设计
1.1 组网拓扑结构
针对电力系统中终端节点位置分散覆盖范围广，终端发射业务量少的特点，在网络接入层采用星形拓扑[4]结构。组网拓扑结构如图1所示。
在星形网中，可以在不影响系统其他设备工作的情况下，非常方便地加入和剔除设备。星型拓扑具有如下优点：
（1）利用中央结点可方便地提供服务和重新配置网络；
（2）单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网，容易检测和隔离故障，便于维护；
（3）任何一个连接只涉及中央结点和一个站点，因此控制介质访问的方法非常简单，因而访问协议也十分简单[5]。
相比于其他网络，星型网络层级少，网络扁平，路由更为直接，网络更易于部署。但要达到广覆盖的设计目标，对物理层设计则有更高的要求，简单的讲，需要两点之间更远的无线传输距离，同时还要保持终端侧的极低功耗水平。
1.2 通信平台方案设计
本项目的新型远程低功耗无线通信平台主要由两部分组成，远程通信终端为可与主干网进行网络连接的无线电台基站。为了保证分布于各应用领域的通信模块所监测的业务信息能够稳定、可靠、及时的传输至相应的电力系统业务应用系统主站，必须保证接入终端的安全可靠性；接入终端在应用于具体的业务领域时，应具备根据领域不同进行功能定制的能力，但无论应用于哪一领域，考虑到现场施工人员水平不一，为了保证施工的高效与便捷，必须具备操作简单、安装便利的特点。因此，对无线通信平台硬件进行设计时，应充分考虑终端的功能定制与扩展以对各业务领域更好的支持与支撑，同时便于安装与后期维护。
远程通信平台的终端主要由主控制器模块、射频调制解调模块、功率放大模块、电源模块和通信接口组成。其总体结构框图如图2所示。
远程通信平台的无线通信基站电台主要由控制器模块、射频调制解调模块、功率模块、电源模块和主干网络接口模块组成。其总体结构框图如图3所示。
主控制器主要负责对通信平台的控制管理，数据的处理、分析、存储，数据帧格式的转换。主控制器必须支持多进程操作系统以满足通信平台同时处理多个任务的需要。数据处理主要是指由通信平台终端所采集的数据以及由相应业务应用系统主站向通信平台所发送的网络管理维护数据、监测控制数据，上述数据的处理过程伴随着大量数据的解析、存储、帧格式转换等操作。以上功能的正常运行对整个业务应用系统起着关键支撑作用，主控制器需要具备较高的性能以保障这些功能正常运行。
平台设计网关具有以下功能：
（1）当通信终端与基站建立连接后，系统将所收到的数据封装成TCP报文发送到远端；
（2）当无可用连接且收到数据时，可向默认的IP地址和端口发起主动TCP连接；
（3）用户可以利用Web浏览器访问存储在嵌入式Web网关上的网页，以控制挂在系统上的设备。
2 通信平台硬件设计
230 MHz无线频段作为电力系统专用的无线频率资源，属于超短波无线通信。通信平台由接收机与发射机组成。接收机RF部分的任务是从天线所接收到的众多电磁波中检出有用信号，然后下变频到所需的IF信号，并利用放大器放大到解调器所需的功率电平值。发射机把调制器调制后的IF信号上变频到RF信号，再通过一系列处理，使其能达到一定的功率并用天线发射出去。本文研究的关于射频收发模块的设计，主要针对230 MHz频段开发适用的射频接收机。其硬件系统框图如图4所示。
2.1 平台电源设计
通信平台节点的电源是电路的重要组成部分，本平台电源设计包括两路，一路为3.3 V，供给微处理器，一路5 V电源供给外围。出于电源转换效率因素的考虑，我们选择开关电源。3.3 V电源电路设计如图5所示。
开关电源芯片选择RT8009，芯片的开关频率最高可以达到1.25 MHz。在本文平台中消耗的电流较小，最大电流约为几十毫安，纹波在数毫伏之内，满足平台的工作要求。
通信平台的外围电路需要5 V电源供电，我们选用的开关电源芯片为LM2731，芯片的开关频率高达1.6 MHz，电路原理图如图6所示。
LM2731芯片具有工作使能功能，引脚SHDN为高电平时，芯片正常工作，为低电平时不工作。本文电路直接将引脚接到电源输入，以保证芯片一直工作。
MOS管IRF6401为外围电路供电开关，当设备处于睡眠状态时，可以关闭部分外围电路，以实现节约环保的目的，同时也可以延长单次充电电池的工作时间。
2.2 巴伦电路设计
通信平台射频调制解调模块多为射频差分输出，常用的天线大多为单端50 Ω输入，因此有必要在调制解调模块和天线中间加上匹配电路——巴伦电路[6]，原理图如图7所示。
除了三个隔直电容外，本文的巴伦电路还包括两个电感和两个电容。平衡端输入信号后，分别经过低通滤波器和高通滤波器，使得信号分别产生正负90度的相移。因而信号从输入端原本180度的相位差，经巴伦电路在信号输出端变为相同相位的信号。使电路从不平衡转变为平衡。
本文中的巴伦电路不仅具有相位移动的能力，还能够匹配阻抗，根据工作频率，巴伦电路的参数可以由式（1）计算得到。
式中，RI，RL分别平衡输入端和不平衡输出端的阻抗，=2为中心频率对应的角频率。
2.3 平台射频电路设计
本文通信平台以SX1276作为主射频芯片实现远程调制解调器的功能。SX1276使用了LoRa技术，其超长距离扩频通信技术具有抗干扰能力强，低功耗的优良特性。
本文通信平台采用扩频调制解调技术方案，使传输距离远远超出基于FSK或者OOK调制方式系统的传输距离。在最大数据速率条件下，其灵敏度要比FSK高出8 dB；若采用20 ppm晶体的LoRa，收发器灵敏度可比FSK高出20 dB。除此之外，在阻塞性能方面也有显著优势，可以进一步提高通信的可靠性。
3 MAC（媒体介入控制）层设计
本文通信MAC层的设计主要参考了EEE802.15.4[7]标准中的信标非使能网络，主要包括系统管理和数据服务两大类功能。
（1）系统管理以节点的管理和关联、通信网络中信道的扫描及节点间的数据请求为主。
（2）数据服务以数据帧的收发、直接间接传输等为主。
MAC层的系统管理设计基于状态机实现，MAC层管理的状态机由协议中的状态表示。根据系统管理的功能，状态机共包括空状态、节点关联请求状态、数据请求状态及信道扫描状态。状态机的状态跳转关系如图8所示。
MAC层数据服务根据功能要求主要分为数据帧的接收和数据帧的发送两部分。MAC层的帧接收和发送路径如图9所示。
4 通信平台网关设计
本通信平台应用在电力网络通信中时需要连接各种电力设备，因此必须使数据通信网关[8，9]能够适应不同种类的电力设备的服务和接口。
本文设计的通信网关包括系统管理模块、节点管理模块、通信网关的数据包捕获与转发模块。网关中系统管理模块主要负责协调各模块间的工作，节点管理模块主要负责实时监控局域网中各控制节点的状态，通信网关的数据转发主要实现通信网关之间数据的通信。数据包捕获与转发是整个通信网关的核心，是保证该网关正常通信的关键之处。节点管理是通信协议的基础，只有有效地管理网络中的各节点，使网络中不存在不安全的失效节点，才能保证整个系统安全高效地运行。三个模块间的协同工作原理如图10所示。
5 结 语
本文提出了基于230 M载频的无线通信平台研究。研究针对平台的硬件设计和通信协议设计两个方面提出了解决方案，最终取得的成果体现在以下3个方面：
（1）提出远距离低功耗通信平台硬件设计方案。综合考虑本通信平台的应用环境以及230 MHz的专用网络，给出了终端以及基站的系统结构框图。并且选出适合本通信平台的天线，设计了巴伦电路和通信平台的电源电路。从原理上论述了射频收发机的射频参数以及方案的可行性。
（2）通信协议MAC层设计。在设计本通信平台协议栈时充分分析协议栈设计中的难点，从协议栈分层的角度，对协议栈的实现机制进行研究，完成协议栈的总体设计，使MAC层在数据服务上支持直接传输与间接传输。
（3）通信协议网关的设计。完成了网关设计，使得通信平台可以自由在局域网和电力通信网之间进行数据传输。克服了不同网络间数据无法传输的问题。
本次研究工作设计并实现了基于230 MHz载波频段的新型远程低功耗长续航通信平台的终端机以及基站的实验样机。实物如图11所示。
本文是以窄带低功耗高覆盖无线通信网为技术核心，电力监测监控为应用背景的电力设备通信网应用系统。窄带低功耗高覆盖无线通信网具有无线远距离、鲁棒易部署、超低功耗等技术特征，可作为整个电力通信网一个特有的子网与其他通信网络互为补充，共同构建各种场景下全覆盖的电力通信系统，支撑智能电网建设。
本文研究的成果既可作为一种设备终端接入现有通信网络的具体实现方法，也可作为对现有电力通信主干网络无法覆盖到的地区的一种通信能力补充，其还可在面对突发性通信中断（如地震等灾害发生）时作为局部区域快速恢复通信能力的临时手段，具有较大的经济效益。
参考文献
[1]朱娟溪，李维一.电力无线通信的经济效益分析[J].华北电力大学学报（社会科学版），2011（S2）：92-94.
[2]孙莉，董化新.客户用电信息采集系统发展方向初探[J].山东电力高等专科学校学报，2010，13（4）：32-35.
[3]赵奇.230MHz无线蜂窝配电通信网的设计[D].北京：华北电力大学，2009.
[4]薛利娟.基于ZigBee技术的无线自组织的研究与设计[D].西安：西安电子科技大学，2011.
[5]崔秀玉，王志勇，王成祥.无线组网技术在电力系统通信中的应用[J].电力系统通信，2004，25（8）：3-4.
[6]邱金燕.无线传感器网络节点天线研究与实现[D].长沙：国防科技大学，2008.
[7]Wireless Medium Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY）Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks （LR-WPANs） [EB/OL]. http：//www.ieee802.org/15/TG4.html
[8]蒋维刚.Internet传真通信网关的研究与设计[D].郑州：中国人民解放军信息工程大学，2005.
[9]刘立柱.数字传真通信[M].成都：电子科技大学出版社，2000.