摘要:介紹了一種面向通信基站應(yīng)用的環(huán)境、動力監(jiān)控器的研制。設(shè)計采用高性能的雙串口單片機DS80C320，支持包括GPRS(General Packet Radio Service)無線數(shù)傳通道在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)通信方式，并可用紅外遙控方式控制空調(diào)輪換，同時系統(tǒng)擴展了多路榆入輸出接口以支持多通道應(yīng)用。應(yīng)用本監(jiān)拉器能時通信基站的動力設(shè)備及環(huán)境參數(shù)等進行集中監(jiān)控，實現(xiàn)通信基站的無人值守。

關(guān)健詞:集中監(jiān)控;通用分組無線業(yè)務(wù);AT指令;DSSOC320

通信技術(shù)的發(fā)展，移動、電信部門的基站建設(shè)規(guī)模也越來越大，為保證基站內(nèi)通信設(shè)施的正常穩(wěn)定工作，對其中的環(huán)境、動力設(shè)備進行集中監(jiān)控成為必然。使用人工值班方式的監(jiān)控方式不但耗費大量的人力、物力，而且無法實現(xiàn)對環(huán)境、動力數(shù)據(jù)的連續(xù)測試、跟蹤和綜合分析。

因此，研制一種能實時監(jiān)控通信基站內(nèi)動力和環(huán)境參數(shù)的集中監(jiān)控設(shè)備極為必要，與傳統(tǒng)基于傳感器直接與基站外部告警接口連接的方式不同，新一代通信基站監(jiān)控裝置應(yīng)具備近遠端告警、本地存儲和參數(shù)實時上傳三大功能，能實現(xiàn)近端告警，也可由告警信息觸發(fā)遠端監(jiān)控中心告警，并把告警現(xiàn)場數(shù)據(jù)及時上送到監(jiān)控中心(包括無線GPRS通道)，以便于實現(xiàn)基站故障原因的分析，同時還能本地連續(xù)存儲告警數(shù)據(jù)，以便實現(xiàn)對通信傳輸容錯。采用這套系統(tǒng)，可以實現(xiàn)基站監(jiān)控?zé)o人值守，減輕移動通信運營商的運營成本，確保通信設(shè)施穩(wěn)定工作。

1硬件設(shè)計

1.1功能描述

以往的基站動力環(huán)境監(jiān)控一般采用傳感器直接與基站外部告瞥接口直接連接的方式。這種方式在實際使用中出現(xiàn)很多間題:(1)沒有實際測試數(shù)據(jù)顯示，用戶不知道當(dāng)前監(jiān)控的真實情況;(2)通道配置不靈活，通道設(shè)置后不能改變;(3)不能存儲測試數(shù)據(jù)記錄;(4)沒有告警聯(lián)動功能;(5)不能集中聯(lián)網(wǎng)管理，無法升級改造。

針對以上不足，新一代的基站動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)包括以下主要功能:(1)具備大屏幕液晶顯示，各種測試數(shù)據(jù)可以直接本地顯示;(2)監(jiān)控輸入通道在16個以上，而且輸人通道可以靈活配置，支持模擬量、開關(guān)量輸人，滿足監(jiān)控參數(shù)較多的需求;(3)具備數(shù)字濾波和史密特特性，杜絕頻繁告警和誤告警;(4)具備告警聯(lián)動功能;(5)支持多種告警數(shù)據(jù)上送方式，包括干接點、遠程撥號、短信息、GPRS和RS232聯(lián)接E1數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備(抽時隙方式)組成集中監(jiān)控方式;(6)完善的隔離措施，保證監(jiān)控設(shè)備與被監(jiān)控對象充分隔離.監(jiān)控設(shè)備故障不影響基站安全;(7)有黑匣子功能，保證告警數(shù)據(jù)得到記錄和本地存儲;(8)具備簡易門禁功能，支持Philips的Mifare one卡系列。

1.2系統(tǒng)工作原理

來自動力(包括三相電、直流電、油機、整流器)設(shè)備和環(huán)境(包括溫度、濕度、煙霧、水浸、門禁、紅外線)參數(shù)等被測對象通過相應(yīng)傳感變送單元預(yù)處理后，輸出為有待進一步調(diào)理的模擬電壓信號或開關(guān)信號，模擬量依次通過多路開關(guān)的數(shù)據(jù)分撿、信號的前端調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字信號輸人MCU進行數(shù)據(jù)處理;開關(guān)量則通過光電隔離后由10擴展模塊檢測并輸人到MCU，MCU再根據(jù)各個輸人通道的設(shè)定屬性值分別進行數(shù)據(jù)處理和告警識別，并將各個通道的告警值本地存儲，同時在主機上顯示告警信息，或進行8路繼電器的告警聯(lián)動輸出。采集到的實時采樣數(shù)據(jù)除了能顯示在監(jiān)控器的LCD屏幕上，還能根據(jù)系統(tǒng)要求上傳到管理中心數(shù)據(jù)庫，聯(lián)網(wǎng)組成集中監(jiān)控系統(tǒng)。見圖1。

1.3設(shè)計要點

1.3.1 MCU最小系統(tǒng)設(shè)計

在MCU及外圍電路的設(shè)計上，監(jiān)控器采用了高性能的MCU和大容量的程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器及FIrASH或者EEP-ROM等。MCU采用bS80C320芯片，它具有與51兼容的管腳與指令集，256BIT的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，3個16位定時計數(shù)器，兩個數(shù)據(jù)指針(DFIR) ，13個中斷源，其中包括6個外部中斷，且具備兩個串口。與MCS - 51系列單片機相比，它一個指令周期僅為4個機器周期，因此，對于同樣的一條指令，DS80C320比普通的MCS -- 51系列單片機執(zhí)行快1.5～3倍，單周期指令時間僅為121 ns。

為保證有足夠的程序空間和數(shù)據(jù)存儲空間，程序存儲器采用了WINROND的W27C512，靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器(SRAM)采用常用的HM62256;同時為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，硬件看門狗采用IMP813 ，保證系統(tǒng)軟件在意外跑飛和系統(tǒng)掉電的情況下能復(fù)位系統(tǒng)，提高系統(tǒng)可靠性;萬年歷時鐘采用I2 C總線器件PCF8563，為系統(tǒng)提供實時時鐘;EEPROM采用I2C總線器件AT24C64，用于保存系統(tǒng)參數(shù)、通道配置數(shù)據(jù)和系統(tǒng)歷史告警記錄，歷史告警記錄包括告警通道號、告警名稱、告警值(上限告警、下限告警或正常)以及告警的發(fā)生和結(jié)束時間，歷史告警記錄總數(shù)近1000條.溢出時將自動覆蓋最前面的記錄。

1.3.2系統(tǒng)接口擴展電路

在系統(tǒng)內(nèi)部接口擴展上，采用2片INTEI8255擴展系統(tǒng)的I/O口資源，用于連接顯示器，鍵盤接口電路和告警輸出控制等.在信號輸入接口電路中，采用兩片16輸入/1輸出的電子開

關(guān)CD4067，保證有32路的采集輸人通道。為避免輸入電壓過高對電子開關(guān)造成的損壞，在輸人端加了限幅電路和限流保護。

1.3.3空調(diào)控制接口

監(jiān)控器具有靈活方便的空調(diào)控制方式，可以采用紅外遙控方式對空調(diào)進行控制，對沒有紅外遙控功能的空調(diào)也可采用無線編碼或通電直通的硬驅(qū)動方式。空調(diào)輸人檢測的溫度可以選擇為空調(diào)通風(fēng)口溫度或者環(huán)境室溫。此外，在集中監(jiān)控系統(tǒng)中，空調(diào)還可以直接由上位機控制，可以根據(jù)出風(fēng)口溫度對空調(diào)進行輪換，或者根據(jù)設(shè)置的輪換時間對空調(diào)進行控制，輪換時間或者告警的溫度上下限可調(diào)?？照{(diào)控制流程如圖2。

1.3.4信號調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換

來自傳感通道的模擬量先通過MCU控制的多路選擇器進行前端信號分撿，再經(jīng)過信號調(diào)理，輸出可供AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的0～5V的電壓信號。信號調(diào)理包括信號平衡補償，阻抗變換，增益偏差調(diào)節(jié)及信號的限幅保護等。信號調(diào)理部分原理圖如圖3所示。

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，考慮到其性能指標(biāo)和采集速度要求，選用SPI接口的12位ADC，帶內(nèi)部參考電壓的TLC2543芯片，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程，其主要性能特點是:12位分辨率，10 μθ轉(zhuǎn)換時間，3路內(nèi)置自測試方式，11個模擬信道，采樣率為66 kB/θ，片內(nèi)采樣與保持，同時具有單雙極性輸出和可編程控制輸出數(shù)據(jù)長度的優(yōu)點。

1.3.5人機接口

為便于對機器進行現(xiàn)場設(shè)置及查詢，內(nèi)置5個功能鍵，鍵值讀人采用中斷方式。同時采用了大屏幕128 x 64點陣的液晶顯示器，其控制和驅(qū)動IC為KSO713。為保證LCD器件工作的穩(wěn)定可靠，LCD模塊采用最新的COG(chip-on-glass)工藝。

1.3.6通信接口設(shè)計

隨著基站監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢，基站內(nèi)其他的智能設(shè)備也有必要通過串口互連以組成集中監(jiān)控模式。典型應(yīng)用如:在一個基站中，可能會有智能門禁，智能空調(diào)，智能UPS電源等一個或多個設(shè)備，為方便統(tǒng)一管理，有必要將動力與環(huán)境監(jiān)控器和這些智能設(shè)備匯接。另一方面，當(dāng)監(jiān)控設(shè)備通過外接GSM/GPRS模塊、調(diào)制解調(diào)器(MODEM)或用2MHz抽時隙等方式聯(lián)網(wǎng)時，也可能占用系統(tǒng)串口。因此選擇了雙串口設(shè)計:一個串口用于掛接下行設(shè)備以擴展系統(tǒng)功能;而另一個串口用于連接上行設(shè)備，如抽時隙設(shè)備或GPRS(General Packet Radio Service)網(wǎng)絡(luò)模塊，以組成集中監(jiān)控模式。在上行通道中，為實現(xiàn)通信接口的冗余容錯，引人了GPRS無線數(shù)傳通道。

GPRS是GSM在Phase2+階段提供的通信分組無線業(yè)務(wù)，基于分組傳輸模式可提供端到端的、廣域的無線IP連接，主要是通過在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)中增加GGSN(GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點)和SGSN(GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點)來實現(xiàn)的，支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議，傳輸速率最高可達115kB/s.

GPRS無線傳輸部分采用GR47模塊，GR47是由雙頻GSM/GPRS無線調(diào)制解調(diào)器，其主要特性包括:

(1)支持雙頻段，分別是900/1800MHz及850/1900MHz

(2) SMS短信業(yè)務(wù)支持PDU(Pmtocol Data Unit)和TXT(文本)兩種格式，支持GPRS B級(4+1);

(3)內(nèi)置TCP/IP協(xié)議集，支持M2M通信所有功能，采用ITU-T ( International Telecommunication Llnion Telecommunications Standanlisation Sector) V2.4/V2.8標(biāo)準(zhǔn);

(4)內(nèi)部集成CPU和實時操作系統(tǒng)，且可開放所有資源;

(5)通信接口支持UART， I2C， SPI。

實際應(yīng)用中，由于其內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議集，不需要在單片機里處理TCP/IP協(xié)議，采用AT指令集就能接人GPRS網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸量不多，或只傳送告警信息時，也可以采用短消息方式(Short Message Service， SMS)聯(lián)網(wǎng)。

接人流程如下:

(1)建立PDP場景 AT指令:AT+CGDCONT=1， \" IP\" ， \" CMNE1\" ; RETURN : OK

(2)激活I(lǐng)P聯(lián)接AT指令;AT *E2IPA二1，1; RETURN : OK

(3)查看IP地址

AT指令:AT*E2IPI二0; RETURN:，E2IPI:10。 233。 12。

168 ; OK

(4)已知接收方的IP地址和端口號，建立通信通道 AT指令:AT*E2IP() = l ， \"129， 59， 217， 99\" ，1024: RETRUN:CONNECT

在應(yīng)用GR47模塊時，發(fā)送AT指令最好有幾十ms的時間間隔，否則容易造成訪問失敗。另外，永遠在線是GPRS服務(wù)的一大優(yōu)點，但應(yīng)用中如果超過一段時間不進行數(shù)據(jù)傳輸，也會存在掉線問題，主要原因是GPRS長時間不傳輸數(shù)據(jù)時，如上所述的GGSN服務(wù)器就會自動降低該TCP鏈路的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級別，最后自動將鏈路斷開，因此解決這一問題的常用方法是每間隔一定時間給對方發(fā)送少量數(shù)據(jù)包，以示信道的存在。

1.3.7輸入榆出接口

系統(tǒng)輸人部分具有32路模擬量、數(shù)字量兼容的采集輸人通道，滿足大部分監(jiān)控環(huán)境對監(jiān)控測試點數(shù)目的要求，當(dāng)監(jiān)控測點數(shù)目超過32個時，可以采用級聯(lián)的方式擴大測點數(shù)

目。系統(tǒng)輸出具有16路BTS告警輸出通道，非常適合在通信基站中使用。同時還具備8路干接點輸出通道，叮以作為告警聯(lián)動使用，也可以作為空調(diào)直接控制使用，或者設(shè)置為其他的開關(guān)。

1.3.8可靠性設(shè)計

在系統(tǒng)可靠性設(shè)計上，為保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在設(shè)計時還充分考慮以下安全保護措施:采用光禍、繼電器、變壓器等多種隔離器件，采集設(shè)備與外部連接時能保證充分隔離;

多級濾波措施，包括在系統(tǒng)軟件內(nèi)采用數(shù)字濾波;在串口和三相電傳感器輸人通道等易引雷的地方加防雷保護器件;串口及I2C總線接口等采用光電隔離;數(shù)字地和模擬地分開，最后一點接地。

2 軟件設(shè)計

軟件的編寫過程中，采用模塊化的設(shè)計理念，具體分為四大模塊:監(jiān)控、設(shè)置、查詢和自檢，同時程序中還采用了指令冗余、軟件陷阱及數(shù)據(jù)容錯技術(shù)，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

監(jiān)控模塊作為核心模塊，又分為若干個子模塊。

對監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)字濾波采用了剔除極值與平均值法相結(jié)合的方法。因為刪除極值可消除或削弱奇異項等干擾脈沖的影響，平均值法可削弱隨機噪聲的影響。在對各參數(shù)監(jiān)測過程

中，對采集進計算機的數(shù)據(jù)作如下處理:每次對同一通道采集6個點，去掉最大值和最小值，剩下的4個數(shù)據(jù)取平均值，這樣就可以把奇異項和噪聲的干擾減弱，使精確度得到提高。同時對交流電、直流電壓、溫度和濕度的處理增加了史密特處理和調(diào)校功能。

3測試結(jié)果

基于C + + Building開發(fā)的上位機軟件作為集中監(jiān)控的管理平臺，可用于查看設(shè)備狀態(tài)和跟蹤調(diào)試設(shè)備及控制操作對象;能實現(xiàn)日常的用戶管理、設(shè)備管理、告警管理、規(guī)則管理以及值班管理。

實際測試過程中，利用上位機軟件的實時曲線顯示功能，能夠跟蹤被監(jiān)測對象參數(shù)連續(xù)變化情況，以便對被測對象進行綜合分析，如圖6所示。

4 結(jié)束語

通過綜合監(jiān)控終端在某移動通信基站的實際應(yīng)用證明，其設(shè)計與實現(xiàn)可廣泛應(yīng)用于各種通信基站和電力機房的集中監(jiān)控。該監(jiān)控終端通過對硬件電路、傳輸網(wǎng)絡(luò)、空調(diào)控制等模塊

的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了基站遠程監(jiān)控的“四遙功能(遙測、遙信、遙調(diào)、遙控)”，能實時監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)、預(yù)期故障發(fā)生、迅速排除故障、記錄和處理相關(guān)數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)了綜合化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，節(jié)約了人力資源成本，提高了動力、通信設(shè)備運行的可靠性，保證了通信網(wǎng)路、電力設(shè)備運作的安全暢通，實現(xiàn)了基站無人值守。