基于CC2500的輸電線路無人機巡檢抗干擾系統(tǒng)

王杭 賀渝鑌

（1.昆明供電局信息中心 云南省昆明市 650011 2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局 云南省昆明市 650000）

1 基于CC2500的輸電線路無人機巡檢抗干擾系統(tǒng)的功能特點

無人機巡檢抗干擾系統(tǒng)的運行，主要是通過對不同頻段的信號傳輸進行分析和分類，并根據(jù)實際工作環(huán)境快速的搜索和選取信號傳輸質(zhì)量及效率都最佳的頻段，因此通過對這種抗干擾系統(tǒng)的應(yīng)用，便可以使無人機在復(fù)雜多變的環(huán)境下也能夠確保數(shù)據(jù)和信號傳輸?shù)募皶r與有效。例如以CC2500 芯片為基礎(chǔ)的無人機巡檢抗干擾系統(tǒng)，便主要針對無人機信號搜索最大范圍內(nèi)的2400.0MHz ～2483.5MHz頻段展開實時的監(jiān)控，以設(shè)備運行環(huán)境的變化為最佳頻段選擇的基礎(chǔ)，利用智能排除選取的方式，選擇受其他頻段干擾最小的最優(yōu)頻段。同時這種干擾系統(tǒng)還支持系統(tǒng)管理人員利用終端設(shè)備接收無人機發(fā)出的信號，并依據(jù)信號的強度和傳輸速度，判斷運行的無人機所屬環(huán)境的干擾強度及抗干擾系統(tǒng)的運行效果。這樣便可以在智能系統(tǒng)判斷缺乏科學(xué)性的時候，及時切換到人工處理的方式，確保無人機巡檢過程的順利和高效。另外，這種抗干擾系統(tǒng)無論是在安裝、管理、調(diào)節(jié)還是應(yīng)用的過程中，都體現(xiàn)出了較高的靈活性特點，同時網(wǎng)頁端監(jiān)控和管理的方式，也使得該系統(tǒng)的配套設(shè)備更加簡潔，系統(tǒng)造價也相對更加低廉，因此具有更加廣泛的應(yīng)用市場和普及價值。由此可見，基于CC2500的輸電線路無人機巡檢抗干擾系統(tǒng)的功能特點及應(yīng)用優(yōu)勢，在于其本身所具有的移動通信質(zhì)量高、信號傳輸速度快以及穩(wěn)定性較強等性質(zhì)。同時造價成本低和設(shè)備靈活性好，也使得該系統(tǒng)能夠在未來的輸電線路無人機巡檢行業(yè)中，能夠得到更大范圍的推廣和應(yīng)用。

2 抗干擾系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和運行原理

基于CC2500的輸電線路無人機巡檢抗干擾系統(tǒng)是由多項先進的科學(xué)技術(shù)組成的，一種用于提高信號傳輸質(zhì)量和效率，屏蔽無人機設(shè)備運行環(huán)境中其他頻段信號干擾的重要系統(tǒng)。該系統(tǒng)的組成大體上可以分為控制單元、功能模塊、客戶端和終端等幾個基本結(jié)構(gòu)組成：其中控制單元還分為主控單元和輔助控制單元，這也是實現(xiàn)人工方式對無人機工作模式進行管理、對抗干擾系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)和優(yōu)化必不可少的結(jié)構(gòu)；功能模塊是支持無人機抗干擾系統(tǒng)進行信息收集和處理、信號傳輸頻段的搜索與選擇、數(shù)據(jù)和信號傳輸?shù)墓δ軈^(qū)間，以CC2500 芯片為基礎(chǔ)的抗干擾系統(tǒng)中采用的是3G 通信傳輸模塊和CC2500 模塊；而客戶端和網(wǎng)頁終端，則分別負責(zé)在無人機巡檢運行過程中進行目標(biāo)數(shù)據(jù)采集和終端系統(tǒng)監(jiān)控和人工管理，這樣針對一些特殊的線路故障點和緊急設(shè)備運行的情況，便可以進行靈活的協(xié)調(diào)和處理，確保輸電線路巡檢工作的順利進行。

圖1：CC2500 結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

無人機信號接收的質(zhì)量，在很大程度上影響了對輸電線路的巡檢效果以及將網(wǎng)頁終端進行信號傳輸?shù)馁|(zhì)量，因此為了對無人機抗干擾系統(tǒng)進行信號接收功能強化，通常在使用時會對CC2500 功能模塊芯片進行外部無線射頻信號接收裝置的外接。同時STM32F103負責(zé)對接收的外部信號進行匯集和處理，并且存儲在無人機自帶設(shè)備的本地空間內(nèi)，根據(jù)工作任務(wù)需求，將數(shù)據(jù)進行分類和打包，最終通過3G 通信模塊功能向數(shù)據(jù)采集客戶端進行信息發(fā)送。數(shù)據(jù)采集客戶端在接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)和重要文件之后，會結(jié)合巡檢任務(wù)的等級進行秩序排布，同時進一步分析和處理提取關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，之后將所有數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中便于管理人員進行查找和提取。最后，數(shù)據(jù)庫所存儲的數(shù)據(jù)還需要通過科學(xué)的途徑顯示給管理人員才能夠真正發(fā)揮作用，因此系統(tǒng)管理人員還需要利用AJAX 技術(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫與網(wǎng)頁端之間的傳輸通道。通過對這些功能模塊以及數(shù)據(jù)傳輸和顯示技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，該系統(tǒng)基本可以實現(xiàn)信號采集、數(shù)據(jù)處理、信息傳輸、分類存儲、智能化提取以及網(wǎng)頁端實時數(shù)據(jù)顯示這一連續(xù)的工作過程。圖1 為CC2500 結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。

3 基于CC2500的輸電線路無人機巡檢抗干擾系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 控制器和寄存器的選擇

在選擇輸電線路無人機巡檢抗干擾系統(tǒng)的硬件時，最重要的內(nèi)容便是對功能芯片的選擇，這是確?？垢蓴_系統(tǒng)能夠發(fā)揮出穩(wěn)定功能與高強性能的重要基礎(chǔ)。從多種信號收發(fā)器中選擇CC2500 功能芯片的依據(jù)在于，工作人員既需要考慮到無人機巡檢抗干擾系統(tǒng)的功能和水平，可以滿足實際輸電線路巡檢過程中的應(yīng)用需求，以及在復(fù)雜多變的自然環(huán)境中可以保持較好的信號接收和發(fā)送效果；同時相關(guān)專業(yè)設(shè)備的購進、維修和保養(yǎng)都需要花費大量的資金成本，所以在選擇抗干擾系統(tǒng)主要的硬件時，還應(yīng)該從經(jīng)濟性的角度出發(fā)考慮問題。首先CC2500 具備低功耗的無線信號接收與傳輸功能，其內(nèi)部控制器應(yīng)用的是Cortex-M 內(nèi)核的32 位控制器，該控制器名稱為STM32F103C8T6，數(shù)據(jù)處理的速度以及使用性能要遠遠高于傳統(tǒng)抗干擾系統(tǒng)所采用的4 位和8 位單片機。同時這種控制器的運行，只需要低電壓提供支持，便可以實現(xiàn)低功耗、高效率的信號接收與傳輸效果，在無人機車等小型設(shè)備中具有較好的經(jīng)濟效益和應(yīng)用優(yōu)勢。另外，通過軟件設(shè)定可以將CC2500 這種低成本的UHF 收發(fā)器的頻率波段，設(shè)定在2400MHz ～2483.5MHz 的范圍內(nèi)，這樣便提高了無人機巡檢抗干擾系統(tǒng)的適用范圍，基本能夠滿足大部分輸電線路巡檢工作的參數(shù)和功能要求。因此，無論對于成本控制還是性能與功能發(fā)揮等方面因素的考慮，選擇搭載了STM32F103C8T6 控制器的CC2500 寄存器，都是科學(xué)合理、應(yīng)用可行的。

表1：960MHz 和2.4GHz 的各項指標(biāo)對比

3.2 功能模塊的設(shè)計

STM32F103C8T6 主控單元和CC2500 功能模塊，是該抗干擾系統(tǒng)在進行信息收集和處理的過程中，主要依賴的硬件結(jié)構(gòu)。例如對不同信號頻道的監(jiān)聽、搭載巡檢設(shè)備的無人機在環(huán)境多變的情況下進行智能頻段選擇、芯片數(shù)據(jù)的整理和存儲等功能，都是由系統(tǒng)管理人員通過STM32F103C8T6 控制CC2500 模塊來完成的。同時由于該系統(tǒng)需要與服務(wù)器端進行連接，這樣才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享以及在網(wǎng)頁端向管理人員進行實時顯示，因此在硬件設(shè)計的過程中還需要包含將整理和打包好的數(shù)據(jù)寫入RAM，之后通過3G 通信模塊向指定的服務(wù)器端進行分類傳輸。而為了便于工作人員在服務(wù)器端對信號傳輸?shù)男Ч托盘枏姸萊SSI 進行檢測，那么對網(wǎng)站界面的搭建和設(shè)計，應(yīng)該更加專業(yè)化和規(guī)范化。而該系統(tǒng)通信功能的具體實現(xiàn)，則需要依靠SPI 通信協(xié)議來保障通信路徑的暢通和通信質(zhì)量的提高，與CC2500 模塊相匹配的SPI 通常都具有上行接口和下行接口兩部分，并分別負責(zé)計算機指令的發(fā)出以及對外部設(shè)備工作狀態(tài)的反饋。

4 基于CC2500的輸電線路無人機巡檢抗干擾系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于在無人機巡檢抗干擾系統(tǒng)中有大量單片機的應(yīng)用，因此軟件設(shè)計的思路應(yīng)首先進行SPI 初始化和CC2500 初始化，之后根據(jù)寄存器的使用需求進行通信模塊、信號傳輸設(shè)備以及客戶端接收設(shè)備的配置。在系統(tǒng)初始化和基本設(shè)備配置完成之后，要對寄存器所使用的相應(yīng)信道進行掃描和存入，信道掃描的主要內(nèi)容是獲取完整的信道ID 和信號強度RSSI 值，同時按照不同的數(shù)組分類進行分別存入。在此過程中，要對信道的掃描狀態(tài)進行初步判斷，如判斷掃描完成則需要進一步計算和選擇最佳信道，并提取出相應(yīng)的信道ID 和信號強度RSSI 值進行下一階段的檢測和傳輸效率比較；如判斷掃描未完成，則需要選擇下一信道重復(fù)上述掃描步驟獲取ID 和RSSI 值。同時需要注意的是，在選擇最佳信道的過程中應(yīng)采用最大值計算法，而為了確保所選擇的信道在實際應(yīng)用的過程中能夠具有較高的傳輸質(zhì)量，因此還需要根據(jù)系統(tǒng)初始化時設(shè)定的閥值標(biāo)準(zhǔn)，判斷所選擇的信道是否為最優(yōu)路徑。最后，便是將寄存器收集、分析和整理的數(shù)據(jù)通過寫入存儲到RAM 中，存儲結(jié)束后將RAM 中的數(shù)據(jù)進行打包和分類，再分別發(fā)送到相應(yīng)的服務(wù)器端供數(shù)據(jù)采集客戶使用。而在網(wǎng)頁端無人機設(shè)備的運行狀態(tài)以及抗干擾系統(tǒng)的各項功能參數(shù)，都會通過AJAX 技術(shù)從數(shù)據(jù)庫中進行抽調(diào)和顯示，這樣便可以進一步提高管理人員對無人機抗干擾系統(tǒng)的監(jiān)測和管理效率。

5 信號傳輸距離與抗干擾平衡性分析

通過對基于CC2500的輸電線路無人機巡檢抗干擾系統(tǒng)進行硬件配備和軟件設(shè)計，該系統(tǒng)的最佳信道選擇以及工作流程，都已經(jīng)得到了初步完善。但是在實際投入使用的過程中，由于無線信號傳輸時會產(chǎn)生損耗從而造成信號接收質(zhì)量整體水平降低，嚴重時甚至?xí)?dǎo)致輸電線路故障點的位置與狀態(tài)信息掃描精確度不足，因此還需要通過進一步精確計算來確定無線信號傳輸過程的損耗量。傳輸損耗的計算公式如下所示：

［Lfs］（dB）=32.44+20lgd（km）+20lgf（MHz）

上述公式主要體現(xiàn)的是信道頻率與傳輸損耗之間的關(guān)系，式中Lfs、d 和f 分別代表的是傳輸損耗、傳輸距離和頻率，根據(jù)公式的形式可以看出，隨著頻率的提高無線信號的傳輸損耗會相應(yīng)增大，而更遠的傳輸距離則需要通過提高讀寫器的發(fā)射頻率來實現(xiàn)。而為了進一步探究損耗量在不同頻率下的實際變化量，便通過選取960MHz 和2.4GHz 作為兩種超高頻的代表進行實驗，實驗結(jié)果對比如表1所示。

實驗結(jié)果顯示，2.4GHz 頻率下信號傳輸?shù)馁|(zhì)量和穩(wěn)定性相對較差，盡管傳輸速率較高，但是較短的傳輸距離對于很多工作要求而言并沒有較好的適用性。因此充分考慮了系統(tǒng)的抗干擾性能和傳輸損耗問題，應(yīng)選擇960MHz 的超高頻頻段實現(xiàn)工作效率和傳輸質(zhì)量的最優(yōu)化。

6 結(jié)束語

綜上所述，輸電線路無人機巡檢抗干擾系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)總體圍繞CC2500 模塊和STM32F103C8T6 展開，做好3G 通信模塊以及服務(wù)器端與數(shù)據(jù)庫之間的連接。同時還應(yīng)科學(xué)的選擇最優(yōu)信道和傳輸頻率，在保障信號傳輸質(zhì)量的基礎(chǔ)上盡可能降低損耗，實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化。