基于自建無線專網(wǎng)的天線自動控制研究

柳求安等

【摘 要】 本文介紹了在智能電網(wǎng)建設(shè)背景下，基于無線專網(wǎng)的輸電線路視頻監(jiān)視系統(tǒng)的信息網(wǎng)絡(luò)安全接入平臺技術(shù)及定向天線自動控制技術(shù)，針對定向天線對準(zhǔn)困難的問題，介紹了基于自建無線專網(wǎng)的天線自動控制系統(tǒng)的原理和軟硬件設(shè)計(jì)，提出了定向天線自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)施方案，結(jié)果本系統(tǒng)滿足使用要求。

【關(guān)鍵詞】 輸電線路 無線專網(wǎng) 定向天線 GPS 遙控

最近幾年國內(nèi)電力系統(tǒng)相繼開發(fā)出了多種輸電線路在線監(jiān)測裝置和系統(tǒng)。但幾乎所有試點(diǎn)的通信都采用GPRS或3G技術(shù)。眾所周知，GPRS是2.5代的公網(wǎng)通信，有如下問題：無信號、實(shí)時(shí)性差、帶寬窄、運(yùn)行費(fèi)用高和安全性差。因此通信問題成了輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)目前主要的技術(shù)瓶頸，我單位和合作廠家三川公司依據(jù)國網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)合作研發(fā)出了一種“沿輸電線路展開的無線寬帶專網(wǎng)通信系統(tǒng)”，并成功應(yīng)用于輸電線路視頻監(jiān)視系統(tǒng)中，解決了上述輸電線路監(jiān)視的通信問題。我們在此基礎(chǔ)上，深入研究輸電線路無線寬帶專網(wǎng)接入信息網(wǎng)絡(luò)安全接入平臺技術(shù)和定向天線自動控制技術(shù)，使沿線傳輸?shù)臒o線寬帶專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，達(dá)到全面推廣的條件，滿足用戶的現(xiàn)場使用要求，有效解決公司內(nèi)、外網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的安全接入需求。為開展后期輸電線路狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)檢修提供良好的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

眾所周知，在圖像信號傳輸或無線通信中，為了保證通信質(zhì)量，大多采用定向天線。當(dāng)將定向發(fā)射天線和接收天線對準(zhǔn)時(shí)，才能接收到高質(zhì)量的信號，所以定向天線對準(zhǔn)是一項(xiàng)非常困難的工作。這對天線自動控制設(shè)計(jì)提出了很高的要求，過去那種靠人工操作調(diào)整定向天線的方法已不適應(yīng)目前的要求。針對定向天線對準(zhǔn)困難的問題， 將GPS技術(shù)、數(shù)字羅盤技術(shù)和步進(jìn)電機(jī)技術(shù)應(yīng)用于定向天線控制系統(tǒng)中；我們針對本系統(tǒng)現(xiàn)場施工門檻高、現(xiàn)場條件比較惡劣并且需要高空爬桿作業(yè)，要求盡量減少施工次數(shù)，設(shè)計(jì)了桿下就近遙控控制。本文介紹了軟硬件設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了測試試驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地完成定向?qū)?zhǔn)工作，節(jié)省了安裝時(shí)人工調(diào)整天線方位角的工作，減少了安裝時(shí)間，提高了安裝效率，滿足使用要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基于自建無線專網(wǎng)的天線自動控制系統(tǒng)的組成原理

通過GPS采集定向天線的經(jīng)緯度和高度等位置信息，通過數(shù)字羅盤采集定向天線的方位角和俯仰角等姿態(tài)信息，計(jì)算出定向天線對接收天線所需的方位角、俯仰角，然后通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動天線實(shí)現(xiàn)定向。天線自動控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)：是基于自建無線專網(wǎng)的天線自動控制系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)采集定向天線的三坐標(biāo)信息和姿態(tài)信息，控制液晶顯示器的顯示，完成方位角、俯仰角的計(jì)算和控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。由于本系統(tǒng)的軟件較復(fù)雜，需要的較大的內(nèi)存空間，所以本系統(tǒng)選擇STM公司生產(chǎn)的STM32F103RET6（LQFP64）。

GPS接收機(jī)：開始架設(shè)定向天線時(shí)，首先由STM32F103RET6通過GPS接收機(jī)采集定向天線的三坐標(biāo)信息，作為計(jì)算天線方位角和俯仰角的部分輸入?yún)?shù)。

數(shù)字羅盤：對于天線姿態(tài)，主要的就是獲取天線實(shí)際的俯仰角和方位角。

步進(jìn)電機(jī)：選用2臺步進(jìn)電機(jī)，分別控制天線在水平方向和垂直方向轉(zhuǎn)動，分別簡稱方位角步進(jìn)電機(jī)和俯仰角步進(jìn)電機(jī)。

遙控控制：配備一臺遙控器，在地面與單片機(jī)通信，當(dāng)定向天線的角度出現(xiàn)偏差時(shí)，可以控制單片機(jī)進(jìn)行自動調(diào)整，而無需進(jìn)行爬桿進(jìn)行高空作業(yè)。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

基于自建無線專網(wǎng)的天線自動控制系統(tǒng)的軟件部分主要包括數(shù)據(jù)采集、方位角計(jì)算、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動控制和遙控命令處理等四部分組成。程序流程圖如下圖2所示。

數(shù)據(jù)采集部分由單片機(jī)負(fù)責(zé)獲取GPS接收機(jī)及數(shù)字羅盤的數(shù)據(jù)，提取定向天線的三坐標(biāo)信息和姿態(tài)信息。主要完成對經(jīng)緯度、GPS定位指示和海拔高度的錄取與顯示；對定向天線的方位角、方位角狀態(tài)、俯仰角、俯仰角狀態(tài)的錄取與顯示。

方位角計(jì)算部分主要是根據(jù)數(shù)據(jù)采集得到的定向天線的正確的三坐標(biāo)信息和方位角、俯仰角數(shù)據(jù)，由STM32F103RET6存儲并計(jì)算定向天線對準(zhǔn)接收天線時(shí)的俯仰角、方位角，最后計(jì)算步進(jìn)電機(jī)控制天線的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動的方位角角度。

最后步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動控制策略的實(shí)現(xiàn)，按照先方位后俯仰的順序驅(qū)動電機(jī)使定向天線對準(zhǔn)接收天線。

2 結(jié)語

我們在相隔10km的某輸電線路桿塔上應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明， 基于自建無線專網(wǎng)的天線自動控制系統(tǒng)能使圖像傳輸發(fā)射天線快速對接收天線，并正常接收到較強(qiáng)的信號。

基于自建無線專網(wǎng)的天線自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜，還具有機(jī)動性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠解決定向天線對準(zhǔn)困難的問題，滿足信息傳輸設(shè)備信息傳輸?shù)囊蟆Ｈ秉c(diǎn)是電動轉(zhuǎn)向裝置在惡劣天氣下容易造成損壞或松動，可靠性較固定天線要差些。

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