王杭 賀渝鑌

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1 基于CC2500的輸電線路無人機(jī)巡檢抗干擾系統(tǒng)的功能特點(diǎn)

無人機(jī)巡檢抗干擾系統(tǒng)的運(yùn)行，主要是通過對(duì)不同頻段的信號(hào)傳輸進(jìn)行分析和分類，并根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境快速的搜索和選取信號(hào)傳輸質(zhì)量及效率都最佳的頻段，因此通過對(duì)這種抗干擾系統(tǒng)的應(yīng)用，便可以使無人機(jī)在復(fù)雜多變的環(huán)境下也能夠確保數(shù)據(jù)和信號(hào)傳輸?shù)募皶r(shí)與有效。例如以CC2500 芯片為基礎(chǔ)的無人機(jī)巡檢抗干擾系統(tǒng)，便主要針對(duì)無人機(jī)信號(hào)搜索最大范圍內(nèi)的2400.0MHz ～2483.5MHz頻段展開實(shí)時(shí)的監(jiān)控，以設(shè)備運(yùn)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(shí)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(jī)發(fā)出的信號(hào)，并依據(jù)信號(hào)的強(qiáng)度和傳輸速度，判斷運(yùn)行的無人機(jī)所屬環(huán)境的干擾強(qiáng)度及抗干擾系統(tǒng)的運(yùn)行效果。這樣便可以在智能系統(tǒng)判斷缺乏科學(xué)性的時(shí)候，及時(shí)切換到人工處理的方式，確保無人機(jī)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(diǎn)，同時(shí)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(jiǎn)潔，系統(tǒng)造價(jià)也相對(duì)更加低廉，因此具有更加廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)和普及價(jià)值。由此可見，基于CC2500的輸電線路無人機(jī)巡檢抗干擾系統(tǒng)的功能特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在于其本身所具有的移動(dòng)通信質(zhì)量高、信號(hào)傳輸速度快以及穩(wěn)定性較強(qiáng)等性質(zhì)。同時(shí)造價(jià)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(jī)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(yùn)行原理

基于CC2500的輸電線路無人機(jī)巡檢抗干擾系統(tǒng)是由多項(xiàng)先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)組成的，一種用于提高信號(hào)傳輸質(zhì)量和效率，屏蔽無人機(jī)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境中其他頻段信號(hào)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(gè)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(shí)現(xiàn)人工方式對(duì)無人機(jī)工作模式進(jìn)行管理、對(duì)抗干擾系統(tǒng)進(jìn)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(jī)抗干擾系統(tǒng)進(jìn)行信息收集和處理、信號(hào)傳輸頻段的搜索與選擇、數(shù)據(jù)和信號(hào)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(fù)責(zé)在無人機(jī)巡檢運(yùn)行過程中進(jìn)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(duì)一些特殊的線路故障點(diǎn)和緊急設(shè)備運(yùn)行的情況，便可以進(jìn)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(jìn)行。

圖1：CC2500 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

無人機(jī)信號(hào)接收的質(zhì)量，在很大程度上影響了對(duì)輸電線路的巡檢效果以及將網(wǎng)頁終端進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量，因此為了對(duì)無人機(jī)抗干擾系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)接收功能強(qiáng)化，通常在使用時(shí)會(huì)對(duì)CC2500 功能模塊芯片進(jìn)行外部無線射頻信號(hào)接收裝置的外接。同時(shí)STM32F103負(fù)責(zé)對(duì)接收的外部信號(hào)進(jìn)行匯集和處理，并且存儲(chǔ)在無人機(jī)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(jìn)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(jìn)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(huì)結(jié)合巡檢任務(wù)的等級(jí)進(jìn)行秩序排布，同時(shí)進(jìn)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(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中便于管理人員進(jìn)行查找和提取。最后，數(shù)據(jù)庫所存儲(chǔ)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(duì)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(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、信息傳輸、分類存儲(chǔ)、智能化提取以及網(wǎng)頁端實(shí)時(shí)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(jì)圖。

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

3.1 控制器和寄存器的選擇

在選擇輸電線路無人機(jī)巡檢抗干擾系統(tǒng)的硬件時(shí)，最重要的內(nèi)容便是對(duì)功能芯片的選擇，這是確保抗干擾系統(tǒng)能夠發(fā)揮出穩(wěn)定功能與高強(qiáng)性能的重要基礎(chǔ)。從多種信號(hào)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(jī)巡檢抗干擾系統(tǒng)的功能和水平，可以滿足實(shí)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(hào)接收和發(fā)送效果；同時(shí)相關(guān)專業(yè)設(shè)備的購進(jìn)、維修和保養(yǎng)都需要花費(fèi)大量的資金成本，所以在選擇抗干擾系統(tǒng)主要的硬件時(shí)，還應(yīng)該從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)考慮問題。首先CC2500 具備低功耗的無線信號(hào)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)抗干擾系統(tǒng)所采用的4 位和8 位單片機(jī)。同時(shí)這種控制器的運(yùn)行，只需要低電壓提供支持，便可以實(shí)現(xiàn)低功耗、高效率的信號(hào)接收與傳輸效果，在無人機(jī)車等小型設(shè)備中具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。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(jī)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(duì)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(xiàng)指標(biāo)對(duì)比

3.2 功能模塊的設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6 主控單元和CC2500 功能模塊，是該抗干擾系統(tǒng)在進(jìn)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(duì)不同信號(hào)頻道的監(jiān)聽、搭載巡檢設(shè)備的無人機(jī)在環(huán)境多變的情況下進(jìn)行智能頻段選擇、芯片數(shù)據(jù)的整理和存儲(chǔ)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(shí)由于該系統(tǒng)需要與服務(wù)器端進(jìn)行連接，這樣才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享以及在網(wǎng)頁端向管理人員進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，因此在硬件設(shè)計(jì)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(jìn)行分類傳輸。而為了便于工作人員在服務(wù)器端對(duì)信號(hào)傳輸?shù)男Ч托盘?hào)強(qiáng)度RSSI 進(jìn)行檢測(cè)，那么對(duì)網(wǎng)站界面的搭建和設(shè)計(jì)，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(shí)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(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)指令的發(fā)出以及對(duì)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(jī)巡檢抗干擾系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于在無人機(jī)巡檢抗干擾系統(tǒng)中有大量單片機(jī)的應(yīng)用，因此軟件設(shè)計(jì)的思路應(yīng)首先進(jìn)行SPI 初始化和CC2500 初始化，之后根據(jù)寄存器的使用需求進(jìn)行通信模塊、信號(hào)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(duì)寄存器所使用的相應(yīng)信道進(jìn)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(hào)強(qiáng)度RSSI 值，同時(shí)按照不同的數(shù)組分類進(jìn)行分別存入。在此過程中，要對(duì)信道的掃描狀態(tài)進(jìn)行初步判斷，如判斷掃描完成則需要進(jìn)一步計(jì)算和選擇最佳信道，并提取出相應(yīng)的信道ID 和信號(hào)強(qiáng)度RSSI 值進(jìn)行下一階段的檢測(cè)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(shí)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(jì)算法，而為了確保所選擇的信道在實(shí)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(shí)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(chǔ)到RAM 中，存儲(chǔ)結(jié)束后將RAM 中的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及抗干擾系統(tǒng)的各項(xiàng)功能參數(shù)，都會(huì)通過AJAX 技術(shù)從數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行抽調(diào)和顯示，這樣便可以進(jìn)一步提高管理人員對(duì)無人機(jī)抗干擾系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和管理效率。

5 信號(hào)傳輸距離與抗干擾平衡性分析

通過對(duì)基于CC2500的輸電線路無人機(jī)巡檢抗干擾系統(tǒng)進(jìn)行硬件配備和軟件設(shè)計(jì)，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(shí)際投入使用的過程中，由于無線信號(hào)傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生損耗從而造成信號(hào)接收質(zhì)量整體水平降低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致輸電線路故障點(diǎn)的位置與狀態(tài)信息掃描精確度不足，因此還需要通過進(jìn)一步精確計(jì)算來確定無線信號(hào)傳輸過程的損耗量。傳輸損耗的計(jì)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(hào)的傳輸損耗會(huì)相應(yīng)增大，而更遠(yuǎn)的傳輸距離則需要通過提高讀寫器的發(fā)射頻率來實(shí)現(xiàn)。而為了進(jìn)一步探究損耗量在不同頻率下的實(shí)際變化量，便通過選取960MHz 和2.4GHz 作為兩種超高頻的代表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，2.4GHz 頻率下信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量和穩(wěn)定性相對(duì)較差，盡管傳輸速率較高，但是較短的傳輸距離對(duì)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(shí)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(jī)巡檢抗干擾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)還應(yīng)科學(xué)的選擇最優(yōu)信道和傳輸頻率，在保障信號(hào)傳輸質(zhì)量的基礎(chǔ)上盡可能降低損耗，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。