1、基于Sub-G Hz與CDMA技術(shù)的糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 孫鵬，梁鳳梅作者簡(jiǎn)介：孫鵬（1986-），男，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò). E-mail: sunpenghihi1.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.5College Of Information Engneering,Taiyuan University Of Technology,Tai Yuan 030024;College Of Information Engneering,Taiyuan Univ

2、ersity Of Technology,Tai Yuan 030024太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，太原 030024;太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，太原 030024030024;030024;山西省太原理工大學(xué)迎西校區(qū)12號(hào)樓;太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院;fm­孫鵬（1986-），男，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);梁鳳梅（1969-），女，副教授，圖像處理與圖像通信孫鵬;梁鳳梅Sun Peng;Liang Fengmei孫鵬1.51.51.51.51.51.51.51.51*|*專著*|*孫利民等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)M.北京：清華大學(xué)出版社，2005.<CR>2*|*

3、學(xué)位論文*|*張煉東，王秉文.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在糧情監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用D,武漢:華中科技大學(xué),2010.<CR>3*|*學(xué)位論文*|*牛宇卿.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線糧情監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)D.太原：太原理工大學(xué)，2011.<CR>4*|*其他文獻(xiàn)*|*美國(guó)Silicon Labs公司Si1000datasheet，2010.<CR>5*|*學(xué)位論文*|*劉斌.跨層優(yōu)化技術(shù)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的研究與應(yīng)用M.太原：太原理工大學(xué)，2011.<CR>6*|*專著*|*許力.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全和優(yōu)化M.北京：電子工業(yè)出版社，2010.<CR>7*|

4、*期刊*|*劉迪忻.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于時(shí)鐘漂移補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間同步技術(shù)J.時(shí)間頻率學(xué)報(bào),2009,32(2):121-127.*|1|孫鵬|Sun Peng|太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，太原 030024|College Of Information Engneering,Taiyuan University Of Technology,Tai Yuan 030024|孫鵬（1986-），男，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)|山西省太原理工大學(xué)迎西校區(qū)12號(hào)樓|030024|<CR>|2|梁鳳梅|Liang Fengmei|太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，太原 030024|Colle

5、ge Of Information Engneering,Taiyuan University Of Technology,Tai Yuan 030024|梁鳳梅（1969-），女，副教授，圖像處理與圖像通信|太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院|030024|fm­|基于Sub-G Hz與CDMA技術(shù)的糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)|The Design And Implementation Of Granary Monitoring System Based On Sub_G Hz and CDMA Technology|8 / 8文檔可自由編輯打印（太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，太原 030024

6、）摘要：糧食安全一直是人民生活重點(diǎn)關(guān)注的話題，在糧食的儲(chǔ)備過(guò)程中，對(duì)糧食的溫濕度以及蟲(chóng)害等的監(jiān)測(cè)是保持糧食安全的重要措施。保持良好的糧食儲(chǔ)存環(huán)境是糧食安全的重要方面，糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是通過(guò)傳感器對(duì)糧食的儲(chǔ)存狀態(tài)不斷進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，然后進(jìn)行分析處理的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)通過(guò)采用Sub-G Hz頻段和CDMA技術(shù)進(jìn)行融合的糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)合起來(lái)，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)CDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的PC上，然后通過(guò)上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)分析后進(jìn)行相應(yīng)的處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)糧食遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)與控制。該系統(tǒng)具有傳輸距離遠(yuǎn)、成本低和低功耗等特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡(luò)；CDMA；糧情監(jiān)測(cè)

7、系統(tǒng)；Sub-G中圖分類號(hào)：TN98The Design And Implementation Of Granary Monitoring System Based On Sub_G Hz and CDMA TechnologySun Peng, Liang Fengmei(College Of Information Engneering,Taiyuan University Of Technology,Tai Yuan 030024)Abstract: The security of grain has been focused on the topic of people's l

8、ives, in the process of grain reserves, the monitor of grain's temperature and humidity as well as pests is an important measure to maintain grain's security. Keeping a good grain's storage environment is an important aspect of grain's security, the grain monitor system is wireless s

9、ensor network system that keeps continuous dynamic monitor of grain's storage state and analysis.This paper designs a grain monitor system through the use of a Sub-G Hz band and CDMA technology, the system gets the internet and internet of things together, the collected data will be transmitted

10、through the CDMA network to the remote PC, then PC accordingly analysis the data to monitor and control the grain's security.The system possesses a far transmission distance,low cost and low power,so it has a good prospect.Key words: Sensor Network; CDMA; Granary Monitoring System;Sub-G0 引言在糧情監(jiān)測(cè)

11、領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集大多是由分布在廣闊領(lǐng)域里的傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的，一般來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)源是離糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端相對(duì)較遠(yuǎn)的。基于這個(gè)原因，傳統(tǒng)的糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多是有線系統(tǒng)，這大大增加了工作人員進(jìn)行施工的難度。而且有線系統(tǒng)還有著布線困難、易遭雷擊等特點(diǎn)。近年來(lái)傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、無(wú)線通信和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由位于底層的傳感器節(jié)點(diǎn)采集信息后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行向上級(jí)節(jié)點(diǎn)傳送信息，最終到達(dá)總節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)12。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其低成本、低功耗、系統(tǒng)易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，不僅解決了有線糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所固有的易于被雷擊、安裝成本高等問(wèn)題，同時(shí)更因其較低功耗解決了有線系統(tǒng)隨時(shí)通電的

12、要求，符合當(dāng)前國(guó)家提出的節(jié)能減排的口號(hào)3。現(xiàn)有的無(wú)線糧情系統(tǒng)普遍具有傳輸距離近，功耗較大，不能支持較長(zhǎng)時(shí)間工作等缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)主要針對(duì)糧庫(kù)的無(wú)線糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用了Sub-G頻段中的433.33MHz進(jìn)行無(wú)線通信，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行采集信息，并通過(guò)CDMA模塊進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，具有了低功耗和遠(yuǎn)距離監(jiān)控等特點(diǎn)。1 系統(tǒng)描述整個(gè)系統(tǒng)分為主節(jié)點(diǎn)1003-D,分節(jié)點(diǎn)1003，傳感器節(jié)點(diǎn)（由測(cè)量溫濕度的節(jié)點(diǎn)1002和測(cè)溫節(jié)點(diǎn)1001組成）三種類型。1002節(jié)點(diǎn)連接著溫濕度傳感器，溫濕度傳感器由測(cè)量溫度的熱敏電阻和測(cè)量濕度的霍尼韋爾濕度傳感器HIH4000組成。1001節(jié)點(diǎn)連接有數(shù)字溫度

13、傳感器DS18b20。每個(gè)糧倉(cāng)帶有一個(gè)分節(jié)點(diǎn)1003。一個(gè)分節(jié)點(diǎn)1003下屬一個(gè)1002節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)1001節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)1003-D下屬一個(gè)1002節(jié)點(diǎn)作為外溫外濕。系統(tǒng)框圖如下圖所示。 圖1 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)框圖Fig1 system node diagram 傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信的方式傳到分節(jié)點(diǎn)1003，每個(gè)分節(jié)點(diǎn)1003將收到的信息發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)1003-D,1003-D通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳送到CDMA模塊，由CDMA網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端的PC機(jī)上。底層節(jié)點(diǎn)1001和1002都有自己的專屬I(mǎi)D，以便上位機(jī)進(jìn)行區(qū)分溫度節(jié)點(diǎn)。1003節(jié)點(diǎn)也被賦予了自己的ID,平常所有的節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間

14、都在睡眠模式，當(dāng)上位機(jī)對(duì)某一個(gè)倉(cāng)發(fā)送采集命令時(shí)，命令通過(guò)CDMA網(wǎng)絡(luò)傳送到1003-D節(jié)點(diǎn)上，然后1003-D節(jié)點(diǎn)向下一層節(jié)點(diǎn)1003發(fā)送喚醒命令，相應(yīng)的1003被喚醒后開(kāi)始發(fā)送喚醒其所屬的1001和1002節(jié)點(diǎn)的命令，傳感器節(jié)點(diǎn)1001和1002采集數(shù)據(jù)后然后向上一級(jí)節(jié)點(diǎn)傳送，最后通過(guò)1003-D經(jīng)CDMA網(wǎng)絡(luò)傳到上位機(jī)，由上位機(jī)軟件進(jìn)行分析與處理。2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)MCU介紹系統(tǒng)所使用的MCU是silicon labs公司生產(chǎn)的Si1000芯片，Si1000器件是完全集成的低功耗混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，它集成了8051單片機(jī)內(nèi)核和射頻芯片為一體，具有4k的片內(nèi)RAM和64k

15、的FLASH。Si1000芯片集上電復(fù)位、電壓監(jiān)測(cè)器、看門(mén)狗定時(shí)器和系統(tǒng)時(shí)鐘為一體，是真正獨(dú)立的片上系統(tǒng)的解決方案4。Si1000的頻率使用范圍是240MHZ960MHZ,接收靈敏度最高可達(dá)-121dBm，輸出功率是+20dBm，它內(nèi)置了天線多樣性，并且支持跳頻技術(shù)。另外，Si1000芯片為了提高性能，對(duì)CIP-51核和外圍器件做了關(guān)鍵性的增強(qiáng)。在CIP-51核的基礎(chǔ)上，Si1000的擴(kuò)展中斷源提供了雙中斷源，允許眾多的模擬的和數(shù)字的外部設(shè)備去中斷控制器。Si1000包含著包括上電復(fù)位、看門(mén)狗定時(shí)器在內(nèi)的八個(gè)復(fù)位源。每個(gè)復(fù)位源除了用來(lái)上電復(fù)位、復(fù)位輸入引腳和Flash錯(cuò)誤外，可以通過(guò)軟件編程關(guān)

16、閉。在供電方面，Si1000的工作電流一般穩(wěn)定在5mA左右，在睡眠模式下，它的電流為2uA。MCU與外部設(shè)備的連接圖如下所示：圖2.1MCU與外部設(shè)備連接圖Fig2.1 the connection diagram of mcu and peripheral devicesSi1000中集成了射頻收發(fā)模塊，這大大的節(jié)省了系統(tǒng)所耗費(fèi)的資源。它的可使用的頻率范圍為240MHZ960MHz，輸出功率已達(dá)+20dBm，接收靈敏度達(dá)到-121dBm，自帶了發(fā)送和接收FIFO，芯片內(nèi)置發(fā)送，接收，待機(jī)，睡眠4種模式，其中睡眠模式在本文系統(tǒng)中的低功耗設(shè)計(jì)中占據(jù)非常大的作用。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)信息是以包結(jié)構(gòu)發(fā)

17、送的，每發(fā)送一個(gè)包或接收到一個(gè)包的數(shù)據(jù)時(shí)，芯片會(huì)以中斷信號(hào)的方式通知MCU進(jìn)行處理，通過(guò)在軟件中對(duì)射頻模塊的的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行配置，可以使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)理想的通信效果。在實(shí)際通信中，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，視距效果下可以達(dá)到2.5公里的通信距離，而且保證不丟失數(shù)據(jù)包。圖2.2系統(tǒng)射頻部分原理圖Fig 2.2 the schematic diagram of RF part of system2.2 傳感器介紹本系統(tǒng)的溫度傳感器用的是Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它是一個(gè)單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單體積小的特點(diǎn)。DS18B20的測(cè)溫范圍在-55+125,轉(zhuǎn)換精度為912位進(jìn)制數(shù)，可編程確定轉(zhuǎn)換的位

18、數(shù)。測(cè)溫分辨率為9位時(shí)精度為0.5,12位時(shí)精度1為0.0625。每個(gè)DS18B20出廠時(shí)都有一個(gè)固定的ID，以便在使用多個(gè)DS18B20時(shí)可以進(jìn)行區(qū)分，因此在用多個(gè)DS18B20工作時(shí)，首先要讀出每個(gè)傳感器內(nèi)部的ID，而單個(gè)傳感器工作時(shí)無(wú)須讀ID。系統(tǒng)中使用的濕度傳感器是Honeywell公司生產(chǎn)的HIH4000濕度傳感器，HIH4000是具有儀表級(jí)質(zhì)量的相對(duì)濕度傳感器，產(chǎn)品的抗腐蝕能力使得它們是應(yīng)用到惡劣環(huán)境中的最好選擇。HIH4000的工作溫度范圍為-40+85，精度為±3.5%RH。HIH4000的工作電流僅為200uA，適用于低功耗，電池供電的系統(tǒng)，因此本系統(tǒng)選用了HIH4

19、000濕度傳感器。2.3 CDMA模塊硬件部分設(shè)計(jì)本文系統(tǒng)CDMA模塊選用的是Anydata公司生產(chǎn)的DTM518C。該模塊支持CDMA 800頻段 EVDO Rev A；超低的功耗電流(待機(jī)<1.5mA/關(guān)機(jī)<10uA/最大工作電流<580mA)；工作溫度范圍為-35+75；電源電壓范圍為3.3V 4.2V。單片機(jī)選用的是PIC18F14j11單片機(jī)，它是一種引腳低功耗，高性能的單片機(jī)，最大容許輸出電壓為5.5V，工作電壓范圍是2.0V到3.6V。圖2.3.1 單片機(jī)部分原理圖Fig 2.3.1 Fig 2.2 the schematic diagram of mcu圖2.

20、3.2 CDMA模塊原理圖Fig 2.3.2 the schematic diagram of CDMA module3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)為了節(jié)省電池能量，必須降低常態(tài)模式下節(jié)點(diǎn)的電流消耗。對(duì)于簇頭路由節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，其主要任務(wù)就是喚醒感測(cè)器節(jié)點(diǎn)并把感測(cè)器節(jié)點(diǎn)采集的有效數(shù)據(jù)發(fā)送到管理節(jié)點(diǎn)上。因此在絕大多數(shù)時(shí)間按內(nèi)，將節(jié)點(diǎn)的射頻通信模塊（RF）和微控制器模塊（MCU）置于最低能耗的休眠模式是非常必要的5；對(duì)于感測(cè)器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，除了射頻通信模塊和微控制器模塊，還帶有傳感器裝置，以及為傳感器裝置提供能量的電源調(diào)理模塊。在RF與MCU模塊處于極低能耗的休眠狀態(tài)時(shí)，還應(yīng)該將傳感器相關(guān)的模塊完全關(guān)斷，只有在感測(cè)器節(jié)點(diǎn)真正工作時(shí)，才把這些設(shè)備上電、初始化6。簇頭節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的低能耗模式如下圖所示7：圖3.1 簇頭路由節(jié)點(diǎn)的低功耗模式流程圖Fig 3.1 Power saved flow chart of a cluster head node圖3.2傳感器節(jié)點(diǎn)的低功耗模式流程圖Fig 3.2 Power saved flow chart of a sensor node4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)4.1 節(jié)點(diǎn)實(shí)際圖本文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用在糧情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上，下圖為實(shí)地的傳感器節(jié)點(diǎn)圖 圖4.1.1傳感器節(jié)點(diǎn)圖 圖4.1.2簇頭節(jié)點(diǎn)圖Fig 4.1.1photo of sensor nod