基于壓縮傳感的倉儲(chǔ)害蟲聲信號(hào)無線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于壓縮傳感的倉儲(chǔ)害蟲聲信號(hào)無線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 原文來源：A Design of Acoustic Signal Wireless Acquisition System for Stored Grain Pests Based on Compressed Sensing. 東華大學(xué)學(xué)報(bào)(英文版), 2012, 29(1):89-93摘要為了實(shí)現(xiàn)倉儲(chǔ)害蟲的聲信號(hào)采集，我們提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型聲學(xué)信號(hào)采集系統(tǒng)，并且詳細(xì)介紹了系統(tǒng)構(gòu)架，硬件組態(tài)和軟件?？紤]到無線傳感器的帶寬會(huì)受到限制，于是我們?cè)趬嚎s理論的基礎(chǔ)上提出了一種新的隨機(jī)采樣算法。我們所開發(fā)的這套系統(tǒng)用于采集倉庫中 Triboli

2、um castaneum Herbst（赤擬谷盜）成蟲爬行和進(jìn)食的聲音信號(hào)。初步實(shí)驗(yàn)顯示我們的系統(tǒng)和算法是具有合理性和實(shí)用性的，它可以在遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)，可靠的無線傳輸多個(gè)位置采集到的倉儲(chǔ)害蟲聲信號(hào)數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);壓縮傳感;隨機(jī)抽樣;倉儲(chǔ)糧食害蟲;聲信號(hào)CLC號(hào)碼:TP301;TN919 ;文檔代碼:72 文章ID:1672-5220(2012)01-0089-05簡介眾所周知,倉儲(chǔ)害蟲會(huì)對(duì)作物生長和農(nóng)產(chǎn)品存儲(chǔ)造成巨大的損失，嚴(yán)重影響農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量。害蟲聲信號(hào)采集是通過捕捉和分析害蟲活動(dòng)聲音，來獲得倉儲(chǔ)害蟲的信息，例如害蟲的種類、害蟲密度分布、害蟲發(fā)展?fàn)顩r等1。顯然，這些信息為害蟲的控制提

3、供了科學(xué)基礎(chǔ)。隨著谷倉規(guī)模的擴(kuò)大，倉儲(chǔ)管理要求漸漸增加，現(xiàn)有的倉儲(chǔ)害蟲聲信號(hào)采集系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，譬如:（1）大多數(shù)系統(tǒng)使用有線網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)視點(diǎn),隨著監(jiān)視點(diǎn)的數(shù)量增加布線、安裝、維護(hù)和電源供給會(huì)變得難以實(shí)現(xiàn)（2）大多數(shù)系統(tǒng)只能使用少量簡單的聲信號(hào)特征參數(shù),無法完全反映害蟲的生長狀況,并不能用于進(jìn)一步分析。為了提高現(xiàn)有的聲信號(hào)采集系統(tǒng)的性能,研究者們提出了使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來傳輸聲音信號(hào)的想法2-4。然而,由于聲波信號(hào)的頻譜較寬,香農(nóng)采樣將產(chǎn)生更多的抽樣數(shù)據(jù),現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有限的帶寬和存儲(chǔ)容量無法實(shí)現(xiàn)較長時(shí)間的高速采信號(hào)采集,也很難實(shí)現(xiàn)可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。針對(duì)以上問題，我們?cè)O(shè)計(jì)

4、了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的倉儲(chǔ)害蟲聲信號(hào)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程離散的信號(hào)采集。另外提出一種基于壓縮傳感理論的新型信號(hào)采集算法5,6,它可以構(gòu)建一個(gè)可靠的無線網(wǎng)絡(luò)來實(shí)時(shí)傳輸寬頻譜聲信號(hào)。1倉儲(chǔ)害蟲聲信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)充分考慮了糧倉結(jié)構(gòu)、害蟲種類、環(huán)境干擾、網(wǎng)絡(luò)帶寬、制作成本、供電能力和其他種種因素后,我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的聲學(xué)信號(hào)采集系統(tǒng)7,如圖1所示：圖1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉儲(chǔ)害蟲聲信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考慮到害蟲的檢測需求、谷物堆的體積、糧堆數(shù)、傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)能力和一些其他因素，我們將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分成為若干個(gè)子網(wǎng)群,每個(gè)群里包含一個(gè)總節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。顯然,

5、總節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)，匯點(diǎn)與總節(jié)點(diǎn)分別構(gòu)成了各自的星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。從圖1可見，傳感器節(jié)點(diǎn),總節(jié)點(diǎn)和匯點(diǎn)之間利用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)互連,而串行電纜網(wǎng)絡(luò)則是用來實(shí)現(xiàn)匯點(diǎn)和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間的互聯(lián)。1.2 各組成部分功能 倉儲(chǔ)害蟲只能產(chǎn)生微弱的聲音,所以聲音傳感器探針應(yīng)該盡可能埋在糧食堆和害蟲的活動(dòng)區(qū)域，減少聲波信號(hào)通過電纜時(shí)的衰減，聲音傳感器探針應(yīng)與谷物堆外的傳感器節(jié)點(diǎn)通過同軸電纜連接來降低噪音。傳感器節(jié)點(diǎn)取得采樣結(jié)果并根據(jù)需求進(jìn)行處理之后將結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送給總節(jié)點(diǎn)。 總節(jié)點(diǎn)是每個(gè)子網(wǎng)的上層，不僅可以監(jiān)控傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀況，而且可以接受和存儲(chǔ)由傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)包傳輸?shù)絽R點(diǎn)。更重要的

6、是，頭結(jié)點(diǎn)可以接收到來自匯點(diǎn)的指令數(shù)據(jù)，并且按照指令來調(diào)整操作子網(wǎng)的運(yùn)行狀況。 匯點(diǎn)的功能與頭結(jié)點(diǎn)相似。它負(fù)責(zé)管理和頭結(jié)點(diǎn)之間的通訊并且監(jiān)控頭結(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀況。此外，它可以接受和存儲(chǔ)來自頭結(jié)點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)或是來自遠(yuǎn)程電腦的控制命令。通過解析用戶的控制指令，匯點(diǎn)可以上傳采樣數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和調(diào)節(jié)子網(wǎng)的工作參數(shù)。遠(yuǎn)程電腦是聲信號(hào)采集系統(tǒng)的控制中心，它與匯點(diǎn)通過串行電纜相連。電腦分析處理來自匯點(diǎn)的數(shù)據(jù)，除此之外它可以執(zhí)行來自用戶的控制指令，例如網(wǎng)絡(luò)檢測、拓?fù)洳樵?、操作參?shù)調(diào)整、故障診斷報(bào)警等。1.3硬件設(shè)計(jì) 圖一所示系統(tǒng)由數(shù)個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，一些總節(jié)點(diǎn)和一個(gè)匯點(diǎn)組成。頭結(jié)點(diǎn)和匯點(diǎn)沒有信號(hào)采集功能，只能視作傳

7、感器的節(jié)點(diǎn)。基于模塊化設(shè)計(jì)的思想，傳感器節(jié)點(diǎn)的配置如圖2所示：圖2配置傳感器節(jié)點(diǎn)板模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)硬件的核心。為了提高硬件性能和降低系統(tǒng)功耗，主板設(shè)計(jì)采用單片機(jī)PIC24FJ-128G210，該單片機(jī)運(yùn)行速度是64MHz，有128kb的閃存，和98kb的靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）。除此之外，我們擴(kuò)展了串行外圍接口（SPI），模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），RS232和其他的接口電路。無線通信模塊在傳感器節(jié)點(diǎn)、總節(jié)點(diǎn)和匯點(diǎn)之間建立了無線連接。我們選擇MRF24J40MA作為無線通信模塊，該模塊支持IEEE802.15.4和ZigBee協(xié)議。這個(gè)模塊包含很多參數(shù)，其中包括最大傳輸速度（250kb/s），工作頻段

8、（2.4GHz）,最大射頻輸入功率（-200mW）， 典型輸出功率(1mW)，輸出功率范圍(36dB),周傳輸距離(400m),電源(2.4-3.3V)等。此處無線通信模塊與主板模塊是通過模塊接口相連的。傳感器模塊主要是由電源轉(zhuǎn)換電路、低通濾波器、前置放大器和信號(hào)調(diào)節(jié)電路組成，其中電源轉(zhuǎn)換器，低通濾波器和前置放大器被集成在傳感器插入谷堆的探頭部分。傳感器探頭的頻率響應(yīng)范圍是10Hz-40Hz,靈敏度是12.5mV/Pa。除此之外,動(dòng)態(tài)范圍是15-162dB,電壓增益是60-100dB，電源是9 - 45V。每個(gè)傳感器模塊可以通過低噪同軸電纜連接到8個(gè)聲學(xué)傳感器探針,并且傳感器模塊可以通過模塊接

9、口連接到主板模塊。電源管理模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供了不同檔位的供能,并為傳感器節(jié)點(diǎn)提供參數(shù)來完成電池充電、電池保護(hù)、功率調(diào)節(jié)和其他功能。電源管理模塊主要由12 V鋰電池,電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS65010，參數(shù)監(jiān)控芯片BQ2052 ，電池保護(hù)芯片BQ29440,以及其他相應(yīng)的外圍電路組成。1.4節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)雖然功能的傳感器節(jié)點(diǎn),總節(jié)點(diǎn),和匯點(diǎn)不同,但是基本軟件運(yùn)行的硬件環(huán)境是相似的。節(jié)點(diǎn)處理軟件設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮軟件開發(fā)的困難,資源效率,和程序修改的困難,因此提出了一種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件結(jié)構(gòu),如圖3所示：圖.3網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)軟件是由一個(gè)核心程序和應(yīng)用程序組成。核心程序是為所有節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的公共程序,包括節(jié)點(diǎn)

10、硬件模塊驅(qū)動(dòng)程序，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC / OS - II 2.86,和能滿足IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧ZigBee2006 2.5，根據(jù)多任務(wù)操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序與節(jié)點(diǎn)函數(shù)密切相關(guān)，并且可以被視為具有不同優(yōu)先級(jí)的工作函數(shù)。在節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行過程中,如果出現(xiàn)某種觸發(fā)條件(如硬件中斷或系統(tǒng)狀態(tài)的變化,等等),核心程序?qū)⒄{(diào)用相應(yīng)的函數(shù)來完成特定的任務(wù),如信號(hào)采樣、數(shù)據(jù)處理和無線通信。2聲信號(hào)采集方法為了使用圖1所示的系統(tǒng),我們需要解決以下兩個(gè)問題8：(1)如何實(shí)現(xiàn)低功耗采集廣譜聲信號(hào),即如何減少傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗；(2)如何實(shí)現(xiàn)在有限帶寬下大量采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。要解決這些問題,我們基

11、于壓縮傳感理論提出一個(gè)新穎的聲信號(hào)采集算法?？紤]有限長的一維離散時(shí)間信號(hào)x，我們可以在一組標(biāo)準(zhǔn)正交基上擴(kuò)展如下:x是一個(gè)有限的一維離散時(shí)間信號(hào)，x Rn×1 ；是一組標(biāo)準(zhǔn)正交基， Rn×n ；z是x在標(biāo)準(zhǔn)正交基上的系數(shù)向量，zRn×1 ;n是信號(hào)長度。z0是z的10-范數(shù)。當(dāng)z中只有幾個(gè)項(xiàng)為零時(shí)稱其為稀疏向量。如果z中只有K個(gè)非零項(xiàng),則信號(hào)x可以稱為基于的k-稀疏向量9。在此基礎(chǔ)上,如果我們能夠構(gòu)建一個(gè)測量矩陣，Rm×n,它可以得到方程(2)，yRm×1。如果我們希望得到x的一個(gè)近似值,它需要解決11-范數(shù)的最優(yōu)化問題 (3)，即凸優(yōu)化問題,可

12、以很容易的簡化為線性規(guī)劃問題10，然后我們?cè)偈褂脙?nèi)點(diǎn)法，梯度投影法，匹配追蹤法來解決它11。假設(shè)是優(yōu)化問題的解決方案，然后我們可以得到方程(4)，再通過方程(5)計(jì)算出重構(gòu)誤差 由壓縮感傳感理論可知,當(dāng)x是抽樣數(shù)據(jù)時(shí)，方程(2)可以被視作采樣數(shù)據(jù)的壓縮,當(dāng)x是音頻信號(hào)時(shí)，方程(2)可以看作是隨機(jī)采樣的聲信號(hào)。隨機(jī)采樣過程12可以被看作是信號(hào)采樣和數(shù)據(jù)壓縮的結(jié)合。隨機(jī)采樣的關(guān)鍵是如何找到合理的隨機(jī)采樣時(shí)間序列，我們提出以下改進(jìn)的隨機(jī)抽樣方法：首先,根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)、存儲(chǔ)容量、重建錯(cuò)誤和其他因素來確定適當(dāng)?shù)牟蓸訒r(shí)窗Tsw的長度,我們可以通過為每個(gè)采樣窗口定義采樣時(shí)間ti來引用下列附加采樣過程。其中ti

13、為第i個(gè)樣本的時(shí)刻，i是采樣間隔。其中TSW是取樣時(shí)間窗口; 是采樣頻率; 是收斂因子; s是采樣時(shí)間變化的因素 。fss是香農(nóng)采樣的頻率,frs是隨機(jī)抽樣的頻率 N（a，b）是高斯隨機(jī)變量，a是的平均值，b是方差13 。根據(jù)稀疏矩陣維度，所述測量矩陣維度和信號(hào)重構(gòu)精度，對(duì)TSW，的值可以通過計(jì)算式（8）獲得，相應(yīng)的平均采樣周期可以由公式（9）確定。傳感器節(jié)點(diǎn)首先設(shè)置隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，隨機(jī)數(shù)種子，采樣時(shí)間窗，采樣頻率等參數(shù)，然后使用方程（7），通過計(jì)算隨機(jī)數(shù)和公式（6）來得到該隨機(jī)抽樣時(shí)間，這將用于設(shè)置并啟動(dòng)定時(shí)器中斷；當(dāng)定時(shí)器中斷到達(dá)時(shí)，所述信號(hào)采樣組件將開始進(jìn)行聲信號(hào)采樣，之后重復(fù)上述信號(hào)采集

14、的步驟；最后采樣數(shù)據(jù)被打包并且發(fā)送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。當(dāng)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)接收到的采樣數(shù)據(jù)分組時(shí)，它將調(diào)用預(yù)存的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，隨機(jī)數(shù)種子，采樣時(shí)間窗，采樣頻率，和其他參數(shù)來構(gòu)造合適的測量矩陣14，15，讀取相應(yīng)數(shù)量的隨機(jī)抽樣數(shù)據(jù),然后使用方程式(3)和(4)重建聲音信號(hào)，最后，分析和處理重建的聲音信號(hào)。3 實(shí)驗(yàn)3.1實(shí)驗(yàn)裝置我們選擇在杭州的一個(gè)糧食倉庫進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。我們將上文提到的算法用于這個(gè)聲音信號(hào)采集系統(tǒng)中對(duì)Tribolium castaneum Herbst（赤擬谷盜）成蟲爬行的聲音進(jìn)行采集。傳感器節(jié)點(diǎn)，匯點(diǎn)，和聲音傳感器探針分布如圖4所示，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)連接6個(gè)聲音傳感器探針，然后每個(gè)谷堆附近設(shè)置3

15、個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。還有一個(gè)額外的傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在糧食堆4（稱為測試傳感器節(jié)點(diǎn)），和節(jié)點(diǎn)以聲音傳感器探頭的方式相連。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的地址被認(rèn)為是隨機(jī)數(shù)種子，它將完成抽樣數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。是傅里葉變換矩陣,是高斯隨機(jī)矩陣,我們使用內(nèi)點(diǎn)方法來求解方程(3)。在方程(7)和(8)中，= 0.25,s = 2ms，fss = 8 kHz。參數(shù)包含N,M,Frs,tsw,其中是由實(shí)驗(yàn)確定的。圖4模擬試驗(yàn)系統(tǒng)3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果主要研究結(jié)果顯示在圖5-7。圖5表明，當(dāng)e是常數(shù)時(shí)，n值越大，m值越小?？紤]到資源的消耗，我們?cè)O(shè)定e =0. 5，n=1024，m =75，TSW=圖6（a）顯示出聲音信號(hào)的一個(gè)區(qū)段，并且

16、該段信號(hào)是被壓縮的，并通過所述無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。圖6（b）示出它是由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)重建的恢復(fù)數(shù)據(jù)。在兩個(gè)畫面顯示這兩個(gè)信號(hào)都沒有顯著差異。圖5聲信號(hào)尺寸和測量值尺寸的關(guān)系圖7表明，當(dāng)系統(tǒng)處于正常操作狀態(tài)時(shí)所有傳感器節(jié)點(diǎn)的丟包率每24小時(shí)不超過10。圖6和7示出的是：因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)具有較高的計(jì)算能力，大量的儲(chǔ)存空間，并借助高效率的數(shù)據(jù)壓縮算法，我們可以將大量數(shù)據(jù)交給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行事實(shí)處理。4結(jié)論在結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和壓縮傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上成功構(gòu)建了一種新的倉儲(chǔ)害蟲聲信號(hào)采集系統(tǒng)。前文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以有效地解決大量數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸和有限的網(wǎng)絡(luò)資源之間的矛盾,并能實(shí)現(xiàn)分散、無線、密集、和

17、實(shí)時(shí)的可靠傳輸聲信號(hào)功能。參考文獻(xiàn)1Shuman D，Weaver D K，Mankin R W Quantifying Larval Infestation with an Acoustical Sensor Array and Cluster Analysis of Cross- Correlation OutputsJApplied Acoustics，1997，50(4): 279- 2962Cullar D，Estrin D，Srivastava M Overview of Sensor NetworksJComputer， 2004， 37(8): 41- 493Feng X Qo

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25、Wireless sensor networks -無線傳感網(wǎng)絡(luò)Granary -谷倉Remote computer -遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)Zigbee wireless network -zigbee無線網(wǎng)絡(luò)Serial cable network -串行電纜網(wǎng)絡(luò)Sound sensor probe -聲音傳感器探頭Low-noise coaxial cable -降噪同軸電纜Sensor node -傳感器節(jié)點(diǎn)Zigbee wireless network-Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)Granary heap -糧倉堆Cluster head node -叢集頭結(jié)點(diǎn)Cluster subnet -群集子網(wǎng)

26、 Fig.2Power management module-電源管理模塊Charging circuit-充電電路Power protection circuit-電源保護(hù)電路12VDC Lithium battery -12VDC鋰電池Power supply voltage conversion circuit-電源電壓變換電路Detection circuit-檢測電路Wireless communication module-無線通信模塊MRF24J40MASound sensor probe-聲音傳感器探頭Sensor module-傳感器模塊Sound sensor probe-聲

27、音傳感器探頭Preamplifier-前置放大器Low-pass filter-低通濾波器Acoustoelectric conversion-聲電轉(zhuǎn)換Analog switches-模擬開關(guān)Signal conditioning circuit-信號(hào)調(diào)解電路Power management module interface-電源管理模塊接口Real-time clock-實(shí)時(shí)時(shí)鐘Rs232 interface-RS232接口Sensor module interface-傳感器模塊接口16-bit low-power microproccssor pic24fj128GB210 -16位低功

28、耗微處理器PICFJ128GB120Wireless communication module interface -無線通信模塊接口Eeprom memory-只讀存儲(chǔ)器JTAG interface -JTAG接口System monitoring circuit-系統(tǒng)監(jiān)控電路Motherboard module-主板模塊Fig.3Wireless network communication-無線網(wǎng)絡(luò)通信Data packet sending-數(shù)據(jù)包發(fā)送Data packet receiving-數(shù)據(jù)包接收Memory management-內(nèi)存管理Serial communication management-串行通信管理Control instructions analysis-控制指令分析System state detection-系統(tǒng)狀態(tài)檢測Real-time operating system-實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Zi