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徐州国家粮库无线粮情测控系统的设计与实现

徐州国家粮库无线粮情测控系统的设计与实现

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作者：黄焱太原理工大学

学位级别：硕士

粮食安全是保障国家经济可持续发展的基础。然而,由于粮仓中温度、湿度、害虫密度等因素对粮食品质的影响,我国每年在储存过程中损失的粮食就达几千万吨。因此,建立现代化的粮情测控系统是保障粮食安全的需要。目前,我国粮情测控系统大... 详细信息

粮食安全是保障国家经济可持续发展的基础。然而,由于粮仓中温度、湿度、害虫密度等因素对粮食品质的影响,我国每年在储存过程中损失的粮食就达几千万吨。因此,建立现代化的粮情测控系统是保障粮食安全的需要。目前,我国粮情测控系统大多采用有线通信方式。有线粮情测控系统有其固有的缺点。例如,线路较多容易引入干扰、布线麻烦、容易遭雷击等等。而无线粮情测控系统很好的解决了上述问题。无线传感器网络有低功耗、组网灵活的特点。这些特点使其非常适合应用于粮情测控领域。近几年,无线传感器网络技术逐步运用到粮情测控领域中,已先后开发出基于IEEE802.15.4技术标准和ZigBee无线协议栈的无线粮情测控系统。但上述无线粮情测控系统的通信距离有限,已不能满足现代化大型粮食储备库的发展需求。本论文的目标是设计一个能满足现代化大型粮库的发展需求的低功耗无线粮情测控系统。首先论文介绍了粮情测控系统的背景、研究意义、研究现状和无线传感器网络的基本概念;其次通过对粮情测控系统应用环境的分析和通信方式的选择,确定了无线粮情测控系统的整体结构;再次介绍了无线传感器网络节点的硬件设计和软件设计;最后完成无线粮情测控系统的测试和整体评价。在硬件设计方面,主控制芯片选择了美国silicon labs公司生产的Si1000片上系统。Si1000内部集成了高性能、超低功耗的CIP-51内核8位C8051F9XX系列单片机,以及240-960MHz的EZRadioPRO系列RF收发器。其无障碍传输距离达到2.2公里并且功耗极低(通过两节碱性电池供电,节点可工作4到5年),完全能满足大型粮库低功耗无线粮情测控系统的设计要求。此外,论文还完成了虫害传感器的开发,填补了国内粮情测控系统在虫害检测方面的空白。在软件设计方面,本系统采用了根据silicon labs公司的EZMAC Pro无线通信软件模块开发的一种跨层优化的通信协议——EZMAC Improved。此协议结构简单,链路预算达到业内最大的141DB。底层的传感器节点只需经过三次跳跃即可将采集信息传递到顶层的管理节点,极大的降低了外界对信号传输的干扰。在测试方面,本论文完成了无线粮情测控系统的整体网络测试和节点性能测试。其中,节点性能测试包括传输距离测试、功耗测试、信号强度测试和数据精确度测试。本系统已在徐州国家粮库投入运行。至今,系统已运行一年有余。系统运行稳定,采集数据准确,电池电量消耗极低,基本符合系统设计的要求。

关键词：粮情测控 Si1000 虫害传感器无线传感器网络

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