節(jié)能型雙頻段無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

黃德昌，萬 晶，張智翀，許文淵，劉海文

（華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院，江西南昌 330013）

節(jié)能型雙頻段無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

黃德昌，萬 晶，張智翀，許文淵，劉海文

（華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院，江西南昌 330013）

針對市場上對兼容多頻段無線監(jiān)控系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套節(jié)能型雙頻段無線監(jiān)控系統(tǒng)，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)新型結(jié)構(gòu)的帶通濾波器和混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了論述分析，給出了在工程中實(shí)用的設(shè)計(jì)方法，其測試結(jié)果顯示該系統(tǒng)可有效的應(yīng)用于無線視頻監(jiān)控中。

節(jié)能型；雙頻段；無線監(jiān)控系統(tǒng)；混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)；濾波器

隨著信息化時(shí)代的到來，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，圖像處理技術(shù)與通信技術(shù)飛速發(fā)展，極大的推動(dòng)了監(jiān)控技術(shù)的不斷發(fā)展與更新。利用視頻圖像技術(shù)對重要對像進(jìn)行監(jiān)控，己經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代生活中必不可少的一部分。然而，隨著近年來無線局域網(wǎng)的廣泛使用，市場上呈現(xiàn)多種無線標(biāo)準(zhǔn)共存的局面，同時(shí)也對兼容多頻段多協(xié)議的監(jiān)控器需求顯得愈發(fā)迫切。但是市場上以及研究主要以單頻段無線設(shè)備為主[1-2]，且隨著降低成本的要求和各供應(yīng)商之間的激烈競爭，采用多套獨(dú)立系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對多標(biāo)準(zhǔn)兼容的方法己經(jīng)顯得過時(shí)。無線設(shè)備能夠兼容多種工作模式，同時(shí)工作于多個(gè)頻段成為一種有效的解決方案，于是無線射頻領(lǐng)域的多頻段技術(shù)研究引起了人們的廣泛關(guān)注。

本文在大力倡導(dǎo)節(jié)能減排的背景下，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了工作在兩個(gè)頻段的無線視頻監(jiān)視系統(tǒng)，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)帶通濾波器和混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了論述。經(jīng)過設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試設(shè)計(jì)出的節(jié)能型雙頻段無線系統(tǒng)可有效的應(yīng)用于實(shí)際視頻監(jiān)控中。

1 射頻收發(fā)機(jī)概述

在現(xiàn)在高度成熟的數(shù)模、模數(shù)變換器技術(shù)和數(shù)字技術(shù)條件下，收發(fā)機(jī)的性能主要由其射頻前端來決定。發(fā)射機(jī)射頻部分的任務(wù)是完成基帶信號對載波的調(diào)制，將其變?yōu)橥◣盘柌嵋频剿枰念l段上并以足夠的功率發(fā)射出去，其原理如圖1（a）所示。發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號則是處于某一信道內(nèi)的高頻大功率信號，應(yīng)盡量減少對其他相鄰信道的干擾[3-4]。

接收機(jī)的射頻部分設(shè)計(jì)，如圖1（b）所示。接收機(jī)要從眾多的射頻信號中選出有用信號，并放大到解調(diào)器所要求的電平值后再由解調(diào)器解調(diào)，將射頻信號變?yōu)榛鶐盘?。由于傳輸路徑上的損耗和多徑效應(yīng)，接收機(jī)接收的信號是微弱且變化的，并伴隨著許多干擾。

2 節(jié)能型雙頻段無視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文將不同頻段接收機(jī)的前端帶通濾波器集成，且在發(fā)射端采用了節(jié)能型太陽能供電。如圖2所示，在系統(tǒng)框圖的接收機(jī)部分，射頻信號經(jīng)由天線接收，通過分路器后分別進(jìn)入1.2 GHz和2.4 GHz帶通濾波器，從而選出有用信號。其后的接收模塊由低噪聲放大器、解調(diào)器、匹配電路等射頻器件組成，射頻信號經(jīng)過解調(diào)后變?yōu)榛鶐盘?，兩路基帶信號再通過中頻處理模塊處理后便可顯示在監(jiān)視器上。為了節(jié)能環(huán)保，在發(fā)射機(jī)端采用混合型光伏發(fā)電，有光照時(shí)由太陽能蓄電，當(dāng)蓄電池儲(chǔ)量不足時(shí)，可以啟動(dòng)備用電池電源。備用電源既可以直接給交流負(fù)載供電，又可以經(jīng)整流器后給蓄電池充電。

3 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與仿真

為了保證系統(tǒng)的性能，需要對無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和詳細(xì)仿真，主要核心部件包括：帶通濾波器和光伏發(fā)電系統(tǒng)。下面就這些部件具體說明。

3.1 新型的帶通濾波器設(shè)計(jì)

缺陷地波導(dǎo)（DGW）是刻蝕在接地面上的具有帶通特性的新型結(jié)構(gòu)，在我們先前的研究中[5-6]，DGW結(jié)構(gòu)可有效的應(yīng)用于濾波器設(shè)計(jì)中。為了有效地過濾從天線接收到的射頻信號，我們引入了一個(gè)分路器將信號分為兩路，再分別通過兩個(gè)缺陷地波導(dǎo)（DGW）濾波器，其中一個(gè)濾波器只允許1.2 GHz信號通過，另一個(gè)濾波器只允許2.4 GHz信號通過。其中工作于1.2 GHz的DGW濾波器結(jié)構(gòu)圖如圖3（a）所示，上層為微帶輸入輸出饋線，下層接地面為一對螺旋形DGW諧振器，該濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，相對帶寬為28%，如圖3（b）所示。另一個(gè)工作于2.4 GHz的DGW濾波器結(jié)構(gòu)圖如圖4（a）所示，上層為微帶輸入輸出饋線，下層接地面刻蝕有三個(gè)發(fā)夾形[7]DGW諧振器，采用三個(gè)發(fā)夾形諧振器可有效地展寬帶寬，頻率響應(yīng)結(jié)果中相對帶寬為15%，如圖4（b）所示。

3.2 混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽能的開發(fā)利用主要有光熱利用、光伏利用、光化學(xué)利用等幾種形式。以太陽能電池技術(shù)為核心的太陽能光伏發(fā)電，成為太陽能開發(fā)利用中最主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。傳統(tǒng)獨(dú)立供電式的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)[8]由太陽能電池板、控制器、蓄電池等組成，如圖5（a）所示。根據(jù)負(fù)載的需要，當(dāng)發(fā)電量大于負(fù)載時(shí)，太陽能電池通過充電器對蓄電池充電，當(dāng)發(fā)電量不足時(shí)，太陽能電池和蓄電池同時(shí)對負(fù)載供電。

本無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用的是混合型光伏發(fā)電，通過切換開關(guān)可以使太陽能與220 V轉(zhuǎn)12 V的電源交替供電。如圖5（b）所示，太陽能板接收太陽能并轉(zhuǎn)換為電能，發(fā)出的電能經(jīng)控制器轉(zhuǎn)換成蓄電池和負(fù)載需要的電能。當(dāng)光伏電池發(fā)出的電能多于負(fù)載用電量時(shí)，會(huì)將多余的電能儲(chǔ)存在蓄電池中，以備供晚上或陰雨天氣時(shí)使用；當(dāng)光伏陣列發(fā)電不足或蓄電池儲(chǔ)量不足時(shí)，可以通過切換開關(guān)啟動(dòng)備用電源，直接給無線發(fā)射機(jī)供電。

4 測試結(jié)果

依據(jù)上述理論和仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)電路，制作出節(jié)能型雙頻段無線射頻監(jiān)控系統(tǒng)，并對射頻指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)測試，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合的較好。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用測試結(jié)果如圖6。在空曠地進(jìn)行測量時(shí)，信號可接收距離達(dá)450 m，2.4 GHz頻段信號較清晰。在測樓層垂直高度時(shí)，信號可接收距離達(dá)40 m，此時(shí)1.2 GHz頻段信號較清晰。接收機(jī)的同功率不同頻率致使信號的發(fā)射距離和穿透力不同。

5 結(jié)論

經(jīng)過設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試，研制出節(jié)能型雙頻段無線射頻監(jiān)控系統(tǒng)。采用該方案，從用戶角度考慮，多種頻段接收機(jī)在不同環(huán)境下性能各有特點(diǎn)，綜合使用可提高無線監(jiān)控設(shè)備使用性價(jià)比，同時(shí)又能節(jié)電環(huán)保。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，多頻段無線監(jiān)控系統(tǒng)在無線多媒體通信等領(lǐng)域會(huì)有廣泛的應(yīng)用前景。

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[8]嚴(yán)忠.無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究和開發(fā)[D].北京：華北電力大學(xué)，2008.

Energy-efficient and Dual-band Wireless RF Surveillance System

Huang Dechang，Wan Jing，Zhang Zhichong，Xu Wenyuan，Liu Haiwen
（School of Information Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Aiming at the market demands of the compatible multi-band wireless surveillance system，a set of energy-saving dual-band wireless RF surveillance system is designed and implemented.Realization of key technology including novel band-pass filter and mixed photovoltaic power system are discussed，the practical design method in engineering is given.The testing results show that the system can be effectively applied in practical monitoring.

energy-saving；dual-band；wireless surveillance system；mixed photovoltaic power system；filter

TN454

A

1005-0523（2011）03-0088-04

2011-04-15

江西省教育廳科研基金重點(diǎn)科技項(xiàng)目（GJJ10020）；江西省科技廳自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（2009GQS0018）；2010年江西省對外科技合作項(xiàng)目（2010EHA01600）

黃德昌（1983－），男，研究方向?yàn)樯漕l微波電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用。