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基于压缩传感的仓储害虫声信号无线采集系统设计 原文来源：A Design of Acoustic Signal Wireless Acquisition System for Stored Grain Pests Based on Compressed Sensing. 东华大学学报(英文版), 2012, 29(1):89-93 摘要 为了实现仓储害虫的声信号采集，我们提出了一种基于无线传感器网络的新型声学信号采集系统，并且详细介绍了系统构架，硬件组态和软件。考虑到无线传感器的带宽会受到限制，于是我们在压缩理论的基础上提出了一种新的随机采样算法。我们所开发的这套系统用于采集仓库中 Tribolium castaneum Herbst（赤拟谷盗）成虫爬行和进食的声音信号。初步实验显示我们的系统和算法是具有合理性和实用性的，它可以在远程实时，可靠的无线传输多个位置采集到的仓储害虫声信号数据。 关键词：无线传感器网络;压缩传感;随机抽样;仓储粮食害虫;声信号 CLC号码:TP301;TN919 ;文档代码:72 文章ID:1672-5220(2012)01-0089-05 简介 众所周知,仓储害虫会对作物生长和农产品存储造成巨大的损失，严重影响农产品的质量。害虫声信号采集是通过捕捉和分析害虫活动声音，来获得仓储害虫的信息，例如害虫的种类、害虫密度分布、害虫发展状况等[1]。显然，这些信息为害虫的控制提供了科学基础。 随着谷仓规模的扩大，仓储管理要求渐渐增加，现有的仓储害虫声信号采集系统已经无法满足实际应用的需要，譬如:（1）大多数系统使用有线网络连接监视点,随着监视点的数量增加布线、安装、维护和电源供给会变得难以实现（2）大多数系统只能使用少量简单的声信号特征参数,无法完全反映害虫的生长状况,并不能用于进一步分析。 为了提高现有的声信号采集系统的性能,研究者们提出了使用无线传感器网络来传输声音信号的想法[2-4]。然而,由于声波信号的频谱较宽,香农采样将产生更多的抽样数据,现有的无线传感器网络有限的带宽和存储容量无法实现较长时间的高速采信号采集,也很难实现可靠的实时数据传输。 针对以上问题，我们设计了一种基于无线传感网络的仓储害虫声信号采集系统，该系统可以实现远程离散的信号采集。另外提出一种基于压缩传感理论的新型信号采集算法[5,6],它可以构建一个可靠的无线网络来实时传输宽频谱声信号。 1仓储害虫声信号采集系统的设计 1.1系统结构 充分考虑了粮仓结构、害虫种类、环境干扰、网络带宽、制作成本、供电能力和其他种种因素后,我们设计一个基于无线传感器网络的声学信号采集系统[7],如图1所示： 图1 基于无线传感器网络的仓储害虫声信号采集系统结构 考虑到害虫的检测需求、谷物堆的体积、粮堆数、传感器节点数、网络能力和一些其他因素，我们将整个网络划分成为若干个子网群,每个群里包含一个总节点和若干个传感器节点。显然,总节点与传感器节点，汇点与总节点分别构成了各自的星形拓扑网络。从图1可见，传感器节点,总节点和汇点之间利用Zigbee无线网络互连,而串行电缆网络则是用来实现汇点和远程计算机之间的互联。 1.2 各组成部分功能 仓储害虫只能产生微弱的声音,所以声音传感器探针应该尽可能埋在粮食堆和害虫的活动区域，减少声波信号通过电缆时的衰减，声音传感器探针应与谷物堆外的传感器节点通过同轴电缆连接来降低噪音。传感器节点取得采样结果并根据需求进行处理之后将结果数据发送给总节点。 总节点是每个子网的上层，不仅可以监控传感器节点的运行状况，而且可以接受和存储由传感器节点发送的采样数据，然后将这些数据包传输到汇点。更重要的是，头结点可以接收到来自汇点的指令数据，并且按照指令来调整操作子网的运行状况。 汇点的功能与头结点相似。它负责管理和头结点之间的通讯并且监控头结点的运行状况。此外，它可以接受和存储来自头结点的采样数据或是来自远程电脑的控制命令。通过解析用户的控制指令，汇点可以上传采样数据到远程计算机和调节子网的工作参数。 远程电脑是声信号采集系统的控制中心，它与汇点通过串行电缆相连。电脑分析处理来自汇点的数据，除此之外它可以执行来自用户的控制指令，例如网络检测、拓扑查询、操作参数调整、故障诊断报警等。 1.3硬件设计 图一所示系统由数个传感器节点，一些总节点和一个汇点组成。头结点和汇点没有信号采集功能，只能视作传感器的节点。基于模块化设计的思想，传感器节点的配置如图2所示： 图2配置传感器节点 板模块是传感器节点硬件的核心。为了提高硬件性能和降低系统功耗，主板设计采用单片机PIC24FJ-128G210，该单片机运行速度是64MHz，有128kb的闪存，和98kb的静态存储器（SRAM）。除此之外，我们扩展了串行外围接口