本實用新型屬于無線通訊技術領域，涉及無線地下傳感器網絡，具體涉及一種基于磁感應技術的無線地下傳感網絡收發器。

背景技術：

無線地下傳感器網絡(Wireless Underground Sensor Network，WUSN)是將具有無線接收、發送模塊的無線地下傳感節點完全埋入地下一定深度土壤或地質中，當感應模塊感知到數據后，通過無線方式發送數據，眾多的傳感器節點在土壤或地質中組建成的傳感器網絡。無線地下傳感器網絡節點分為傳感節點、匯聚節點和網關三種，三種節點都離不開一個無線收發器，無線收發器控制著節點間的收發，包括信源的編碼解碼、信道的編碼解碼、信號的調制解調、信號的濾波和收發之間的同步等。地下的無線傳輸信道遠比地上無線傳輸信道復雜，無線地下收發器是無線地下傳感器節點的重要部分，它的好壞直接關系著通信的距離、誤包率等，所以無線地下收發器及其信號處理方法研究意義重大。

目前，WUSN通信方式主要有兩種，一種是沿用無線地上通信的電磁波方式，另一種是磁感應方式。其中，基于電磁波技術的無線地下通信面臨著高路徑損耗、信道條件動態變化大和天線尺寸過大等問題，慢慢不能滿足WUSN向長距離和深層地質通信發展的要求。而基于磁感應技術的無線地下收發器則是利用磁感應技術進行通信，收發器發送端將已調制信號激發發送線圈，在發送線圈周圍產生磁場，接收端線圈處于該磁場內，隨著磁場的變化，接收線圈產生感應電動勢實現通信，如圖1所示。其中的無線地下收發器是利用磁感應(MI)技術傳輸信號，MI技術有效地解決了電磁波傳播情況下信道條件動態變化以及天線尺寸大的問題。特別是諸如土壤和水這樣的密集介質，因為兩者的磁導率近似相等，所以磁場內的衰減率相對于空氣中傳播僅有微小變化。因此，在土壤介質中的磁感應信道條件基本穩定。此外，在MI通信中只須一個小小的線圈即可完成發送和接收數據的任務。因此，對于MI技術而言，天線尺寸已不是主要的限制問題。

當前，國內外對無線通信技術的研究主要還是集中在對地上和水下的研究，針對地下的無線通信研究比較少。由于磁感應技術無線收發器沒有成熟產品出現，導致WUSN研究主要集中在基于電磁波傳輸技術上，即使有少量地下無線通信研究也只是集中在地表淺層土壤無線通信的研究，基本沒有涉及對深入地下的無線通信技術的研究。

技術實現要素：

本實用新型針對上述問題，提出一種基于磁感應技術的無線地下收發器設計方案，研究適合磁感應通信的放大電路、濾波方式、信源編碼方式、信道編碼方式、調制解調方式和通信幀格式等。由于無線地下信道復雜，而采用傳統的硬件濾波和解調方式實現的收發器，存在通信可靠性低且實現不靈活的缺點，本實用新型以軟件無線電的思想代替傳統硬件方法實現磁感應通信的濾波和解調。

具體而言，本實用新型采取的技術方案是：

一種無線地下傳感器網絡收發器，包括無線通信模塊、處理模塊和能量供應模塊，所述無線通信模塊包括信號的發送模塊和接收模塊，所述處理模塊包括用于控制、處理信號的主控制器模塊，所述能量供應模塊為無線通信模塊、處理模塊的正常工作提供所需的能量，所述發送模塊、接收模塊之間采用磁感應通信，通信頻率為30～300Khz，所述主控制器模塊選用TL6748-EVM開發板為所述處理模塊的主控制器。

作為技術方案的優選，所述無線地下傳感器網絡收發器的主控制器的CPU選用TMS320C6748。

進一步地，所述發送模塊的發射電路包括功率放大電路和全橋驅動電路；所述接收模塊的接收電路包括線圈匹配電路、程控放大電路和高速A/D數據采集電路。

進一步地，所述發射電路的功率放大電路采用以TC4426為芯片的MOSFET驅動電路，MOSFET驅動電路具有四路脈寬調制信號PW1、PW2、PW3和PW4，PW1和PW2為一組極性相同的脈寬調制信號，PW3和PW4為另一組極性相同的脈寬調制信號，所述兩組脈寬調制信號的極性相反；所述全橋驅動電路包括兩個場效應管IRF7389的芯片TC4426和四個肖特基二極管SS14組成。

進一步地，所述線圈匹配電路采用并聯諧振的方式，由匹配電阻、匹配電容和自身電感值組成，所用接收線圈為3DC1515-1000J。

進一步地，所述程控放大電路采用二級放大，同時在二級放大的反饋網絡中采用數字電位器MAX5405，所述二級放大器選用LMV822。

進一步地，所述高速A/D數據采集電路包括模數轉換器ADS805，模數轉換器ADS805的數據接口通過TMS320C6748的EMIF接口連接DSP TMS320C6748。

作為技術方案的優選，所述無線通信模塊的信號頻率是125Khz。

與現有技術相比，本實用新型所述的無線地下傳感器網絡收發器至少具有下述的有益效果或優點：

基于無線地下收發節點的整體需求分析，本實用新型進行了WUSN收發器節點的硬件設計與實現，包括系統節點的硬件結構設計、節點主控制器、線圈的選型和外圍電路設計等，又詳細闡述了節點中發射電路、匹配電路、程控放大電路和高速A/D采樣電路的設計原理與目的，并最終通過實驗平臺驗證了FIR濾波器的性能，經FIR濾波器后低頻干擾被濾除，降低了誤包率。節點收發信號測試驗證了收發電路設計的合理性，所述的無線地下傳感器網絡收發器可以應用于地下振動信號，土壤，礦物質水分含量的監測。

附圖說明

圖1是本實用新型所述磁感應線圈模式圖。

圖2是本實用新型所述WUSN節點收發器組成模塊間的關系示意圖。

圖3是本實用新型所述無線地下收發器節點系統框圖。

圖4是本實用新型所述發送模塊的發射電路圖。

圖5是本實用新型所述線圈匹配電路圖。

圖6是本實用新型所述程控放大電路。

圖7是本實用新型所述TMS320C6748與ADS805連接框圖。

圖8是本實用新型所述誤包率實驗結果圖。

具體實施方式

為了便于理解本實用新型的目的、技術方案及其效果，現將結合實施例對本實用新型做進一步詳細闡述。

1、收發器的總體設計

WUSN節點收發器是無線地下傳感器網絡的核心要素，只有通過節點才能實現信息感知、處理并實現節點之間的通信。無線收發器是無線傳感器節點的重要組成部分，一般由無線通信模塊、處理器模塊和能量供應模塊組成，如圖2所示。WUSN節點收發器中各個模塊的功能如下：

(1)無線通信模塊負責節點之間的無線通信發射和接收，由發射部分(發射模塊)和接收部分(接收模塊)組成，包括信息的交換和數據的匯聚、轉發等。無線收發器要求無線通信模塊具有功耗低、傳輸安全可靠、可長距離通信等特點。

(2)處理模塊主要起控制和算法處理的作用，控制收發器的運行程序和進行一些信號處理的算法。處理模塊主要包括處理器和存儲器。

(3)能量供應模塊為無線通信模塊和處理模塊供應正常工作所需的能量。

WUSN節點收發器是一個小型的嵌入式系統，硬件的選擇關系到系統最后的性能好壞。在選擇硬件時不僅要考慮單個組成部分的性能，還應以整體性能出發，結合實際應用的要求對各個部分進行選擇，各部分之間的良好協調，可使整體性能更加出色。

主控制器是無線收發器的核心，負責無線收發器的控制功能和信號處理功能，如濾波、調制解調等。在信號處理領域中專用的數字信號處理芯片(DSP)具有運行速度快特點，且擁有專門的硬件乘法器，可以用來快速的實現各種數字信號處理算法，相比普通的單片機芯片更適合做信號處理，所以主控制器的CPU選擇專用的數字信號處理芯片(DSP)。目前，信號處理的芯片主要由TI和ADI兩家公司生產，無線地下收發器節點是部署在地下，由于節點地下部署不方便，所以節點一般長時間才取出，甚至不取出來，從而要求節點功耗低。無線地下傳輸的信道復雜，需節點處理一些復雜的信號處理算法，這就要求節點性能高，處理速度快。由于地下環境復雜，且不適合電氣設備長時間運行，這也就要求節點能在惡劣的環境下工作，因此選用TI的TMS320C6748做主控制器的CPU。由于TL 6748-EVM開發板具備運行功耗低、處理速度快和環境適應性強的特點，非常適合地下無線地下收發器節點對主控制器的要求。因此本實施例選擇TL6748-EVM開發板作為無線地下收發節點的主控制器。

根據對磁感應地下信道的仿真，低頻(30Khz～300Khz)更適合磁感應通信，再結合線圈的性能、體積和成本等，選用PREMO公司的125Khz的收發線圈。

2、基于磁感應無線地下收發器電路設計

圖3給出了無線地下收發器節點系統的框圖。由圖3可知，所述節點由TMS320C6748主控制器模塊和外圍電路模塊組成。TMS320C6748主控制器主要負責節點的編碼、解碼、調制、解調、濾波等信號處理算法的運行。外圍電路分為接收電路和發射電路兩部分。發射部分由功率放大和全橋驅動電路組成。接收部分由天線匹配電路、程控放大電路和高速AD數據采集電路組成。

如圖4所示，本實施例采用MOSFET驅動電路和全橋驅動電路結合的天線發射電路，通過天線發射電路使得天線正常工作。高速MOSFET驅動電路是四路脈寬調制(PWM)信號，即PW1、PW2、PW3和PW4。PW1、PW2為一組，極性相同。PW3、PW4為一組，極性相同，但兩組之間極性相反。PWM信號經過TC4426進行功率放大后，推動大功率MOSFET管IRF7389工作在開關狀態。高速MOSFET驅動電路采用的是一個D類功率放大電路，由TC4426芯片構成。TC4426芯片在4.5V～18V供電范圍內均能穩定地工作，其輸出驅動電流高達1.5A，而輸出阻抗只有7Ω，是驅動MOSFETR功放管的理想器件。

由圖4可知，兩個IRF7389的芯片和四個SS14組成了驅動天線的全橋電路。全橋電路實際上就是H橋電路，由兩只N溝道和兩只P溝道場效應管構成。實際電路中，四個MOSFET管由U2和U3構成。四個MOSFET管也就是四個開關元件，四個開關分成兩對，兩對開關交替導通，驅動天線工作。開關可以利用MOSFET或IGBT(絕緣柵極雙極性晶體管)實現。本實施例采用的是MOSFET場效應管IRF7389。IRF7389由一路N溝道MOSFET和一路P溝道MOSFET構成。圖4中的D1、D2、D3、D4選用的是高速肖特基二極管SS14，二極管與MOSFET并聯保護MOSFET，SS14的正向壓降低和反向恢復時間短，進而降低電路功耗。

無線地下收發器節點接收電路包括線圈匹配電路、程控放大電路和基于DSP TMS320C6748的高速A/D數據采集電路三個部分。

接收電路的線圈匹配電路采用并聯諧振的方式，由匹配電阻、匹配電容和自身電感值組成。接收線圈使用PREMO公司的3DC1515-1000J，X、Y、Z軸方向上的電感Lx、Ly、Lz均為10mH，直流等效電阻Rx、Ry為165Ω，Rz為258Ω，低頻諧振的頻率f為125kHz。為了接收線圈更好的接收磁感應信號，需對線圈的諧振電路的匹配電阻和電容進行計算，得到合適的值，再設計出合適的線圈匹配電路。匹配電路諧振時，諧振頻率f、電感值L和匹配電容Cp滿足式1，通過該式可求得匹配電容Cp的值。

當L＝Lxyz＝10mH，f＝125kHz，代入式1求得CpXYZ＝160pF。

低頻線圈性能和其品質因數Q關系密切，一般來講，Q值越高，線圈的輸出能量越高，不過Q值也與通頻帶相關，隨著Q值的變大，通頻帶會縮小。一般的線圈品質因素Q都大于25。由式2可計算出并聯諧振匹配電路的Q值。

根據線圈諧振電路相關參數，選取Q值為25，代入式2分別求得X軸、Y軸和Z軸諧振并聯電阻，RpX和RpY為410KΩ，RpZ為1.1MΩ。

通過計算，可以得到線圈匹配電路的匹配電阻和匹配電容的值，設計出的匹配電路如圖5所示。

磁感應信號在地下傳播后，到達接收天線的信號強度將大幅度衰減，根據磁感應信號地下信道的仿真可知，天線接收并轉化成的電信號動態范圍大，通常是mV級到V級。因此，需對每路接收信號進行成百上千倍的增益放大，也可能是放大幾倍，所以采用程控放大器，通過A/D采用的值來判斷放大倍數。

磁感應信號放大電路如圖6所示，電路采用二級放大，同時在二級放大的反饋網絡中采用數字電位器MAX5405。MAX5405是一個雙路、256抽頭、低漂移的線性數字電位器，該芯片兼容三線SPI接口，阻值范圍是0～100KΩ，通過TMS320C6748對芯片寫入數值0x00～0xff即可設置相應的阻值，實現放大電路增益可調，該芯片的工作電壓是2.7V～5.5V，驅動電流僅為0.1uA。

LMV822是一個雙路、低壓、低功耗的運算放大器，電路采用LMV822進行兩級放大：

第一級放大電路的電壓放大倍數為第二級放大電路的電壓放大倍數為其中R_x為數字電位器MAX5405的電阻值，放大后的信號輸送到主控板上的數據采集模塊進行相應的處理。

磁感應信號經過程控放大后，須經過數據采集電路才能進入DSP TMS320C6748里面進行后期的信號處理。數據采集系統的好壞直接影響到處理前數據的精確性，從而影響到數據處理的結果。本數據采集系統由DSP TMS320C6748和ADS805構成，如圖7所示，TMS320C6748通過編程驅動ADS805工作，DSP TMS320C6748和ADS805的連接是通過TMS320C6748的EMIF接口連接起來。模數轉換器ADS805，速度最高為20Mhz，本系統的信號頻率是125Khz，根據曼奎斯特采樣定理要求采樣頻率大于2倍信號頻率，ADS805速度是可以滿足系統的需求，且整體性能比較優越，一般用在數字化基帶處理、CCD成像、復印機和測試儀器等。

3、實驗分析

為驗證本實施例所述技術方案的可行性，進行了大量的無線地下收發器通信實驗。通過FIR濾波器和希爾伯特包絡檢波解調，并調試軟件CCS 5.5保存實驗數據，通過MATLAB對實驗數據進行分析，分析信號的濾波效果和解包絡效果，得到無線地下收發器的誤包率和通信距離的關系。

實驗分為三部分，分別為地上實驗、地下無FIR濾波器實驗和地下有FIR濾波器實驗。地下環境由兩裝滿沙子的塑料桶(直徑30cm、高30cm)進行模擬，將無線地下收發器收發節點埋于桶中進行實驗，經功率放大后，天線輸入端的電壓為10V左右，實驗過程中通過USB轉串口數據線與PC相連，并使用串口調試助手觀察接收節點接收到的數據，通過接收數據計算出誤包率。使用CCS 5.5觀察接收節點接收到的數據發射節點從距離接收節點10cm處開始發射信息，距離每增加15cm測量一組數據。為減小實驗誤差，每組數據測量50次，取50次誤包率樣本平均值作為該通信距離的誤包率。

收發器通信誤包率實驗分為三部分，即收發器地上通信實驗、收發器地下通信無FIR濾波器實驗和收發器地下通信有FIR濾波器實驗，結果如圖8所示。由圖8可知，同等誤包率下，磁感應地上通信距離比地下通信距離長；同等距離下，有FIR濾波器實驗誤包率比無FIR濾波器低些。

綜合上述實驗結果可以發現：同等誤包率下，磁感應地上通信距離比地下通信距離長。地下信道比地上信道復雜，由于實驗中地下信道存在沙子，相比地上信道信號衰減更大，使得同等誤包率下磁感應地上通信距離比地下通信距離長。同等距離下，有FIR濾波器實驗誤包率比無FIR濾波器低些。地下存在其他電磁波，如工頻干擾、天電干擾等，這些干擾影響信號傳輸，通過FIR濾波器濾除干擾成分，降低了誤包率。

上面結合實施例對本實用新型做了進一步的敘述，但本實用新型并不限于上述實施方式，在本領域的普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本實用新型宗旨的前提下做出各種變化。