高灵敏度无线传感网络射频前端控制系统设计

王薇

（邯郸学院，河北 邯郸 056005）

0 引 言

随着科技的发展，智能手机已经深入人们的生活，智能手机与连线手机最重要的区别就是无线通信和有线通信，传统的无线传感网络射频前端对于信号的接收和发送存在一定的障碍，在一些地方就接收不到信号。无线传感网络是一种收集外界通信信息的分布式传感网络，包括射频前端、射频收发、基带信号处理器三大模块，其中射频前端是无线传感网络的核心，主要任务是完成信号的接收与发送[1-3]。传统的射频前端对于外界信号不能全部收集到，为了提高射频前端对外界信号的灵敏度，本文设计无线传感网络射频前端控制系统。

1 射频前端控制系统硬件设计

射频前端控制系统的硬件部分是提高无线传感网络对感知信号灵敏度的关键，只有较高的硬件设备才能承载复杂的无线传感网络运行。本文选用的CPIP的总线接口容量为6U，适配在64位的前端控制系统中，CPIP接口向外连接自定义传输线和插槽，CPIP接口按照信号级别直接连接在射频前端控制系统的总线接口上，此连接方式减少了其他辅助连接线的应用，提高了无线通信的速度。CPIP接口覆盖抗干扰射频信号，最大传输速度可以达到528 MB/s，提高了射频前端控制能力和信号接收灵敏度[4-5]。

为了加强无线传感网络射频前端的使用时长，本文选择采点式化学电源作为控制系统的电源。采点式化学电源供电方式有：吸收太阳能转化为电能、吸收热能转化为太阳能、自身充电，三种电能提供的途径保证了电源的持久性，延长了电源的使用周期，不会突发电源没电的情况。采点式化学电源的能量密度大，存电能力超强，可以保存电能无消耗15天，为前端控制系统的运行提供了基础[6-7]。采点式电源一旦自身不存在电能，处理方法为填埋，不会破坏生态环境的稳定。射频前端控制系统硬件区域的无线数据收发器是其重要的组成部分。本文为了减少外界光传播、外界信号对无线数据接收及发送的干扰，本次硬件结构设计采用电磁波作为传输信道。PI09无线数据收发器由各种外部元件、电容、滤波器、信号采集器组成，此型号的无线数据收发器体积小、电能利用率高、成本低，但是可以满足较高配置的前端控制系统[8-9]。具体数据收发器结构如图1所示。

图1 无线数据收发器结构

射频前端控制系统的射频开关需要高度的灵敏性，在特殊情况下快速地关闭或者开启前端控制系统，防止意外的发生。本文选择的射频控制开关采用12D扩展芯片为运行基础，20根W2绝缘信号线相互连通构成。12D扩展芯片体积小，占用控制系统的资源小，很小的电流就可以使芯片运行，提高了射频控制开关的灵敏度。W2绝缘导线具有检验电流的能力，如果电流相反，则导线不会运输电流使系统运行，减少了事故的发生。一个前端控制系统硬件区域的板卡主要涉及两种类型，一种为信号处理板卡，一种为射频板卡。在射频前端控制系统的内部是一个复杂的运行环境，存在大量的数字信号、模拟信号、数字转换频率，本文选用的信号处理板卡可以排除异类的信号干扰，有规律地对无线通信信号进行传输。射频板卡的无线数据传输速度可以达到每毫秒百字节，提高了网络射频前端控制系统的运行速度[10-11]。

总线是无线传感网络实现通信的连接线，主要分为半双工网络总线和全双工网络总线两种类型。半双工网络总线通信数据的接收和发送都共同利用一条差分线完成，这就导致数据信号接收和发送不能同时进行，浪费通信信息的传输时间，因此本文选择全双工的RS 485总线[12-14]。

RS 485总线具备两条差分线，射频前端控制系统发出相对应的指令，就可以通过相对应的差分线完成，RS 485总线虽然结构复杂，但是保证了数据传输的准确性以及高效性。无线传感网络射频前端控制系统硬件区域协调无线通信信号的处理，是通过嵌入式微处理器完成的。嵌入式微处理器是32位的处理器，具有较高的性能，内部芯片采用体积小、耗能慢的硅芯片。嵌入式微处理器的脉宽输出量可高达100 KM，其单片机的性能指标超过普通的单片机性能，这样有利于高效地执行射频前端控制系统发出的指令，加强前端控制系统的灵敏度。具体嵌入式微处理器结构如图2所示。

图2 嵌入式微处理器结构

2 射频前端控制系统软件设计

射频前端控制系统的软件区域是实现无线传感网络高灵敏性的体现，本文设计的前端控制系统的软件区域由无线通信、无线传感、控制三步组成。软件区域的无线通信模块主要承担无线传感网络接收和发送的数据，通信模块由射频和基带组成，射频部分为无线传感通信模块与硬件区域的处理器提供传输接口，基带部分是将信号传输给射频控制硬件区域的通信信道，与CPCI接口相同，保证射频前端控制系统的运行。

无线通信模块将硬件区域接收到的数字信号进行代码转换，存储在模块记忆中留下备份，然后将通信信号通过通信信道传输到基站部分，基站对信号进行特征提取与分析，最后将处理好的信号指令发送到无线传感器模块中。具体过程如图3所示。

图3 软件区域调控示意图

无线传感模块的工作任务是采集无线通信数据，根据无线传感网络，控制射频前端的运转状态，提高网络运行的速度与灵敏度。无线传感模块代替的是传统前端控制系统的有线通信模块。无线传感模块包括接口、无线通信两部分，该模块对无线通信信号的传输距离长，因此保证了前端控制系统对通信信号查找能力的敏感性。电源模块为射频前端控制系统软件区域运行提供基础，电源采用24 V，15 A的大功率电源，为硬件区域微处理器运行提供动力[15]。

3 实验研究

在完成以上控制系统设计后，对高灵敏度无线传感网络射频前端控制数据进行仿真实验研究。调整实验中的电荷泵状态，并设置电荷泵模型如图4所示。

图4 电荷泵模型

本文实验研究在控制平台内部进行，电路板集中采用统一标准，防止实验数据的差异产生。选用机箱接口连接不同的控制数据，将电荷泵连线与机箱背部相连接，该连接口符合CPCI标准。由于传感网络射频前端信道采用RS 485的串口连接方式，为此，本文在进行控制系统实验设计的同时应转化串口连接方式，将需进行实验的数据信息操作系统控件统一调节到相同的操作高度中，避免操作失误的产生。同时，设计实验控制背板，控制背板能够成功实现整体实验控制操作，并提升控制子系统间的联系作用，能够与前端信道进行通信，时刻联络实验环境信息，交换内部无线传感网络发射的信号数据，并及时连接系统电源接口。

在仿真实验系统的设计中，为避免输入数量庞大的飞线与数据延长线，将射频控制背板与无线传感信道相通，在联通信道中归纳不同频率信号对控制背板的影响程度。为减少数字信号与传感信号之间干扰现象的数量，需设置独立的实验操作空间，将与空间属性接近的数据录入该空间内进行仿真实验研究。利用屏蔽盒子结构对实验空间内部的射频信号进行检验，将控制背板与无线传感信号安装至不同的背板信号连接通道中。时刻监控通道内部的数据流通信息，扩展PCB板面积，将实验收发机的实验通道设置在6U板中，将屏蔽盒子划分为三个操作空间层次。其内腔剖面结构如图5所示。

图5 屏蔽盒子内腔剖面结构图

在实验6U板中设置5个实验系统插件位置，将不同的控制插件信息录入相应位置中，等待实验插件操作。在仿真实验研究的结构处理中，本文尽量设置与射频信号的流动方向相一致的操作空间，有效控制无线传感信号在通道中的反射现象。缩减操作空间外围走廊的用线长度，避免因用线长度过长导致的传感电板尺寸错误。整齐排放仿真网络电路中的功能芯片，有利于防止外界信号对内部操作系统的干扰。

根据实验系统中间层射频信号向中心射频信号发射的频率大小预判前端控制的力度，利用双面板隔离无用信号的传输。在多层板中连接网络管理信号，及时切换信号传输路径，将控制数据集中于相同的实验空间内。在实验布线中，尽量减少传输电容在无线传感网络通道中的分布，避免两条信号线的平行设置，降低不同信号线之间的干扰程度。利用垂直的走线方式布置信号线的传输方位，按照相应的实验板材厚度调配前端信号线信息，并根据信号线最终发射的控制频率检验控制系统的控制接收有效率，构建控制信号接收有效率对比图如图6所示。

图6 控制信号接收有效率对比

根据图6可以看出，本文高灵敏度无线传感网络射频前端控制系统设计的控制信号接收有效率均高于其他传统控制系统，具有良好的控制效果，可有效防止控制系统内部数据矛盾的出现。由于本文在系统设计的过程中对无线传感网络的网络面板进行了调整，强化内部网络间的联系，并根据关联信息数据调试不同的网络信号，在收集基础信号的前提下，执行系统硬件元件操作指令，有效避免因信号串联产生的控制失误现象，并时刻管理模型信号分量，对于射频前端的发射器进行元件调整，打开内联接口，将协议接口与内联接口相连接，直接掌握内联信号间的流通方向与连接方式，更好地提升系统控制的可靠性，高效接收控制信号。

为更好地验证本文控制系统设计的控制性能，构建二次仿真实验研究，调整实验模式，强化背板设计。由于背板操作需要连接关联性较强的射频信号，为此，需加强对射频信号的收集力度。管理收集的射频信号信息，削弱外辐射磁场的信号干扰强度，并转变信号传输方式。在RS 485串口中匹配芯片收发器将射频信号完整传输至串口接连处内部。设置共模电压的承受范围，承受范围在-5~15 V之间，若超出此限度，则电压器内部无法进行正常无线传感网络射频前端数据的运作与传输操作。

在完成上述操作后进行仿真实验调试，连接主控制器，扩展CPCI接口的信号连接范围，将控制信号信息连接至主控系统中。在接口调试时应注意对各接口模块的控制寄存器的调节，选择正确的寄存器装置，利用多根前端控制信号线分辨不同寄存器的控制信号寄存状态，及时反映异常的数据状态至实验清理空间中，防止干扰信号的侵入影响。在结束基础调试后，根据调试结果判断控制系统的控制强度，设置控制强度在0~0.5之间为低控制强度，在0.5~0.8之间为中等控制强度，在0.8~1.0之间为高控制强度，设置实验对比如图7所示。

图7 控制强度对比

在图7中，本文高灵敏度无线传感网络射频前端控制系统设计的控制强度始终处于其他两种传统控制系统之上，控制强度较高，具有较佳的控制效能。

本文在系统设计的初始阶段集中加强对软件平台程序结构的处理，设置结构性较为完整的操作平台，连接频段定位系统，将不同的频段数据录入相应的数据频道中。利用后端控制电压控制增益信号的大小，及时调节增益信号的发射状态，在低模方式中进行强度管理与信号检验，把握控制面板与背板间的关系，并查找关系内部的隐藏数据信号，挖掘信号的产生基础。

在获取了基础数据后将外积电压由传输电容传输至系统外部，防止无关信号数据的干扰。控制信号的波动范围，检验波动范围的成立条件，并构建线性指标对控制的范围进行检验，取得控制强度较高的结果数据。

综上所述，本文设计的高灵敏度无线传感网络射频前端控制系统能够在不同的操作环境内进行系统操作，及时检验异常状况的发生位置，具有良好的控制力度，可有效控制无线传感网络射频前端数据信息，研究价值较高。

4 结语

本文以前端控制系统的时效性、灵敏度、高性能为核心，设计了高灵敏度无线传感网络射频前端控制系统的硬件结构和软件结构。本文对无线传感网络射频前端控制系统的设计可以提高其本身的灵敏度，增强无线网络接收、发送信号的能力和灵敏度，对无线传感网络射频前端控制领域具有重大影响。