基于自建無線專網的天線自動控制研究

柳求安等

【摘 要】 本文介紹了在智能電網建設背景下，基于無線專網的輸電線路視頻監視系統的信息網絡安全接入平臺技術及定向天線自動控制技術，針對定向天線對準困難的問題，介紹了基于自建無線專網的天線自動控制系統的原理和軟硬件設計，提出了定向天線自動控制系統的設計實施方案，結果本系統滿足使用要求。

【關鍵詞】 輸電線路 無線專網 定向天線 GPS 遙控

最近幾年國內電力系統相繼開發出了多種輸電線路在線監測裝置和系統。但幾乎所有試點的通信都采用GPRS或3G技術。眾所周知，GPRS是2.5代的公網通信，有如下問題：無信號、實時性差、帶寬窄、運行費用高和安全性差。因此通信問題成了輸電線路在線監測系統目前主要的技術瓶頸，我單位和合作廠家三川公司依據國網相關標準合作研發出了一種“沿輸電線路展開的無線寬帶專網通信系統”，并成功應用于輸電線路視頻監視系統中，解決了上述輸電線路監視的通信問題。我們在此基礎上，深入研究輸電線路無線寬帶專網接入信息網絡安全接入平臺技術和定向天線自動控制技術，使沿線傳輸的無線寬帶專網實現實用化，達到全面推廣的條件，滿足用戶的現場使用要求，有效解決公司內、外網業務系統的安全接入需求。為開展后期輸電線路狀態監測、狀態檢修提供良好的網絡基礎。

眾所周知，在圖像信號傳輸或無線通信中，為了保證通信質量，大多采用定向天線。當將定向發射天線和接收天線對準時，才能接收到高質量的信號，所以定向天線對準是一項非常困難的工作。這對天線自動控制設計提出了很高的要求，過去那種靠人工操作調整定向天線的方法已不適應目前的要求。針對定向天線對準困難的問題， 將GPS技術、數字羅盤技術和步進電機技術應用于定向天線控制系統中；我們針對本系統現場施工門檻高、現場條件比較惡劣并且需要高空爬桿作業，要求盡量減少施工次數，設計了桿下就近遙控控制。本文介紹了軟硬件設計方案，并進行了測試試驗，結果表明該系統能夠快速準確地完成定向對準工作，節省了安裝時人工調整天線方位角的工作，減少了安裝時間，提高了安裝效率，滿足使用要求。

1 系統設計

1.1 基于自建無線專網的天線自動控制系統的組成原理

通過GPS采集定向天線的經緯度和高度等位置信息，通過數字羅盤采集定向天線的方位角和俯仰角等姿態信息，計算出定向天線對接收天線所需的方位角、俯仰角，然后通過步進電機驅動天線實現定向。天線自動控制系統的原理框圖如圖1所示。

1.2 硬件設計

單片機：是基于自建無線專網的天線自動控制系統的核心，它負責采集定向天線的三坐標信息和姿態信息，控制液晶顯示器的顯示，完成方位角、俯仰角的計算和控制步進電機的轉動。由于本系統的軟件較復雜，需要的較大的內存空間，所以本系統選擇STM公司生產的STM32F103RET6（LQFP64）。

GPS接收機：開始架設定向天線時，首先由STM32F103RET6通過GPS接收機采集定向天線的三坐標信息，作為計算天線方位角和俯仰角的部分輸入參數。

數字羅盤：對于天線姿態，主要的就是獲取天線實際的俯仰角和方位角。

步進電機：選用2臺步進電機，分別控制天線在水平方向和垂直方向轉動，分別簡稱方位角步進電機和俯仰角步進電機。

遙控控制：配備一臺遙控器，在地面與單片機通信，當定向天線的角度出現偏差時，可以控制單片機進行自動調整，而無需進行爬桿進行高空作業。

1.3 軟件設計

基于自建無線專網的天線自動控制系統的軟件部分主要包括數據采集、方位角計算、步進電機轉動控制和遙控命令處理等四部分組成。程序流程圖如下圖2所示。

數據采集部分由單片機負責獲取GPS接收機及數字羅盤的數據，提取定向天線的三坐標信息和姿態信息。主要完成對經緯度、GPS定位指示和海拔高度的錄取與顯示；對定向天線的方位角、方位角狀態、俯仰角、俯仰角狀態的錄取與顯示。

方位角計算部分主要是根據數據采集得到的定向天線的正確的三坐標信息和方位角、俯仰角數據，由STM32F103RET6存儲并計算定向天線對準接收天線時的俯仰角、方位角，最后計算步進電機控制天線的轉向和轉動的方位角角度。

最后步進電機轉動控制策略的實現，按照先方位后俯仰的順序驅動電機使定向天線對準接收天線。

2 結語

我們在相隔10km的某輸電線路桿塔上應用進行試驗，結果表明， 基于自建無線專網的天線自動控制系統能使圖像傳輸發射天線快速對接收天線，并正常接收到較強的信號。

基于自建無線專網的天線自動控制系統結構簡單、價格便宜，還具有機動性強、抗干擾能力強、穩定可靠性高等優點，能夠解決定向天線對準困難的問題，滿足信息傳輸設備信息傳輸的要求。缺點是電動轉向裝置在惡劣天氣下容易造成損壞或松動，可靠性較固定天線要差些。

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