基于数字无线微波传输的便携式智能远程视频监控系统研究

胡丹丽

(三峡大学，湖北 宜昌 443002)

随着电力事业迅速发展，对电力设备进行检修已经是一种常态化操作，目前应用比较广泛的是远程在线监测，这在一定程度上推进了在线监测装置的发展，但是国内在线监测装置及运行状态存在一些问题[1-2]。首先是装置运行的可靠性较差，线上运行率极低，根本原因是电池供电管理性能较差[3-4]；其次是目前网络通信多数是利用电信或移动的GPRS通信，通过流量计费，每年的通信费用非常高，而且偏远山区信号很不好，视频传输质量很低[5-7]；最后装置较笨重，安装在离地面很高的输电杆塔上既费力又不安全，给线路运维人员的安装和维护带来很多不便[8-10]，特别对于大型的应急抢修现场和施工作业现场，安装费时费力，对现场监控更是困难。

针对上述问题，设计一种电池续航时间长、通信费用低、装置轻便、体积小的远程在线监测装置用于输电线路监测。采用基于无线微波传输的通信方式，有助于现场监测与后台监控的通信畅通，同时通过改进装置的电源管理，增强了电源的供电能力。对整个装置的结构进行优化设计，使其可以满足应急抢修、工地施工以及输电线路远程在线监测等需要，确保电力生产安全无事故。

1 无线微波传输系统

研制一种运用在便携式远程智能监测装置中的无线微波传输系统，其中无线微波收发装置是核心，主要包括微波发射主机、微波中继站、微波接收主机、全向天线以及高增益定向天线。在系统正常工作过程中，摄像头采集模拟视频信号，根据其内部的电荷耦合元件(charge-coupled device,CCD)辅助电路来完成；WiFi无线网络覆盖区域内的各采样点，视频信号通过视频服务器进行模拟/数字信号转换，经编码后传输到微波发射机；传感器采集的数字信号也进入微波发射机，这些信号经调频后通过天线发射；无线微波信号发射器将视频和数据发送给微波中继站，微波中继站对接收的信号进行进一步分/合处理并且转发给后台监控中心；后台监控中心的微波接收主机接收数字信号，解码后将数字信号转换成图像信号，以串口线或网络传送给监控主机，通过监控主机发送无线指令来传输控制信号，控制任意1台摄像机的镜头、焦距、角度。考虑有些复杂区域微波通信没有覆盖到，现场的视频及数据将通过5G无线通信方式传输到后台监控中心。无线微波传输系统流程如图1所示，无线微波传输系统结构如图2所示。

图1 无线微波传输系统流程

图2 无线微波传输系统结构

无线微波传输系统除了进行远程智能数字图像信号与传感器数字信号的传输外，还可作为远程智能及杆塔其他信息传输通道，后台监控中心将输电线路地理环境信息、输电设备的健康状态及运行检修信息、线路及杆塔的基本资料和污秽区信息等发送给在线监测装置并存储，检修人员经过杆塔时通过WiFi接收到该杆塔的相关信息，提高管理质量和运行效率，降低运营成本，保障供电可靠性。

a.2.4G无线路由器

使用ARGtek出品的ARG-1210无线路由器，支持最新llb/g/n无线传输标准,2T2R(遥控单元上有2个发射口，能发能收)无线设计结构支持多路输入输出(multiple-input multiple-output,MIMO)技术,内置1000 MW无线独立功放系统,支持POE(power over ethernet)以太网供电，适合各种无线组网环境。该设备除了具有良好的户外级工业设计的优点外,还有以下优点:①IEEE 802.11n模式下运行2.4 GHz频道,配合2T2R MIMO技术可提升传输速度到300 Mbps;②兼容IEEE 802.11g,802.11b(2.4 GHz)标准;③高功率和高敏感度的外部涵盖范围;④分位更新只需经由HTTP下载;⑤符合IEEE 802.3 and IEEE 802.3u 10/100 Mbps;⑥支持无线多媒体(WiFi multi media，WMM)及娱乐多媒体无线传输功能;⑦12 V及1.5 A电源供应器。

b.2.4G-24dBi栅格微波天线

2.4G-24dBi栅格微波天线结构轻巧，方便设置在各个监测现场，由于迎风面积小，其风阻较小，安装非常方便；另外其接收信号作用距离远，完全能够满足现场监测需求。该天线与无线微波发射机相连,能够完成后台监控中心到各个监测系统无线信号的发射、接收及中继。

c.无线微波发射机和接收机

微波通信是通过信号在发射机和接收机之间传输，因此微波发射机及接收机的选型非常重要。鉴于整个系统的运行环境，本文选用支持802.11n和MIMO技术的ST5800TN型无线微波发射机及接收机，该装置对于远距离传输起到非常重要的作用，而且方便通过微波中继来加强信号传输，其包含图片传输协议(picture transfer protocol，PTP)、点对多点连接、无线接力、无线分布式系统(wireless distribution system，WDS)等所有无线功能。在环境极端复杂情况下，还支持外接天线，增强信号传输面及传输距离，确保通信安全可靠。

2 锂电池管理系统

锂电池管理系统主要通过4个模块完成电能管理，分别是电池充放电模块、数据采集模块、电池电量精确统计模块及电池内部通信模块。电池充放电模块按照预充、恒流以及恒压充电3个阶段进行自动切换充电；数据采集模块对锂电池的电压、电流、温度等主要参数进行实时采集；电池电量精确统计模块主要根据电池充放电模块、数据采集模块的数据进行判断并统计剩余电量；电池内部通信模块主要完成内部数据的输入与输出，并且将数据传输到后台监控中心。

a.充放电管理

锂电池充放电要求较高，一般采用专用的恒流、恒压方式进行充电。恒流充电与恒压充电的方式切换根据每节电池的实际充电电压来确定，一般是当充电到4.2 V/节时切换到恒压充电，并且恒流充电电流控制在0.1～1.5倍电池容量，当电流降到0.1 A时，停止充电。按照目前的充电方式，控制在0.5倍的电池容量，充电时间控制在2～3 h。

锂电池放电时要严格控制其最终电压不能低于2.5 V,一般控制在3 V左右，其放电时间与电池电量、放电电流有关，具体放电以实际容量及电流来确定，否则过度放电会使锂电池的性能受到破坏，造成锂电池损坏。

b.保护电路设计

锂电池采用预充和定压充电交互进行。充电前对电池管理系统进行初始化设置，设置充电方式，系统自动充电，自动充电通过凌阳科技股份有限公司生产的微处理器SPCE061A型单片机控制。

图3是设计的充电保护电路，主要包括电压监测模块、放大电路、微控制单元(micro control unit，MCU)模块以及电池组。充电保护电路主要目的是防止锂电池过充造成电池损坏，通过MCU确保最低充电电压控制在2.5～2.7 V，然后进行恒流充电。极端情况下，长时间充电后还不能达到最低允许充电电压，系统会判断锂电池损坏，程序会自动进入到禁止充电状态。

图3 充电保护电路

c.数据采集模块

数据采集模块主要采集电池的电压、电流及温度3个重要指标。电池容量计算主要是电流和电压2个指标，电压和电流的采集主要通过电压传感器及电流传感器来完成。本文采用LEM公司LTSR25-NP型电流传感器和LV25-P型电压传感器进行数据采集，该传感器具有精度高、反应快并且传输速度快等优点，而且抗压、抗热性高，完全适合恶劣的现场环境。电池温度对电池的充电效率也有影响，如果电池超过一定温度充电，可能会造成电池不可恢复性破坏。电池管理系统采用DS18B20型数字温度传感器完成对电池温度检测，该传感器检测精度极高，目前已经被广泛应用在温度检测中，其通信采用单总线协议，数据传输只需要通过1条数据线即可完成，体积小、安装简单。

3 现场安装及调试

本装置根据国网输电巡检要求研制，主要对输电线路进行远程在线监测，确保电力系统运行安全可靠，根据输电线路现场环境，选择合适的输电杆塔进行安装。现场安装如图4所示。

图4 现场安装情况

现场安装完成后，在后台监控中心可以查看现场实际情况，能够实现远程实时在线监测。回传的视频清晰，蓄电能力强，不仅能够降低线路运维人员工作强度，还可以提高巡检质量。后台监控中心获取的图像如图5所示。

4 结论

该装置是在原有线路监测装置上进行缺陷修正与创新性改造，突出“便携式”、“低功耗”、“高精度”、“一次性投资、长期受用”、“运行费用极低”的特点，在以下3个方面进行了创新。

图5 后台监控中心获取的图像

a.电源采用质量轻、体积小的锂电池，通过优化锂电池管理系统，对锂电池进行全自动充放电，同时设计电池保护电路，确保锂电池在安全的环境下进行充放电。

b.该装置能便携运用到杆塔下环境，实现对输电线路现场施工环境远程视频监控与预警的作用，使其成为输电线路作业中一种方便有效的工具，这是传统线路监测装置不具备的。

c.装置通信设计了远程智能在线监测、现场施工作业等数据无线微波传输的物理传输通道，基于IEEE802.11数据传输协议,能够实现50 km的点对点数据高速传输，大大降低了通信成本，施工难度低、传输容量大、质量高、距离远。