基于自建无线专网的天线自动控制研究

2015-04-14柳求安等

中国科技纵横 2015年4期

柳求安等

【摘要】本文介绍了在智能电网建设背景下，基于无线专网的输电线路视频监视系统的信息网络安全接入平台技术及定向天线自动控制技术，针对定向天线对准困难的问题，介绍了基于自建无线专网的天线自动控制系统的原理和软硬件设计，提出了定向天线自动控制系统的设计实施方案，结果本系统满足使用要求。

【关键词】输电线路无线专网定向天线 GPS 遥控

最近几年国内电力系统相继开发出了多种输电线路在线监测装置和系统。但几乎所有试点的通信都采用GPRS或3G技术。众所周知，GPRS是2.5代的公网通信，有如下问题：无信号、实时性差、带宽窄、运行费用高和安全性差。因此通信问题成了输电线路在线监测系统目前主要的技术瓶颈，我单位和合作厂家三川公司依据国网相关标准合作研发出了一种“沿输电线路展开的无线宽带专网通信系统”，并成功应用于输电线路视频监视系统中，解决了上述输电线路监视的通信问题。我们在此基础上，深入研究输电线路无线宽带专网接入信息网络安全接入平台技术和定向天线自动控制技术，使沿线传输的无线宽带专网实现实用化，达到全面推广的条件，满足用户的现场使用要求，有效解决公司内、外网业务系统的安全接入需求。为开展后期输电线路状态监测、状态检修提供良好的网络基础。

众所周知，在图像信号传输或无线通信中，为了保证通信质量，大多采用定向天线。当将定向发射天线和接收天线对准时，才能接收到高质量的信号，所以定向天线对准是一项非常困难的工作。这对天线自动控制设计提出了很高的要求，过去那种靠人工操作调整定向天线的方法已不适应目前的要求。针对定向天线对准困难的问题，将GPS技术、数字罗盘技术和步进电机技术应用于定向天线控制系统中；我们针对本系统现场施工门槛高、现场条件比较恶劣并且需要高空爬杆作业，要求尽量减少施工次数，设计了杆下就近遥控控制。本文介绍了软硬件设计方案，并进行了测试试验，结果表明该系统能够快速准确地完成定向对准工作，节省了安装时人工调整天线方位角的工作，减少了安装时间，提高了安装效率，满足使用要求。

1 系统设计

1.1 基于自建无线专网的天线自动控制系统的组成原理

通过GPS采集定向天线的经纬度和高度等位置信息，通过数字罗盘采集定向天线的方位角和俯仰角等姿态信息，计算出定向天线对接收天线所需的方位角、俯仰角，然后通过步进电机驱动天线实现定向。天线自动控制系统的原理框图如图1所示。

1.2 硬件设计

单片机：是基于自建无线专网的天线自动控制系统的核心，它负责采集定向天线的三坐标信息和姿态信息，控制液晶显示器的显示，完成方位角、俯仰角的计算和控制步进电机的转动。由于本系统的软件较复杂，需要的较大的内存空间，所以本系统选择STM公司生产的STM32F103RET6（LQFP64）。

GPS接收机：开始架设定向天线时，首先由STM32F103RET6通过GPS接收机采集定向天线的三坐标信息，作为计算天线方位角和俯仰角的部分输入参数。

数字罗盘：对于天线姿态，主要的就是获取天线实际的俯仰角和方位角。

步进电机：选用2台步进电机，分别控制天线在水平方向和垂直方向转动，分别简称方位角步进电机和俯仰角步进电机。

遥控控制：配备一台遥控器，在地面与单片机通信，当定向天线的角度出现偏差时，可以控制单片机进行自动调整，而无需进行爬杆进行高空作业。

1.3 软件设计

基于自建无线专网的天线自动控制系统的软件部分主要包括数据采集、方位角计算、步进电机转动控制和遥控命令处理等四部分组成。程序流程图如下图2所示。

数据采集部分由单片机负责获取GPS接收机及数字罗盘的数据，提取定向天线的三坐标信息和姿态信息。主要完成对经纬度、GPS定位指示和海拔高度的录取与显示；对定向天线的方位角、方位角状态、俯仰角、俯仰角状态的录取与显示。