如何实现小型无线视频传感器的设计

随着单片机技术的迅速发展，小型CMOS图像传感器和数字摄像技术的不断改进，造就了新一代无线图像传感器，这是一种小型化（体积不到一立方寸）、高度集成的自主成像器，它可以有效、经济地感知环境，实现无线遥测图像。本论文所设计的用于无线传感网络的分布式成像系统，可广泛应用于视频监控、医疗和化学分析、货物跟踪和仓库管理等领域。

目前市场上有多种CCD、CMOS成像仪以及集成的小型摄像机。尽管CCD具有较高的信噪比和良好的图像质量，但CMOS具有SoC集成、低工作电流、低成本、低功耗等优点，非常适合无线网络应用。图像采集系统主要包括象素阵列、时序威廉希尔官方网站 、模拟调理威廉希尔官方网站 、A/D、DSP和数字接口威廉希尔官方网站 。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威廉希尔官方网站 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。

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430MHzISM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，电感线圈等效威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 。

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。天线可直接印制在威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 板，εr约为4.5，2.5GHz半波偶极天线的印制线长度为30mm。

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~1000MHzISM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。

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。作为一种新生的半导体器件，CMOS以其自身的特点表现出了极大的优势和潜力，这种潜力将在不久的未来进一步得到发挥。