張 帆，趙志梅

（河南工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系，河南 鄭州 450053）

責(zé)任編輯:任健男

0 引言

近幾年，無(wú)線數(shù)字電視在國(guó)內(nèi)發(fā)展異常迅速，主要運(yùn)用在城市的公交、鐵路、戶外廣告和移動(dòng)多媒體等，由于城區(qū)建筑比較密集，對(duì)信號(hào)的衰減影響比較大，同時(shí)為了提高信號(hào)在郊區(qū)或者偏遠(yuǎn)小鎮(zhèn)的覆蓋質(zhì)量和面積，就需要通過(guò)建立單頻網(wǎng)、差轉(zhuǎn)臺(tái)或者直放站來(lái)解決信號(hào)的覆蓋問(wèn)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(jī)房?jī)?nèi)的服務(wù)器、交換機(jī)、路由器、發(fā)射機(jī)、UPS和空調(diào)等的設(shè)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(guó)內(nèi)外很多發(fā)射基站都是主要通過(guò)人工巡檢方式了解供電運(yùn)行情況，經(jīng)常是當(dāng)信號(hào)出現(xiàn)中斷報(bào)修后，運(yùn)維人員才發(fā)現(xiàn)故障，不僅增大了運(yùn)維人員的工作量，而且對(duì)于提高客戶服務(wù)質(zhì)量等方面都會(huì)造成一定的影響。為適應(yīng)減員增效和現(xiàn)代化管理的要求，設(shè)計(jì)了無(wú)線數(shù)字電視發(fā)射機(jī)房電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)各設(shè)備支路電流、電壓以及運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)的測(cè)量來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄各設(shè)備運(yùn)行狀況。

1 系統(tǒng)功能和監(jiān)測(cè)終端平臺(tái)

無(wú)線數(shù)字電視發(fā)射機(jī)房電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集采集、處理、報(bào)警、管理于一體，內(nèi)建完善的TCP網(wǎng)絡(luò)功能，靈活組網(wǎng)。為了系統(tǒng)便于維護(hù)，采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化的設(shè)計(jì)方法，充分保證系統(tǒng)的適應(yīng)性和可靠性，也便于擴(kuò)充。

1.1 電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能

系統(tǒng)分三層設(shè)計(jì):監(jiān)測(cè)終端、通信層和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)終端主要通過(guò)采集各電力支路的參數(shù)和工作狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)設(shè)值判斷故障，具有本地顯示、報(bào)警和日記查詢等功能；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心是一臺(tái)多功能的智能監(jiān)測(cè)服務(wù)器，內(nèi)置了一套管理系統(tǒng)軟件，能夠?qū)Ω鞣N現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和自動(dòng)化處理，主要收集從各個(gè)發(fā)射機(jī)房回傳的數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，同時(shí)具有數(shù)據(jù)分析、告警提示、報(bào)表打印等功能；通信層采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心作為服務(wù)端，通過(guò)TCP傳輸協(xié)議與各機(jī)房的客戶端通信[2]。

1.2 監(jiān)測(cè)終端平臺(tái)

發(fā)射機(jī)房的配電箱有多個(gè)支路，終端主要監(jiān)測(cè)市電輸入、空調(diào)、UPS蓄電池輸出、機(jī)柜、發(fā)射機(jī)和室內(nèi)照明等支路，通過(guò)監(jiān)測(cè)母線電壓和電流就可以實(shí)時(shí)掌握各單元的供電情況。

1.2.1 監(jiān)測(cè)終端硬件結(jié)構(gòu)

發(fā)射機(jī)房電力監(jiān)測(cè)終端以微控制器C8051F340為處理核心，通過(guò)SM系列電流變送器將0～5 V的電壓信號(hào)送給控制器的ADC口，通過(guò)SPI接口與網(wǎng)絡(luò)模塊W5100實(shí)現(xiàn)接入Internet；LCD用于顯示機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及告警情況。監(jiān)測(cè)終端結(jié)構(gòu)如圖1所示。

發(fā)射機(jī)房電力監(jiān)測(cè)終端提供了多路模數(shù)字量傳感器的設(shè)備接入接口，可以通過(guò)這些接口對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到被監(jiān)測(cè)對(duì)象的情況發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警，及時(shí)地通知相關(guān)的管理人員。同時(shí)，還可以通過(guò)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的應(yīng)急程式，自動(dòng)地啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的應(yīng)急措施，幫助管理人員排除故障，避免或減輕故障帶來(lái)的損失[3]。

1.2.2 支路電壓和電流監(jiān)測(cè)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(shè)備，無(wú)法與控制器C8051F340的ADC口直接相連進(jìn)行測(cè)量。故采用了互感器解決這個(gè)問(wèn)題，它可以將交流大電流按比例降到用控制器端口直接測(cè)量的數(shù)值。SM系列電流變送器結(jié)構(gòu)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(yīng)，初級(jí)與次級(jí)高度隔離；單電源供電，電源電壓范圍為12～24 V；測(cè)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(guò)外接電阻轉(zhuǎn)換為電壓輸出。

2 客戶端軟件

客戶端軟件采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，由于結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，故采用了一個(gè)循環(huán)的結(jié)構(gòu)，在這個(gè)過(guò)程中通過(guò)調(diào)用不同的功能子函數(shù)實(shí)現(xiàn)，子函數(shù)包括各模塊初始化、建立網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括網(wǎng)絡(luò)配置、設(shè)置掃描間隔等，然后主動(dòng)與服務(wù)器端建立TCP網(wǎng)絡(luò)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(duì)每組采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理后得出最后的結(jié)果，再對(duì)這個(gè)數(shù)值進(jìn)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(wù)器端；如果監(jiān)測(cè)到的數(shù)值異常，則寫入日志，啟動(dòng)本地報(bào)警，并將告警原因顯示到LCD上，向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需要一并發(fā)送告警報(bào)錯(cuò)類型，以便工作人員及時(shí)查清原因。接著根據(jù)設(shè)定的掃描時(shí)間，延時(shí)N s，再次進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)[4]。掃描周期的設(shè)計(jì)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(jí)，掃描周期設(shè)計(jì)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(bào)警都是因?yàn)橥ǖ阑騻鞲衅魇艿搅烁蓴_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(jìn)行處理。每個(gè)監(jiān)測(cè)量定義都要對(duì)應(yīng)這樣一組數(shù)據(jù)，可以根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)或后驗(yàn)知識(shí)人工設(shè)定。每個(gè)監(jiān)測(cè)量在取得數(shù)值以后，經(jīng)過(guò)評(píng)估，得到實(shí)時(shí)狀態(tài)。結(jié)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(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；3）評(píng)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(diǎn)數(shù)據(jù)，記錄狀態(tài)為“故障”[5]。

3 集中監(jiān)測(cè)管理中心

監(jiān)測(cè)管理軟件采用VC++6.0作為開發(fā)平臺(tái)，由于系統(tǒng)要管理的機(jī)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(kù)，采用開放數(shù)據(jù)庫(kù)互連ODBC對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作，它提供了一組對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序編程接口API，這些API利用SQL來(lái)完成增、刪、改、查和維護(hù)等操作等大部分任務(wù)[6]。

程序運(yùn)行在監(jiān)測(cè)管理中心的PC機(jī)上，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)備份、歷史查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析預(yù)測(cè)、故障報(bào)警和報(bào)表導(dǎo)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(wù)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(guò)建立的TCP連接發(fā)送出去，數(shù)據(jù)幀協(xié)議結(jié)構(gòu)如表1所示。

為了區(qū)分每個(gè)幀數(shù)據(jù)，協(xié)議規(guī)定每個(gè)幀都以#DVB#開始，以#END#結(jié)束。在系統(tǒng)規(guī)劃初期給每個(gè)機(jī)房的監(jiān)測(cè)終端指定固定的IP地址，并錄入到監(jiān)測(cè)中心的管理系統(tǒng)中。

3.2 報(bào)警類型

本地報(bào)警功能在控制器上直接實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，并記錄報(bào)警信息和處理措施，同時(shí)傳送給監(jiān)測(cè)后臺(tái)。遠(yuǎn)程報(bào)警可通過(guò)監(jiān)測(cè)后臺(tái)實(shí)現(xiàn)，會(huì)在人機(jī)交互上彈出相應(yīng)界面，給出是哪個(gè)機(jī)房的設(shè)備出現(xiàn)故障以及故障原因。故障報(bào)錯(cuò)種類分成8類，如表2所示。

表1 數(shù)據(jù)協(xié)議結(jié)構(gòu)

表2 故障分析表

通道故障包括某個(gè)通道數(shù)據(jù)異常、開路或者短路。模塊故障包括某個(gè)模塊無(wú)通信回應(yīng)、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(méi)有響應(yīng)。其中，干擾是指由于受電磁環(huán)境的影響，偶爾出現(xiàn)無(wú)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(cè)量數(shù)據(jù)作為替代并存儲(chǔ)來(lái)消除干擾；如果是有連續(xù)的壞數(shù)據(jù)，就認(rèn)為是通道或者電流變送器有缺陷。

4 結(jié)論

采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)的無(wú)線數(shù)字電視發(fā)射機(jī)房電力遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用了SM電流變送器實(shí)現(xiàn)了對(duì)大電流的準(zhǔn)確測(cè)量，通過(guò)微控制器C8051F340實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理、網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)傳送等功能，從而完成了對(duì)市電輸入、UPS蓄電池、空調(diào)、發(fā)射機(jī)等設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)適用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、用戶數(shù)量多和分布較廣的基站電力監(jiān)測(cè)管理，可對(duì)大量分布式的數(shù)字電視發(fā)射機(jī)房的電力的電源進(jìn)行集中統(tǒng)一管理，真正做到電源管理的實(shí)時(shí)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，省去了頻繁的機(jī)房巡查，大幅度降低了運(yùn)維人員的工作強(qiáng)度，對(duì)于推進(jìn)的無(wú)人值守基站管理模式具有重要意義。同時(shí)也變“報(bào)障→維護(hù)”的被動(dòng)運(yùn)維模式為主動(dòng)和自動(dòng)的運(yùn)維模式，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，將隱患消滅在萌芽中。

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