基于FPGA的智能粮库监控系统的制作方法

技术领域

本发明属于智能识别传感以及控制领域，适用于现代粮库的管理与监控领域。该系统中的对粮情的检测，涉及到信号传感检测技术；系统中排风扇装置、轴流风机和报警模块，涉及信号的处理技术；系统检测的信息通过wifi模块可以传送到电脑等终端设备，涉及到无线信号通信技术。

背景技术：

我国是一个农业和人口大国，粮食是国家的战略物资也是人类赖以生存的物质基础。与此同时，粮食在储存的过程中非常容易受到外界环境因素的影响，特别是粮库的温度，湿度以及粮堆的温度和湿度等等。如果粮仓环境不利于粮食的保存，则很容易引起粮食的品质下降，生虫，霉变，甚至食品污染和粮堆过热导致的火灾等安全事故。我国每年粮食在存储过程中因变质造成的损失巨大。为了尽可能地减少粮食存储过程中损失，需要实时监测存储粮食的多种物理量，并根据所测数据对粮情状态加以判断，以便做出科学的控制方案，及时消除隐患。国家粮食局于2013年宣布启动“粮安工程”（粮食收储供应安全保障工程）计划。“粮安工程”的启动、建设和实施，为提高粮食存储和供应能力、保证国家储备粮粮食安全和有效供给提供了有力的保障。我国大部分地区粮库监管方面采取的主要方式依然是人工监控，粮仓管理员也有不少，这样就导致监控的准确性和实时性低，并且无法及时地预知险情，局限性相当明显。

随着物联网技术的不断发展，无线传感技术不断取得进步，已经在很多重要的领域中发挥着不可替代的作用。我国粮情监测技术与国外相比发展较晚，国内将物联网技术应用到粮食存储管理领域还不是很普遍，但也逐渐出现嵌入式技术和粮食存储技术结合，对粮仓进行智能化的研宄。因此将物联网与智能传感相结合应用于粮情监控也有着重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为现有粮库在粮情监控方面提供参考。一种基于FPGA的智能粮库监控系统，通过多种传感器来实时监测储粮的相关信息，并且对粮情进行自动调节。监测的实时信息通过ZigBee和wifi无线传输到电脑终端，有效地提高了监控的准确性和实时性，实现了粮情监控的智能化。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于FPGA的智能粮库监控系统，该系统包括ZigBee组网通信模块、太阳能板、电源稳压模块、FPGA控制器、wifi模块、电脑PC终端、空气温湿度传感器、粮堆温湿度变送器、烟雾传感器、CO2浓度传感器、可燃气体传感器、红外热释电传感器、火焰传感器；所述ZigBee组网通信模块由ZigBee终端节点模块和ZigBee协调器组成；所述太阳能板的输出与电源稳压模块的输入连接；所述电源稳压模块的输出端与FPGA控制器的供电输入端连接；所述FPGA控制器对应的输入端口与ZigBee协调器的串口相连接，所述FPGA控制器对应的输出端口与wifi模块的输入串口连接；所述wifi模块与电脑PC终端通过互联网连接；所述电源供电模块的输出电压管脚与FPGA控制器的电源输入端口连接；所述FPGA控制器的输出端对应端口上依次连接有排风扇装置、液晶电子荧幕、轴流风机、报警模块、语音模块以及监控模块；所述Zigbee终端节点模块对应的输出管脚分别与空气温湿度传感器、粮堆温湿度变送器、烟雾传感器、CO2浓度传感器、可燃气体传感器、红外热释电传感器以及火焰传感器；所述ZigBee协调器与ZigBee终端节点模块通过ZigBee数据传输协议进行通信。

本发明中所述的FPGA控制器采用的是赛灵思公司的7系列FPGA控制器AX7035；

所述太阳能板采用的是单晶硅太阳能板，长为30厘米，宽25厘米。

所述电源稳压模块采用的稳压芯片型号为SXL6116稳压芯片；

所述wifi模块采用的是乐鑫公司的ESP8266；

所述空气温湿度传感器型号为DHT11；

所述粮堆温湿度变送器的型号为OHR-WS20温湿度变送器；

所述烟雾传感器的型号为MS5110；

所述CO2浓度传感器型号为MG811；

所述可燃气体传感器的型号为MQ-2；

所述红外热释电传感器型号为HC-SR501；

所述火焰传感器的型号为XZ2ZK-133；

所述语音模块的型号为ISD1820；

所述视频监控模块采用高精度摄像头OV5640；

所述报警模块采用警铃；

所述ZigBee终端节点和ZigBee协调器均连接有TI公司生产的CC2530芯片。

所述FPGA控制器内设置有排风扇装置、液晶电子屏幕、轴流风机、报警模块、语音模块、监控模块的控制程序以及与ZigBee协调器和wifi模块的通信程序。

所述空气温湿度传感器在每个粮仓所设置的数量为20-30个，所述粮堆温湿度变送器在每个粮仓设置的数量为5-10个。

所述空气温湿度传感器、粮堆湿度变送器用来检测粮库中的空气的温度和湿度以及粮堆中粮食的温度和湿度物理量；CO2浓度传感器用来检测粮库的二氧化碳浓度物理量；可燃气体传感器用来检测粮库中的一氧化碳、甲烷、苯、氢气等可燃气体的浓度；烟雾传感器用来检测是否有工作人员在粮库中吸烟；红外热释电传感器用来检测是粮堆中是否有虫鼠灾害；火焰传感器用来检测粮库是否出现火情。

所述电脑终端是用C++程序编程的上位机软件。

本发明的优点是：

1、本发明的功能齐全，集成度高，可靠性好，安全度高。

2、本发明将物联网技术和传感技术相结合，具有很高的智能化水平。

3、本发明能够做到实时检测且不易受外部因素影响，抗干扰能力强，检测精度高。

附图说明

图1为本发明系统结构框架图；

图2为本发明ZigBee终端节点模块组成图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

参阅图1，本实施例包括ZigBee组网通信模块、太阳能板、电源稳压模块、FPGA控制器、wifi模块、电脑PC终端、空气温湿度传感器、粮堆温湿度变送器、烟雾传感器、CO2浓度传感器、可燃气体传感器、红外热释电传感器、火焰传感器；所述ZigBee组网通信模块由ZigBee终端节点模块和ZigBee协调器组成；所述太阳能板的输出与电源稳压模块的输入连接；所述电源稳压模块的输出端与FPGA控制器的供电输入端连接；所述FPGA控制器对应的输入端口与ZigBee协调器的串口相连接，所述FPGA控制器对应的输出端口与wifi模块的输入串口连接；所述wifi模块与电脑PC终端通过互联网连接；所述电源供电模块的输出电压管脚与FPGA控制器的电源输入端口连接；所述FPGA控制器的输出端对应端口上依次连接有排风扇装置、液晶电子荧幕、轴流风机、报警模块、语音模块以及监控模块。

参阅图2，所述Zigbee终端节点模块设有7个节点，每个节点对应的输出管脚分别与空气温湿度传感器、粮堆温湿度变送器、烟雾传感器、CO2浓度传感器、可燃气体传感器、红外热释电传感器以及火焰传感器；所述ZigBee终端节点模块与ZigBee协调器通过ZigBee数据传输协议进行通信。

实施例2

以国家粮库标准中的平房粮库为例，该平房粮库的长度为60米，宽度为30米，装粮高度为6米。所述太阳能板放在房顶上，所述电源稳压模块，FPGA控制器，ZigBee协调器，wifi模块放置于控制室中。所述排风扇装置置于墙面高度为6米左右，对称排布，每隔6米放置一个，左右各10个；所述液晶电子屏幕置于粮库中墙壁高度为3米的位置；所述轴流风机对称排布，每间隔10米放置一个，左右各10个；所述语音模块放置在电子显示屏上方；所述监控模块和报警模块放置于粮库的入口处。所述空气温湿度传感器DHT11，共20个，均匀放置于粮库中；所述粮堆温湿度变送器置于粮堆中，共6个，每隔一米的高度设置一个；所述烟雾传感器、CO2浓度传感器、可燃气体传感器、红外热释电传感器以及火焰传感器置于粮库中；

1、首先，给系统上电，各个模块处于正常的供电状态

此时ZigBee协调器开始组建ZigBee网络，自动扫描可用的信道，选择合适的信道。确定信道以后，协调器就会设置一个网络标识符 PANID，以确保该网络不会和其他网络发生冲突，此时协调器成功建立了网络，接下来等待节点的入网请求。

终端节点找到网络协调器后会向协调器发出入网请求，网络协调器收到节点连接请求后作出响应，如果接受入网请求，就会分配一个网络短地址给终端节点，此时入网成功，终端节点与协调器之间可以开始通信。其中，终端节点需要将入网成功后得到的网络地址发送给协调器节点，协调器才能接收到终端节点的数据，完成无线传输。等到7个终端节点加入到网络后，整个ZigBee通信网络便组建完成了。

2、接着，终端节点1与终端节点2分别采集当前实时的空气温湿度，粮堆的温湿度，并且每个传感器的检测信号实时地显示在液晶显示屏幕上，此时语音模块播报每个传感器的温湿度情况以及平均温湿度。

3、然后，上述的环境物理量通过ZigBee通信网络，由ZigBee终端节点传送到ZigBee协调器。ZigBee协调器与FPGA控制器是有线连接，通过串口通信的方式，将环境物理量传送至FPGA控制器。4、FPGA控制器与wifi也是有线连接的，通过有线的连接方式。此时，在中央控制室的电脑PC终端，可以查阅此时相关环境物理量。wifi模块与电脑PC终端上位机是通过互联网来交互数据的。

5、为了保证粮食良好的存储状态，粮库的温湿度以及粮食的温湿度都不应该过高。若检测到的粮仓的温湿度平均值以及粮堆的温湿度平均值高于所设定的阈值，FPGA就会控制轴流风机工作，给粮食降温降湿。若粮食在储存的过程中发生霉变，那么粮库中的二氧化碳浓度便会超标，此时二氧化碳浓度传感器就会检测到相关的值，若超过设定的阈值，FPGA传感器就会控制排风扇工作，来调节粮库空气环境；在中央控制室中的值班人员也会在电脑PC终端看到相关的浓度值，及时处理霉变的粮食。

6、粮食在存储的过程中对火或者引起火的环境因素特别敏感。应该杜绝相关的情况发生。若工作人员在粮库中抽烟，那么烟雾传感器就会检测到，发出报警，与此同时，语音模块也会提醒工作人员切勿在粮库中吸烟。若检测到粮库中的可燃气体浓度超过阈值，那么语音模块也会播报危险提示，同时在控制室的电脑PC终端显示可燃气体超标，FPGA控制器控制排风扇工作，来调节粮库的空气环境。若粮库不慎发火灾，此时火焰传感器就会检测到，将信号传给FPGA,FPGA控制器就会控制警铃响动，来报警，提醒人们及时灭火。

7、监控模块在夜间工作，若有陌生人闯入粮库，变会将预警信号传给FPGA,FPGA控制警铃报警，此时，粮库内的语音模块也会播报请陌生人等离开的语音。

8、若粮库中有虫鼠等害虫出没，那么红外热释电传感器就会检测到，并且在电脑PC终端显示，提醒粮库管理员进行消灭害虫的处理。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术的方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。