王二超

（河南省信息咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450008）

0 引 言

隨著通信行業(yè)的不斷發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備的復(fù)雜性逐漸加強(qiáng)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的集中控制，分布式計(jì)算機(jī)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于監(jiān)控工作。分布式計(jì)算機(jī)的主要監(jiān)控對(duì)象為通信電源，可確保監(jiān)控系統(tǒng)采集的電源信息被準(zhǔn)確傳輸至維護(hù)人員，是提高故障發(fā)現(xiàn)與解決效率的基礎(chǔ)，能夠進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能。

1 基于GPRS或4G的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)框架

基于GPRS或4G的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 基于GPRS或4G的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)由感知層、通信層與應(yīng)用層三部分構(gòu)成。其中，感知層的主要構(gòu)件是電能采集模塊和控制模塊，均用于采集電源運(yùn)行信息，感知系統(tǒng)運(yùn)行情況[1]。應(yīng)用層以MCU控制器為核心構(gòu)件，與電源模塊、電路、顯示器以及外接存儲(chǔ)器相連，用戶可在監(jiān)控終端中，通過(guò)MCU控制器，調(diào)取電源的運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信基站電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)電源運(yùn)行狀態(tài)的及時(shí)維護(hù)。模塊通信層的主要內(nèi)容是GPRS。該模塊功能的實(shí)現(xiàn)需借助GPRS技術(shù)，也可采用4G技術(shù)替代，是確保監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)被妥善傳輸至維護(hù)人員的基礎(chǔ)。鑒于當(dāng)通信出現(xiàn)異常時(shí)，監(jiān)控的目標(biāo)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此，應(yīng)對(duì)GPRS或4G技術(shù)的應(yīng)用方法加以研究。

2 基于GPRS或4G的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU的選擇

MCU作為通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的核心，需確保功能無(wú)異常。本課題采用TI-MSP430F149型號(hào)的MCU，對(duì)系統(tǒng)硬件實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)。TI-MSP430F149型號(hào)單片機(jī)具有功耗低、處理能力強(qiáng)和穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)電壓處于1.8～3.6 V時(shí)，該型號(hào)MCU為保持?jǐn)?shù)據(jù)，耗電達(dá)0.1 μA/MIPS[2]。在單片機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，耗電雖有所提升，卻仍可維持在250 μA/MIPS以下。另外，TI-MSP430F149型號(hào)的MCU對(duì)工作環(huán)境的要求同樣較低，在-40～85 ℃溫度條件下，單片機(jī)均可運(yùn)行。

2.2 信息采集

該電源監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)不同信息的采集方法亦不同。系統(tǒng)采集的主要參數(shù)包括三相市電電壓電流、發(fā)電機(jī)電壓以及基站48 V電源的運(yùn)行參數(shù)。以三相市電電壓為例，在通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)控系統(tǒng)可借助傳感器，對(duì)10 mV～1 V范圍內(nèi)的電壓實(shí)施采集[3]，且信息采集的誤差可控制在0.5%以下，準(zhǔn)確度較高。至于三相市電電流，監(jiān)控系統(tǒng)采取以差分輸入為主的電流采樣方式。在采樣過(guò)程中，電流互感器會(huì)首先發(fā)出二次側(cè)信號(hào)，在順利獲取數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會(huì)立即將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)借助GPRS或4G技術(shù)，完成數(shù)據(jù)的傳輸操作。

2.3 電源模塊

該系統(tǒng)的電源由AC-DC電源、DC-DC電源以及MCU供電電源三部分構(gòu)成。其中，AC-DC電源采用三相市電變5 V直流電源。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員可將相變整流電路的輸出部分相互連接，使其接入至電壓調(diào)整電路。此時(shí)，系統(tǒng)的電壓將由220 V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?2 V直流電[4]，待調(diào)整電壓后，AC-DC電源即可建立完成。DC-DC電源的建立方法與AC-DC電源存在一定的差異，有關(guān)人員主要應(yīng)用SU5-48S05模塊完成設(shè)計(jì)，并將輸入電壓和輸出電壓分別設(shè)置為48 V與5 V，保證輸出功率為78%，提高電源模塊設(shè)計(jì)水平。

2.4 電路設(shè)計(jì)

2.4.1 接口電路

接口電路主要用于為GPRS及4G通信的實(shí)現(xiàn)提供路徑。為確保通信質(zhì)量無(wú)異常，應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用GTM900型號(hào)的GPRS模塊。借助該型號(hào)GPRS模塊的雙頻段優(yōu)勢(shì)，豐富系統(tǒng)的語(yǔ)音與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能。GTM900型號(hào)的GPRS模塊，可與SIM卡相連接，人員僅需借助4G網(wǎng)絡(luò)，即可在移動(dòng)終端中，查看經(jīng)GPRS傳輸?shù)男畔ⅲ瑥亩袛喈?dāng)前電源系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)是否存在異常。GPRS模塊的接口主要有RTC Backup接口、LPG接口、UART接口以及SPI接口四種，均具有較強(qiáng)的性能，可支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸功能的實(shí)現(xiàn)。SPI接口示意圖如圖2所示

圖2 SPI接口示意圖

2.4.2 電路布局

考慮到通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的需求，在對(duì)電路進(jìn)行布局時(shí)，需將主要硬件電路置于2塊不同的電路板。該系統(tǒng)選取POWER與CPU兩塊電路板，對(duì)電路的布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，CPU板主要用于顯示信息，POWER板則用于測(cè)量信號(hào)。POWER與CPU兩塊電路板，可經(jīng)羊角插座相互連接，并通過(guò)內(nèi)部接口，各自與SIM卡連接，形成整體的通信體系。當(dāng)信息測(cè)量與處理完成后，用戶可通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)及時(shí)接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信基站電源運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。

3 基于GPRS或4G的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)主要由通信軟件、A/D采集軟件以及檢測(cè)軟件等部分構(gòu)成。上述軟件均可采用C語(yǔ)言開發(fā)，且開發(fā)周期較短。系統(tǒng)軟件主要包括底層驅(qū)動(dòng)、通信、任務(wù)處理以及人機(jī)接口4部分。在系統(tǒng)與電源相連接后，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行初始化，底層驅(qū)動(dòng)軟件隨之開啟，系統(tǒng)功能逐步完善。經(jīng)過(guò)初始化，電源的運(yùn)行數(shù)據(jù)會(huì)被采集到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)而根據(jù)用戶的指令，對(duì)任務(wù)進(jìn)行處理，且最終通過(guò)GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送至人機(jī)接口，在實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的基礎(chǔ)上，保證數(shù)據(jù)能夠?yàn)橛脩羲谩?/p>

3.2 設(shè)計(jì)方案

3.2.1 GPRS及4G通訊

在通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)GPRS與4G通訊，保證數(shù)據(jù)自數(shù)字庫(kù)傳遞至系統(tǒng)終端。當(dāng)GPRS網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行無(wú)異常時(shí)，所有數(shù)據(jù)的通訊起點(diǎn)均應(yīng)以GPRS為主。而當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，可立即以SMS替代GPRS，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，并啟動(dòng)GPRS重連機(jī)制，直至網(wǎng)絡(luò)重新連接。上述流程中，對(duì)數(shù)據(jù)的緩沖操作尤為重要。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)綜合應(yīng)用實(shí)時(shí)緩沖與異常緩沖兩種技術(shù)，并在EEPROM中，提取一定的存儲(chǔ)空間，供存儲(chǔ)緩沖數(shù)據(jù)，從而延長(zhǎng)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間，避免因通信不良導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題的發(fā)生。

3.2.2 異常判定處理

異常主要包括來(lái)電、停電、欠壓、過(guò)壓、斷相以及過(guò)流。以GPRS或4G技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)均可在上述異常發(fā)生后的20 s內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常的判定，并作出相應(yīng)的反應(yīng)。以發(fā)電機(jī)停止運(yùn)行為例，在該異常發(fā)生后，系統(tǒng)可及時(shí)檢測(cè)到計(jì)量芯片的電量值。如顯示無(wú)電，且電池電壓連續(xù)3次降低到1.5 V以下，則表明通信基站電源存在故障。此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)GPRS模塊和人機(jī)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，確保維護(hù)人員及時(shí)了解故障，并將故障排除。

3.2.3 A/D采集與檢測(cè)

A/D采集與檢測(cè)設(shè)計(jì)方法有所不同，以A/D采集為例，通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的A/D采集方式以繼電器采集為主。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，繼電器可以0.5 s/次的速度，利用計(jì)量芯片采集電源參數(shù)。若計(jì)量芯片存在故障，繼電器的參數(shù)采集頻率會(huì)延緩至10 min/次。為確保參數(shù)精度無(wú)異常，可利用“Y=aX+b”公式執(zhí)行修正。其中，Y代表修正結(jié)果，a與b均為常量，可通過(guò)串口進(jìn)行修改。需注意的是，一旦液晶截面切換至直流電壓顯示區(qū)域，必須重新啟動(dòng)繼電器，使其繼續(xù)采集各項(xiàng)參數(shù)。

3.3 服務(wù)端軟件

3.3.1 供電狀態(tài)與預(yù)警

通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的供電狀態(tài)與預(yù)警方法如下：（1）供電狀態(tài)：設(shè)計(jì)人員可采用實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行基站電源設(shè)計(jì)。當(dāng)電源運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)需實(shí)時(shí)采集運(yùn)行參數(shù)，并記錄蓄電池的供電情況與發(fā)電機(jī)的運(yùn)行情況，便于工作人員了解當(dāng)前供電狀態(tài)；（2）預(yù)警：在通信基站電源運(yùn)行過(guò)程中，故障發(fā)生率較高，設(shè)計(jì)電源監(jiān)控軟件時(shí)需確保軟件具有預(yù)警功能，確保在故障發(fā)生時(shí)能夠被及時(shí)發(fā)現(xiàn)?？紤]到上述需求，可采用不同顏色，劃分不同的故障等級(jí)，提升預(yù)警信息的醒目性，進(jìn)而提高故障解決效率。

3.3.2 電量計(jì)算及監(jiān)控

計(jì)算各基站電源的電量是掌握通信基站用電平均量的主要途徑。為提高電量計(jì)算的準(zhǔn)確率，設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保系統(tǒng)能夠在固定時(shí)段，自行調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中的用電數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算得到的結(jié)果，再次存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)用戶要求了解上階段用電量時(shí)，僅需從系統(tǒng)中調(diào)取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，即可在移動(dòng)終端顯現(xiàn)用電趨勢(shì)圖。采用上述方式計(jì)算并監(jiān)控電量，不僅能夠提高計(jì)算效率，還可保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而增強(qiáng)系統(tǒng)性能，降低斷電風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率。

4 基于GPRS或4G的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 實(shí)現(xiàn)方案

4.1.1 系統(tǒng)配置

該系統(tǒng)的操作內(nèi)核以Linux為主，默認(rèn)配置文件 為s211x-android-2.4/kernel/arch/arm/configs/x211-android-inand-defconfi-g。采用上述文件配置，能夠有效提升文件修改的便利性。為方便操作，用戶進(jìn)入系統(tǒng)界面后，采用下述方法編譯即可：

$exportPATH=/usr/local/src/s211x/arm-2009q3/bin:$PATH

$cd/usr/local/src/s211x/x211-android-2.4

$./mk-k#

4.1.2 功能配置

為確保系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，在系統(tǒng)配置完成后，相關(guān)人員應(yīng)將GPRS模塊通過(guò)TXD和RXD端口與移動(dòng)設(shè)備相連。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)行minicom口終端即可實(shí)現(xiàn)GPRS的功能。為避免系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)電源散熱造成影響。有關(guān)人員應(yīng)采用“R=△T/Pd”公式計(jì)算并控制散熱器的熱阻，避免對(duì)系統(tǒng)功能的發(fā)揮造成阻礙。上述公式中，R代表熱阻，T代表溫度，P代表功率。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)自動(dòng)計(jì)算上述參數(shù)，確保系統(tǒng)功能能夠正常實(shí)現(xiàn)。

4.2 實(shí)現(xiàn)效果

為判斷以GPRS或4G技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)是否具有應(yīng)用價(jià)值，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，將其應(yīng)用至通信基站建設(shè)。結(jié)果顯示，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，電源模塊散熱器溫度一直處于83 ℃左右，散熱效果較好，系統(tǒng)的各項(xiàng)功能不會(huì)因過(guò)熱出現(xiàn)異常，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)預(yù)警的準(zhǔn)確率為100%、數(shù)據(jù)刷新周期為0.43 s、電源空載損耗為20 W、運(yùn)行效率≥92%且數(shù)據(jù)傳輸速率同樣得到保證。因此，基于GPRS或4G技術(shù)的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果良好。

5 結(jié) 論

借助GPRS或4G技術(shù)設(shè)計(jì)的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)不僅具有數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，還可做到及時(shí)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)。因此，通信行業(yè)應(yīng)考慮借助GPRS或4G技術(shù)，對(duì)通信基站的電源實(shí)施監(jiān)控，在獲取電源運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析數(shù)據(jù)是否存在異常，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，提高電源、通信基站以及通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。