高靈敏度無線傳感網(wǎng)絡射頻前端控制系統(tǒng)設計

王薇

（邯鄲學院，河北 邯鄲 056005）

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，智能手機已經(jīng)深入人們的生活，智能手機與連線手機最重要的區(qū)別就是無線通信和有線通信，傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡射頻前端對于信號的接收和發(fā)送存在一定的障礙，在一些地方就接收不到信號。無線傳感網(wǎng)絡是一種收集外界通信信息的分布式傳感網(wǎng)絡，包括射頻前端、射頻收發(fā)、基帶信號處理器三大模塊，其中射頻前端是無線傳感網(wǎng)絡的核心，主要任務是完成信號的接收與發(fā)送[1-3]。傳統(tǒng)的射頻前端對于外界信號不能全部收集到，為了提高射頻前端對外界信號的靈敏度，本文設計無線傳感網(wǎng)絡射頻前端控制系統(tǒng)。

1 射頻前端控制系統(tǒng)硬件設計

射頻前端控制系統(tǒng)的硬件部分是提高無線傳感網(wǎng)絡對感知信號靈敏度的關鍵，只有較高的硬件設備才能承載復雜的無線傳感網(wǎng)絡運行。本文選用的CPIP的總線接口容量為6U，適配在64位的前端控制系統(tǒng)中，CPIP接口向外連接自定義傳輸線和插槽，CPIP接口按照信號級別直接連接在射頻前端控制系統(tǒng)的總線接口上，此連接方式減少了其他輔助連接線的應用，提高了無線通信的速度。CPIP接口覆蓋抗干擾射頻信號，最大傳輸速度可以達到528 MB/s，提高了射頻前端控制能力和信號接收靈敏度[4-5]。

為了加強無線傳感網(wǎng)絡射頻前端的使用時長，本文選擇采點式化學電源作為控制系統(tǒng)的電源。采點式化學電源供電方式有：吸收太陽能轉化為電能、吸收熱能轉化為太陽能、自身充電，三種電能提供的途徑保證了電源的持久性，延長了電源的使用周期，不會突發(fā)電源沒電的情況。采點式化學電源的能量密度大，存電能力超強，可以保存電能無消耗15天，為前端控制系統(tǒng)的運行提供了基礎[6-7]。采點式電源一旦自身不存在電能，處理方法為填埋，不會破壞生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。射頻前端控制系統(tǒng)硬件區(qū)域的無線數(shù)據(jù)收發(fā)器是其重要的組成部分。本文為了減少外界光傳播、外界信號對無線數(shù)據(jù)接收及發(fā)送的干擾，本次硬件結構設計采用電磁波作為傳輸信道。PI09無線數(shù)據(jù)收發(fā)器由各種外部元件、電容、濾波器、信號采集器組成，此型號的無線數(shù)據(jù)收發(fā)器體積小、電能利用率高、成本低，但是可以滿足較高配置的前端控制系統(tǒng)[8-9]。具體數(shù)據(jù)收發(fā)器結構如圖1所示。

圖1 無線數(shù)據(jù)收發(fā)器結構

射頻前端控制系統(tǒng)的射頻開關需要高度的靈敏性，在特殊情況下快速地關閉或者開啟前端控制系統(tǒng)，防止意外的發(fā)生。本文選擇的射頻控制開關采用12D擴展芯片為運行基礎，20根W2絕緣信號線相互連通構成。12D擴展芯片體積小，占用控制系統(tǒng)的資源小，很小的電流就可以使芯片運行，提高了射頻控制開關的靈敏度。W2絕緣導線具有檢驗電流的能力，如果電流相反，則導線不會運輸電流使系統(tǒng)運行，減少了事故的發(fā)生。一個前端控制系統(tǒng)硬件區(qū)域的板卡主要涉及兩種類型，一種為信號處理板卡，一種為射頻板卡。在射頻前端控制系統(tǒng)的內部是一個復雜的運行環(huán)境，存在大量的數(shù)字信號、模擬信號、數(shù)字轉換頻率，本文選用的信號處理板卡可以排除異類的信號干擾，有規(guī)律地對無線通信信號進行傳輸。射頻板卡的無線數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到每毫秒百字節(jié)，提高了網(wǎng)絡射頻前端控制系統(tǒng)的運行速度[10-11]。

總線是無線傳感網(wǎng)絡實現(xiàn)通信的連接線，主要分為半雙工網(wǎng)絡總線和全雙工網(wǎng)絡總線兩種類型。半雙工網(wǎng)絡總線通信數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送都共同利用一條差分線完成，這就導致數(shù)據(jù)信號接收和發(fā)送不能同時進行，浪費通信信息的傳輸時間，因此本文選擇全雙工的RS 485總線[12-14]。

RS 485總線具備兩條差分線，射頻前端控制系統(tǒng)發(fā)出相對應的指令，就可以通過相對應的差分線完成，RS 485總線雖然結構復雜，但是保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性以及高效性。無線傳感網(wǎng)絡射頻前端控制系統(tǒng)硬件區(qū)域協(xié)調無線通信信號的處理，是通過嵌入式微處理器完成的。嵌入式微處理器是32位的處理器，具有較高的性能，內部芯片采用體積小、耗能慢的硅芯片。嵌入式微處理器的脈寬輸出量可高達100 KM，其單片機的性能指標超過普通的單片機性能，這樣有利于高效地執(zhí)行射頻前端控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，加強前端控制系統(tǒng)的靈敏度。具體嵌入式微處理器結構如圖2所示。

圖2 嵌入式微處理器結構

2 射頻前端控制系統(tǒng)軟件設計

射頻前端控制系統(tǒng)的軟件區(qū)域是實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡高靈敏性的體現(xiàn)，本文設計的前端控制系統(tǒng)的軟件區(qū)域由無線通信、無線傳感、控制三步組成。軟件區(qū)域的無線通信模塊主要承擔無線傳感網(wǎng)絡接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)，通信模塊由射頻和基帶組成，射頻部分為無線傳感通信模塊與硬件區(qū)域的處理器提供傳輸接口，基帶部分是將信號傳輸給射頻控制硬件區(qū)域的通信信道，與CPCI接口相同，保證射頻前端控制系統(tǒng)的運行。

無線通信模塊將硬件區(qū)域接收到的數(shù)字信號進行代碼轉換，存儲在模塊記憶中留下備份，然后將通信信號通過通信信道傳輸?shù)交静糠?，基站對信號進行特征提取與分析，最后將處理好的信號指令發(fā)送到無線傳感器模塊中。具體過程如圖3所示。

圖3 軟件區(qū)域調控示意圖

無線傳感模塊的工作任務是采集無線通信數(shù)據(jù)，根據(jù)無線傳感網(wǎng)絡，控制射頻前端的運轉狀態(tài)，提高網(wǎng)絡運行的速度與靈敏度。無線傳感模塊代替的是傳統(tǒng)前端控制系統(tǒng)的有線通信模塊。無線傳感模塊包括接口、無線通信兩部分，該模塊對無線通信信號的傳輸距離長，因此保證了前端控制系統(tǒng)對通信信號查找能力的敏感性。電源模塊為射頻前端控制系統(tǒng)軟件區(qū)域運行提供基礎，電源采用24 V，15 A的大功率電源，為硬件區(qū)域微處理器運行提供動力[15]。

3 實驗研究

在完成以上控制系統(tǒng)設計后，對高靈敏度無線傳感網(wǎng)絡射頻前端控制數(shù)據(jù)進行仿真實驗研究。調整實驗中的電荷泵狀態(tài)，并設置電荷泵模型如圖4所示。

圖4 電荷泵模型

本文實驗研究在控制平臺內部進行，電路板集中采用統(tǒng)一標準，防止實驗數(shù)據(jù)的差異產(chǎn)生。選用機箱接口連接不同的控制數(shù)據(jù)，將電荷泵連線與機箱背部相連接，該連接口符合CPCI標準。由于傳感網(wǎng)絡射頻前端信道采用RS 485的串口連接方式，為此，本文在進行控制系統(tǒng)實驗設計的同時應轉化串口連接方式，將需進行實驗的數(shù)據(jù)信息操作系統(tǒng)控件統(tǒng)一調節(jié)到相同的操作高度中，避免操作失誤的產(chǎn)生。同時，設計實驗控制背板，控制背板能夠成功實現(xiàn)整體實驗控制操作，并提升控制子系統(tǒng)間的聯(lián)系作用，能夠與前端信道進行通信，時刻聯(lián)絡實驗環(huán)境信息，交換內部無線傳感網(wǎng)絡發(fā)射的信號數(shù)據(jù)，并及時連接系統(tǒng)電源接口。

在仿真實驗系統(tǒng)的設計中，為避免輸入數(shù)量龐大的飛線與數(shù)據(jù)延長線，將射頻控制背板與無線傳感信道相通，在聯(lián)通信道中歸納不同頻率信號對控制背板的影響程度。為減少數(shù)字信號與傳感信號之間干擾現(xiàn)象的數(shù)量，需設置獨立的實驗操作空間，將與空間屬性接近的數(shù)據(jù)錄入該空間內進行仿真實驗研究。利用屏蔽盒子結構對實驗空間內部的射頻信號進行檢驗，將控制背板與無線傳感信號安裝至不同的背板信號連接通道中。時刻監(jiān)控通道內部的數(shù)據(jù)流通信息，擴展PCB板面積，將實驗收發(fā)機的實驗通道設置在6U板中，將屏蔽盒子劃分為三個操作空間層次。其內腔剖面結構如圖5所示。

圖5 屏蔽盒子內腔剖面結構圖

在實驗6U板中設置5個實驗系統(tǒng)插件位置，將不同的控制插件信息錄入相應位置中，等待實驗插件操作。在仿真實驗研究的結構處理中，本文盡量設置與射頻信號的流動方向相一致的操作空間，有效控制無線傳感信號在通道中的反射現(xiàn)象?？s減操作空間外圍走廊的用線長度，避免因用線長度過長導致的傳感電板尺寸錯誤。整齊排放仿真網(wǎng)絡電路中的功能芯片，有利于防止外界信號對內部操作系統(tǒng)的干擾。

根據(jù)實驗系統(tǒng)中間層射頻信號向中心射頻信號發(fā)射的頻率大小預判前端控制的力度，利用雙面板隔離無用信號的傳輸。在多層板中連接網(wǎng)絡管理信號，及時切換信號傳輸路徑，將控制數(shù)據(jù)集中于相同的實驗空間內。在實驗布線中，盡量減少傳輸電容在無線傳感網(wǎng)絡通道中的分布，避免兩條信號線的平行設置，降低不同信號線之間的干擾程度。利用垂直的走線方式布置信號線的傳輸方位，按照相應的實驗板材厚度調配前端信號線信息，并根據(jù)信號線最終發(fā)射的控制頻率檢驗控制系統(tǒng)的控制接收有效率，構建控制信號接收有效率對比圖如圖6所示。

圖6 控制信號接收有效率對比

根據(jù)圖6可以看出，本文高靈敏度無線傳感網(wǎng)絡射頻前端控制系統(tǒng)設計的控制信號接收有效率均高于其他傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，具有良好的控制效果，可有效防止控制系統(tǒng)內部數(shù)據(jù)矛盾的出現(xiàn)。由于本文在系統(tǒng)設計的過程中對無線傳感網(wǎng)絡的網(wǎng)絡面板進行了調整，強化內部網(wǎng)絡間的聯(lián)系，并根據(jù)關聯(lián)信息數(shù)據(jù)調試不同的網(wǎng)絡信號，在收集基礎信號的前提下，執(zhí)行系統(tǒng)硬件元件操作指令，有效避免因信號串聯(lián)產(chǎn)生的控制失誤現(xiàn)象，并時刻管理模型信號分量，對于射頻前端的發(fā)射器進行元件調整，打開內聯(lián)接口，將協(xié)議接口與內聯(lián)接口相連接，直接掌握內聯(lián)信號間的流通方向與連接方式，更好地提升系統(tǒng)控制的可靠性，高效接收控制信號。

為更好地驗證本文控制系統(tǒng)設計的控制性能，構建二次仿真實驗研究，調整實驗模式，強化背板設計。由于背板操作需要連接關聯(lián)性較強的射頻信號，為此，需加強對射頻信號的收集力度。管理收集的射頻信號信息，削弱外輻射磁場的信號干擾強度，并轉變信號傳輸方式。在RS 485串口中匹配芯片收發(fā)器將射頻信號完整傳輸至串口接連處內部。設置共模電壓的承受范圍，承受范圍在-5~15 V之間，若超出此限度，則電壓器內部無法進行正常無線傳感網(wǎng)絡射頻前端數(shù)據(jù)的運作與傳輸操作。

在完成上述操作后進行仿真實驗調試，連接主控制器，擴展CPCI接口的信號連接范圍，將控制信號信息連接至主控系統(tǒng)中。在接口調試時應注意對各接口模塊的控制寄存器的調節(jié)，選擇正確的寄存器裝置，利用多根前端控制信號線分辨不同寄存器的控制信號寄存狀態(tài)，及時反映異常的數(shù)據(jù)狀態(tài)至實驗清理空間中，防止干擾信號的侵入影響。在結束基礎調試后，根據(jù)調試結果判斷控制系統(tǒng)的控制強度，設置控制強度在0~0.5之間為低控制強度，在0.5~0.8之間為中等控制強度，在0.8~1.0之間為高控制強度，設置實驗對比如圖7所示。

圖7 控制強度對比

在圖7中，本文高靈敏度無線傳感網(wǎng)絡射頻前端控制系統(tǒng)設計的控制強度始終處于其他兩種傳統(tǒng)控制系統(tǒng)之上，控制強度較高，具有較佳的控制效能。

本文在系統(tǒng)設計的初始階段集中加強對軟件平臺程序結構的處理，設置結構性較為完整的操作平臺，連接頻段定位系統(tǒng)，將不同的頻段數(shù)據(jù)錄入相應的數(shù)據(jù)頻道中。利用后端控制電壓控制增益信號的大小，及時調節(jié)增益信號的發(fā)射狀態(tài)，在低模方式中進行強度管理與信號檢驗，把握控制面板與背板間的關系，并查找關系內部的隱藏數(shù)據(jù)信號，挖掘信號的產(chǎn)生基礎。

在獲取了基礎數(shù)據(jù)后將外積電壓由傳輸電容傳輸至系統(tǒng)外部，防止無關信號數(shù)據(jù)的干擾?？刂菩盘柕牟▌臃秶瑱z驗波動范圍的成立條件，并構建線性指標對控制的范圍進行檢驗，取得控制強度較高的結果數(shù)據(jù)。

綜上所述，本文設計的高靈敏度無線傳感網(wǎng)絡射頻前端控制系統(tǒng)能夠在不同的操作環(huán)境內進行系統(tǒng)操作，及時檢驗異常狀況的發(fā)生位置，具有良好的控制力度，可有效控制無線傳感網(wǎng)絡射頻前端數(shù)據(jù)信息，研究價值較高。

4 結語

本文以前端控制系統(tǒng)的時效性、靈敏度、高性能為核心，設計了高靈敏度無線傳感網(wǎng)絡射頻前端控制系統(tǒng)的硬件結構和軟件結構。本文對無線傳感網(wǎng)絡射頻前端控制系統(tǒng)的設計可以提高其本身的靈敏度，增強無線網(wǎng)絡接收、發(fā)送信號的能力和靈敏度，對無線傳感網(wǎng)絡射頻前端控制領域具有重大影響。