基于输电线网络的岛屿监控系统

厦门理工学院光电与通信工程学院 浙江大学工程师学院 张泽旺

基于输电线网络的岛屿监控系统

厦门理工学院光电与通信工程学院 浙江大学工程师学院 张泽旺

针对众多岛屿无通信设施、没覆盖无线网络，不能较好的实时监控等问题，提出了一种基于输电线网络的岛屿监控系统。该系统应用频分复用和载波调制等技术，设计了系统的传输分配网络、使用CN3722对太阳能发电系统的充电过程进行管理、还设计了放电控制及保护电路等，用图像、语音、方波数据信号模拟接入点信号；测试结果表明，终端节点解调后图像、语音信号达到广播电视指标要求，数据信号频率、占空比与接入节点调制信号一致，信号传输稳定、可靠，在测试过程中没有出现误码等情况。该系统无需重新架设专线，不占用无线频率资源，成本低,维护管理方便。

载波通信；调制解调；监控系统；岛屿监控

0 引言

随着社会的发展和沟通交流的需要，目前采用的小范围数据传输方案基本分为两种：一种是专门为数据传输提供一条线路，这样就会需要大量的人力和物力，成本较高。另一种是通过无线网络传输，无线网络占用无线频率资源，容易受到环境原因的干扰,且由于无线网络的传输路径复杂脆弱存在许多随机漏洞，导致了用户信息安全存在风险。 特别在一些特殊岛屿，由于没有通信设施，无线网络又没有覆盖，安全和资源不能做到实时的监控，制约了信息交流，如果要另外铺设通信线路则成本太高。本设计提出了一种无需重新架设专线、不占用无线频率资源的基于直流输电线网络的岛屿监控系统。

图1 系统原理框图

1 系统方案设计

基于直流输电线网络的岛屿监控系统，包括数个数据接入节点以及多个终端节点，其系统原理框图如图1所示。所有数据接入节点均连接在输电线网络中，数据接入节点可与直流发电系统（如太阳能发电）对应设置，通过频分复用和载波调制技术耦合到输电线上，并通过输电线经传输分配网络传送至终端节点及外网设备，无需重新设计和另外布设线路。所述数据接入节点用于接入设备，如能产生图像、语音、数据等信号采集器和控制类设备，而终端节点可设在输电线网络的任意位置。

图2 PSK控制结构图

图3 各路载波调制信号频谱图

2 频带传输系统的设计

在频带传输系统中，由于ASK幅移键控调制，会因输电线上的噪声而影响接收振幅；FSK频移键控调制误码率较高；PSK相移键控调制是目前通信领域应用较多，且误码率较低，本系统数据信号传输选择PSK相移键控调制方式，载波频率选取为f1=20MHz，PSK控制结构图如图2所示。系统的音频和视频传输分别采用频率调制、振幅调制，载波频率选取为f1=10.7MHz、f1=38MHz，实际测得输电线各载波调制信号频谱如图3所示，各载波频谱没有产生干扰。

3 太阳能发电系统设计

3.1 太阳能发电系统原理

岛屿发电系统一般以太阳能或风能发电居多，太阳能发电系统原理框图如图4所示，它由太阳能电池板、微控制器MCU、PWM充电控制电路、放电及保护电路等电路组成。应具有防雷、防反充、蓄电池防反接、负载过流、短路等保护措施，以确保控制器能工作可靠。

图4 太阳能发电系统原理框图

3.2 充电管理电路设计

由于锂电池或磷酸铁锂电池充电过程要求，设计了基于CN3722的太阳能充电管理电路，具有涓流、恒流、恒压充电等功能，如图5所示；若电池电压低于恒压充电电压的66.7%时，进入涓流充电模式，为恒流充电电流的15%。当电池电压大于恒压充电电压的66.7%时，进入恒流充电模式，电电流为200mV/R59。当电池电压上升接近恒压充电电压时，进入恒压充电模式，当充电电流减小到恒流充电电流的9.5%时，充电结束，充电过程如图6所示。

图5 电池充电过程曲线

图6 太阳能系统充电管理电路设计

3.3 放电管理及保护电路设计

众所周知，从蓄电池放电过程可知，当电池电压接近其终止放电电压值时，电压下降速度较快，这时应立即终止放电，还继续放电将可能会造成蓄电池损坏。本系统利用单片机PWM控制技术，设计了太阳能系统放电管理及保护电路，如图7所示，当蓄电池电压低于过放设置电压时，由单片机P1.1端口输出为低电平，使Q3截止、Q2导通、Q1截止，蓄电池即停止给负载供电；当蓄电池电压回升至过放恢复设置电压值时，单片机P1.1端口输出为高电平，可使Q3导通、Q2截止、Q1导通，蓄电池继续给负载供电，以实现放电管理及保护作用。

图7 太阳能系统放电管理及保护电路设计

4 传输分配网络设计

传输分配网络框图如图8所示，由电源及信号混合电路、用户分配网络、传输线和传输支线等组成。传输主干线需要满足传输线的阻抗匹配要求。电源及信号混合电路将系统太阳能发电直流电源和各路载波调制信号复合到传输主干线，传输支线采用二线制传输线成型方便、便于安装布线，同时也兼容同轴电缆。二线传输线是平衡传输线，可以采用RVV材料多股线。用户分配网络不仅要将传输主干线的系统太阳能发电直流电源和各路载波调制信号分配给各传输支线，而且要进行不平衡到平衡的阻抗变换等功能，以便于方便匹配和安装升级。其用户分配网络电路如图9所示。

图8 传输分配网络框图

图9 用户分配网络电路

图10 终端节点音频信号、数据信号波形

5 系统检测调试

音频信号、数据信号经过载波调制，传输分配网络和载波解调，在终端节点解调前后的波形分别如图10所示，与发送端接入节点的信号波形（上方）对比，信号失真度小，没有出现误码情况，传输解调效果良好。图像视频信号经过系统的载波调制、传输和解调后，在终端节点解调前后的波形和接收到的标准电视信号测试效果图，如图11所示，可见，接收端的图像画质与发送端的图像画质接近，图像传输稳定、可靠。

图11 终端节点图像信号波形及接收标准电视信号测试效果图

6 结语

本工程设计出一种基于输电线网络的岛屿监控系统，能应用原有输电线路进行通信，无需重新架设专线，不占用无线电频率资源，系统的视频、音频和数据信号，分别采用振幅调制、频率调制和PSK调制，设计了系统的传输分配网络、介绍了发电系统电源管理方案，实现了复用输电线传输直流电源、图像、语音、控制数据等信息。系统经实际测试，系统运行效果良好，可靠性高，无辐射污染，布线简单，节省了线材和施工成本，可应用于巡视监控、环境及路况监视等众多场合。

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张泽旺（1983—），男，硕士研究生，工程师，从事电子工程领域设计及研究工作。

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

厦门市科技计划项目（3502Z20153019）；福建省教育厅A类科技项目（JA14244；JAT160362）。