android系统平台设计实现应用程序，便于用户直观的查看传感器状态，实现良好的操作体验。最后经由多次软件与硬件编译联调，实现了Android端与复合网关节点上Open Wrt系统的互联，摆脱上位机辅助，独立进行采控远程数据的功能。
　　3）测试部分首先进行了系统性能自测，此外还与TI公司的蓝牙芯片CC2540进行了性能对比测试。从系统能耗、稳定性、数据丢失率等项指标的对比分析结果中总结出本设计中Zig Bee无线传感系统的优势及现有不足。
　　本论文分为6个章节：
　　第一章：绪论。本章节首先介绍了课题的研究意义及当今的主要技术分类，然后对本文的主要工作内容及创新点进行了论述。
　　第二章：远程监控系统关键技术研究。本章节主要介绍了涉及的相关技术知识；包括Zig Bee技术定义及实际应用范围；WIFI技术、蓝牙通信技术原理；Android操作系统的概述、架构、开发环境等。
　　第三章：需求分析及设计方案。本章节根据需求分析提出设计方案。总结出待实现功能包括：远程温湿度监测、气体监测、继电器控制等；然后逐一说明了系统的硬件设计及软件设计内容。设计部分还包括网络硬件的选型，组网协议的设计、手机端功能模块的设计。
　　第四章：远程监控系统的实现。本章节对系统实现做了详细的描述。首先介绍Zig Bee硬件各节点的组网过程；然后介绍了终端传感采集模块及手机端软件的实现过程；结尾部分介绍了远程访问实现过程。
　　第五章：系统测试。本章节首先对整个系统完整功能性测试。再通过对照组数据分析说明本设计采用的Zig Bee组网结构达到了预期要求的传输速率快、功耗低、系统稳定可靠、数据通量大等要求。
　　第六章：总结与展望。本章节对全篇论文阐述的设计方案实现过程进行归纳，总结出远程监控系统的优势及不足。最后对系统扩展功能进行了探讨，并指出后续有待提高及改进升级的方向。
大型仓储设备远程监控系统的设计研究：