適用于野外的獨立無線通信網絡設計

王宏宇，譚志強，許 寅

(上海華東送變電工程有限公司，上海 201803)

為了確保電力施工安全，電力施工現場一般通過加設圍欄的方式來確保施工作業的安全性，但仍然存在部分施工人員對自身的施工行為不加約束，有任意翻越安全圍欄的情況。視頻監測技術能直觀地觀測到電力施工現場的作業狀態，還可實現對多個現場的同步管理，在現場管控上已得到了廣泛應用[1-3]。傳統的視頻監測技術都基于4G或5G等通信網，野外因無通信網絡無法實現將野外作業現場狀態實時傳送至項目管理中心，這阻礙了視頻監測技術在野外作業現場監控領域中的應用。因此，設計一種獨立的無線通信網絡已成為野外作業視頻監測所急需解決的問題。

基于IEEE 802.11a/n/ac通信標準，本文設計一種獨立的無線通信網絡，利用高通Atheros處理器制成無線通信網橋，利用拋物面天線對無線數據實現長距離傳送，并搭建基于該通信網絡的監測系統，分析系統數據傳送的效果。

1 無線通信原理

1.1 無線通信架構

本文采用微波通信原理實現長距離的無線通信，其結構如圖1所示。

圖1 無線通信的結構示意圖

無線通信的整個系統由拋物面天線、饋線和無線網橋組成。系統工作原理：首先無線網橋發出通信信息，利用饋線上傳到拋物面天線，通過拋物面天線對信號進行放大后發出；然后另一端利用拋物面天線接收信號，將饋線傳入無線網橋，利用無線網橋對信號進行處理，實現長距離的數據通信[4-5]。

1.2 無線網橋設計

微波通信是使用波長在0.1 mm～1.0 m之間的電磁波進行通信，所對應的頻率范圍是300 MHz～3 000 GHz。與同軸電纜通信、光纖通信和衛星通信等現代通信網傳輸方式不同的是，微波通信是直接使用微波作為介質進行通信，不需要固體介質，當兩點間直線距離內無障礙時就可以使用微波傳送。利用微波進行通信具有容量大、質量好并可遠距離傳輸的特點[6-7]，因此，基于微波通信原理對無線網橋進行了設計。

基于IEEE 802.11a/n/ac標準，無線網橋采用高通Atheros處理器制成，有接收和發送的雙向功能，帶寬300 MHz，傳輸距離優于30 km，見圖2。無線網橋由發信機、收信機、天饋線系統、多路復用設備及用戶終端設備等組成。發信機由調制器、上變頻器、高功率放大器組成，收信機由低噪聲放大器、下變頻器，解調器組成。

圖2 無線網橋的原理

1.3 拋物面天線設計

在信號的傳遞上，采用雙極化拋物面天線實現信號的發送和接收。這個天線涉及到照射器和反射器設計。

反射器選用普通拋物面天線，拋物面將照射器投射過來的電磁波沿拋物面軸向方向反射出去，從而獲得很強的方向性。按照設計的拋物面天線安裝要求，選擇小口徑、高曲率的拋物面。為了能抗雨、霧和水汽的腐蝕，照射器還添加了低介電常數的聚四氟乙烯遮雨板。

2 太陽能供電系統設計

為了使無線通信系統可靠運行，結合野外作業現場，采用太陽能供電的方式對無線數據通信系統進行可靠供電，克服施工現場供電難的問題，便于整個系統的安裝和應用。

太陽能供電系統的框架如圖3所示。整個光伏供電系統是由太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、DC-DC變換器等設備組成。系統工作原理：在光照條件下，太陽能電池組件產生一定的電動勢，通過組件的串并聯形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達到系統輸入電壓的要求；再通過充放電控制器對蓄電池進行充電，將由光能轉換而來的電能貯存起來，同時利用DC-DC轉換器轉換成相應的供電電壓，向無線數據通信系統進行可靠供電。夜晚，蓄電池組為DC-DC變換器供電，通過DC-DC變換器向無線數據通信系統進行可靠供電。

圖3 太陽能供電系統框架

在供電過程中，控制器實時監測太陽能板的發電狀態、蓄電池的儲能狀態等信息。系統通過對蓄電池電壓、光伏輸出電壓和電流等參數的監測，結合蓄電池電壓和容量之間的關系，對無線通信網絡的供電狀態做出評估。對蓄電池容量設計多級預警，當蓄電池容量下降到一定值時發出報警信息，試運行人員及時掌握蓄電池容量，并采取能量管理措施，確保對通信系統的可靠供電。

3 傳輸模式設計

所設計的無線網橋具有中繼功能，根據數據通信過程中的傳輸路徑不同，可分為中繼傳輸和直接傳輸兩種模式。

(1)中繼傳輸模式。中繼傳輸模式采用信號傳接的方式進行(見圖4)。該方式具有延長傳輸距離，避開遮擋物的優點，在使用過程中由于后續的傳輸設備需要傳輸前端設備的信息量，隨著節點的增加，數據通信的容量需求變大，成本變大。

圖4 利用各點互為中繼的傳輸模式示意圖

(2)直接傳輸模式。直接傳輸模式采用點對點直接將監測數據傳送到監控中心(見圖5)。該方式具有數據傳送容量不大，成本低，但傳輸距離受設備影響大，同時不能避開遮擋物，信號穩定性差。

圖5 無中繼直接傳輸模式示意圖

4 現場測試

在獨立無線通信系統購置完畢后，需了解所構建的獨立無線通信網絡是否適用于野外作業現場安全監控。將無線通信網絡和視頻系統相結合，實施對楊房溝水電站500 kV線路野外作業現場的視頻監控。

基于直接傳輸和中繼傳輸的特點，結合楊房溝水電站500 kV線路地形復雜等情況，本次現場采用中繼和直接相結合的方式實現數據通信，對存在山體阻擋的地方采用中繼傳輸的方式，避開線路在山林架設過程中山體遮擋物對通信的阻隔，系統的布置如圖6所示。

圖6 基于無線通信的視頻監控示意圖

整個系統實施過程中，在無線網橋之間采用網線連接的方式(也可采用無線通信方式)，在中繼傳輸的過程中采用交換機對信號進行橋連。在直接通信方式中，視頻通過網線接入無線通信網橋，利用拋物天線通過無線微波通信直接傳到項目部的無線網橋，通過交換機接入監控平臺。在中繼通信方式中，視頻通過網線接入無線通信網橋，利用拋物天線通過無線微波通信傳到對應的無線網橋，通過交換機傳到中繼網橋，利用中繼網橋傳到項目部的無線網橋，最后通過交換機接入監控平臺。

由此可見，本文所設計的基于微波原理的無線通信系統可實現對視頻、控制信號和語音信號的傳遞，可靠解決了野外通信難的問題。