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摘要：針對目前提出的高靈敏度無線傳感網絡射頻前端控制系統控制信號接收有效率低、控制強度差，設計了一種新的高靈敏度無線傳感網絡射頻前端控制系統。前端控制系統的硬件區域由CPCI總線接口、射頻開關控制器、RS485總線、嵌入式微處理器、芯片、電源、異步通信裝置、板卡構成，通過無線通信、無線傳感、控制三步實現軟件前端控制。實驗結果表明，高靈敏度無線傳感網絡射頻前端控制系統能夠有效提高信號接收有效率，增強控制強度。
關鍵詞：射頻前端；控制系統；無線傳感網絡；前端控制；前端設備；射頻技術
0引言
隨著科技的發展，智能手機已經深入人們的生活，智能手機與連線手機最重要的區別就是無線通信和有線通信，傳統的無線傳感網絡射頻前端對于信號的接收和發送存在一定的障礙，在一些地方就接收不到信號。無線傳感網絡是一種收集外界通信信息的分布式傳感網絡，包括射頻前端、射頻收發、基帶信號處理器三大模塊，其中射頻前端是無線傳感網絡的核心，主要任務是完成信號的接收與發送[1⁃3]。傳統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絡射頻前端控制系統。
1射頻前端控制系統硬件設計
射頻前端控制系統的硬件部分是提高無線傳感網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528MB/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，不會破壞生態環境的穩定。射頻前端控制系統硬件區域的無線數據收發器是其重要的組成部分。本文為了減少外界光傳播、外界信號對無線數據接收及發送的干擾，本次硬件結構設計采用電磁波作為傳輸信道。PI09無線數據收發器由各種外部元件、電容、濾波器、信號采集器組成，此型號的無線數據收發器體積小、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[8⁃9]。具體數據收發器結構如圖1所示。射頻前端控制系統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，防止意外的發生。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運行，減少了事故的發生。一個前端控制系統硬件區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的內部是一個復雜的運行環境，存在大量的數字信號、模擬信號、數字轉換頻率，本文選用的信號處理板卡可以排除異類的信號干擾，有規律地對無線通信信號進行傳輸。射頻板卡的無線數據傳輸速度可以達到每毫秒百字節，提高了網絡射頻前端控制系統的運行速度[10⁃11]?？偩€是無線傳感網絡實現通信的連接線，主要分為半雙工網絡總線和全雙工網絡總線兩種類型。半雙工網絡總線通信數據的接收和發送都共同利用一條差分線完成，這就導致數據信號接收和發送不能同時進行，浪費通信信息的傳輸時間，因此本文選擇全雙工的RS485總線[12⁃14]。RS485總線具備兩條差分線，射頻前端控制系統發出相對應的指令，就可以通過相對應的差分線完成，RS485總線雖然結構復雜，但是保證了數據傳輸的準確性以及高效性。無線傳感網絡射頻前端控制系統硬件區域協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100KM，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行射頻前端控制系統發出的指令，加強前端控制系統的靈敏度。具體嵌入式微處理器結構如圖2所示。
2射頻前端控制系統軟件設計
射頻前端控制系統的軟件區域是實現無線傳感網絡高靈敏性的體現，本文設計的前端控制系統的軟件區域由無線通信、無線傳感、控制三步組成。軟件區域的無線通信模塊主要承擔無線傳感網絡接收和發送的數據，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域的通信信道，與CPCI接口相同，保證射頻前端控制系統的運行。無線通信模塊將硬件區域接收到的數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到基站部分，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送到無線傳感器模塊中。具體過程如圖3所示。無線傳感模塊的工作任務是采集無線通信數據，根據無線傳感網絡，控制射頻前端的運轉狀態，提高網絡運行的速度與靈敏度。無線傳感模塊代替的是傳統前端控制系統的有線通信模塊。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軟件區域運行提供基礎，電源采用24V，15A的大功率電源，為硬件區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設計后，對高靈敏度無線傳感網絡射頻前端控制數據進行仿真實驗研究。調整實驗中的電荷泵狀態，并設置電荷泵模型如圖4所示。本文實驗研究在控制平臺內部進行，電路板集中采用統一標準，防止實驗數據的差異產生。選用機箱接口連接不同的控制數據，將電荷泵連線與機箱背部相連接，該連接口符合CPCI標準。由于傳感網絡射頻前端信道采用RS485的串口連接方式，為此，本文在進行控制系統實驗設計的同時應轉化串口連接方式，將需進行實驗的數據信息操作系統控件統一調節到相同的操作高度中，避免操作失誤的產生。同時，設計實驗控制背板，控制背板能夠成功實現整體實驗控制操作，并提升控制子系統間的聯系作用，能夠與前端信道進行通信，時刻聯絡實驗環境信息，交換內部無線傳感網絡發射的信號數據，并及時連接系統電源接口。在仿真實驗系統的設計中，為避免輸入數量龐大的飛線與數據延長線，將射頻控制背板與無線傳感信道相通，在聯通信道中歸納不同頻率信號對控制背板的影響程度。為減少數字信號與傳感信號之間干擾現象的數量，需設置獨立的實驗操作空間，將與空間屬性接近的數據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。時刻監控通道內部的數據流通信息，擴展PCB板面積，將實驗收發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。在實驗6U板中設置5個實驗系統插件位置，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的干擾。根據實驗系統中間層射頻信號向中心射頻信號發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。在多層板中連接網絡管理信號，及時切換信號傳輸路徑，將控制數據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，并根據信號線最終發射的控制頻率檢驗控制系統的控制接收有效率，構建控制信號接收有效率對比圖如圖6所示。根據圖6可以看出，本文高靈敏度無線傳感網絡射頻前端控制系統設計的控制信號接收有效率均高于其他傳統控制系統，具有良好的控制效果，可有效防止控制系統內部數據矛盾的出現。
由于本文在系統設計的過程中對無線傳感網絡的網絡面板進行了調整，強化內部網絡間的聯系，并根據關聯信息數據調試不同的網絡信號，在收集基礎信號的前提下，執行系統硬件元件操作指令，有效避免因信號串聯產生的控制失誤現象，并時刻管理模型信號分量，對于射頻前端的發射器進行元件調整，打開內聯接口，將協議接口與內聯接口相連接，直接掌握內聯信號間的流通方向與連接方式，更好地提升系統控制的可靠性，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RS485串口中匹配芯片收發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-5~15V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絡射頻前端數據的運作與傳輸操作。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，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，及時反映異常的數據狀態至實驗清理空間中，防止干擾信號的侵入影響。在結束基礎調試后，根據調試結果判斷控制系統的控制強度，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。在圖7中，本文高靈敏度無線傳感網絡射頻前端控制系統設計的控制強度始終處于其他兩種傳統控制系統之上，控制強度較高，具有較佳的控制效能。本文在系統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，將不同的頻段數據錄入相應的數據頻道中。利用后端控制電壓控制增益信號的大小，及時調節增益信號的發射狀態，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據信號，挖掘信號的產生基礎。在獲取了基礎數據后將外積電壓由傳輸電容傳輸至系統外部，防止無關信號數據的干擾。控制信號的波動范圍，檢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據。綜上所述，本文設計的高靈敏度無線傳感網絡射頻前端控制系統能夠在不同的操作環境內進行系統操作，及時檢驗異常狀況的發生位置，具有良好的控制力度，可有效控制無線傳感網絡射頻前端數據信息，研究價值較高。
4結語
本文以前端控制系統的時效性、靈敏度、高性能為核心，設計了高靈敏度無線傳感網絡射頻前端控制系統的硬件結構和軟件結構。本文對無線傳感網絡射頻前端控制系統的設計可以提高其本身的靈敏度，增強無線網絡接收、發送信號的能力和靈敏度，對無線傳感網絡射頻前端控制領域具有重大影響。
作者：王薇 單位：邯鄲學院