[实用新型]无线地下传感器网络收发器

说明书

技术领域

本实用新型属于无线通讯技术领域，涉及无线地下传感器网络，具体涉及一种基于磁感应技术的无线地下传感网络收发器。

背景技术

无线地下传感器网络(Wireless Underground Sensor Network，WUSN)是将具有无线接收、发送模块的无线地下传感节点完全埋入地下一定深度土壤或地质中，当感应模块感知到数据后，通过无线方式发送数据，众多的传感器节点在土壤或地质中组建成的传感器网络。无线地下传感器网络节点分为传感节点、汇聚节点和网关三种，三种节点都离不开一个无线收发器，无线收发器控制着节点间的收发，包括信源的编码解码、信道的编码解码、信号的调制解调、信号的滤波和收发之间的同步等。地下的无线传输信道远比地上无线传输信道复杂，无线地下收发器是无线地下传感器节点的重要部分，它的好坏直接关系着通信的距离、误包率等，所以无线地下收发器及其信号处理方法研究意义重大。

目前，WUSN通信方式主要有两种，一种是沿用无线地上通信的电磁波方式，另一种是磁感应方式。其中，基于电磁波技术的无线地下通信面临着高路径损耗、信道条件动态变化大和天线尺寸过大等问题，慢慢不能满足WUSN向长距离和深层地质通信发展的要求。而基于磁感应技术的无线地下收发器则是利用磁感应技术进行通信，收发器发送端将已调制信号激发发送线圈，在发送线圈周围产生磁场，接收端线圈处于该磁场内，随着磁场的变化，接收线圈产生感应电动势实现通信，如图1所示。其中的无线地下收发器是利用磁感应(MI)技术传输信号，MI技术有效地解决了电磁波传播情况下信道条件动态变化以及天线尺寸大的问题。特别是诸如土壤和水这样的密集介质，因为两者的磁导率近似相等，所以磁场内的衰减率相对于空气中传播仅有微小变化。因此，在土壤介质中的磁感应信道条件基本稳定。此外，在MI通信中只须一个小小的线圈即可完成发送和接收数据的任务。因此，对于MI技术而言，天线尺寸已不是主要的限制问题。

当前，国内外对无线通信技术的研究主要还是集中在对地上和水下的研究，针对地下的无线通信研究比较少。由于磁感应技术无线收发器没有成熟产品出现，导致WUSN研究主要集中在基于电磁波传输技术上，即使有少量地下无线通信研究也只是集中在地表浅层土壤无线通信的研究，基本没有涉及对深入地下的无线通信技术的研究。

实用新型内容

本实用新型针对上述问题，提出一种基于磁感应技术的无线地下收发器设计方案，研究适合磁感应通信的放大电路、滤波方式、信源编码方式、信道编码方式、调制解调方式和通信帧格式等。由于无线地下信道复杂，而采用传统的硬件滤波和解调方式实现的收发器，存在通信可靠性低且实现不灵活的缺点，本实用新型以软件无线电的思想代替传统硬件方法实现磁感应通信的滤波和解调。

具体而言，本实用新型采取的技术方案是：

一种无线地下传感器网络收发器，包括无线通信模块、处理模块和能量供应模块，所述无线通信模块包括信号的发送模块和接收模块，所述处理模块包括用于控制、处理信号的主控制器模块，所述能量供应模块为无线通信模块、处理模块的正常工作提供所需的能量，所述发送模块、接收模块之间采用磁感应通信，通信频率为30～300Khz，所述主控制器模块选用TL6748-EVM开发板为所述处理模块的主控制器。

作为技术方案的优选，所述无线地下传感器网络收发器的主控制器的CPU选用TMS320C6748。

进一步地，所述发送模块的发射电路包括功率放大电路和全桥驱动电路；所述接收模块的接收电路包括线圈匹配电路、程控放大电路和高速A/D数据采集电路。

进一步地，所述发射电路的功率放大电路采用以TC4426为芯片的MOSFET驱动电路，MOSFET驱动电路具有四路脉宽调制信号PW1、PW2、PW3和PW4，PW1和PW2为一组极性相同的脉宽调制信号，PW3和PW4为另一组极性相同的脉宽调制信号，所述两组脉宽调制信号的极性相反；所述全桥驱动电路包括两个场效应管IRF7389的芯片TC4426和四个肖特基二极管SS14组成。

进一步地，所述线圈匹配电路采用并联谐振的方式，由匹配电阻、匹配电容和自身电感值组成，所用接收线圈为3DC1515-1000J。

进一步地，所述程控放大电路采用二级放大，同时在二级放大的反馈网络中采用数字电位器MAX5405，所述二级放大器选用LMV822。

进一步地，所述高速A/D数据采集电路包括模数转换器ADS805，模数转换器ADS805的数据接口通过TMS320C6748的EMIF接口连接DSP TMS320C6748。