小型无线视频传感器设计

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。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。

　　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。