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、时序电路、模拟调理电路、A/D、DSP和数字接口电路。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。

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。