CN110244612A - 一种基于化学扩散机理的二元数字通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于化学扩散机理的二元数字通信系统，包括以下几个部分：1)通信系统的发送端，包括了蠕动泵与STM32单片机，单片机蠕动泵0，1用来泵出酸碱性液体代表比特0与比特1，2)通信系统的信道，使用蠕动泵2持续泵出清水使信道中液体不断流动3)通信系统的接收端，使用pH电极进行数据采集，然后由单片机采样并且把数据发送到上位机进行通信同步与信号检测。该系统很好地模拟了人体内进行分子通信的环境与过程，并且成本较低，可以以较低成本在该实验系统上完成分子通信的算法研究与验证。

Description

一种基于化学扩散机理的二元数字通信系统

技术领域

本发明涉及通信系统技术领域，特别涉及一种基于化学扩散机理的二元数字通信系统。

背景技术

随着信息通信技术应用领域的不断扩展，大量新型的通信系统纷纷涌现，例如：水声通信、分子通信、太赫兹通信等，在这些新兴通信系统中，分子通信有着良好的应用前景。随着科技与社会的发展，生物科技的越来越被人们所重视，那么分子通信就是生物科技中的重要一环。在生物科技领域内，人们可以使用体内传感器进行疾病的检测与监控，或者使用体内医疗设备进行精准地治疗，那么为了控制这些体内设备或者获取体内设备所采集到地信息，就需要这些体内设备与外界进行通信，但是在人体这样的复杂环境内部，不能使用传统的无线通信，所以就需要这些设备先与位于皮肤表层的通信设备进行分子通信，然后再通过皮肤表层的通信设备进行无线通信。但是，为了研究分子通信的编解码，信号检测，调制解调等问题，如果使用实际的人体环境进行实验成本太大，并且不符合伦理，所以，设计一种用于算法研究与验证的模拟人体分子通信的通信系统就很有必要。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于化学扩散机理的二元数字通信系统，使用实验系统对分子通信的算法进行研究与验证，该系统模拟了人体血管与体内的流通环境，对于分子通信系统的算法研究与验证有着重要的意义。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于化学扩散机理的二元数字通信系统，该系统的硬件包含三个蠕动泵，编号分别为0，1，2，一个以STM32F103微控制器为核心的单片机，软管，pH电极，pH流通池，后置电路模块，一个Renesas SK-S7G2单片机以及上位机，所述的pH流通池通过软管分别与酸池、碱池和水池相连，所述的酸池、碱池和水池上的软管分别设置有蠕动泵0、蠕动泵1和蠕动泵2，pH流通池与废液池相连通；该通信系统包括以下部分：

1)通信系统的发送端，该系统为二元数字通信系统，发送端发送的符号为比特0或者比特1，使用以STM32F103微控制器为核心的单片机进行符号的发送，单片机的串口模块连接蠕动泵，在进行通信之前，首先要进行通信同步，同步之后在通信的过程中，当发送比特0时，蠕动泵0向软管内泵入特定体积的酸性溶液，当发送比特1时，蠕动泵1向软管内泵入特定体积的碱性溶液；

2)通信系统的信道，为基于化学扩散机理的流通信道，由软管和蠕动泵2组成，在通信过程中，蠕动泵2持续地以一个恒定的速度往软管内泵入清水，使软管内的液体一直处于流通状态；

3)通信系统的接收端，该接收端由pH流通池，pH电极以及Renesas SK-S7G2单片机组成，pH流通池与软管连接，pH电极放置于pH流通池内，在通信过程中，pH电极采集到的电信号输入后置电路模块中，经过放大分压后输入Renesas SK-S7G2单片机的ADC模块进行采样，然后把采样数据通过单片机的WiFi模块发送给上位机，通过上位机的人机交互界面软件进行通信同步与信号检测。

所述的步骤1)中通信同步方法包括以下步骤：

1)通信系统的发送端在通信同步开始的时候让泵0持续泵出1s的酸性溶液，然后间隔10s，再让泵1持续泵出1s的碱性溶液，然后再间隔10s。

2)通信系统接收端的上位机的人机交互界面软件如果检测到了连续10个pH数据的减小，则让标志位acid_flag置为1，过10s之后如果再检测到连续10个pH值的增大的话就让标志位base_flag置为1，两个标志位都置为1的时候同步就完成。

所述的步骤3)中通信同步方法包括以下步骤：

1)通信系统的发送端在通信同步开始的时候让泵0持续泵出1s的酸性溶液，然后间隔10s，再让泵1持续泵出1s的碱性溶液，然后再间隔10s。

2)通信系统接收端的上位机的人机交互界面软件如果检测到了连续10个pH数据的减小，则让标志位acid_flag置为1，过10s之后如果再检测到连续10个pH值的增大的话就让标志位base_flag置为1，两个标志位都置为1的时候同步就完成。

本发明的有益效果：

本发明所述的一种基于化学扩散机理的二元数字通信系统，使用了蠕动泵0，1来泵出酸碱性液体代表比特0与比特1，使用蠕动泵2持续泵出清水使信道中液体不断流动，并且在接收端使用ph电极进行数据采集，然后由单片机采样并且把数据发送到上位机进行通信同步与信号检测。该系统很好地模拟了人体内进行分子通信的环境与过程，并且成本较低，可以以较低成本在该实验系统上完成分子通信的算法研究与验证。

附图说明

图1为一种基于化学扩散机理的二元数字通信系统的系统框图。

图2为发送端STM32单片机软件流程图。

图3为化学信道结构示意图。

图4为接收端Renesas SK-S7G2单片机软件流程图。

图5为人机交互界面软件界面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明所述一种基于化学扩散机理的二元数字通信系统，该系统的硬件包含三个蠕动泵，编号分别为0，1，2，一个以STM32F103微控制器为核心的单片机，软管，pH电极，pH流通池，后置电路模块，一个Renesas SK-S7G2单片机以及上位机，其中图1为通信系统实物图，该通信系统包括以下部分：

1)通信系统的发送端，该系统为二元数字通信系统，发送端发送的符号为比特0或者比特1，使用以STM32F103微控制器为核心的单片机进行符号的发送，单片机的串口模块连接蠕动泵，单片机的软件流程图如图2所示。在进行通信之前，首先要进行通信同步，同步之后在通信的过程中，当发送比特0时，蠕动泵0向软管内泵入特定体积的酸性溶液，当发送比特1时，蠕动泵1向软管内泵入特定体积的碱性溶液。

2)通信系统的信道，为基于化学扩散机理的流通信道，由软管和蠕动泵2组成，信道的结构示意图如图3所示。在通信过程中，蠕动泵2持续地以一个恒定的速度往软管内泵入清水，使软管内的液体一直处于流通状态。

3)通信系统的接收端，该接收端由pH流通池，pH电极以及Renesas SK-S7G2单片机组成。pH流通池与软管连接，pH电极放置于pH流通池内。在通信过程中，pH电极采集到的电信号输入后置电路模块中，经过放大分压后输入Renesas SK-S7G2单片机的ADC模块进行采样，然后把采样数据通过单片机的WiFi模块发送给上位机。Renesas SK-S7G2单片机的软件流程图如图4所示。上位机通过人机交互界面软件进行通信同步与信号检测。人机交互界面软件的界面图如图5所示。

上述1)部分以及3)部分所述的通信同步方法包括以下步骤：

1)通信系统的发送端在通信同步开始的时候让泵0持续泵出1s的酸性溶液，然后间隔10s，再让泵1持续泵出1s的碱性溶液，然后再间隔10s。

2)通信系统接收端的上位机的人机交互界面软件如果检测到了连续10个pH数据的减小，则让标志位acid_flag置为1，过10s之后如果再检测到连续10个pH值的增大的话就让标志位base_flag置为1，两个标志位都置为1的时候同步就完成。

Claims (3)

1.一种基于化学扩散机理的二元数字通信系统，其特征在于，该系统的硬件包含三个蠕动泵，编号分别为0，1，2，一个以STM32F103微控制器为核心的单片机，软管，pH电极，pH流通池，后置电路模块，一个Renesas SK-S7G2单片机以及上位机，所述的pH流通池通过软管分别与酸池、碱池和水池相连，所述的酸池、碱池和水池上的软管分别设置有蠕动泵0、蠕动泵1和蠕动泵2，pH流通池与废液池相连通；

该通信系统包括以下部分：

1)通信系统的发送端，该系统为二元数字通信系统，发送端发送的符号为比特0或者比特1，使用以STM32F103微控制器为核心的单片机进行符号的发送，单片机的串口模块连接蠕动泵，在进行通信之前，首先要进行通信同步，同步之后在通信的过程中，当发送比特0时，蠕动泵0向软管内泵入特定体积的酸性溶液，当发送比特1时，蠕动泵1向软管内泵入特定体积的碱性溶液；

2)通信系统的信道，为基于化学扩散机理的流通信道，由软管和蠕动泵2组成，在通信过程中，蠕动泵2持续地以一个恒定的速度往软管内泵入清水，使软管内的液体一直处于流通状态；

3)通信系统的接收端，该接收端由pH流通池，pH电极以及Renesas SK-S7G2单片机组成，pH流通池与软管连接，pH电极放置于pH流通池内，在通信过程中，pH电极采集到的电信号输入后置电路模块中，经过放大分压后输入Renesas SK-S7G2单片机的ADC模块进行采样，然后把采样数据通过单片机的WiFi模块发送给上位机，通过上位机的人机交互界面软件进行通信同步与信号检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于化学扩散机理的二元数字通信系统，其特征在于，所述的步骤1)中通信同步方法包括以下步骤：

1)通信系统的发送端在通信同步开始的时候让泵0持续泵出1s的酸性溶液，然后间隔10s，再让泵1持续泵出1s的碱性溶液，然后再间隔10s；

2)通信系统接收端的上位机的人机交互界面软件如果检测到了连续10个pH数据的减小，则让标志位acid_flag置为1，过10s之后如果再检测到连续10个pH值的增大的话就让标志位base_flag置为1，两个标志位都置为1的时候同步就完成。

3.根据权利要求1所述的一种基于化学扩散机理的二元数字通信系统，其特征在于，所述的步骤3)中通信同步方法包括以下步骤：

1)通信系统的发送端在通信同步开始的时候让泵0持续泵出1s的酸性溶液，然后间隔10s，再让泵1持续泵出1s的碱性溶液，然后再间隔10s；

2)通信系统接收端的上位机的人机交互界面软件如果检测到了连续10个pH数据的减小，则让标志位acid_flag置为1，过10s之后如果再检测到连续10个pH值的增大的话就让标志位base_flag置为1，两个标志位都置为1的时候同步就完成。