基于SubGHz与CDMA技术的粮情监测系统中的设计与实现

1、基于Sub-G Hz与CDMA技术的粮情监测系统中的设计与实现 孙鹏，梁凤梅作者简介：孙鹏（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向：无线传感器网络. 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太原理工大学信息工程学院，太原 030024;太原理工大学信息工程学院，太原 030024030024;030024;山西省太原理工大学迎西校区12号楼;太原理工大学信息工程学院;fm­孙鹏（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向：无线传感器网络;梁凤梅（1969-），女，副教授，图像处理与图像通信孙鹏;梁凤梅Sun Peng;Liang Fengmei孙鹏1.51.51.51.51.51.51.51.51*|*专著*|*孙利民等.无线传感器网络M.北京：清华大学出版社，2005.<CR>2*|*

3、学位论文*|*张炼东，王秉文.无线传感器网络在粮情监控系统中的应用D,武汉:华中科技大学,2010.<CR>3*|*学位论文*|*牛宇卿.基于无线传感器网络的无线粮情监控系统的设计与实现D.太原：太原理工大学，2011.<CR>4*|*其他文献*|*美国Silicon Labs公司Si1000datasheet，2010.<CR>5*|*学位论文*|*刘斌.跨层优化技术在传感器网络中的研究与应用M.太原：太原理工大学，2011.<CR>6*|*专著*|*许力.无线传感器网络的安全和优化M.北京：电子工业出版社，2010.<CR>7*|

4、*期刊*|*刘迪忻.无线传感器网络中基于时钟漂移补偿的时间同步技术J.时间频率学报,2009,32(2):121-127.*|1|孙鹏|Sun Peng|太原理工大学信息工程学院，太原 030024|College Of Information Engneering,Taiyuan University Of Technology,Tai Yuan 030024|孙鹏（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向：无线传感器网络|山西省太原理工大学迎西校区12号楼|030024|<CR>|2|梁凤梅|Liang Fengmei|太原理工大学信息工程学院，太原 030024|Colle

5、ge Of Information Engneering,Taiyuan University Of Technology,Tai Yuan 030024|梁凤梅（1969-），女，副教授，图像处理与图像通信|太原理工大学信息工程学院|030024|fm­|基于Sub-G Hz与CDMA技术的粮情监测系统中的设计与实现|The Design And Implementation Of Granary Monitoring System Based On Sub_G Hz and CDMA Technology|8 / 8文档可自由编辑打印（太原理工大学信息工程学院，太原 030024

6、）摘要：粮食安全一直是人民生活重点关注的话题，在粮食的储备过程中，对粮食的温湿度以及虫害等的监测是保持粮食安全的重要措施。保持良好的粮食储存环境是粮食安全的重要方面，粮情监测系统就是通过传感器对粮食的储存状态不断进行动态监测，然后进行分析处理的无线传感器网络系统。本文设计了一个通过采用Sub-G Hz频段和CDMA技术进行融合的粮情监测系统，系统将物联网与互联网联合起来，将采集到的数据通过CDMA网络传输到远端的PC上，然后通过上位机对数据分析后进行相应的处理，从而实现对粮食远程的监测与控制。该系统具有传输距离远、成本低和低功耗等特点，具有良好的应用前景。关键词：传感器网络；CDMA；粮情监测

7、系统；Sub-G中图分类号：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 引言在粮情监测

11、领域，数据采集大多是由分布在广阔领域里的传感器网络进行的，一般来说数据源是离粮情监测系统的终端相对较远的。基于这个原因，传统的粮情监测系统大多是有线系统，这大大增加了工作人员进行施工的难度。而且有线系统还有着布线困难、易遭雷击等特点。近年来传感器技术、微机电系统、无线通信和现代网络技术的进步，推动了无线传感器网络的发展。无线传感器网络是由位于底层的传感器节点采集信息后通过无线网络进行向上级节点传送信息，最终到达总节点的自组网络系统12。无线传感器网络以其低成本、低功耗、系统易于安装等优点，不仅解决了有线粮情监测系统所固有的易于被雷击、安装成本高等问题，同时更因其较低功耗解决了有线系统随时通电的

12、要求，符合当前国家提出的节能减排的口号3。现有的无线粮情系统普遍具有传输距离近，功耗较大，不能支持较长时间工作等缺点。本文设计和实现了一个主要针对粮库的无线粮情监测系统，系统采用了Sub-G频段中的433.33MHz进行无线通信，通过无线传感器网络进行采集信息，并通过CDMA模块进行远距离传输，具有了低功耗和远距离监控等特点。1 系统描述整个系统分为主节点1003-D,分节点1003，传感器节点（由测量温湿度的节点1002和测温节点1001组成）三种类型。1002节点连接着温湿度传感器，温湿度传感器由测量温度的热敏电阻和测量湿度的霍尼韦尔湿度传感器HIH4000组成。1001节点连接有数字温度

13、传感器DS18b20。每个粮仓带有一个分节点1003。一个分节点1003下属一个1002节点和若干个1001节点。主节点1003-D下属一个1002节点作为外温外湿。系统框图如下图所示。 图1 系统节点框图Fig1 system node diagram 传感器节点将采集到的温湿度数据通过无线通信的方式传到分节点1003，每个分节点1003将收到的信息发送到主节点1003-D,1003-D通过串口将数据传送到CDMA模块，由CDMA网络将数据传送到远端的PC机上。底层节点1001和1002都有自己的专属ID，以便上位机进行区分温度节点。1003节点也被赋予了自己的ID,平常所有的节点大部分时间

14、都在睡眠模式，当上位机对某一个仓发送采集命令时，命令通过CDMA网络传送到1003-D节点上，然后1003-D节点向下一层节点1003发送唤醒命令，相应的1003被唤醒后开始发送唤醒其所属的1001和1002节点的命令，传感器节点1001和1002采集数据后然后向上一级节点传送，最后通过1003-D经CDMA网络传到上位机，由上位机软件进行分析与处理。2 系统硬件结构设计2.1 系统MCU介绍系统所使用的MCU是silicon labs公司生产的Si1000芯片，Si1000器件是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU，它集成了8051单片机内核和射频芯片为一体，具有4k的片内RAM和64k

15、的FLASH。Si1000芯片集上电复位、电压监测器、看门狗定时器和系统时钟为一体，是真正独立的片上系统的解决方案4。Si1000的频率使用范围是240MHZ960MHZ,接收灵敏度最高可达-121dBm，输出功率是+20dBm，它内置了天线多样性，并且支持跳频技术。另外，Si1000芯片为了提高性能，对CIP-51核和外围器件做了关键性的增强。在CIP-51核的基础上，Si1000的扩展中断源提供了双中断源，允许众多的模拟的和数字的外部设备去中断控制器。Si1000包含着包括上电复位、看门狗定时器在内的八个复位源。每个复位源除了用来上电复位、复位输入引脚和Flash错误外，可以通过软件编程关

16、闭。在供电方面，Si1000的工作电流一般稳定在5mA左右，在睡眠模式下，它的电流为2uA。MCU与外部设备的连接图如下所示：图2.1MCU与外部设备连接图Fig2.1 the connection diagram of mcu and peripheral devicesSi1000中集成了射频收发模块，这大大的节省了系统所耗费的资源。它的可使用的频率范围为240MHZ960MHz，输出功率已达+20dBm，接收灵敏度达到-121dBm，自带了发送和接收FIFO，芯片内置发送，接收，待机，睡眠4种模式，其中睡眠模式在本文系统中的低功耗设计中占据非常大的作用。在发送数据时，数据信息是以包结构发

17、送的，每发送一个包或接收到一个包的数据时，芯片会以中断信号的方式通知MCU进行处理，通过在软件中对射频模块的的各个参数进行配置，可以使系统达到一个理想的通信效果。在实际通信中，经过实验，视距效果下可以达到2.5公里的通信距离，而且保证不丢失数据包。图2.2系统射频部分原理图Fig 2.2 the schematic diagram of RF part of system2.2 传感器介绍本系统的温度传感器用的是Dallas公司生产的DS18B20数字温度传感器，它是一个单总线器件，具有线路简单体积小的特点。DS18B20的测温范围在-55+125,转换精度为912位进制数，可编程确定转换的位

18、数。测温分辨率为9位时精度为0.5,12位时精度1为0.0625。每个DS18B20出厂时都有一个固定的ID，以便在使用多个DS18B20时可以进行区分，因此在用多个DS18B20工作时，首先要读出每个传感器内部的ID，而单个传感器工作时无须读ID。系统中使用的湿度传感器是Honeywell公司生产的HIH4000湿度传感器，HIH4000是具有仪表级质量的相对湿度传感器，产品的抗腐蚀能力使得它们是应用到恶劣环境中的最好选择。HIH4000的工作温度范围为-40+85，精度为±3.5%RH。HIH4000的工作电流仅为200uA，适用于低功耗，电池供电的系统，因此本系统选用了HIH4

19、000湿度传感器。2.3 CDMA模块硬件部分设计本文系统CDMA模块选用的是Anydata公司生产的DTM518C。该模块支持CDMA 800频段 EVDO Rev A；超低的功耗电流(待机<1.5mA/关机<10uA/最大工作电流<580mA)；工作温度范围为-35+75；电源电压范围为3.3V 4.2V。单片机选用的是PIC18F14j11单片机，它是一种引脚低功耗，高性能的单片机，最大容许输出电压为5.5V，工作电压范围是2.0V到3.6V。图2.3.1 单片机部分原理图Fig 2.3.1 Fig 2.2 the schematic diagram of mcu图2.

20、3.2 CDMA模块原理图Fig 2.3.2 the schematic diagram of CDMA module3 系统软件部分设计为了节省电池能量，必须降低常态模式下节点的电流消耗。对于簇头路由节点来说，其主要任务就是唤醒感测器节点并把感测器节点采集的有效数据发送到管理节点上。因此在绝大多数时间按内，将节点的射频通信模块（RF）和微控制器模块（MCU）置于最低能耗的休眠模式是非常必要的5；对于感测器节点来说，除了射频通信模块和微控制器模块，还带有传感器装置，以及为传感器装置提供能量的电源调理模块。在RF与MCU模块处于极低能耗的休眠状态时，还应该将传感器相关的模块完全关断，只有在感测器节点真正工作时，才把这些设备上电、初始化6。簇头节点和传感器节点的低能耗模式如下图所示7：图3.1 簇头路由节点的低功耗模式流程图Fig 3.1 Power saved flow chart of a cluster head node图3.2传感器节点的低功耗模式流程图Fig 3.2 Power saved flow chart of a sensor node4 系统实现4.1 节点实际图本文系统的设计应用在粮情监测系统上，下图为实地的传感器节点图 图4.1.1传感器节点图 图4.1.2簇头节点图Fig 4.1.1photo of sensor nod