（计算机科学与技术专业论文）无线传感器网络节点天线研究与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院硕+ 学伉论文 摘要 无线传感器网络是一种全新模式的无线网络，它通过大量传感器节点实时监 测和采集网络分布区域内各种监测目标的信息，对这些信息进行处理，它被认为是 2 1 世纪的一项重要技术。传感器节点是组建无线传感器网络的基本单元，这些基 本单元不断地进行着网络中各种信息的传递或通信。要实现和完善传感器节点的 通信功能，就必须为传感器节点设计好的天线及其相关电路。天线用来辐射和接 收电磁波信号，这是无线传感器网络的基本通信链路。在无线通信处理模块与天 线之间设计馈线、巴伦和匹配电路来对天线馈电并实现平衡一不平衡转换和阻抗 匹配。 本文的主要工作和创新点包括： ( 1 ) 阐述了传感器节点的组成结构，分析了传感器节点的特点以及这些特点对 天线及其相关电路的影响，介绍和分析了传感器节点天线的研究现状； ( 2 ) 阐述了评价天线性能的基本参量，分析和比较了几种类型的天线、馈线、 巴伦和阻抗匹配电路，针对传感器节点的特点，选择了单极天线和折合偶 极天线两种合适的天线进行设计； ( 3 ) 在单极天线设计中，改进了一种基本的巴伦电路，对改进的巴伦电路进行 仿真验证，对天线的辐射性能进行了大量的实验，天线和巴伦电路的性能 得到了验证； ( 4 ) 仿真并总结出标准印制折合偶极天线的输入阻抗与天线长度的关系，选择 共面带状线( c p s ) 为天线馈电，根据共面带状线的特点，对标准的天线作 了改进，并改进了一种基本的阻抗匹配电路，对改进的天线、馈线和阻抗 匹配电路进行了仿真和验证； ( 5 ) 对所选择的两种天线及其相关电路进行综合比较，总结出其优缺点。 本文所做的上述工作，即对无线传感器网络节点天线及其相关电路的分析、 设计和实现，其成果对于传感器节点的研发以及无线传感器网络的组建具有重要 意义。 主题词：无线传感器网络节点，单极天线，印制折合偶极天线，巴伦， 阻抗匹配，天线性能 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a bs t r a c t t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( o f t e nc a l l e dw s nf o rs h o r t ) ，s u p p o s e dt ob ea l l i m p o r t a n tt e c h n o l o g yi nt h e21 吼c e n t u r y ，i sab r a n n e wk i n do fw i r e l e s sn e t w o r k i t c o m p r i s e sal a r g en u m b e ro fs e n s o rn o d e s ，w h i c ha r eu s e dt od e t e c t ，c o l l e c ta n dp r o c e s s t h er e a l - t i m ei n f o r m a t i o n so ft a r g e t si nt h en e t w o r ka r e a s e n s o rn o d e sa r et h ew s n s f u n d a m e n t a lu n i t s t h e yc o m m u n i c a t et h e s ev a r i o u sr e a l t i m ei n f o r m a t i o n st oe a c h o t h e ra n dt ou s e r sc o n t i n u o u s l y i ti sn e c e s s a r yt od e s i g nah i g hp e r f o r m a n c ea n t e n n a a n di t sc o r r e l a t i v ec i r c u i tf o re v e r ys e n s o rn o d ei no r d e rt oc o n s u m m a t et h en o d e s c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n t h ea n t e n n ai su s e dt os e n da n dr e c e i v ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e ， w h i c hi st h ef u n d a m e n t a lc o m m u n i c a t i o n - l i n ko fw s n i no r d e rt of e e dt h ea n t e n n a , a c h i e v et h ec o n v e r s i o no fb a l a n c ea n du n b a l a n c e ，a n dm a t c ht h ei m p e d a n c e ，f e e d - l i n e ， b a lu n ，a n di m p e d a n c e - m a t c h i n gc i r c u i ta r ed e s i g n e da n dp l a c e db e t w e e nt h ea n t e n n a a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o c e s s i n gu n i t t h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o n so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ( 1 ) t h es t r u c t u r eo fs e n s o rn o d ei se x p o u n d e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e n s o rn o d e ，a s w e l la st h e i ri n f l u e n c eo na n t e n n aa n di t sc o r r e l a t i v ec i r c u i t a r ea n a l y z e d n e r e c e n tr e s e a r c h so na n t e n n af o rs e n s o rn o d ea l ep r e s e n t e da n da n a l y z e d ( 2 ) s e v e r a lm a i np a r a m e t e r so fa n t e n n aa r ee x p o u n d e d s o m ek i n d so fa n t e n n a s ， f e e d l i n e s ，b a l u n s ，a sw e l la si m p e d a n c e - m a t c h i n gc i r c u i t sa r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d 。a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e n s o rn o d e ，m o n o p o l ea n t e n n a a n df o l d e dd i p o l ea n t e n n aa r et h ea p p r o p r i a t ea n t e n n a s ，s ob o t ho ft h e ma r e c h o s e n ( 3 ) d u r i n gt h ed e s i g np r o c e s so fm o n o p o l ea n t e n n a ，a no r i g i n a lb a l u ni sa m e n d e d a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea m e n d e db a l u ni ss i m u l a t e d al o to fe x p e r i m e n t s u p o nt h er a d i a t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ea n t e n n aa r ec a r r i e do n 1 1 1 ea n t e n n aa n d b a l u n sp e r f o r m a n c ei sp r o v e d ( 4 ) t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ei n p u t - i m p e d a n c eo fab a s i cp r i n t e df o l d e dd i p o l e a n t e n n aa n di t sl e n g t hi ss i m u l a t e da n ds y n t h e s i z e d c p s ( c o p l a n a rs t r i p ) i s c h o s e na st h ef e e d 1 i n e t h eb a s i ca n t e n n ai sa m e n d e dt of i tt h ec h a r a c t e r i s t i c so f c p s a no r i g i n a li m p e d a n c e m a t c h i n gc i r c u i ti sa m e n d e da l s o t h ep e r f o r m a n c e a n dc o r r e c t n e s so ft h ea m e n d e da n t e n n a ，f e e d - l i n e ，a n di m p e d a n c e - m a t c h i n g c i r c u i ti ss i m u l a t e da n dp r o v e d ( 5 ) t h et w ok i n d so fa n t e n n aa n di t sc o r r e l a t i v ec i r c u i ta l ec o m p a r e dw i t ho n e a n o t h e r t h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa l es y n t h e s i z e d t h ew o r ko fa n a l y z i n g ，d e s i g n i n g ，a n di m p l e m e n t i n gt h ea n t e n n aa n di t s c o r r e l a t i v ec i r c u i tf o rw s nn o d e s ，p r e s e n t e di n t h i st h e s i s ，i so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei n d e s i g n i n gs e n s o rn o d ea n dc o n s t r u c t i n gw s n k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d e ，m o n o p o l ea n t e n n a ，p r i n t e d f o l d e dd i p o l ea n t e n n a ，b a l u n ，i m p e d a n c e m a t c h i n g ，p e r f o r m a n c eo fa n t e n n a 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 几种天线的比较分析1 6 表2 2 常见传输线的特性l7 表3 1 巴仑电路中各元件参数的最终值2 5 表4 1l a y o u t 中的参数设置。3 4 表4 2 标准印制折合偶极天线尺寸参数3 6 表4 3 印制折合偶极天线及相关电路的参数设置4 2 表5 1 两种天线及其相关电路的性能比较5 l 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图目录 图1 1 天线及其相关电路的组成结构2 图1 2 一种采用了e b g 的天线的回波损耗3 图1 3 一种p c b 天线的辐射方向图3 图1 4 课题设计方法与流程5 图2 1 传感器节点组成结构。7 图2 2 无线传感器网络多跳结构【2 】9 图2 3 为天线增加功率放大器【1 1 】9 图2 4c c 2 4 2 0 与天线之间的连接1 1 图3 1 半波振子天线19 图3 2 单极天线2 0 图3 3 一种基本巴伦电路2 2 图3 4 基本巴伦电路的频率响应2 2 图3 5 改进的巴伦电路2 3 图3 6 改进的巴伦电路的频率响应2 3 图3 7 巴伦与天线的阻抗匹配仿真图2 4 图3 8 天线及其相关电路与c c 2 4 2 0 的阻抗匹配情况2 5 图3 9 天线及其相关电路与c c 2 4 2 0 的阻抗匹配回波损耗2 5 图3 1 0 巴伦电路平衡不平衡转换仿真电路图2 6 图3 1 l 不平衡端口输入信号时巴仑电路的不平衡至平衡转换情况2 6 图3 1 2 发射调制信号时信号强度与天线长度的关系2 8 图3 1 3 辐射调制信号时最佳天线长度处的辐射频谱图2 8 图3 1 4 发射载波信号时信号强度与天线长度的关系2 9 图3 1 5 辐射载波信号时最佳天线长度处的辐射频潜图2 9 图4 1 折合偶极天线：3 2 图4 2c p s 结构示意图3 3 图4 3 差分表面共面波导3 4 图4 4c p s 特性阻抗计算3 5 图4 5 标准印制折合偶极天线( = = w ) 3 5 图4 6 标准印制折合偶极天线输入阻抗与长度的关系3 6 图4 7 天线长度为4 5 6 m m 时的s m i t h 圈图3 7 图4 8 改进的印制折合偶极天线回波损耗3 7 图4 9 改进的印制折合偶极天线仿真s m i t h 圈图3 8 图4 1 0 天线与馈线的连接图3 8 图4 11 天线、馈线组合电路s 1 1 参数仿真图3 9 第i v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 1 2 基本阻抗匹配电路4 0 图4 1 3 改进的阻抗匹配电路一4 1 图4 1 4 改进的阻抗匹配电路频谱响应4 1 图4 1 5 印制折合偶极天线、馈线及阻抗匹配电路4 2 图4 1 6 印制折合偶极天线及相关电路与c c 2 4 2 0 的阻抗匹配情况4 3 图4 17 天线的电流分布4 4 图4 1 8 印制折合偶极天线及相关电路p c b 图4 4 图5 1 课题所设计的单极天线辐射方向图4 7 图5 2 课题所设计的印制折合偶极天线辐射方向图4 8 图5 3 课题所设计的印制折合偶极天线的辐射效率4 9 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加p j , 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：玉缦笾盛鲞圆鳖芷壶丞绫堑究生塞趣 学位论文作者签名： 日期：哟年仁月澎日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权- t 学。) 学位论文题目：玉绫佳盛墨圈垒堇直丞绫盟究墨塞理 学位论文作者签名：曼垒金丝日期：7 神g 年乙月芩日 i 作者指导教师签名：毛奁目一 日期：7 。护占年肛月衫日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 1 1 无线传感器网络 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 从有了互联网至今，计算机网络飞速发展，网络技术日趋多样化。需求是发 展的一大动力，网络的发展也是如此。随着网络使用者对可移动性、灵活性需求 的日益增长，无线网络技术得到了强大的发展动力。基于不同技术基础的多种无 线网络所占有的市场份额越来越大。 无线网络技术和传感器技术的发展，使得网络化的微型传感器成为可能，从 而产生了无线传感器网络( w s n ) 。无线传感器网络综合了多种先进的技术，除了 无线网络技术和传感器技术外，还包括嵌入式计算技术、微机电系统技术和天线 技术等。在众多的无线网络技术中，无线传感器网络应用空间广泛，具有研发时 间短、成本低、可适应性强、易于安装等优点，在军事国防、公共管理、生物医 疗、环境监测、实时工业控制等许多重要领域都具有潜在的实用价值1 2 】【3 1 ，它的价 值和意义受到了人们的重视。无线传感器网络成为了一种全新模式的无线网络。 传感器节点是无线传感器网络的基本组成单元。散落在网络区域内的一系列 传感器节点以自组网形式构建起整个网络，这些节点协同地监测、感知、采集区 域内监测目标的有用信息，并将这些信息传递给观察者。这样形成了一条信息链， 在这条信息链上，传感器技术、嵌入式计算技术、天线技术、无线通信技术等发 挥了各自的重要作用。 传感器节点体积小，却是由多个部分组成的复杂系统。国内外对无线传感器 网络节点的研究，包括了多个方面。很多是节能方面，包括采用通用传感器接口 芯片技术【4 】、唤醒监听技术【5 1 等。一般情况下，传感器节点的设计者对节点的嵌入 式系统软件和硬件的设计比较重视，把注意力放在电源管理、数据采集、处理、 存储以及无线通信芯片的选择上面。 天线及其相关电路是传感器节点与节点间、节点与基站间通信的桥梁，是传 感器节点的关键部件，传感器节点所有的信息都要能过天线传递给网络使用者。 天线及其相关电路的作用如此关键，目前关于传感器节点天线及其相关电路方面 的研究却不多见。 1 1 2w s n 节点天线研究现状 无线传感器网络节点包含多个部分，它们一般是集成在一个集成电路板上， 其高度的集成性对天线及其相关电路的影响是比较大的，天线及其相关电路也往 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 往是影响整个传感器节点能否高度集成的重要因素12 1 。不考虑传感器节点，单纯从 天线这个角度来看，国内外对天线的研究从赫兹天线诞生起就一直没有间断过， 而且目前出现了许多热门的创新的天线技术，包括智能天线技术、多输入多输出 天线技术、软件天线技术和各种新式的微带天线技术等等。这些天线只是针对无 线网络基站或其它方面应用来研发的，不适合于传感器节点。 传感器节点的天线及其相关电路有其自身的特点与要求，在设计传感器节点 的时候，应根据这些特点和要求重视天线及其相关电路的设计，注重提高天线的 性能。否则，其它部分都做得很好，而忽略了天线及其相关电路，整个网络的性 能会大打折扣； 传感器节点的天线及其相关电路网络，包括天线本身，还包括：为天线馈电 的传输线即馈线，为使天线、馈线与射频处理芯片相匹配而设计的阻抗匹配电路， 有的时候还有平衡一不平衡转换器即巴伦，如图1 1 所示。不同传感器节点所采用 的射频芯片不同，其与天线连接的端口也不同，有平衡端口和不平衡端口；另外， 采用的天线也可能不同，有平衡天线和不平衡天线。因此需分成如图1 1 ( a ) 、( b ) 、 ( c ) 和( d ) 所示的四种情况。 馈 平衡天线 t 、 巴伦与阻抗匹配 不平衡r f 端口 ( a ) 平衡天线与不平衡r f 端口 馈 不平衡天线 _： 阻抗匹配 平衡天线 t 、 阻抗匹配 平衡r f 端口 ( b ) 平衡天线与平衡l u 端e l 馈 不平衡天线 z ： 巴伦与阻抗匹配 不平衡r f 端口平衡r f 端口 ( c ) 不平衡大线与不平衡r f 端口( d ) 不平衡天线与平衡r f 端e l 图1 1 天线及其相关电路的组成结构 文献 2 】给出了一种能应用在w s n 传感器节点上的小天线，为了降低接地层对 天线的影响，采用了一种电磁带沟e b g ( e l e c t r o m a g n e t i cb a n d g a p ) 材料，将这种材 料放在天线与接地层之间以提高天线的辐射性能。文献给出了天线的回波损耗， 如图1 2 所示，图中a 曲线是未采用e b g 前天线的回波损耗，b 曲线是采用e b g 后天 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 线的回波损耗。一般要求天线的回波损耗小于1 4 d b ，由图1 2 可以看出，采用e b g 后天线的回波损耗有所提高，但回波损耗仍然较大，原因是其天线本身未设计好。 吁。 釜 |。 ，、 y 、 、 i ! ”? ；i i j i 二：iy 33 54 55 图1 2 一种采用了e b g 的天线的回波损耗 文献 6 】和 7 】分别给出了一种能应用在w s n 传感器节点上的p c b 天线，这两 种p c b 天线与本文所设计的天线一样，都是工作在2 4 g h z 频段。文献 6 给出其 天线的方向图，如图1 3 所示。由图1 3 可以看出，此天线的各方向上的辐射比较 不均匀，即其全向性较差。文献【7 】所设计的天线其全向性比图1 3 所示更差一些。 从w s n 传感器节点的角度来看，这两种p c b 天线的辐射性能均不是很好。 冷 一- 一 。fu 、j、 3 ， t ? ，y ：、，7 0 。7 i 一：j ，j7 ：，| - 。7 i ，0 t i 、 ， ，、 。jj 。j 7 7 j 7 。 一一r 。一。 ： _7 一谚 、o ：7 ，：i 。 、 一，r 图1 3 一种p c b 天线的辐射方向图 无线传感器网络w s n 有其自身的特点，它的节点也有其本身的特点，对天线 及其相关电路有特殊的要求，本文就是要为w s n 节点研究和设计满足这些要求的 天线及其相关电路。 第3 页 国防科学技术大学研究牛院硕士学位论文 1 1 3w s n 节点天线研究意义 对无线传感器网络节点天线及其相关电路的研究与设计，具有重大的理论意 义和实践意义。 理论意义：通过对传感器节点天线及其相关电路的研究与设计，进一步表明 天线及其相关电路对传感器节点以及整个无线传感器网络的重要性；百年来，天 线理论越来越成熟，对传感器节点天线的研究与设计，可以进一步填充天线在微 小化、集成化这方面的理论，促进天线技术的发展：传感器节点与3 g 、4 g 中的 移动通信终端设备有一定的相似性，对传感器节点天线及其相关电路的研究与设 计的理论成果，对移动通信终端设备中天线及其相关电路的研究与设计会有很大 的帮助。 实践意义：研究和设计出良好的天线及其相关电路，可提高辐射效率，扩大 辐射范围，从而减少传感器节点数量，节约硬件成本，同时对节能有重要的贡献； 设计方法和过程对其它使用到天线的集成电路的设计具有一定的实践意义；为设 计出稳定、高性能的传感器节点提供重要的支持，为建设大规模无线传感器网络 奠定一定的基础。 1 2 课题研究内容和主要成果 本课题从无线传感器网络的基本组成单元一一传感器节点出发，为传感器节 点设计天线及其相关电路，保证节点之间以及节点与使用者之间稳定可靠高效率 的信息传递，提高它们之间的无线通信质量，从而提高整个无线传感器网络的性 能。 首先明确传感器节点的组成结构，分析传感器节点的特点，根据需要选择合 适的射频芯片。射频芯片用来完成无线信号的收发、信息的缓存、信号的纠错以 及其它与此有关的工作。根据应用坏境，课题所选择的射频芯片是c h i p c o n 公司研 发的c c 2 4 2 0 。选择好射频芯片后，根据传感器节点的特点以及所选射频芯片的要 求，确定天线及其相关电路的类型和基本结构。这里所选择的天线及其相关电路 是如图1 1 ( b ) 、( d ) 所示的两种结构。 分析影响传感器节点天线性能的主要因素，比较不同类型天线、馈线、巴伦 及阻抗匹配电路的优缺点。在设计图1 1 ( d ) 所示的天线及其相关电路网络时，根据 需要，采用的天线为单极天线，并将一种基本的巴伦电路进行了改进。在设计图 1 1 ( b ) 所示的天线及其相关电路网络时，采用的天线为优势比较明显的折合偶极天 线，并将其印制在p c b 板上以提高集成度、减小节点体积。 由于课题所选择的天线有其本身的特殊性，不能直接套用一般的理论公式与 结论来对其进行分析与设计，需要借助e d a 工具来进行仿真与验证，以提高设计 的准确性，缩短研发的时间。比较了不同e d a 工具的特点，本课题选择的是功能 第4 页 国防科学技术大学研究乍院硕十学位论文 强大的由a g i l e n t 公司研发的a d s ( a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ) 设计系统，利用a d s 来设计天线及其相关电路，进行大量的仿真优化。同时，针对实现了的传感器节 点，利用多种频谱测试分析仪器，对传感器节点的天线进行大量的实验，测试其 性能，以验证设计的正确性。 根据上面所述，设计过程中需要进行不断的仿真与模拟，对设计进行多次改 善，实现之后还要进行实验验证。一般在条件允许的情况下，进行实验验证后仍 可能对设计进行改善，并重复进行仿真与模拟。本课题研究和设计的方法与流程 如图1 4 所示。 图1 4 课题设计方法与流程 本课题研究的主要成果包括： ( 1 ) 为传感器节点设计出了两种天线及相关电路网络，一种采用不平衡的单极 天线，另一种采用平衡的印制折合偶极天线。 ( 2 ) 在单极天线的设计中 如图1 1 ( d ) 所示，为完成c c 2 4 2 0 的i 心输入输出端口与天线间的平 衡不平衡转换而选择了种巴伦电路，并对它进行了改进，并根据阻抗 匹配的要求确定了电路中各元件的参数，对设计出的巴伦电路进行仿真， 结果表明巴伦电路可以很好地完成平衡一不平衡转换和阻抗匹配； 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 在实现了的传感器节点上不断改变单极天线的长度，利用多种频谱分 析仪进行测试实验，根据实验结果确定最佳天线长度，总结出天线的性能， 结果验证了设计的正确性。 ( 3 ) 在折合偶极天线的设计中 先对标准的印制折合偶极天线进行仿真，总结出标准印制折合偶极天 线的阻抗与长度的关系，确定最佳天线长度； 选择共面带状线为天线馈电，根据共面带状线特点，取定天线长度为 最佳长度并保持不变，对标准天线在结构上作了修改，并改进了一种基本 的阻抗匹配电路，对改进的天线、馈线和阻抗匹配电路进行了仿真和验证。 ( 4 ) 对所选择的两种天线及相关电路进行综合比较，总结出其优缺点；总结了 设计天线及其相关电路的一般过程与方法。 1 3 论文组织 本文共分为六章，各章节内容安排如下： 第一章介绍本课题的研究背景和意义，指出传感器节点天线及其相关电路设 计的重要性，介绍和分析了它的研究现状；介绍了天线及其相关电路网络的组成 结构，以及本论文的主要工作。 第二章介绍了传感器节点的组成结构，分析了传感器节点的特点，介绍了 c c 2 4 2 0 芯片的结构和特点；阐述了天线的主要性能参数，比较了几种类型的天线、 馈线和巴伦，分析了影响传感器节点天线的因素。 第三章设计单极天线，改进一种巴伦电路，进行阻抗匹配，对所设计的天线 及其相关电路进行仿真与实验。 第四章设计和改善印制折合偶极天线，设计阻抗匹配电路并进行改进，对所 设计的天线及其相关电路进行仿真验证。 第五章综合分析了所设计的两种天线及其相关电路的性能，总结其优缺点。 第六章进行总结和展望。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 第二章传感器节点、天线及相关电路概述 2 1 传感器节点 一个无线传感器网络包含了很多的传感器节点。不同节点可能完成不同的任 务，有的节点采集环境的气温、气压等信息，有的对环境中的某目标进行定位跟 踪，有的甚至放入人体内探测某些生物病理信息，等等。虽然完成的工作不同， 这些传感器节点的工作原理和工作流程却是一样的，都是对有用的信息进行监测、 采集、处理并传递给网络使用者。而且，这些节点的组成结构也是相同的。 2 1 1 传感器节点组成结构 传感器节点虽然体积小，组成结构却比较复杂，有多个部分组成。它由电源 模块、传感器单元、a d 转换单元、处理器单元、无线收发单元和天线及其相关 电路组成【8 j ，如图2 1 所示。 图2 1 传感器节点组成结构 有的传感器本身已经包含了a d 转换器，不需要外加a d 转换单元。 国内外出现了许多传感器节点的设计方案，它们或者采用不同的微处理器技 术，或者采用不同的无线通信协议。 本课题根据功耗、体积、功能及性能等方面的要求，选择的微处理器是a r m 7 l p c 2 1 3 8 ，它支持实时仿真和嵌入式跟踪调试，有利于产品的设计与开发，保证正 确性，缩短研发时间。l p c 2 1 3 8 体积小，功能强大。同时，它有两个低功耗模式： 空闲和掉电，可通过外部中断从掉电模式中唤醒，这对于传感器节点的节能这方 面来说是非常有利的。 本课题选择c h i p c o n 公司研发的c c 2 4 2 0 射频芯片作为传感器节点的无线收发 单元，它是基于z i b e e 无线通信协议的，z i g b e e 是建立在i e e e8 0 2 1 5 4 协议之上 的标准，它定义了m a c 层之上的网络层和应用会聚层【9 l 。c c 2 4 2 0 内部硬件已经 实现了z i g b e e 和8 0 2 1 5 4 协议栈，为使用者减少了重复劳动时间，它的低功耗、 多功能的特点使其在无线通信领域得到了广泛的应用，在本文2 2 节中将对其结构 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 和特点进行深入分析。 2 1 2 无线传感器网络节点的特点 无线传感器网络节点与其它网络的节点相比，有很大的区别。无线传感器网 络节点本身的特点，对其天线的设计会有很大的影响，使得其天线的设计在很大 程度上不同于一般天线的设计。 无线传感器网络节点的特点在一些文献中都有阐述，这里主要分析对天线有 影n 向的几个特点。 ( 1 ) 体积小 无线传感器网络节点的体积很小，一些放入人体内的传感器节点其体积已经 小到了1c m 3 的量级1 4 j 。体积小，对天线的影响是很大的。而天线及其相关电路也 往往是限制传感器节点体积缩小的重要因烈2 。 把天线微型化的同时又不影响天线的辐射性能，这在设计和实现上都是比较 困难的【1 0 j 。传感器节点的天线都属于小天线。小天线的输入阻抗的电阻部分比较 小，其电抗部分比较大，这将导致天线辐射效率的降低从而浪费一些能耗。不仅 如此，天线的电抗大，使得天线的阻抗匹配只能在较小的频度范围内保持有效， 这就导致天线的频带宽度也比较小。这些都会使天线以及整个传感器节点的性能 受到很大影响。在设计过程中应该注重解决这些问题，尽量降低天线的电抗。可 以从介质衬底方面寻求解决方案1 2 j ，这样做成本比较高，如果从天线外形结构方面 寻求解决方案则可以降低成本，但设计过程比较耗时。 体积小带来的另外一个问题是接地层离天线比较近。接地层若离得太近，会 影响天线的辐射模型和辐射方向图，使全向天线在各个方向上的辐射强度不一样。 这对无线传感器网络来说是不允许的。文献【2 】采用e b g 材料以解决这个问题，但 其成本较高。我们在设计中采用的是文献 1 0 】的作法，即在p c b 板的设计过程中， 需要单独为天线及其相关电路划出一个区域，接地层不允许进入这个区域，让天 线与其它含有接地层的电路处于不同区域。 ( 2 ) 能量受限 无线传感器网络节点一般采用电池供电，其能量有限。而且节点一般都布置 在比较恶劣的环境中，不太可能为其更换电池。所以需要尽量降低节点的功耗以 延长其使用寿命。传感器节点的能量很大一部分是消耗在无线通信上【2 】，无线通信 的链路由天线来搭建，要降低节点的功耗，意味着天线及其相关电路的能量消耗 被限制在非常小的范围内。 天线的能量消耗被限制了，它的辐射距离也跟着降低，每个节点的通信范围 就会变小，从而网络的通信性能会受到影响。目前研究者找到了一些解决这个问 第8 页 阳防科学技术大学研究生院硕 学化论文 题的办法。 在无线传感器嘲络体系结构方面，可阻采用多跳结构1 “个市点的信息可以 传递给其辐射范围内的邻近节点，这个邻近节点雨把信息传递给下一个邻近节点， 信息最终通过汇聚社点和基站传递给用户，如图2 2 所示。 盥2 2 尢线j 铋s 描h 络多跳蚰 自“1 聚用多跳结构，可以在每个竹点低能耗的情况下保证通信性能。但是这会导 致一个问题，即网络节点的数量和分布密度都增加了，从而整个网结的总能耗和 硬件成本也都增加了。 有的设计者专门为天线加了个助率肢大器i ，以增加天线的输入功率，扩大 竹点的辐射范围，如图2 3 所示。 a n t 刁1一xjrxswhch一一,囝txlrx s w i t c h 一1 二 国 削2 3 为火线增加功牢j 戊 器”o 外加r 一个功率放大器，其觇点是增加，删件，从而增加r 传感器节点的体 秘和成本。 虽好的方法是设汁盘的天线，改善天线、馈线、巴伦和叭抗匹配电路的传输 性能，改进天线的结构，提商天线的粕尊j 效率。传输性能年辐射效率的提高，存 相嗣的输入功率情况下，能使辐射距离增，从而扩大 咕个节点的通信范围。 筇9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( 3 ) 位置不确定 为了比较全面地监测和感知网络区域中的各种有用信息，通常将传感器节点 随意地撒落在区域的各处。因此，无线传感器网络节点的位置是不确定的，各个 节点无法确定其它节点的位置，网络用户也无法知道每个节点的位置。有的时候 节点的位置还会发生变化。 由于一个传感器节点并不确定其它传感器节点的位置，因而在多跳结构的无 线传感器网络中，如果一个节点要向其它节点传递信息，它就必须通过电磁波信 号将信息向空间的各个方向传播出去，这导致节点的天线必须是全向的。从而在 为传感器节点选择天线时，须注意天线的辐射方向图。可供选择的天线种类就比 较少了。 如果天线只需要向一个方向集中辐射，则天线的辐射距离会延长。为无线传 感器网络节点设计天线，可以选择的只能是全向天线，全向天线的辐射距离和增 益比较小，整个节点的性能也受此影响。 另一方面，传感器节点通常用集成电路来实现，集成电路板上的天线要实现 全向辐射不太容易，因为集成电路板与天线靠得近，会影响天线的辐射模型。在 设计中只能尽量使设计的天线向某一平面的各方向均匀辐射，即一般让天线在平 行于水平的平面上是全向辐射的。 2 2 无线收发单元 无线传感器网络节点的无线收发单元主要用来对射频信号进行处理，它对射 频信号进行编码解码，以一定的协议格式对信息进行打包或解包，并以一定的频 率通过天线将信号发送出去或接收回来。 能应用于无线传感器网络节点的无线协议有很多种，目前，z i g b e e 协议标准 得到了多家有名设备制造商的支持，它是一个开放的全球无线通信标准，它专注 于家庭或建筑楼内的自动化控制和自动化办公，它的目标是网络使用寿命长、功 耗低、可扩性好、可靠性高、成本低等【9 j 。c c 2 4 2 0 芯片就是基本z i g b e e 协议的射 频：芯片。 ( 1 ) c c 2 4 2 0 芯片结构 c c 2 4 2 0 芯片工作在2 4 g h z 这个无需执照的频段，它同时支持欧、美、日的 几个无线通信标准。它已经从硬件上直接实现了报文打包、数据缓冲、突发组传 输、数据加密、数据认证、冲突检测、链路质量标识、报文时序指示等功能，其 功能非常强大，这使得微处理器的负担减轻了很多，微处理器只需完成简单的工 作，从而可以采用低成本的微处理器芯片i l 2 。 c c 2 4 2 0 芯片已经内置了a d c 和d a c ，因此微处理器可以直接采用数字信号 与c c 2 4 2 0 通信。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 c c 2 4 2 0 芯片有3 个串口引脚即s p i 引脚，用来与微处理器连接通信，即3 2 、 3 3 和3 4 引脚。c c 2 4 2 0 的6 、7 、8 引脚就是c c 2 4 2 0 的r f 引脚，是c c 2 4 2 0 用来 与天线相联的引脚。 由于c c 2 4 2 0 内部集成了非常多的功能模块，因此其外围电路很简单。 ( 2 ) c c 2 4 2 0 芯片r f 引脚的特点 c c 2 4 2 0 具有低功耗、高集成度、鲁棒性好等优点，只需要少量的外围电路就 能很好地完成射频收发、信息处理等工作。因此选择c c 2 4 2 0 芯片作为无线传感器 节点的无线收发模块。由图2 1 可以看到，传感器节点中，与天线相联的是无线收 发模块，将c c 2 4 2 0 作为无线收发模块，就需要分析其引脚的特点以及它对天线及 其相关电路的影响。 c c 2 4 2 0 芯片与天线连接的引脚是r f 输入输出引脚r fp 和r fn ，这是一 对平衡差分端口，要求匹配的负载阻抗为1 1 5 + j 1 8 0 q ，这个阻抗比较高，需要采 用高阻抗的天线，匹配起来才会比较简单。如果所选天线的阻抗较低，则需要设 计较复杂的阻抗匹配电路来将天线及其相关电路的输入阻抗匹配到1 1 5 + j 1 8 0 q ； 如果所选天线为不平衡天线，则需要设计一个巴伦电路来完成天线与c c 2 4 2 0 之间 的平衡一不平衡转换，同时巴伦还可以完成阻抗匹配的工作，这时就不用为天线 和c c 2 4 2 0 设计专门的阻抗匹配电路。 c c 2 4 2 0 还有个t x r xs w i t c h 引脚，要求有一个外部d c ( 直流) 通路把这 个引脚与r f 输入输出引脚相连。由于c c 2 4 2 0 已经内置了输入模式和输出模式的 开关选择电路，这个电路可以完成输入模式和输出模式之间的相互转换，所以在 外围电路中不需要输入模式和输出模式的转换选择逻辑，只需要一个r f 引脚到 t x r xs w i t c h 引脚的d c 通路，这样便简化了外围电路。若天线本身有一个d c 通路提供给t x r xs w i t c h 引脚和r f 输入输出引脚，外围电路将变得更加简单。 考虑到可能选择平衡天线和不平衡天线，c c 2 4 2 0 与天线的连接如图2 4 所示。 馈 不平衡天线 ： 巴伦与阻抗匹配 叫d c 通路l h ，i r fpt x r xr fn s w i t c h c c 2 4 2 0 馈 平衡天线 t ： 阻抗匹配 h id c 通路i h r f pt x r x r f n s w i t c h c c 2 4 2 0 ( a ) c c 2 4 2 0 与不平衡天线( b ) c c 2 4 2 0 与平衡天线 图2 4c c 2 4 2 0 与天线之间的连接 第l l 页 国防科学技术火学研究生院硕士学位论文 需要注意的是图2 4 中r fp 连线与i 讧n 连线的方向是变化的，有可能r fp 作为c c 2 4 2 0 的r f 输入，r fn 作为其输出；也有可能r fp 作为c c 2 4 2 0 的r f 输出，r fn 作为其输入；但它们的方向一定是相反的。 c c 2 4 2 0 的r f 输入输出信号的频率在2 4 g h z 频段，这个频段的波长很短， 为1 0 c m 的量级，这也就限制了天线的长度就在这个范围内。关于小天线设计过程 的一些问题已经在本文的2 1 2 小节分析过了。 2 3 天线及其相关电路概述 一个天线及其相关电路网络由天线、馈线、阻抗匹配电路组