基于輸電線網絡的島嶼監控系統

廈門理工學院光電與通信工程學院 浙江大學工程師學院 張澤旺

基于輸電線網絡的島嶼監控系統

廈門理工學院光電與通信工程學院 浙江大學工程師學院 張澤旺

針對眾多島嶼無通信設施、沒覆蓋無線網絡，不能較好的實時監控等問題，提出了一種基于輸電線網絡的島嶼監控系統。該系統應用頻分復用和載波調制等技術，設計了系統的傳輸分配網絡、使用CN3722對太陽能發電系統的充電過程進行管理、還設計了放電控制及保護電路等，用圖像、語音、方波數據信號模擬接入點信號；測試結果表明，終端節點解調后圖像、語音信號達到廣播電視指標要求，數據信號頻率、占空比與接入節點調制信號一致，信號傳輸穩定、可靠，在測試過程中沒有出現誤碼等情況。該系統無需重新架設專線，不占用無線頻率資源，成本低,維護管理方便。

載波通信；調制解調；監控系統；島嶼監控

0 引言

隨著社會的發展和溝通交流的需要，目前采用的小范圍數據傳輸方案基本分為兩種：一種是專門為數據傳輸提供一條線路，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絡傳輸，無線網絡占用無線頻率資源，容易受到環境原因的干擾,且由于無線網絡的傳輸路徑復雜脆弱存在許多隨機漏洞，導致了用戶信息安全存在風險。 特別在一些特殊島嶼，由于沒有通信設施，無線網絡又沒有覆蓋，安全和資源不能做到實時的監控，制約了信息交流，如果要另外鋪設通信線路則成本太高。本設計提出了一種無需重新架設專線、不占用無線頻率資源的基于直流輸電線網絡的島嶼監控系統。

圖1 系統原理框圖

1 系統方案設計

基于直流輸電線網絡的島嶼監控系統，包括數個數據接入節點以及多個終端節點，其系統原理框圖如圖1所示。所有數據接入節點均連接在輸電線網絡中，數據接入節點可與直流發電系統（如太陽能發電）對應設置，通過頻分復用和載波調制技術耦合到輸電線上，并通過輸電線經傳輸分配網絡傳送至終端節點及外網設備，無需重新設計和另外布設線路。所述數據接入節點用于接入設備，如能產生圖像、語音、數據等信號采集器和控制類設備，而終端節點可設在輸電線網絡的任意位置。

圖2 PSK控制結構圖

圖3 各路載波調制信號頻譜圖

2 頻帶傳輸系統的設計

在頻帶傳輸系統中，由于ASK幅移鍵控調制，會因輸電線上的噪聲而影響接收振幅；FSK頻移鍵控調制誤碼率較高；PSK相移鍵控調制是目前通信領域應用較多，且誤碼率較低，本系統數據信號傳輸選擇PSK相移鍵控調制方式，載波頻率選取為f1=20MHz，PSK控制結構圖如圖2所示。系統的音頻和視頻傳輸分別采用頻率調制、振幅調制，載波頻率選取為f1=10.7MHz、f1=38MHz，實際測得輸電線各載波調制信號頻譜如圖3所示，各載波頻譜沒有產生干擾。

3 太陽能發電系統設計

3.1 太陽能發電系統原理

島嶼發電系統一般以太陽能或風能發電居多，太陽能發電系統原理框圖如圖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?。

圖4 太陽能發電系統原理框圖

3.2 充電管理電路設計

由于鋰電池或磷酸鐵鋰電池充電過程要求，設計了基于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。當電池電壓上升接近恒壓充電電壓時，進入恒壓充電模式，當充電電流減小到恒流充電電流的9.5%時，充電結束，充電過程如圖6所示。

圖5 電池充電過程曲線

圖6 太陽能系統充電管理電路設計

3.3 放電管理及保護電路設計

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

圖7 太陽能系統放電管理及保護電路設計

4 傳輸分配網絡設計

傳輸分配網絡框圖如圖8所示，由電源及信號混合電路、用戶分配網絡、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太陽能發電直流電源和各路載波調制信號復合到傳輸主干線，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。用戶分配網絡不僅要將傳輸主干線的系統太陽能發電直流電源和各路載波調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。其用戶分配網絡電路如圖9所示。

圖8 傳輸分配網絡框圖

圖9 用戶分配網絡電路

圖10 終端節點音頻信號、數據信號波形

5 系統檢測調試

音頻信號、數據信號經過載波調制，傳輸分配網絡和載波解調，在終端節點解調前后的波形分別如圖10所示，與發送端接入節點的信號波形（上方）對比，信號失真度小，沒有出現誤碼情況，傳輸解調效果良好。圖像視頻信號經過系統的載波調制、傳輸和解調后，在終端節點解調前后的波形和接收到的標準電視信號測試效果圖，如圖11所示，可見，接收端的圖像畫質與發送端的圖像畫質接近，圖像傳輸穩定、可靠。

圖11 終端節點圖像信號波形及接收標準電視信號測試效果圖

6 結語

本工程設計出一種基于輸電線網絡的島嶼監控系統，能應用原有輸電線路進行通信，無需重新架設專線，不占用無線電頻率資源，系統的視頻、音頻和數據信號，分別采用振幅調制、頻率調制和PSK調制，設計了系統的傳輸分配網絡、介紹了發電系統電源管理方案，實現了復用輸電線傳輸直流電源、圖像、語音、控制數據等信息。系統經實際測試，系統運行效果良好，可靠性高，無輻射污染，布線簡單，節省了線材和施工成本，可應用于巡視監控、環境及路況監視等眾多場合。

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

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）。