基于CAN總線的通信電源動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)研究

李雅麗，張曉博，馬 媛，康麗杰

(石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院 通信工程系，河北石家莊050035)

基于CAN總線的通信電源動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)研究

李雅麗，張曉博，馬 媛，康麗杰

(石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院 通信工程系，河北石家莊050035)

闡述了通信機(jī)房及基站動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于CAN總線及嵌入式系統(tǒng)的通信電源動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸可靠、告警信息準(zhǔn)確，為通信設(shè)備的安全高效運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

通信機(jī)房；動(dòng)環(huán)監(jiān)控；CAN總線

隨著我國(guó)通信事業(yè)的快速發(fā)展，通信行業(yè)也由過去的一家獨(dú)大改變?yōu)槿抑饕\(yùn)營(yíng)商競(jìng)爭(zhēng)的局面。而在這一場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行就成為了取勝的關(guān)鍵。

對(duì)于三家運(yùn)營(yíng)商來說，無一例外地選擇了逐步擴(kuò)大通信網(wǎng)覆蓋面積，增加通信局(站)的方法來提高競(jìng)爭(zhēng)力，這樣就產(chǎn)生了眾多的分布廣泛的通信局(站)，這些局(站)中有小型的通信機(jī)房、移動(dòng)基站、接入網(wǎng)、固話模塊局、光纜中繼站等。面對(duì)數(shù)量眾多、站址分散的通信局(站)，單純依靠傳統(tǒng)的人工輪巡維護(hù)方式已經(jīng)無法滿足高質(zhì)量維護(hù)的需求。

通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大給網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)營(yíng)帶來了困難，而要保證各種通信設(shè)備長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定、不間斷地運(yùn)行，就要依賴于良好的動(dòng)環(huán)系統(tǒng)。通信機(jī)房或基站的動(dòng)環(huán)系統(tǒng)主要包括兩部分內(nèi)容：一部分是通信電源，即通信設(shè)備運(yùn)行的“心臟”，是通信網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的首要前提；另一部分就是通信機(jī)房或基站的運(yùn)行環(huán)境，主要的設(shè)備是空調(diào)系統(tǒng)，這也是保障通信系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。為了保障這兩部分設(shè)備不間斷地安全運(yùn)行，就必須研究如何及時(shí)準(zhǔn)確地獲得通信電源及空調(diào)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，而要想達(dá)到此目的所使用的方法就是通信機(jī)房(基站)動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

通信機(jī)房(基站)的動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)全稱是動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，是指利用一定的技術(shù)手段，對(duì)各類機(jī)房中的動(dòng)力設(shè)備及環(huán)境變量進(jìn)行集中監(jiān)控，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理的實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)。動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，可以大大提高維護(hù)質(zhì)量，減輕工作量，成為動(dòng)力維護(hù)一種必要而且有效的手段。

1 動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

動(dòng)環(huán)監(jiān)控管理就是對(duì)構(gòu)成通信電源及環(huán)境參量的設(shè)備，利用遙感、遙調(diào)、遙控等技術(shù)進(jìn)行集中調(diào)度、監(jiān)控、分析和數(shù)據(jù)處理的過程。目前，動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)最主要的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)管理控制的智能化功能，而智能化的前提是計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)控制等技術(shù)的應(yīng)用。具體的過程是利用各種數(shù)據(jù)采集及執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成前端機(jī)系統(tǒng)，將采集好的數(shù)據(jù)送入嵌入式數(shù)據(jù)融合中心，同時(shí)在該中心將融合后的數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，由上層集中控制中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、處理，從而形成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的匯總報(bào)告，實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)的顯示、自動(dòng)抄錄、自動(dòng)告警、智能分析等功能。基本原理如圖1所示。

圖1 動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)工作原理圖

如圖1所示，一個(gè)完整的動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)需要包括幾個(gè)部分：

(1)前端機(jī)系統(tǒng)

前端機(jī)系統(tǒng)所承擔(dān)的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)的采集。在動(dòng)環(huán)系統(tǒng)中，一部分設(shè)備本身沒有數(shù)據(jù)采集功能，這一部分設(shè)備的溫度、濕度、電壓、電流、水、煙霧等信息需要配備相應(yīng)的傳感器來完成數(shù)據(jù)的采集工作；而另一部分設(shè)備是本身就帶有信息的采集和傳遞的，例如開關(guān)電源或UPS等，這一部分的采集由集成系統(tǒng)來完成。同時(shí)前端機(jī)系統(tǒng)還要完成接受并執(zhí)行來自上層的操作指令的功能。

(2)數(shù)據(jù)的融合及傳輸

前端機(jī)所傳送過來的數(shù)據(jù)，在格式等各方面都存在著差異性，為了數(shù)據(jù)傳輸和處理的方便，在系統(tǒng)的前端機(jī)終端，設(shè)置一個(gè)以嵌入式系統(tǒng)為主體的數(shù)據(jù)融合中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步處理工作。同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)還承擔(dān)著系統(tǒng)通信網(wǎng)關(guān)的作用，前端機(jī)系統(tǒng)中的采集信號(hào)采用的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是短距離通信技術(shù)，本設(shè)計(jì)選用的是CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，而進(jìn)行數(shù)字信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸?shù)耐ㄐ欧绞娇梢圆捎酶鞣N通信網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)，這兩種通信方式之間的數(shù)據(jù)傳遞協(xié)議是不同的，所以需要嵌入式網(wǎng)關(guān)來進(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)換和路由的設(shè)定。

(3)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心

智能化處理或人工遠(yuǎn)程監(jiān)控需要一個(gè)遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心，這個(gè)中心將下位機(jī)傳送上來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有一定含義的數(shù)學(xué)表征，例如具體的數(shù)字、圖像、曲線、報(bào)表等，這些數(shù)學(xué)表征一方面供人機(jī)交互查看和控制，另一方面也是系統(tǒng)進(jìn)行智能化分析的基礎(chǔ)。監(jiān)控中心將各種采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)器中，并與各種設(shè)備的標(biāo)稱工作閾值進(jìn)行對(duì)比分析，就可以判斷出當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而下達(dá)控制指令。

2 基于嵌入式系統(tǒng)的CAN總線通信方式設(shè)計(jì)

CAN(Controller Area Network)的全稱是控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，具有較高的通信性能和可靠性，尤其適用于數(shù)據(jù)類型及可靠性不盡相同的場(chǎng)合，是目前廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、計(jì)算機(jī)控制等領(lǐng)域計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)[2]。

CAN屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，在可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性方面比其他串口通信方式具有明顯的優(yōu)勢(shì)，特別是網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競(jìng)爭(zhēng)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的發(fā)送效率，而且在通信過程中實(shí)現(xiàn)了對(duì)通信數(shù)據(jù)編碼，實(shí)現(xiàn)了不同的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性，也保證了實(shí)時(shí)性。

在本設(shè)計(jì)中，前端機(jī)的節(jié)點(diǎn)采用CAN的通信方式，CAN控制器選用SJA1000來完成，而收發(fā)器選用PCA82C250，加上前端所設(shè)置的數(shù)據(jù)采集傳感器，構(gòu)成了一個(gè)系統(tǒng)前端通信系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在SJA1000控制器前增加了信號(hào)調(diào)整電路，電路由濾波電路和信號(hào)放大電路組成。此外，為了能順利地接收信號(hào)，總線末端連接兩個(gè)120 Ω的電阻來消除反射。同時(shí)總線與地各自并聯(lián)一個(gè)30 pF的小電容，用來防電磁輻射和抗高頻干擾。具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 CAN通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

CAN總線與嵌入式系統(tǒng)利用串口相連接。在本設(shè)計(jì)中，嵌入式系統(tǒng)具有兩個(gè)作用：一個(gè)作用是對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合服務(wù)，以便使上傳的數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一的格式；另一個(gè)作用是起到網(wǎng)關(guān)的作用。由于本設(shè)計(jì)CAN總線控制器采用的是SJA1000，所以選用CAN2.0B作為CAN總線的協(xié)議規(guī)范，而上層通信采用的是以太網(wǎng)，所遵訓(xùn)的協(xié)議是TCP/IP協(xié)議，所以數(shù)據(jù)傳輸格式存在很大的不同，這時(shí)就需要嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。

網(wǎng)關(guān)上的Socket是實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的關(guān)鍵，本設(shè)計(jì)在嵌入式網(wǎng)關(guān)中利用Java語言編寫了Socket創(chuàng)建程序，如下所示：

創(chuàng)建好Socket后，網(wǎng)關(guān)與CAN總線之間就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信了。這時(shí)CAN總線中的數(shù)據(jù)可以順利地由底層經(jīng)網(wǎng)關(guān)，再通過以太網(wǎng)傳送至上層的監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 總結(jié)

通信電源動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)是通信網(wǎng)絡(luò)可靠運(yùn)行的保障。過去的監(jiān)控系統(tǒng)都是利用DCS(集散控制系統(tǒng))及單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)其功能，實(shí)時(shí)性差，且功能簡(jiǎn)單。本文利用CAN總線及嵌入式網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了通信動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)既具有CAN實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有了嵌入式系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，為通信電源的動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)提供了新的思路。

[1]王堅(jiān).動(dòng)力環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)及節(jié)能管理設(shè)計(jì)[D].成都：西南交通大學(xué)，2013：6-9.

[2]張弘.基于CAN總線的信號(hào)采集與處理模塊研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007：17-19.

Research of communication USMS system based on CAN bus

The communications room and base USMS system's basic structure and working principle were described.On this basis,the USMS system design based on CAN bus communication power and embedded systems were designed.The experiment proves that system runs stable and reliable in data transmission,and accurate of the alarm information.So a solid guarantee was provided for communications equipment safe and efficient operation.

communication equipment room;ring monitoring;CAN bus

TM 912

A

1002-087X(2016)03-0719-02

2015-10-13

李雅麗(1980—)，女，河北省人，講師，本科，主要研究方向?yàn)橥ㄐ?、電子?/p>