阿里云物聯(lián)網(wǎng)在調(diào)頻發(fā)射機(jī)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

林耐云，李 碩

（唐山廣播電視臺(tái)，河北 唐山 063000）

調(diào)頻發(fā)射機(jī)房一般坐落在高山，遠(yuǎn)離市區(qū)。一些調(diào)頻發(fā)射機(jī)生產(chǎn)廠家為了實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，提供了RJ45 接口，方便用戶通過以太網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。但是，這種監(jiān)測(cè)方式需要架設(shè)光纖及光傳輸設(shè)備，成本較高，并且監(jiān)測(cè)地點(diǎn)固定，不夠靈活。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，唐山廣播電視臺(tái)研發(fā)了一種基于阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的調(diào)頻發(fā)射機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)可以提供數(shù)據(jù)傳輸通道，使嵌入式設(shè)備和云端能夠雙向通信。這種方式不需要架設(shè)光纖，而是根據(jù)當(dāng)?shù)責(zé)o線覆蓋情況，靈活選擇4G、NB-IoT 等傳輸模式，將采集的發(fā)射機(jī)入射功率、反射功率以及報(bào)警信息等，通過MQTT 協(xié)議發(fā)布，傳輸至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。電腦終端只需要能連接互聯(lián)網(wǎng)，通過阿里云提供的IoT Studio 即可實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。本文基于MQTT 通信協(xié)議，使用自主開發(fā)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸單元實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)信息的采集，通過4G 或NB-IoT 的方式完成數(shù)據(jù)上傳至阿里云平臺(tái)，可在任意一臺(tái)移動(dòng)終端上做到發(fā)射機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射機(jī)低成本的靈活監(jiān)測(cè)。調(diào)頻發(fā)射機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)框圖如圖1 所示。

1 發(fā)射機(jī)信息采集

唐山廣播電視臺(tái)近期采購(gòu)的調(diào)頻發(fā)射機(jī)具備D-SUB25 遠(yuǎn)程測(cè)量連接器，對(duì)外提供正向功率、反向功率、不平衡以及報(bào)警等信息。這里采用stm32f103 為核心的單片機(jī)做成采集終端來采集上述信息。

對(duì)于報(bào)警信息，直接采用標(biāo)準(zhǔn)IO 讀取高低電平方式采集。IO 端口采用TTL 電路，定義了電平傳輸?shù)倪壿?。通常認(rèn)為5 V 為高電平，0 V 為低電平［1］?？紤]到傳輸?shù)脑肼?、線路的損耗以及負(fù)載的匹配，高低電平的定義應(yīng)該是一個(gè)范圍的形式，因此開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)需注意這種情況。

對(duì)于正向功率和反向功率，采用讀取模擬量的方式，將輸出的0～5 V 電壓進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。stm32 提供了轉(zhuǎn)化精度為12 bit 的ADC 轉(zhuǎn)換，可以將發(fā)射機(jī)的正反向功率變成數(shù)字信息，最后轉(zhuǎn)換成一個(gè)電壓值的二進(jìn)制形式。為了提高效率，這里直接采用DMA 的形式，提高了AD 轉(zhuǎn)化效率。電路PCB 3D 效果，如圖2 所示。

2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)關(guān)

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)關(guān)可以根據(jù)所在地區(qū)發(fā)射塔所在位置的網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，靈活選擇GPRS、4G 或NB-IoT 模式傳輸信號(hào)。傳輸協(xié)議采用MQTT 方式。MQTT 是消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議，是一種基于發(fā)布/訂閱模式的“輕量級(jí)”通信協(xié)議。該協(xié)議構(gòu)建在TCP/IP 協(xié)議之上，可以通過有限的帶寬為需要遠(yuǎn)程傳輸?shù)脑O(shè)備提供及時(shí)可靠的消息傳輸，非常適合遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元是MQTT 的發(fā)布端，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)用計(jì)算機(jī)是MQTT 的訂閱端。

本項(xiàng)目中采用NB-IoT 的數(shù)據(jù)傳輸方式，傳輸單元NB 模塊采用AIR302。Stm32f103 為核心的單片機(jī)采集的功率和報(bào)警等信息，通過通用異步收發(fā)器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）將信息傳輸?shù)紸IR302 模塊，通過全雙工方式最終完成信息傳輸。

3 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的設(shè)置

阿里云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)由IoT Hub、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)分析、規(guī)則引擎以及安全認(rèn)證等5 個(gè)模塊組成，其中IoT Hub 負(fù)責(zé)嵌入設(shè)備等與阿里云平臺(tái)連接，提供數(shù)據(jù)傳輸通道。

設(shè)置阿里云平臺(tái)首先要?jiǎng)?chuàng)建產(chǎn)品，由物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為產(chǎn)品頒發(fā)唯一的ProductKey，然后在該產(chǎn)品下添加設(shè)備，如要檢測(cè)的5 臺(tái)調(diào)頻發(fā)射機(jī)。此時(shí)，產(chǎn)品就是發(fā)射機(jī)監(jiān)測(cè)終端，設(shè)備就是發(fā)射機(jī)1、發(fā)射機(jī)2……發(fā)射機(jī)5。發(fā)射機(jī)1～發(fā)射機(jī)5 將具備定義的產(chǎn)品功能。與產(chǎn)品、設(shè)備相關(guān)的是三元組，包 括ProductKey、DeviecsName 和DevicesSecret。當(dāng)創(chuàng)建好產(chǎn)品并且在產(chǎn)品下創(chuàng)建新設(shè)備發(fā)射機(jī)后，每個(gè)發(fā)射機(jī)都會(huì)擁有一個(gè)唯一的三元組信息。每個(gè)設(shè)備的三元組信息都是獨(dú)一無二的。ProductKey 和DevicesName 確保了設(shè)備的唯一性，而DeviecesSecret 用于設(shè)備的鑒權(quán)，使設(shè)備信息不容易被盜用。圖3 為在阿里云平臺(tái)上創(chuàng)建的fm_transmitter 產(chǎn)品，并且添加了fm_transmitter_1 設(shè)備，同時(shí)具有三元組信息。定義產(chǎn)品的功能，也就是物模型，包括正向功率、反向功率、報(bào)警信息和遠(yuǎn)程開關(guān)發(fā)射機(jī)，還可以添加溫度、濕度、電壓電流采樣值等，從而完成發(fā)射機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和設(shè)備的創(chuàng)建。

此外，要確定物模型。物模型屬于功能定義，是從屬性、服務(wù)和事件3 個(gè)方面描述發(fā)射機(jī)這個(gè)實(shí)體［2］。物模型用JSON 格式的數(shù)據(jù)來表示。JSON是一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式，可以提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。本項(xiàng)目中只需要對(duì)發(fā)射機(jī)做監(jiān)測(cè)，因此產(chǎn)品的功能只需要定義產(chǎn)品的屬性就可以完成。后期可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求擴(kuò)展服務(wù)和事件的功能，如可以增加發(fā)射機(jī)溫度監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)溫度升高后可以遠(yuǎn)程控制機(jī)房調(diào)節(jié)空調(diào)溫度。

4 Web 可視化開發(fā)

在創(chuàng)建好產(chǎn)品和設(shè)備后，可以通過阿里云提供的IoT Studio 完成Web 可視化開發(fā)，包括應(yīng)用開發(fā)、服務(wù)開發(fā)和數(shù)據(jù)分析。此次發(fā)射機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)項(xiàng)目只需涉及到應(yīng)用開發(fā)即可滿足。Web 應(yīng)用交互過程是通過http 請(qǐng)求獲取數(shù)據(jù)，然后Web 服務(wù)器將html 頁(yè)面通過http 響應(yīng)的形式傳輸給瀏覽器進(jìn)行顯示。IoT Studio 提供了可視化搭建Web 功能，即組件通過拖拽配置調(diào)試后即可快速使用。組件托管在IoT Studio 平臺(tái)上，節(jié)約了開發(fā)者的開發(fā)時(shí)間，省去了購(gòu)買配置服務(wù)器的煩瑣操作。圖4 為發(fā)射機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的Web 界面。通過Web 界面能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)正反向功率和報(bào)警信息，并能根據(jù)反向功率的大小或者報(bào)警信息遠(yuǎn)程開關(guān)發(fā)射機(jī)，同時(shí)發(fā)射機(jī)正向功率也可以通過曲線形式開展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得一些高山臺(tái)站的調(diào)頻發(fā)射機(jī)等通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的方案變?yōu)榭赡?。這種方案能節(jié)約鋪設(shè)光纜和購(gòu)買光傳輸設(shè)備的資金，可以自己通過阿里云提供的Web 可視化開發(fā)方式做到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。目前，此方案已經(jīng)在唐山廣播電視臺(tái)高山臺(tái)站測(cè)試成功，運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好，希望能為廣電同行提供借鑒。