一種低成本數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

米 亮

（江蘇省廣播電視總臺(tái)發(fā)射傳輸臺(tái)，江蘇 南京 210009）

0 引言

無線發(fā)射臺(tái)的智慧化發(fā)展已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。發(fā)射臺(tái)智慧化建設(shè)包括前端采集、智慧分析、智慧呈現(xiàn)以及數(shù)據(jù)中心等[1]。前端采集器是發(fā)射臺(tái)智慧化建設(shè)必不可少的設(shè)備，必須高效、超感知、功能強(qiáng)大。超感知要求采集器能夠感知細(xì)微隱患，提前預(yù)防，防患于未然；功能強(qiáng)大要求采集器可采集不同種類的傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)支持多種數(shù)據(jù)上傳方式。

常見的采集器有電力數(shù)據(jù)采集器、環(huán)境數(shù)據(jù)采集器等，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)不間斷電源（Uninterrupted Power Supply，UPS）、市電、環(huán)境（溫濕度、水浸、煙霧）的監(jiān)測(cè)。本文針對(duì)發(fā)射臺(tái)的特定需求，著眼于解決實(shí)際問題，研制了一種多功能采集器。該采集器能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射機(jī)射頻功率采集和光照度采集，通過以太網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)到發(fā)射臺(tái)局域網(wǎng)，并支持Syslog 協(xié)議和消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議。

監(jiān)測(cè)平臺(tái)可采用兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種為定制軟件實(shí)現(xiàn)方式，另外一種為通用軟件實(shí)現(xiàn)方式[2]。定制軟件開發(fā)難度大、周期長(zhǎng)，因此本系統(tǒng)采用通用軟件解決實(shí)際問題。采集器將告警信息通過syslog協(xié)議上傳到kiwi syslog 服務(wù)器，kiwi syslog 服務(wù)器完成告警信息顯示和語(yǔ)音報(bào)警，達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防的效果，實(shí)現(xiàn)提醒值班人員的目的。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)展示兩部分，如圖1 所示。

圖1 多種類設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)中，其他類型設(shè)備是指支持syslog 協(xié)議的監(jiān)測(cè)設(shè)備，主要是畫面分割器。

交換機(jī)連接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中具有網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)備，如多功能采集器、畫面分割器以及監(jiān)測(cè)終端等，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚和信息交換。

多功能采集器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，完成射頻功率采集和光照度采集，將采集的參數(shù)進(jìn)行整理或者轉(zhuǎn)換，按照統(tǒng)一格式打包推送到數(shù)據(jù)平臺(tái)，同時(shí)將告警信息通過syslog 協(xié)議上傳到監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

監(jiān)測(cè)平臺(tái)采用通用軟件kiwi syslog 實(shí)現(xiàn)。kiwi syslog 對(duì)多功能采集器和畫面分割器產(chǎn)生的日志消息進(jìn)行集中存儲(chǔ)并報(bào)警。

2 多功能采集器

多功能采集器實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)射頻功率采集和光照度采集，通過以太網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)到發(fā)射臺(tái)局域網(wǎng)，告警信息通過syslog 協(xié)議上傳到監(jiān)測(cè)平臺(tái)，工作流程如圖2 所示[3]。采集器主控芯片選用ATMEGA328 芯片。該芯片外圍接口豐富，提供模擬量采集、I2C 通信及串口通信等。另外，該芯片需通過以太網(wǎng)方式上傳數(shù)據(jù)，因此外部需要擴(kuò)展一個(gè)以太網(wǎng)模塊。

圖2 多功能采集器流程圖

2.1 發(fā)射機(jī)射頻功率檢波

發(fā)射機(jī)功率的典型范圍是100～1 000 W（50～60 dBm），射頻功率檢波器的輸入功率范圍約為-75～+20 dBm。需要注意的是，定向耦合器的耦合系數(shù)典型值為20～30 dB，因此耦合器的反饋信號(hào)比送到天線口的信號(hào)低20～30 dB。射頻信號(hào)經(jīng)定向耦合后功率仍然過大，因此在射頻功率檢波器前還要增加衰減器，才可以進(jìn)行功率檢波。

不同的檢波器輸入頻率范圍不同、輸入功率范圍不同[4]。本系統(tǒng)選用美國(guó)ADI 公司AD8362 真有效值功率檢波器。AD8362 的工作頻率是50 Hz～3.8 GHz，動(dòng)態(tài)范圍為-55～+15 dBm，屬于吸收式功率檢波器。

AD8362 用作功率測(cè)量器件時(shí)，輸出和輸入的均方根值的對(duì)數(shù)成比例關(guān)系。換言之，將直接以dB顯示讀數(shù)，并可方便地按每10 倍1 V 或50 mV·dB-1的比例調(diào)整，其他斜率也很容易實(shí)現(xiàn)。

檢波器的測(cè)量精度與溫度、頻率有關(guān)，檢波器斜率和截距也不同。無線發(fā)射機(jī)均采用固定頻率發(fā)射且機(jī)房溫度變化范圍極小，特別有利于檢波器的校準(zhǔn)。根據(jù)AD8362 的特性，需要4 個(gè)已知參數(shù)即可計(jì)算出斜率和截距。發(fā)射機(jī)輸出功率電平設(shè)定為接近最大功率，記錄發(fā)射功率和AD8362 讀數(shù)，再將發(fā)射機(jī)的輸出功率減少到接近最小功率，再次記錄發(fā)射功率和AD8362 讀數(shù)。根據(jù)以上4 個(gè)參數(shù)即可計(jì)算出斜率和截距。已知斜率和截距，可根據(jù)AD8362 讀數(shù)計(jì)算發(fā)射機(jī)的輸出功率。

本系統(tǒng)中，射頻功率檢波器的輸出電壓范圍為0.6～5 V，單片機(jī)通過模擬接口讀取電壓值。發(fā)射機(jī)射頻輸出功率穩(wěn)定度指標(biāo)為±0.5 dB。以1 000 W發(fā)射機(jī)為例，射頻功率檢波器獲取的功率值范圍為59.5～60.5 dBm，如果獲取的功率值超出該范圍，單片機(jī)根據(jù)“RFC-5424，2009”日志消息的格式封裝文本信息，射頻功率檢波器日志消息中的應(yīng)用名命名為“RF”，用于區(qū)別光照度采集日志消息。

2.2 光照度采集

發(fā)射機(jī)房中某設(shè)備為專用設(shè)備，只能通過巡檢的方式檢測(cè)故障。本系統(tǒng)提供了一種方法，能夠在不破壞原有設(shè)備物理結(jié)構(gòu)的情況下監(jiān)測(cè)該設(shè)備。該專用設(shè)備正常工作狀態(tài)下指示燈滅，設(shè)備故障或者設(shè)備信號(hào)異常時(shí)指示燈亮，光照度變化較為明顯?；谠撎匦裕鞠到y(tǒng)通過光照度變化判斷設(shè)備的工作狀態(tài)。系統(tǒng)選用BH1750 型光傳感器，其分辨率為1～65 535 lx，對(duì)光照度極為敏感。該傳感器精度高、測(cè)量誤差小，無需外圍電路，通過I2C 接口與上位機(jī)通信。

光照度采集整體工作過程為：首先將光傳感器放置到專用設(shè)備指示燈房間，感知光線變化；光傳感器采集光照度，將采集的信號(hào)傳輸給單片機(jī)，由單片機(jī)分析處理數(shù)據(jù)；單片機(jī)事先設(shè)置好一個(gè)光照范圍，將采集的光照度數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)值比較，如果光照度值大于范圍的上限值或者小于范圍的下限值，單片機(jī)根據(jù)“RFC-5424，2009”日志消息的格式封裝文本信息，光照度采集日志消息中的應(yīng)用名命名為“LI”，用于區(qū)別射頻功率檢波器日志消息。

光照強(qiáng)度范圍的上、下限值需要通過多次試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，保證區(qū)間設(shè)置合理，以達(dá)到最佳測(cè)量效果，避免誤報(bào)警[5]。經(jīng)過實(shí)測(cè)，光傳感器進(jìn)行特殊處理后，對(duì)光線極為敏感，能夠判斷設(shè)備工作是否異常。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。ATMEGA328單片機(jī)軟件程序流程如圖3 所示。單片機(jī)通過外部模擬量引腳采集射頻功率計(jì)數(shù)據(jù)，通過I2C 接口采集光照度傳感器數(shù)據(jù)。射頻功率檢波器采用標(biāo)識(shí)頭“RF”封裝采集的數(shù)據(jù)，光照度采集采用標(biāo)識(shí)頭“LI”封裝采集的數(shù)據(jù)，通過通用異步收發(fā)傳輸 器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）發(fā)送到以太網(wǎng)模塊，從而完成數(shù)據(jù)的采集和以太網(wǎng)發(fā)送功能。

圖3 ATMEGA328 單片機(jī)軟件程序流程圖

系統(tǒng)首先初始化射頻功率計(jì)和光照度傳感器模塊，使所有模塊進(jìn)入正常工作狀態(tài)。之后系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)封裝發(fā)送，同時(shí)判斷數(shù)值是否在設(shè)置的區(qū)間內(nèi)。如果數(shù)值超出設(shè)置區(qū)間，系統(tǒng)根據(jù)“RFC-5424，2009”日志消息的格式封裝文本信息，發(fā)送告警信息，同時(shí)系統(tǒng)循環(huán)采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)封裝發(fā)送。

2.4 Syslog 消息發(fā)布

本系統(tǒng)通過syslog 消息方式上傳告警信息。Syslog RFC 數(shù)據(jù)格式遵循的規(guī)范主要有RFC 3164和RFC 5424。因RFC3164 已廢棄，本系統(tǒng)選用RFC5424 規(guī)范。

Syslog 協(xié)議“RFC-5424，2009”格式為：優(yōu)先級(jí)-版本-空格-時(shí)間戳-空格-主機(jī)名-空格-應(yīng)用名-空格-進(jìn)程id-空格-信息id-空格-結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)-空格-消息。優(yōu)先級(jí)取值范圍為0～191，比如34。RFC5424 版本號(hào)默認(rèn)為1。時(shí)間戳格式為yyyy-mm-ddTHH:MM:SS.xxxxxx+/-HH：MM，比 如2021-09-10T23:20:50.52Z。主機(jī)名標(biāo)識(shí)發(fā)送syslog消息的源主機(jī)，如192.168.0.1 或者”-”。應(yīng)用名用于識(shí)別產(chǎn)生消息的設(shè)備或應(yīng)用，可用“-”代替。進(jìn)程id 可用“-”代替，信息id 可用“-”代替，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可用“-”代替。MSG 日志消息體無格式要求，如果syslog應(yīng)用使用UTF-8編碼，必須以BOM開頭?；谝陨蟬yslog 協(xié)議特點(diǎn)，本系統(tǒng)發(fā)送符合這種格式的字符串，接收端即可解析出來。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本系統(tǒng)選用Kiwi Syslog 通用軟件作為監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件。Kiwi Syslog Server 是一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的syslog 管理工具，可以接收跨網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（交換機(jī)、防火墻等）、服務(wù)器（Linux、Windows 服務(wù)器）的日志，對(duì)日志進(jìn)行集中存儲(chǔ)和管理以及報(bào)警。

本系統(tǒng)中，Syslog 日志信息來源于兩部分，一部分是采集器產(chǎn)生的日志信息，另一部分是機(jī)房現(xiàn)有設(shè)備產(chǎn)生的日志信息。

機(jī)房現(xiàn)有設(shè)備主要為多個(gè)廠家的畫面分割器。各個(gè)廠家均配備了畫面分割器管理軟件，這類軟件功能強(qiáng)大，但同時(shí)也給值班人員帶來負(fù)擔(dān)。值班人員很難快速判斷故障、解決故障。這類設(shè)備均支持syslog協(xié)議，將這類設(shè)備接入數(shù)據(jù)平臺(tái)，在Kiwi Syslog 進(jìn)行相關(guān)配置，能夠?qū)崿F(xiàn)將采集器、畫面分割器等各種類型設(shè)備部署到一張網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型設(shè)備的集中監(jiān)控，完成告警信息顯示和語(yǔ)音報(bào)警。

4 結(jié)語(yǔ)

本文進(jìn)一步完善了現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)，提供了一種有效的監(jiān)測(cè)手段，將各種類型設(shè)備部署到一張網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同類型設(shè)備的集中監(jiān)控。系統(tǒng)具有異常報(bào)警功能，能夠保障廣播電視的安全播出。該方案開發(fā)成本低、周期短、實(shí)用性強(qiáng)，具有一定的應(yīng)用前景。