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前言
單片無線電技術的飛速發(fā)展，小型CMOS圖像傳感器和數(shù)字攝像技術的改進，造就了新一代無線圖像傳感器，即一種小型化(體積不足一立方寸)、自主的、高集成的成像器一種能高效，經(jīng)濟地感知環(huán)境，無線遙測圖像的傳感器。本文介紹的分布無線傳感器網(wǎng)絡用的成像器，可廣泛地應用于視頻監(jiān)控，醫(yī)學與化學分析，貨物跟蹤以及倉庫控制等領域。
圖像傳感器
市場上已有多種CCD與CMOS成像器和集成小型攝像機。雖然CCD有較高的信噪比，良好的圖像質(zhì)量，但CMOS有可能SoC集成，工作電流小，是一種低成本，低功耗器件，非常適合無線網(wǎng)絡應用。典型的圖像SoC包括像素陣列，定時電路，模擬調(diào)理電路，A/D、DSP與數(shù)字接口電路。片上DSP主要用于圖像壓縮，如JPEG，同時亦具備實時與運動圖像的能力。DSP還可以對圖像流數(shù)據(jù)進行處理。
本文使用的MT9D111是一個商品化、高品質(zhì)JPEG成像器，它的主要特性如表1所示。該款產(chǎn)品是以Digitalclanity技術為特色，不但把2百萬像素傳感器內(nèi)核和新一代圖像處理器集成在一塊單片電路上，而且能耗極低。雖然它的像素只有2.8mm見方，但內(nèi)部處理器可以執(zhí)行一系列修正和增強功能，如整體復位、像素整合、色彩的還原與修正、銳化、gamma修正以及自動暗電流偏移修正、曝光、白平衡、透鏡暗電流修正和防閃光等，突破了像素越小，高品質(zhì)成像效果越難實現(xiàn)的難題。
天線
對無線傳感器來說，天線是一個重要部件，設計一種小型化(其幾何尺寸僅為波長的十分之一)而又有較高輻射效率的天線無疑是一個十分棘手的事。大家知道，常用的430MHz ISM頻段的波長為700mm，920MHz時，波長為300mm，只有到2.4GHz，波長才會減少到合適程度。
簡單地說，天線是一個L、C并聯(lián)諧振回路，電感用作輻射元件，諧振回路有一空損耗的，一般用Q=ωoL/R來表示，無線的有荷Q值在10~40之間。因此，電感線圈等效電路用一個純電感L與損耗電阻R和輻射電阻Rrad串聯(lián)來表示，Rrad近似地為：
Rrad≈20×(2π/λ)4×(NA)2
式中，λ為波長，A為線圈的面積，N為圈數(shù)。
設計一個小型化天線應考慮如下因素：
·天線必須工作在或接近諧振頻率，否則會大幅度降低效率。
·輻射效率與天線面積成平方關系。
·為了降低天線阻擾，應設置阻抗變換或匹配電路。
小型天線多采用變形的半波偶極天線，常見的有F形天線和環(huán)形天線。天線可直接印制在電路板上，也有現(xiàn)成的片式介質(zhì)天線(2mm×5mm)，主要用于頻率高于2.5GHz場合。以圖1的環(huán)形天線為例，在900GHz時，5mm見方天線的增益約為-20dBm，可見輻射效率僅為1%，也就是說，1mw功率僅能產(chǎn)生-20dBm的輻射功率。隨著頻率的提高，波長自然縮短，天線的尺寸問題容易解決。如對Fr-4電路板，εr約為4.5，2.5GHz半波偶極天線的印制線長度為30mm。
片上收發(fā)器
片上集成無線電技術進展神速。多家公司，如Micrel、Atmel、Motorola、Chipcon、Microchip、Nordic等都已有了標準的解決方案。最佳方案是已內(nèi)置處理器/控制器和調(diào)制解調(diào)器，以解決較復雜的編程、網(wǎng)絡化和控制問題。這類器件使用CMOS或BiCMOS(0.18m~0.25m)工藝。
無線收發(fā)器的方框圖如圖2所示，它采用晶體驅(qū)動的PLL來產(chǎn)生TX或RX用的RF信號。輸出功率較大時可增加PA級，這時應啟用功率控制和無線接口。多數(shù)器件使用ASK(開-關)調(diào)制或FSK(GMSK)調(diào)制，速率在10~1000kb/s。這類器件幾乎都是軟件產(chǎn)品，僅需少量外部元件。
器件的發(fā)射電流在10~25mA (900~2500MHz頻段)，接收電流在10~20mA范圍，晶振電流約為200mA。輸出電流在低于1GHz可達10dBm，高頻帶時降為0dBm。
發(fā)射器鏈使用PLL來產(chǎn)生所需的RF信號，允許快速的跳頻，進行信號調(diào)制。由于PLL是寬帶的，很難實現(xiàn)VCO的直接調(diào)制，有兩種可行的解決方案。第一種是間歇性調(diào)制，由于多數(shù)發(fā)射是短數(shù)據(jù)包，在發(fā)射期間可切斷環(huán)路，進行VCO直接調(diào)制，但因開環(huán)期間載波會漂移，因而必須將漂移控制在允許的范圍內(nèi)。第二種是使用環(huán)內(nèi)結合環(huán)外更復雜的設計。
在接收方式，使用同一個PLL將信號下變頻至1MHz基帶，基帶信號由數(shù)字調(diào)制解調(diào)器處理。這種無線電通常適用300MHz~1000MHz ISM頻段。
在收發(fā)器中，VCO是一個重要部件，圖2的L1與L2是連接外部電感線圈的端口。在FM—FSK或PSK調(diào)制場合，相位噪聲要求諧振器的Q值至少應大于10。而環(huán)形線圈振蕩器的低Q值，使相位噪聲性能較差，在900MHz時，對100KHz偏移值，典型的相位噪聲值僅限于-85dBc/Hz。L、C振蕩器能改善15-20dB。在發(fā)射功率有限時，VCD電感也可用作無線。
電源
目前，對無線視頻網(wǎng)絡節(jié)點來說，電源是還待解決的難題。最佳的候選是鋰電池，一個1寸長、15mm直徑的電池(例如標準的CR2型)產(chǎn)生3V電壓，近1000mAh容量。絕大多數(shù)用戶希望傳感器網(wǎng)絡能工作幾年而不必更換電池，這就得使用體積更大的堿性或鋅-空氣電池，更先進的生物電池尚在研制中。
結語
為了提高生產(chǎn)力、增加保密性，無線傳感器技術和產(chǎn)品具有極大的發(fā)展?jié)摿Α５统杀竞托⌒突瘓D像傳感器也是可行的，有實際使用價值。對多種應用來說，“視覺”是十分渴望的“感覺器官”，能廣泛應用于戰(zhàn)場、廠房和倉庫等處。
