小型无线视频传感器设计

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      前言

       单片无线电技术的飞速发展,小型CMOS图像传感器和数字摄像技术的改进,造就了新一代无线图像传感器,即一种小型化(体积不足一立方寸)、自主的、高集成的成像器一种能高效,经济地感知环境,无线遥测图像的传感器。

        本文介绍的分布无线传感器网络用的成像器,可广泛地应用于视频监控,医学与化学分析,货物跟踪以及仓库控制等领域。
 
  图像传感器

  市场上已有多种CCD与CMOS成像器和集成小型摄像机。虽然CCD有较高的信噪比,良好的图像质量,但CMOS有可能SoC集成,工作电流小,是一种低成本,低功耗器件,非常适合无线网络应用。典型的图像SoC包括像素阵列,定时电路,模拟调理电路,A/D、DSP与数字接口电路。片上DSP主要用于图像压缩,如JPEG,同时亦具备实时与运动图像的能力。DSP还可以对图像流数据进行处理。

  本文使用的MT9D111是一个商品化、高品质JPEG成像器,它的主要特性如表1所示。该款产品是以Digitalclanity技术为特色,不但把2百万像素传感器内核和新一代图像处理器集成在一块单片电路上,而且能耗极低。虽然它的像素只有2.8mm见方,但内部处理器可以执行一系列修正和增强功能,如整体复位、像素整合、色彩的还原与修正、锐化、gamma修正以及自动暗电流偏移修正、曝光、白平衡、透镜暗电流修正和防闪光等,突破了像素越小,高品质成像效果越难实现的难题。
  
  天线

  对无线传感器来说,天线是一个重要部件,设计一种小型化(其几何尺寸仅为波长的十分之一)而又有较高辐射效率的天线无疑是一个十分棘手的事。大家知道,常用的430MHz ISM频段的波长为700mm,920MHz时,波长为300mm,只有到2.4GHz,波长才会减少到合适程度。

  简单地说,天线是一个L、C并联谐振回路,电感用作辐射元件,谐振回路有一空损耗的,一般用Q=ωoL/R来表示,无线的有荷Q值在10~40之间。因此,电感线圈等效电路用一个纯电感L与损耗电阻R和辐射电阻Rrad串联来表示,Rrad近似地为:

  Rrad≈20×(2π/λ)4×(NA)2

  式中,λ为波长,A为线圈的面积,N为圈数。

  设计一个小型化天线应考虑如下因素:

  ·天线必须工作在或接近谐振频率,否则会大幅度降低效率。

  ·辐射效率与天线面积成平方关系。

  ·为了降低天线阻扰,应设置阻抗变换或匹配电路。

  小型天线多采用变形的半波偶极天线,常见的有F形天线和环形天线。天线可直接印制在电路板上,也有现成的片式介质天线(2mm×5mm),主要用于频率高于2.5GHz场合。以图1的环形天线为例,在900GHz时,5mm见方天线的增益约为-20dBm,可见辐射效率仅为1%,也就是说,1mw功率仅能产生-20dBm的辐射功率。随着频率的提高,波长自然缩短,天线的尺寸问题容易解决。如对Fr-4电路板,εr约为4.5,2.5GHz半波偶极天线的印制线长度为30mm。

  片上收发器

  片上集成无线电技术进展神速。多家公司,如Micrel、Atmel、Motorola、Chipcon、Microchip、Nordic等都已有了标准的解决方案。

        最佳方案是已内置处理器/控制器和调制解调器,以解决较复杂的编程、网络化和控制问题。这类器件使用CMOS或BiCMOS(0.18m~0.25m)工艺。

  无线收发器的方框图如图2所示,它采用晶体驱动的PLL来产生TX或RX用的RF信号。输出功率较大时可增加PA级,这时应启用功率控制和无线接口。多数器件使用ASK(开-关)调制或FSK(GMSK)调制,速率在10~1000kb/s。这类器件几乎都是软件产品,仅需少量外部元件。

  器件的发射电流在10~25mA (900~2500MHz频段),接收电流在10~20mA范围,晶振电流约为200mA。输出电流在低于1GHz可达10dBm,高频带时降为0dBm。

  发射器链使用PLL来产生所需的RF信号,允许快速的跳频,进行信号调制。由于PLL是宽带的,很难实现VCO的直接调制,有两种可行的解决方案。第一种是间歇性调制,由于多数发射是短数据包,在发射期间可切断环路,进行VCO直接调制,但因开环期间载波会漂移,因而必须将漂移控制在允许的范围内。第二种是使用环内结合环外更复杂的设计。

  在接收方式,使用同一个PLL将信号下变频至1MHz基带,基带信号由数字调制解调器处理。这种无线电通常适用300MHz~1000MHz ISM频段。

        在收发器中,VCO是一个重要部件,图2的L1与L2是连接外部电感线圈的端口。在FM—FSK或PSK调制场合,相位噪声要求谐振器的Q值至少应大于10。而环形线圈振荡器的低Q值,使相位噪声性能较差,在900MHz时,对100KHz偏移值,典型的相位噪声值仅限于-85dBc/Hz。L、C振荡器能改善15-20dB。在发射功率有限时,VCD电感也可用作无线。
  
  电源

        目前,对无线视频网络节点来说,电源是还待解决的难题。最佳的候选是锂电池,一个1寸长、15mm直径的电池(例如标准的CR2型)产生3V电压,近1000mAh容量。绝大多数用户希望传感器网络能工作几年而不必更换电池,这就得使用体积更大的碱性或锌-空气电池,更先进的生物电池尚在研制中。
  
  结语

       为了提高生产力、增加保密性,无线传感器技术和产品具有极大的发展潜力。低成本和小型化图像传感器也是可行的,有实际使用价值。对多种应用来说,“视觉”是十分渴望的“感觉器官”,能广泛应用于战场、厂房和仓库等处。

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