无人区输电线路Sub-GHz自组织网络系统设计

作     者：张雅琳 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：夏娜;徐顺安

授予年度：2022年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：输电线路 自组织网络 信道分配 时隙分配 防碰撞 

摘      要：由于我国地形错综发展,架空输电线路大量穿越高山峻岭、戈壁峡谷、草原荒漠和盐碱地等自然条件复杂的无人区域,这些区域不仅容易发生滑坡、泥石流等地质灾害,而且容易发生覆冰、洪汛等气象灾害,严重影响架空输电线路的运行。目前,无人区输电线路状态监测的传输问题主要体现在两方面:一方面无人区的地形地貌不适合大量铺设通讯基站,数据难以通过4G/5G蜂窝网络传输;另一方面,目前主流的局域组网技术大多基于2.4GHz以上的频段,高频信号绕射能力差,不适合应用在无人区这样遮挡物较多的场景。为了解决以上难题,本文以Sub-GHz中的低功耗代表——Lo Ra技术为切入点,研究并设计了无人区输电线路Sub-GHz自组织网络系统,对前端监测数据进行汇聚。本文主要的研究和设计内容如下:(1)分析和对比了主流无线通信技术的优缺点,确定了以Lo Ra为主,数传电台为辅的无人区输电线路Sub-GHz自组织网络通信方案,并在物理层、链路层和网络层三方面对方案进行详细介绍。同时,提出适用于无人区输电线路的联动节能机制,对不需要频繁上报数据的监测节点采取主动休眠策略,减少不必要的能量损耗,延长监测节点的使用寿命。(2)对于监测数据接入信道的防碰撞问题,文本提出了一种基于势能选择的信道分配方法和基于改进型Q值动态分配的时隙接入方法,一方面采取吉布斯采样定理选取冲突最小的信道分配方案,另一方面引入EPC C1G2协议中的Q-Value算法对单信道上的多Lo Ra监测节点分配互不干扰的传输时隙,进一步提高信道利用率。(3)给出通用型Sub-GHz节点的软硬件设计方案,完成对Lo Ra芯片、电台、主控MCU、充电控制芯片和接口模组的选型与电路设计,并给出PCB布局设计,同时编写驱动程序,将本文所提防碰撞算法固化,打样制作通信节点样机参与对比测试。实验表明,基于Sub-GHz无线自组织网络的无人区输电线路监测传输系统在功耗、时延和算法复杂度等方面均具有一定优势。本文工作对提高现有无人区输电线路安全监测的理论水平和工程技术,具有一定的参考价值。