無線數(shù)字電視發(fā)射機房電力遠程監(jiān)測系統(tǒng)

張 帆，趙志梅

（河南工程學院 計算機科學與工程系，河南 鄭州 450053）

責任編輯:任健男

0 引言

近幾年，無線數(shù)字電視在國內發(fā)展異常迅速，主要運用在城市的公交、鐵路、戶外廣告和移動多媒體等，由于城區(qū)建筑比較密集，對信號的衰減影響比較大，同時為了提高信號在郊區(qū)或者偏遠小鎮(zhèn)的覆蓋質量和面積，就需要通過建立單頻網、差轉臺或者直放站來解決信號的覆蓋問題，這些基站可能分布在城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)，甚至是人際罕至的山區(qū)，數(shù)目較多，地域分布廣。為了保證機房內的服務器、交換機、路由器、發(fā)射機、UPS和空調等的設備正常工作，穩(wěn)定和持續(xù)的供電是其正常工作的基本保證[1]。目前國內外很多發(fā)射基站都是主要通過人工巡檢方式了解供電運行情況，經常是當信號出現(xiàn)中斷報修后，運維人員才發(fā)現(xiàn)故障，不僅增大了運維人員的工作量，而且對于提高客戶服務質量等方面都會造成一定的影響。為適應減員增效和現(xiàn)代化管理的要求，設計了無線數(shù)字電視發(fā)射機房電力遠程監(jiān)測系統(tǒng)，通過對各設備支路電流、電壓以及運行狀態(tài)等參數(shù)的測量來實時監(jiān)測和記錄各設備運行狀況。

1 系統(tǒng)功能和監(jiān)測終端平臺

無線數(shù)字電視發(fā)射機房電力遠程監(jiān)測系統(tǒng)集采集、處理、報警、管理于一體，內建完善的TCP網絡功能，靈活組網。為了系統(tǒng)便于維護，采用標準模塊化的設計方法，充分保證系統(tǒng)的適應性和可靠性，也便于擴充。

1.1 電力遠程監(jiān)測系統(tǒng)功能

系統(tǒng)分三層設計:監(jiān)測終端、通信層和遠程監(jiān)測中心。監(jiān)測終端主要通過采集各電力支路的參數(shù)和工作狀態(tài)，并根據(jù)預設值判斷故障，具有本地顯示、報警和日記查詢等功能；遠程監(jiān)測中心是一臺多功能的智能監(jiān)測服務器，內置了一套管理系統(tǒng)軟件，能夠對各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集和自動化處理，主要收集從各個發(fā)射機房回傳的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行存儲和管理，同時具有數(shù)據(jù)分析、告警提示、報表打印等功能；通信層采用C/S架構設計，遠程監(jiān)測中心作為服務端，通過TCP傳輸協(xié)議與各機房的客戶端通信[2]。

1.2 監(jiān)測終端平臺

發(fā)射機房的配電箱有多個支路，終端主要監(jiān)測市電輸入、空調、UPS蓄電池輸出、機柜、發(fā)射機和室內照明等支路，通過監(jiān)測母線電壓和電流就可以實時掌握各單元的供電情況。

1.2.1 監(jiān)測終端硬件結構

發(fā)射機房電力監(jiān)測終端以微控制器C8051F340為處理核心，通過SM系列電流變送器將0～5 V的電壓信號送給控制器的ADC口，通過SPI接口與網絡模塊W5100實現(xiàn)接入Internet；LCD用于顯示機房現(xiàn)場監(jiān)測結果及告警情況。監(jiān)測終端結構如圖1所示。

發(fā)射機房電力監(jiān)測終端提供了多路模數(shù)字量傳感器的設備接入接口，可以通過這些接口對現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)進行有效的遠程監(jiān)測和管理，當系統(tǒng)監(jiān)測到被監(jiān)測對象的情況發(fā)生異常時，系統(tǒng)會發(fā)出報警，及時地通知相關的管理人員。同時，還可以通過系統(tǒng)預設的應急程式，自動地啟動對應的應急措施，幫助管理人員排除故障，避免或減輕故障帶來的損失[3]。

1.2.2 支路電壓和電流監(jiān)測方法

主電力系統(tǒng)為了傳輸電能，往往采用交流、大電流回路把電力送往設備，無法與控制器C8051F340的ADC口直接相連進行測量。故采用了互感器解決這個問題，它可以將交流大電流按比例降到用控制器端口直接測量的數(shù)值。SM系列電流變送器結構如圖2所示。

系統(tǒng)采用的是SM系列線性交流電流變送器SML50ACE-12/24，它靈敏度高，快速響應，初級與次級高度隔離；單電源供電，電源電壓范圍為12～24 V；測量電流范圍為0～50 A；交流輸入，輸出0～5 V的直流電壓。SM系列電流傳感器的電流輸出可通過外接電阻轉換為電壓輸出。

2 客戶端軟件

客戶端軟件采用C語言設計，由于結構不復雜，故采用了一個循環(huán)的結構，在這個過程中通過調用不同的功能子函數(shù)實現(xiàn)，子函數(shù)包括各模塊初始化、建立網絡連接、數(shù)據(jù)采集處理、日志操作、數(shù)據(jù)格式的處理等。

2.1 程序流程

終端上電后首先進行系統(tǒng)初始化，包括網絡配置、設置掃描間隔等，然后主動與服務器端建立TCP網絡連接。通信正常后，終端開始依次采集各支路的電流和電壓值，并對每組采集到的數(shù)據(jù)進行分析，處理后得出最后的結果，再對這個數(shù)值進行判斷。如果是正常狀態(tài)，就直接將數(shù)據(jù)按照事先規(guī)定的協(xié)議打包并發(fā)送至服務器端；如果監(jiān)測到的數(shù)值異常，則寫入日志，啟動本地報警，并將告警原因顯示到LCD上，向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)時需要一并發(fā)送告警報錯類型，以便工作人員及時查清原因。接著根據(jù)設定的掃描時間，延時N s，再次進入下一個循環(huán)[4]。掃描周期的設計要比較快，但不能太快，考慮到電流和溫度變化，在1/10 s量級，掃描周期設計100～200 ms為最佳。軟件流程如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理

考慮到壞數(shù)據(jù)處理和合理報警都是因為通道或傳感器受到了干擾引起的，為了使提出的方法具有普適性，在數(shù)據(jù)采集底層就要進行處理。每個監(jiān)測量定義都要對應這樣一組數(shù)據(jù)，可以根據(jù)先驗知識或后驗知識人工設定。每個監(jiān)測量在取得數(shù)值以后，經過評估，得到實時狀態(tài)。結合數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)采集流程如下:1）從模塊讀數(shù)據(jù)，采樣，得到數(shù)據(jù)；2）在時鐘控制下，連續(xù)5次采樣，平滑處理，去掉最大和最小，3次平均值作為實時數(shù)據(jù)；3）評估。如果不合理，廢棄此數(shù)據(jù)，繼續(xù)采樣。如果依然不合理，放棄該點數(shù)據(jù)，記錄狀態(tài)為“故障”[5]。

3 集中監(jiān)測管理中心

監(jiān)測管理軟件采用VC++6.0作為開發(fā)平臺，由于系統(tǒng)要管理的機房數(shù)量多，而且涉及到的數(shù)據(jù)龐雜，為了方便分類、管理和查詢等，引入了Access2003為后端數(shù)據(jù)庫，采用開放數(shù)據(jù)庫互連ODBC對數(shù)據(jù)庫進行操作，它提供了一組對數(shù)據(jù)庫訪問的標準應用程序編程接口API，這些API利用SQL來完成增、刪、改、查和維護等操作等大部分任務[6]。

程序運行在監(jiān)測管理中心的PC機上，通過以太網實現(xiàn)與各監(jiān)測節(jié)點的通信，主要使用Socket編程完成TCP的連接與數(shù)據(jù)的收發(fā)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、實時顯示、數(shù)據(jù)備份、歷史查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析預測、故障報警和報表導出等功能[7]。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

系統(tǒng)的客戶端與服務器端的上下行數(shù)據(jù)交互主要包括兩大類:上傳數(shù)據(jù)和下行指令。為了使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸更穩(wěn)定可靠，定義了數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，將數(shù)據(jù)打包成幀的格式再通過建立的TCP連接發(fā)送出去，數(shù)據(jù)幀協(xié)議結構如表1所示。

為了區(qū)分每個幀數(shù)據(jù)，協(xié)議規(guī)定每個幀都以#DVB#開始，以#END#結束。在系統(tǒng)規(guī)劃初期給每個機房的監(jiān)測終端指定固定的IP地址，并錄入到監(jiān)測中心的管理系統(tǒng)中。

3.2 報警類型

本地報警功能在控制器上直接實現(xiàn)聲光報警，并記錄報警信息和處理措施，同時傳送給監(jiān)測后臺。遠程報警可通過監(jiān)測后臺實現(xiàn)，會在人機交互上彈出相應界面，給出是哪個機房的設備出現(xiàn)故障以及故障原因。故障報錯種類分成8類，如表2所示。

表1 數(shù)據(jù)協(xié)議結構

表2 故障分析表

通道故障包括某個通道數(shù)據(jù)異常、開路或者短路。模塊故障包括某個模塊無通信回應、掉電、接觸不良或者模塊損壞。通信線路故障指所有模塊都沒有響應。其中，干擾是指由于受電磁環(huán)境的影響，偶爾出現(xiàn)無效的壞數(shù)據(jù)，如果有壞數(shù)據(jù)出現(xiàn)，發(fā)送最近一次測量數(shù)據(jù)作為替代并存儲來消除干擾；如果是有連續(xù)的壞數(shù)據(jù)，就認為是通道或者電流變送器有缺陷。

4 結論

采用C/S架構設計的無線數(shù)字電視發(fā)射機房電力遠程監(jiān)測系統(tǒng)，采用了SM電流變送器實現(xiàn)了對大電流的準確測量，通過微控制器C8051F340實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理、網絡接入和數(shù)據(jù)傳送等功能，從而完成了對市電輸入、UPS蓄電池、空調、發(fā)射機等設備的實時監(jiān)測。該系統(tǒng)適用于網絡規(guī)模大、用戶數(shù)量多和分布較廣的基站電力監(jiān)測管理，可對大量分布式的數(shù)字電視發(fā)射機房的電力的電源進行集中統(tǒng)一管理，真正做到電源管理的實時化、智能化和網絡化，省去了頻繁的機房巡查，大幅度降低了運維人員的工作強度，對于推進的無人值守基站管理模式具有重要意義。同時也變“報障→維護”的被動運維模式為主動和自動的運維模式，及時發(fā)現(xiàn)故障，將隱患消滅在萌芽中。

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