一种粮库测温节点定位系统的制作方法

本实用新型属于传感器节点定位系统技术领域，具体涉及一种粮库测温节点定位系统。

背景技术：

国家粮食储备工作是国家战略储备的基础，国家粮食储备库承担着安全储粮的任务，及时监测粮情信息如粮食温度和湿度等信息，对安全储粮有着至关重要的作用。我国是一个农业大国，粮食储备在我国的各个地区都有非常大的需求。国家粮食储备库在全国各地也都设有储备库，尽管入库的粮食含水量较小，但是堆积在一起的粮食会还会进行呼吸作用释放热量和水分，如果不及时处理会导致粮食的霉变和虫蛀。通过监控粮食的温湿度，使其保持在一个安全的范围内是安全储粮的基础。

早期的粮库温湿度监测通过人工完成，既费时又费力，而且精确度和实时性都比较差。近年来随着电子技术的发展，数字式自动化测温设备取代了早期的人工测温。现阶段粮库测温主要通过值班室以无线方式连接至各个粮库的分机，安装在粮库的分机通过有线的方式连接温度传感器。为了感知粮库中具体位置处的温度，需要将温度传感器与粮库位置对应起来，采用较多的是使用DS18B20单总线数字温度传感器，测量温度精度较高，而且可以采用两线制寄生电源供电方式进行供电，大大节省电缆的成本；同时可以在DS18B20内部提供的上下限报警值的eeprom寄存器中写入代表位置的序号。安装前按照一定的位置顺序给不同的DS18B20传感器内部eeprom写入序号，读取温度的同时将传感器内部存储的位置信息读出来，就可以把温度和粮库位置信息对应起来。

但是现阶段使用的方案是传感器和分机之间采用线缆连接，因为粮库面积较大，需要较长的测温电缆，不仅大大增加电缆成本，而且不便于安装，也非常不便于操作。同时因为是单总线方式为了防腐蚀需要将众多传感器封装进厚厚的保护套内，电缆的长度和内部传感器的个数都需要定制，延长了施工周期。更重要的是如果一根测温电缆线内部有一个传感器损坏的话，需要将整根测温电缆更换掉，大大增加了维护成本，同时需要专业维修人员进行更换，运行及维护成本相对较高。

技术实现要素：

本实用新型为克服现有技术的不足而提供了一种粮库测温节点定位系统，其中传感器节点通过锂电池供电，该传感器节点与粮情测控分机之间双向无线通信，每组传感器节点都是独立的，可以直接将传感器节点按矩形阵列等间距布置于粮仓中，不需要专业人员安装调试，也不要根据粮仓尺寸大小专门定制测温电缆，而且每个传感器节点都是相同的，如果有传感器节点损坏后可以直接更换备用传感器节点，同时不需要人工提前给每个传感器节点写入位置信息，传感器节点会自动进行RSSI定位，生成传感器节点分布图，大大节省了设备的安装流程，节省购买测温电缆的支出，降低设备维护成本，而且定位更加安全可靠。

本实用新型为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种粮库测温节点定位系统，其特征在于包括粮情测控主机、粮情测控分机、辅助定位路由和传感器节点，其中粮情测控主机设置于控制室内，粮情测控分机和辅助定位路由分别设置于每个粮仓内部不同的位置，传感器节点呈矩形阵列分布的方式插接于每个粮仓内部的粮食之中，粮情测控主机与粮情测控分机之间双向无线通信，粮情测控分机分别与辅助定位路由和传感器节点双向无线通信；

所述的粮情测控分机包括单片机、太阳能充电模块、电源模块、剩余电量检测模块、Zigbee无线通信模块、大功率无线收发模块和湿度传感器，其中单片机分别通过线路与太阳能充电模块、电源模块、剩余电量检测模块、Zigbee无线通信模块、大功率无线收发模块和湿度传感器连接，该太阳能充电模块用于为粮情测控分机的电源模块进行充电，电源模块用于储存太阳能充电模块产生的电能并为整个粮情测控分机提供电能，剩余电量检测模块用于检测粮情测控分机中电源模块的剩余电量并在电源模块剩余电量低于设定阈值时向单片机发送报警信号，Zigbee无线通信模块用于与粮仓内部的传感器节点和辅助定位路由双向无线通信，同时测量出与特定ID对应传感器节点的RSSI值，大功率无线收发模块用于与粮情测控主机双向无线通信，接收来自粮情测控主机的控制命令并向粮情测控主机上传温湿度数据和传感器节点定位信息，湿度传感器用于测量粮仓内部和外部的相对湿度值；

所述的辅助定位路由包括单片机、太阳能充电模块、电源模块、剩余电量检测模块和Zigbee无线通信模块，其中单片机分别通过线路与太阳能充电模块、电源模块、剩余电量检测模块和Zigbee无线通信模块连接，该太阳能充电模块用于为辅助定位路由的电源模块进行充电，电源模块用于储存太阳能充电模块产生的电能并为整个辅助定位路由提供电能，剩余电量检测模块用于检测辅助定位路由中电源模块的剩余电量并在电源模块剩余电量低于设定阈值时向单片机发送报警信号，Zigbee无线通信模块用于辅助粮情测控分机与传感器节点进行双向无线通信，同时测量出与特定ID对应传感器节点的RSSI值；

所述的传感器节点包括单片机、Zigbee无线通信模块、电源模块、剩余电量检测模块、DS18B20传感器和指示灯模块，其中单片机分别通过线路与Zigbee无线通信模块、电源模块、剩余电量检测模块、DS18B20传感器和指示灯模块连接，该电源模块用于为整个传感器节点提供电能，剩余电量检测模块用于检测传感器节点中电源模块的剩余电量，Zigbee无线通信模块用于组成无线传感器网络进行双向数据传输，即根据粮情测控分机、辅助定位路由和已知位置的传感器节点确定出两个传感器节点作为信标节点1和信标节点2，该信标节点分别与自己周围邻居的传感器节点进行双向无线通信找到RSSI值最大的1-2个未知传感器节点ID作为信标节点的最近邻居节点，如果信标节点只有一个未知最近邻居节点时可直接确定其位置，当信标节点有两个最近邻居节点时，通过信标节点2与信标节点1的两个最近邻居节点进行通信分别测量出与它们之间的RSSI值，根据两个RSSI值间的相对大小确定它们的位置，同理信标节点1分别与信标节点2的两个最近邻居节点进行通信分别测量出它们间的RSSI值，并根据它们的RSSI值的相对大小确定出信标节点2的两个未知最近邻居节点ID的对应具体位置，DS18B20传感器用于测定特定位置不同高度的粮食温度信息。

本实用新型所述的粮库测温节点定位系统的运行方法，其特征在于在矩形粮仓的两个角上分别安装粮情测控分机和辅助定位路由，粮仓内部按照矩形阵列分布的方式布置1-25号传感器节点，各个传感器节点的具体定位过程为：

（1）传感器节点布置完成后会自动根据组网协议进行组网，并且推选出簇首节点，当需要传感器节点定位时通过粮情测控分机向整个粮仓内的传感器节点广播搜索最近邻居节点命令，传感器节点收到搜索最近邻居节点命令后将Zigbee无线通信模块的发射功率调整至最低，减小通信的半径，然后在簇首节点的配合指挥下依次向周围发送50个特定数据，其中数据包内包含发送端传感器节点的ID，周围收到信号的传感器节点、粮情测控分机和辅助定位路由记录下50次的RSSI值然后求平均值存入邻居节点列表中，最终在众多的邻居节点列表中找到RSSI值最强且数值相近的几个节点当作自己的最近邻居节点，一个传感器节点的最近邻居节点的个数为1-4个；

（2）通过步骤（1）每个传感器节点都得到了自己的最近邻居节点的ID，则粮情测控分机得到的一个最近邻居节点即为1号位置的传感器节点，同理辅助定位路由确定5号位置的传感器节点，将1号和5号位置与其对应传感器节点ID写入数据库中；

（3）选择1号和5号位置处的传感器节点为信标节点，它们分别有2个最近邻居节点，1号的最近邻居节点为2号和6号，分别用1号和6号节点测它们与5号信标节点之间的RSSI值，测量过程也是求50次的平均值，RSSI值较大的为2号位置的传感器节点，RSSI值较小的为6号位置的传感器节点，同理分别确定4号和10号位置的传感器节点，然后也分别将确定位置的传感器节点ID和它们对应的位置序号存入系统数据库；

（4）重复上述步骤（3）选择2号和4号位置处传感器节点为信标节点，确定3号和9号位置处的传感器节点，3号位置的传感器节点是2号和4号位置的最近邻居节点，3号剩下的一个最近邻居节点即为8号位置的传感器节点，并分别将确定位置的传感器节点ID和它们对应的位置序号存入系统数据库；

（5）通过上述步骤可将距离粮情测控分机和辅助定位路由最近的两行的传感器节点位置确定，然后选择6号和10号位置传感器节点为信标节点重复步骤（3）确定11号和15号位置处的传感器节点，并分别将确定位置的传感器节点ID和它们对应的位置序号存入系统数据库；

（6）重复上述步骤（3）、（4）、（5）直至将所有的传感器节点位置信息都确定，则整个传感器网络的定位过程结束。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

1、采用本实用新型的无线粮情测控传感器节点定位系统，仅需要在矩形粮仓的特定角上安装粮情测控分机和辅助定位路由，不需要专业人员进行复杂的设备布线、安装和调试工作，也不需要传感器节点添加其他定位模块；

2、现阶段的粮情测控系统需要在安装时由专业人员写入传感器所在仓库内的位置信息，一旦更换设备就需要重新写入传感器位置信息，本实用新型的无线粮情测控传感器节点可以在每次传感器节点位置变动后自动更新系统内传感器节点的位置信息；

3、每次粮食入库后布置传感器节点不需要拖着沉重测温电缆在粮食平面上移动，只需要将单个的传感器节点按相同间隔矩形阵列分布的方式布置在粮仓内，较现阶段采用有线连接更为方便快捷，在粮食出库前可以将传感器节点直接移动到粮库外，避免了有线测温电缆在粮库内缠绕影响其它作业；

4、现阶段测温电缆需要根据粮库尺寸订制测温电缆，而且一根电缆内若干的传感器节点中一旦有一个损坏就需要更换整根测温电缆，既费时又不经济，本实用新型的无线粮情测控传感器节点定位系统仅需要拿备用的传感器节点更换损坏的传感器节点即可，既不需要专业人员操作也不需要重新接线，而且成本更低，效率更高。

附图说明

图1是本实用新型无线粮情测控传感器节点定位系统的粮仓设备分布示意图；

图2是本实用新型无线粮情测控传感器节点定位系统的总体模块连接图；

图3是本实用新型中粮情测控分机的模块连接图；

图4是本实用新型中辅助定位路由的模块连接图；

图5是本实用新型中传感器节点的模块连接图。

图中：1、粮情测控分机，2、辅助定位路由，3、传感器节点。

具体实施方式

结合附图详细描述本实用新型的具体内容。一种粮库测温节点定位系统，包括粮情测控主机、粮情测控分机1、辅助定位路由2和传感器节点3，其中粮情测控主机设置于控制室内，粮情测控分机1和辅助定位路由2分别设置于每个粮仓内部不同的位置，传感器节点3呈矩形阵列分布的方式插接于每个粮仓内部的粮食之中，粮情测控主机与粮情测控分机1之间双向无线通信，粮情测控分机1分别与辅助定位路由2和传感器节点3双向无线通信；

所述的粮情测控分机包括单片机、太阳能充电模块、电源模块、剩余电量检测模块、Zigbee无线通信模块、大功率无线收发模块和湿度传感器，其中单片机分别通过线路与太阳能充电模块、电源模块、剩余电量检测模块、Zigbee无线通信模块、大功率无线收发模块和湿度传感器连接，该太阳能充电模块用于为粮情测控分机的电源模块进行充电，电源模块用于储存太阳能充电模块产生的电能并为整个粮情测控分机提供电能，剩余电量检测模块用于检测粮情测控分机中电源模块的剩余电量并在电源模块剩余电量低于设定阈值时向单片机发送报警信号，Zigbee无线通信模块用于与粮仓内部的传感器节点和辅助定位路由双向无线通信，同时测量出与特定ID对应传感器节点的RSSI值，大功率无线收发模块用于与粮情测控主机双向无线通信，接收来自粮情测控主机的控制命令并向粮情测控主机上传温湿度数据和传感器节点定位信息，湿度传感器用于测量粮仓内部和外部的相对湿度值；

所述的辅助定位路由包括单片机、太阳能充电模块、电源模块、剩余电量检测模块和Zigbee无线通信模块，其中单片机分别通过线路与太阳能充电模块、电源模块、剩余电量检测模块和Zigbee无线通信模块连接，该太阳能充电模块用于为辅助定位路由的电源模块进行充电，电源模块用于储存太阳能充电模块产生的电能并为整个辅助定位路由提供电能，剩余电量检测模块用于检测辅助定位路由中电源模块的剩余电量并在电源模块剩余电量低于设定阈值时向单片机发送报警信号，Zigbee无线通信模块用于辅助粮情测控分机与传感器节点进行双向无线通信，同时测量出与特定ID对应传感器节点的RSSI值；

所述的传感器节点包括单片机、Zigbee无线通信模块、电源模块、剩余电量检测模块、DS18B20传感器和指示灯模块，其中单片机分别通过线路与Zigbee无线通信模块、电源模块、剩余电量检测模块、DS18B20传感器和指示灯模块连接，该电源模块用于为整个传感器节点提供电能，剩余电量检测模块用于检测传感器节点中电源模块的剩余电量，Zigbee无线通信模块用于组成无线传感器网络进行双向数据传输，即根据粮情测控分机、辅助定位路由和已知位置的传感器节点确定出两个传感器节点作为信标节点1和信标节点2，该信标节点分别与自己周围邻居的传感器节点进行双向无线通信找到RSSI值最大的1-2个未知传感器节点ID作为信标节点的最近邻居节点，如果信标节点只有一个未知最近邻居节点时可直接确定其位置，当信标节点有两个最近邻居节点时，通过信标节点2与信标节点1的两个最近邻居节点进行通信分别测量出与它们之间的RSSI值，根据两个RSSI值间的相对大小确定它们的位置，同理信标节点1分别与信标节点2的两个最近邻居节点进行通信分别测量出它们间的RSSI值，并根据它们的RSSI值的相对大小确定出信标节点2的两个未知最近邻居节点ID的对应具体位置，DS18B20传感器用于测定特定位置不同高度的粮食温度信息。

粮情测控分机安装在矩形粮仓的一个角上，通过太阳能充电模块为电源模块充电，降低因为市电供电而被雷击的可能性，同时安装方便，由大容量锂电池储能。通过大功率无线收发模块与粮情测控主机进行无线双向通信，同时将设备的各种参数信息和传感器节点测得数据回传给控制室内的粮情测控主机。粮情测控分机在辅助定位路由的配合下可以对整个粮仓的传感器节点进行定位和数据收集，省去了现有技术在安装时需要给各个传感器节点写入对应的位置信息，而且避免了在布置传感器节点时拖着沉重的测温电缆来回移动。

辅助定位路由安装在距离粮情测控分机一定距离的位置，用来对传感器节点进行辅助定位，同时接收传感器节点的数据信息。

传感器节点，每个传感器节点拥有唯一的ID号，粮食入库后，将粮食顶层平面进行平整，然后将传感器节点按照相同间隔（一般为3-5m）布置在矩形粮仓内部，其中传感器节点的测温电缆部分竖直插进粮堆内部，传感器节点的顶部留在粮食堆外面。布置完传感器节点之后系统初始化可以自动定位传感器节点所在仓库内部的具体位置，将传感器ID和仓库内部位置序号对应起来存入数据库；当需要采集数据时，传感器节点将温度数据和自己的ID发送给控制室的主机，主机通过对照数据库内部的位置信息将传感器节点的温度数据还原到三维图形内部具体位置处。

本实用新型的具体运行过程为：在矩形粮仓的两个角上分别安装粮情测控分机和辅助定位路由，粮仓内部按照矩形阵列分布的方式布置1-25号传感器节点，各个传感器节点的具体定位过程为：

（1）传感器节点布置完成后会自动根据组网协议进行组网，并且推选出簇首节点，当需要传感器节点定位时通过粮情测控分机向整个粮仓内的传感器节点广播搜索最近邻居节点命令，传感器节点收到搜索最近邻居节点命令后将Zigbee无线通信模块的发射功率调整至最低，减小通信的半径，然后在簇首节点的配合指挥下依次向周围发送50个特定数据，其中数据包内包含发送端传感器节点的ID，周围收到信号的传感器节点、粮情测控分机和辅助定位路由记录下50次的RSSI值然后求平均值存入邻居节点列表中，最终在众多的邻居节点列表中找到RSSI值最强且数值相近的几个节点当作自己的最近邻居节点，一个传感器节点的最近邻居节点的个数为1-4个；

（2）通过步骤（1）每个传感器节点都得到了自己的最近邻居节点的ID，则粮情测控分机得到的一个最近邻居节点即为1号位置的传感器节点，同理辅助定位路由确定5号位置的传感器节点，将1号和5号位置与其对应传感器节点ID写入数据库中；

（3）选择1号和5号位置处的传感器节点为信标节点，它们分别有2个最近邻居节点，1号的最近邻居节点为2号和6号，分别用1号和6号节点测它们与5号信标节点之间的RSSI值，测量过程也是求50次的平均值，RSSI值较大的为2号位置的传感器节点，RSSI值较小的为6号位置的传感器节点，同理分别确定4号和10号位置的传感器节点，然后也分别将确定位置的传感器节点ID和它们对应的位置序号存入系统数据库；

（4）重复上述步骤（3）选择2号和4号位置处传感器节点为信标节点，确定3号和9号位置处的传感器节点，3号位置的传感器节点是2号和4号位置的最近邻居节点，3号剩下的一个最近邻居节点即为8号位置的传感器节点，并分别将确定位置的传感器节点ID和它们对应的位置序号存入系统数据库；

（5）通过上述步骤可将距离粮情测控分机和辅助定位路由最近的两行的传感器节点位置确定，然后选择6号和10号位置传感器节点为信标节点重复步骤（3）确定11号和15号位置处的传感器节点，并分别将确定位置的传感器节点ID和它们对应的位置序号存入系统数据库；

（6）重复上述步骤（3）、（4）、（5）直至将所有的传感器节点位置信息都确定，则整个传感器网络的定位过程结束。

本实用新型中所有传感器节点都是靠锂电池供电，尽管都是低功耗设计，但是能量还是有限，上述定位过程传感器节点轮流被选取为信标节点避免了同一个传感器节点被多次选取为信标节点而功耗过大，节点过早因为能量耗尽而死亡，增强整个系统的工作时长。

当某个传感器节点电池电量低于阈值会通过粮情测控分机向控制室内粮情测控主机发送请求充电命令，或者某个传感器节点损坏时控制室的计算机监控画面会向工作人员报告需要更换的传感器节点的位置信息，当工作人员需要更换传感器节点时，选中被更换的传感器节点输入更换命令，则被更换的节点周围区域的传感器节点上的指示灯都会闪烁起来，被更换的传感器如果能正常接收命令的话也会将自己的指示灯点亮，方便工作寻找更换。当备用节点布置在被更换节点位置后，周围最近邻居节点通过与之的交互通信测量RSSI值，当周围的最近邻居节点测得RSSI值相近时，被认为传感器节点更换成功，自动更新数据库能被更换位置处传感器节点的ID信息，并自动熄灭周围闪烁的传感器节点的指示灯。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。