廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院 浙江大學(xué)工程師學(xué)院 張澤旺

基于輸電線網(wǎng)絡(luò)的島嶼監(jiān)控系統(tǒng)

廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院 浙江大學(xué)工程師學(xué)院 張澤旺

針對眾多島嶼無通信設(shè)施、沒覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)，不能較好的實時監(jiān)控等問題，提出了一種基于輸電線網(wǎng)絡(luò)的島嶼監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用頻分復(fù)用和載波調(diào)制等技術(shù)，設(shè)計了系統(tǒng)的傳輸分配網(wǎng)絡(luò)、使用CN3722對太陽能發(fā)電系統(tǒng)的充電過程進行管理、還設(shè)計了放電控制及保護電路等，用圖像、語音、方波數(shù)據(jù)信號模擬接入點信號；測試結(jié)果表明，終端節(jié)點解調(diào)后圖像、語音信號達到廣播電視指標(biāo)要求，數(shù)據(jù)信號頻率、占空比與接入節(jié)點調(diào)制信號一致，信號傳輸穩(wěn)定、可靠，在測試過程中沒有出現(xiàn)誤碼等情況。該系統(tǒng)無需重新架設(shè)專線，不占用無線頻率資源，成本低,維護管理方便。

載波通信；調(diào)制解調(diào)；監(jiān)控系統(tǒng)；島嶼監(jiān)控

0 引言

隨著社會的發(fā)展和溝通交流的需要，目前采用的小范圍數(shù)據(jù)傳輸方案基本分為兩種：一種是專門為數(shù)據(jù)傳輸提供一條線路，這樣就會需要大量的人力和物力，成本較高。另一種是通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，無線網(wǎng)絡(luò)占用無線頻率資源，容易受到環(huán)境原因的干擾,且由于無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸路徑復(fù)雜脆弱存在許多隨機漏洞，導(dǎo)致了用戶信息安全存在風(fēng)險。 特別在一些特殊島嶼，由于沒有通信設(shè)施，無線網(wǎng)絡(luò)又沒有覆蓋，安全和資源不能做到實時的監(jiān)控，制約了信息交流，如果要另外鋪設(shè)通信線路則成本太高。本設(shè)計提出了一種無需重新架設(shè)專線、不占用無線頻率資源的基于直流輸電線網(wǎng)絡(luò)的島嶼監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

基于直流輸電線網(wǎng)絡(luò)的島嶼監(jiān)控系統(tǒng)，包括數(shù)個數(shù)據(jù)接入節(jié)點以及多個終端節(jié)點，其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。所有數(shù)據(jù)接入節(jié)點均連接在輸電線網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)接入節(jié)點可與直流發(fā)電系統(tǒng)（如太陽能發(fā)電）對應(yīng)設(shè)置，通過頻分復(fù)用和載波調(diào)制技術(shù)耦合到輸電線上，并通過輸電線經(jīng)傳輸分配網(wǎng)絡(luò)傳送至終端節(jié)點及外網(wǎng)設(shè)備，無需重新設(shè)計和另外布設(shè)線路。所述數(shù)據(jù)接入節(jié)點用于接入設(shè)備，如能產(chǎn)生圖像、語音、數(shù)據(jù)等信號采集器和控制類設(shè)備，而終端節(jié)點可設(shè)在輸電線網(wǎng)絡(luò)的任意位置。

圖2 PSK控制結(jié)構(gòu)圖

圖3 各路載波調(diào)制信號頻譜圖

2 頻帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

在頻帶傳輸系統(tǒng)中，由于ASK幅移鍵控調(diào)制，會因輸電線上的噪聲而影響接收振幅；FSK頻移鍵控調(diào)制誤碼率較高；PSK相移鍵控調(diào)制是目前通信領(lǐng)域應(yīng)用較多，且誤碼率較低，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號傳輸選擇PSK相移鍵控調(diào)制方式，載波頻率選取為f1=20MHz，PSK控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)的音頻和視頻傳輸分別采用頻率調(diào)制、振幅調(diào)制，載波頻率選取為f1=10.7MHz、f1=38MHz，實際測得輸電線各載波調(diào)制信號頻譜如圖3所示，各載波頻譜沒有產(chǎn)生干擾。

3 太陽能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

3.1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理

島嶼發(fā)電系統(tǒng)一般以太陽能或風(fēng)能發(fā)電居多，太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理框圖如圖4所示，它由太陽能電池板、微控制器MCU、PWM充電控制電路、放電及保護電路等電路組成。應(yīng)具有防雷、防反充、蓄電池防反接、負載過流、短路等保護措施，以確?？刂破髂芄ぷ骺煽俊?/p>

圖4 太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理框圖

3.2 充電管理電路設(shè)計

由于鋰電池或磷酸鐵鋰電池充電過程要求，設(shè)計了基于CN3722的太陽能充電管理電路，具有涓流、恒流、恒壓充電等功能，如圖5所示；若電池電壓低于恒壓充電電壓的66.7%時，進入涓流充電模式，為恒流充電電流的15%。當(dāng)電池電壓大于恒壓充電電壓的66.7%時，進入恒流充電模式，電電流為200mV/R59。當(dāng)電池電壓上升接近恒壓充電電壓時，進入恒壓充電模式，當(dāng)充電電流減小到恒流充電電流的9.5%時，充電結(jié)束，充電過程如圖6所示。

圖5 電池充電過程曲線

圖6 太陽能系統(tǒng)充電管理電路設(shè)計

3.3 放電管理及保護電路設(shè)計

眾所周知，從蓄電池放電過程可知，當(dāng)電池電壓接近其終止放電電壓值時，電壓下降速度較快，這時應(yīng)立即終止放電，還繼續(xù)放電將可能會造成蓄電池損壞。本系統(tǒng)利用單片機PWM控制技術(shù)，設(shè)計了太陽能系統(tǒng)放電管理及保護電路，如圖7所示，當(dāng)蓄電池電壓低于過放設(shè)置電壓時，由單片機P1.1端口輸出為低電平，使Q3截止、Q2導(dǎo)通、Q1截止，蓄電池即停止給負載供電；當(dāng)蓄電池電壓回升至過放恢復(fù)設(shè)置電壓值時，單片機P1.1端口輸出為高電平，可使Q3導(dǎo)通、Q2截止、Q1導(dǎo)通，蓄電池繼續(xù)給負載供電，以實現(xiàn)放電管理及保護作用。

圖7 太陽能系統(tǒng)放電管理及保護電路設(shè)計

4 傳輸分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

傳輸分配網(wǎng)絡(luò)框圖如圖8所示，由電源及信號混合電路、用戶分配網(wǎng)絡(luò)、傳輸線和傳輸支線等組成。傳輸主干線需要滿足傳輸線的阻抗匹配要求。電源及信號混合電路將系統(tǒng)太陽能發(fā)電直流電源和各路載波調(diào)制信號復(fù)合到傳輸主干線，傳輸支線采用二線制傳輸線成型方便、便于安裝布線，同時也兼容同軸電纜。二線傳輸線是平衡傳輸線，可以采用RVV材料多股線。用戶分配網(wǎng)絡(luò)不僅要將傳輸主干線的系統(tǒng)太陽能發(fā)電直流電源和各路載波調(diào)制信號分配給各傳輸支線，而且要進行不平衡到平衡的阻抗變換等功能，以便于方便匹配和安裝升級。其用戶分配網(wǎng)絡(luò)電路如圖9所示。

圖8 傳輸分配網(wǎng)絡(luò)框圖

圖9 用戶分配網(wǎng)絡(luò)電路

圖10 終端節(jié)點音頻信號、數(shù)據(jù)信號波形

5 系統(tǒng)檢測調(diào)試

音頻信號、數(shù)據(jù)信號經(jīng)過載波調(diào)制，傳輸分配網(wǎng)絡(luò)和載波解調(diào)，在終端節(jié)點解調(diào)前后的波形分別如圖10所示，與發(fā)送端接入節(jié)點的信號波形（上方）對比，信號失真度小，沒有出現(xiàn)誤碼情況，傳輸解調(diào)效果良好。圖像視頻信號經(jīng)過系統(tǒng)的載波調(diào)制、傳輸和解調(diào)后，在終端節(jié)點解調(diào)前后的波形和接收到的標(biāo)準(zhǔn)電視信號測試效果圖，如圖11所示，可見，接收端的圖像畫質(zhì)與發(fā)送端的圖像畫質(zhì)接近，圖像傳輸穩(wěn)定、可靠。

圖11 終端節(jié)點圖像信號波形及接收標(biāo)準(zhǔn)電視信號測試效果圖

6 結(jié)語

本工程設(shè)計出一種基于輸電線網(wǎng)絡(luò)的島嶼監(jiān)控系統(tǒng)，能應(yīng)用原有輸電線路進行通信，無需重新架設(shè)專線，不占用無線電頻率資源，系統(tǒng)的視頻、音頻和數(shù)據(jù)信號，分別采用振幅調(diào)制、頻率調(diào)制和PSK調(diào)制，設(shè)計了系統(tǒng)的傳輸分配網(wǎng)絡(luò)、介紹了發(fā)電系統(tǒng)電源管理方案，實現(xiàn)了復(fù)用輸電線傳輸直流電源、圖像、語音、控制數(shù)據(jù)等信息。系統(tǒng)經(jīng)實際測試，系統(tǒng)運行效果良好，可靠性高，無輻射污染，布線簡單，節(jié)省了線材和施工成本，可應(yīng)用于巡視監(jiān)控、環(huán)境及路況監(jiān)視等眾多場合。

[1]張澤旺,富巍,蘇慶雄等．基于輸電線傳輸?shù)拇蜮彍y控系統(tǒng)[J]．武漢工程大學(xué)學(xué)報,2017,39(3)：296-301．

[2]廈門理工學(xué)院．一種基于輸電線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)[P]．中國專利,ZL201620183891．3,2016．07．

[3]蘇慶雄,張澤旺,黃建峰．可視對講系統(tǒng)的載波調(diào)制和頻分復(fù)用技術(shù)研究[J]．廈門理工學(xué)院學(xué)報,2015(5)：46-51．

[4]劉絨俠,王恒運．單路視頻與多路數(shù)據(jù)復(fù)用傳輸系統(tǒng)的研究[J]．西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008,02．

[5]翟建芳,呂建平．基于頻分復(fù)用的視頻安全通信研究[J]．安防科技,2008,10．

[6]王長貴,王斯成．太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009．

[7]吳昊,李銳華．一種智能型太陽能路燈控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．機電一體化,2012,18(3)：61-64．

[8]茅傾青．太陽能電池基本特性測定實驗[J]．物理實驗,2004,24(11)：6-8．

[9]李瑜芳,張河海．免電源線安防監(jiān)控傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與制作[J]．福建工程學(xué)院學(xué)報,2008,06．

[10]張高境,熊興中．電力載波通信中的干擾特性及抑制技術(shù)分析[J]．電信科學(xué),2016(2)：182-188．

[11]王亞南,黃鶴松,劉華東,薛琳．基于AVR的智能太陽能路燈控制器的設(shè)計[J]．太陽能,2011(13)：31-34．

張澤旺（1983—），男，碩士研究生，工程師，從事電子工程領(lǐng)域設(shè)計及研究工作。

Island Monitoring and Control System Based on Power Line Network

ZHANG Ze-wang
(School of Optoelectronices amp; Communication Engineering，Xiamen University of Technology;Polytechnic Institute，Zhejiang University)

Real-time monitoring can not be well implemented in numerous islands for lack of communication facilities and wireless networks，so an island monitoring and control system based on power line network is proposed in this paper.The transmission distribution network is designed based on frequency division multiplexing and carrier modulation；the charging process for solar power generation system is supervised by use of CN3722；the discharge control and protection circuit is designed to simulate access point signals with image，voice and square wave signal.Test results show that the image and voice signals demodulated by the terminal node meet the radio and television requirements；data signal frequency and duty cycle is consistent with the modulating signal in the access node；the signal transmission is stable and reliable，without errors in the process of testing.There is no need to rebuild the dedicated line and take up wireless frequency resource in the system with low cost and convenient maintenance and management.

Carrier Communication；Modem；Monitoring and Control System；Island Monitoring

廈門市科技計劃項目（3502Z20153019）；福建省教育廳A類科技項目（JA14244；JAT160362）。