無線數字電視發射機房電力遠程監測系統

張 帆，趙志梅

（河南工程學院 計算機科學與工程系，河南 鄭州 450053）

責任編輯:任健男

0 引言

近幾年，無線數字電視在國內發展異常迅速，主要運用在城市的公交、鐵路、戶外廣告和移動多媒體等，由于城區建筑比較密集，對信號的衰減影響比較大，同時為了提高信號在郊區或者偏遠小鎮的覆蓋質量和面積，就需要通過建立單頻網、差轉臺或者直放站來解決信號的覆蓋問題，這些基站可能分布在城市、鄉鎮，甚至是人際罕至的山區，數目較多，地域分布廣。為了保證機房內的服務器、交換機、路由器、發射機、UPS和空調等的設備正常工作，穩定和持續的供電是其正常工作的基本保證[1]。目前國內外很多發射基站都是主要通過人工巡檢方式了解供電運行情況，經常是當信號出現中斷報修后，運維人員才發現故障，不僅增大了運維人員的工作量，而且對于提高客戶服務質量等方面都會造成一定的影響。為適應減員增效和現代化管理的要求，設計了無線數字電視發射機房電力遠程監測系統，通過對各設備支路電流、電壓以及運行狀態等參數的測量來實時監測和記錄各設備運行狀況。

1 系統功能和監測終端平臺

無線數字電視發射機房電力遠程監測系統集采集、處理、報警、管理于一體，內建完善的TCP網絡功能，靈活組網。為了系統便于維護，采用標準模塊化的設計方法，充分保證系統的適應性和可靠性，也便于擴充。

1.1 電力遠程監測系統功能

系統分三層設計:監測終端、通信層和遠程監測中心。監測終端主要通過采集各電力支路的參數和工作狀態，并根據預設值判斷故障，具有本地顯示、報警和日記查詢等功能；遠程監測中心是一臺多功能的智能監測服務器，內置了一套管理系統軟件，能夠對各種現場數據進行采集和自動化處理，主要收集從各個發射機房回傳的數據，并通過數據庫對數據進行存儲和管理，同時具有數據分析、告警提示、報表打印等功能；通信層采用C/S架構設計，遠程監測中心作為服務端，通過TCP傳輸協議與各機房的客戶端通信[2]。

1.2 監測終端平臺

發射機房的配電箱有多個支路，終端主要監測市電輸入、空調、UPS蓄電池輸出、機柜、發射機和室內照明等支路，通過監測母線電壓和電流就可以實時掌握各單元的供電情況。

1.2.1 監測終端硬件結構

發射機房電力監測終端以微控制器C8051F340為處理核心，通過SM系列電流變送器將0～5 V的電壓信號送給控制器的ADC口，通過SPI接口與網絡模塊W5100實現接入Internet；LCD用于顯示機房現場監測結果及告警情況。監測終端結構如圖1所示。

發射機房電力監測終端提供了多路模數字量傳感器的設備接入接口，可以通過這些接口對現場的各種數據進行有效的遠程監測和管理，當系統監測到被監測對象的情況發生異常時，系統會發出報警，及時地通知相關的管理人員。同時，還可以通過系統預設的應急程式，自動地啟動對應的應急措施，幫助管理人員排除故障，避免或減輕故障帶來的損失[3]。

1.2.2 支路電壓和電流監測方法

主電力系統為了傳輸電能，往往采用交流、大電流回路把電力送往設備，無法與控制器C8051F340的ADC口直接相連進行測量。故采用了互感器解決這個問題，它可以將交流大電流按比例降到用控制器端口直接測量的數值。SM系列電流變送器結構如圖2所示。

系統采用的是SM系列線性交流電流變送器SML50ACE-12/24，它靈敏度高，快速響應，初級與次級高度隔離；單電源供電，電源電壓范圍為12～24 V；測量電流范圍為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外接電阻轉換為電壓輸出。

2 客戶端軟件

客戶端軟件采用C語言設計，由于結構不復雜，故采用了一個循環的結構，在這個過程中通過調用不同的功能子函數實現，子函數包括各模塊初始化、建立網絡連接、數據采集處理、日志操作、數據格式的處理等。

2.1 程序流程

終端上電后首先進行系統初始化，包括網絡配置、設置掃描間隔等，然后主動與服務器端建立TCP網絡連接。通信正常后，終端開始依次采集各支路的電流和電壓值，并對每組采集到的數據進行分析，處理后得出最后的結果，再對這個數值進行判斷。如果是正常狀態，就直接將數據按照事先規定的協議打包并發送至服務器端；如果監測到的數值異常，則寫入日志，啟動本地報警，并將告警原因顯示到LCD上，向服務器發送數據時需要一并發送告警報錯類型，以便工作人員及時查清原因。接著根據設定的掃描時間，延時N s，再次進入下一個循環[4]。掃描周期的設計要比較快，但不能太快，考慮到電流和溫度變化，在1/10 s量級，掃描周期設計100～200 ms為最佳。軟件流程如圖3所示。

2.2 數據處理

考慮到壞數據處理和合理報警都是因為通道或傳感器受到了干擾引起的，為了使提出的方法具有普適性，在數據采集底層就要進行處理。每個監測量定義都要對應這樣一組數據，可以根據先驗知識或后驗知識人工設定。每個監測量在取得數值以后，經過評估，得到實時狀態。結合數據處理，數據采集流程如下:1）從模塊讀數據，采樣，得到數據；2）在時鐘控制下，連續5次采樣，平滑處理，去掉最大和最小，3次平均值作為實時數據；3）評估。如果不合理，廢棄此數據，繼續采樣。如果依然不合理，放棄該點數據，記錄狀態為“故障”[5]。

3 集中監測管理中心

監測管理軟件采用VC++6.0作為開發平臺，由于系統要管理的機房數量多，而且涉及到的數據龐雜，為了方便分類、管理和查詢等，引入了Access2003為后端數據庫，采用開放數據庫互連ODBC對數據庫進行操作，它提供了一組對數據庫訪問的標準應用程序編程接口API，這些API利用SQL來完成增、刪、改、查和維護等操作等大部分任務[6]。

程序運行在監測管理中心的PC機上，通過以太網實現與各監測節點的通信，主要使用Socket編程完成TCP的連接與數據的收發，并實現數據處理、實時顯示、數據備份、歷史查詢、數據統計、分析預測、故障報警和報表導出等功能[7]。

3.1 數據傳輸協議

系統的客戶端與服務器端的上下行數據交互主要包括兩大類:上傳數據和下行指令。為了使系統的數據傳輸更穩定可靠，定義了數據傳輸協議，將數據打包成幀的格式再通過建立的TCP連接發送出去，數據幀協議結構如表1所示。

為了區分每個幀數據，協議規定每個幀都以#DVB#開始，以#END#結束。在系統規劃初期給每個機房的監測終端指定固定的IP地址，并錄入到監測中心的管理系統中。

3.2 報警類型

本地報警功能在控制器上直接實現聲光報警，并記錄報警信息和處理措施，同時傳送給監測后臺。遠程報警可通過監測后臺實現，會在人機交互上彈出相應界面，給出是哪個機房的設備出現故障以及故障原因。故障報錯種類分成8類，如表2所示。

表1 數據協議結構

表2 故障分析表

通道故障包括某個通道數據異常、開路或者短路。模塊故障包括某個模塊無通信回應、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有響應。其中，干擾是指由于受電磁環境的影響，偶爾出現無效的壞數據，如果有壞數據出現，發送最近一次測量數據作為替代并存儲來消除干擾；如果是有連續的壞數據，就認為是通道或者電流變送器有缺陷。

4 結論

采用C/S架構設計的無線數字電視發射機房電力遠程監測系統，采用了SM電流變送器實現了對大電流的準確測量，通過微控制器C8051F340實現了數據采集、處理、網絡接入和數據傳送等功能，從而完成了對市電輸入、UPS蓄電池、空調、發射機等設備的實時監測。該系統適用于網絡規模大、用戶數量多和分布較廣的基站電力監測管理，可對大量分布式的數字電視發射機房的電力的電源進行集中統一管理，真正做到電源管理的實時化、智能化和網絡化，省去了頻繁的機房巡查，大幅度降低了運維人員的工作強度，對于推進的無人值守基站管理模式具有重要意義。同時也變“報障→維護”的被動運維模式為主動和自動的運維模式，及時發現故障，將隱患消滅在萌芽中。

[1]王志強.機房動力環境監控系統設計[J].電視技術，2008，32（8）:74-75.

[2]張慧熙，孫亞萍.實時遠程電源和UPS監控網絡節點機硬件設計與實現[J].計算機測量與控制，2010，18（1）:142-144.

[3]盧剛，程顯蒙.基于GPRS和AT89C52的遠程電力監測系統設計[J].自動化儀表，2008，29（11）:40-42.

[4]白云州.基于W5100的網絡化溫室大棚環境監測系統[J].制造業自動化，2011，33（3）:20-21.

[5]姜印平，劉江江，李杰.基于MSP430單片機的智能電池監測儀[J].儀器儀表學報，2008，29（5）:1040-1043.

[6]顧東袁，楊東勇，徐楊法.智能坐便器嵌入式控制系統設計與實現[J].計算機工程與應用，2008，44（31）:98-100.

[7]李杭生，蔡永輝，李念.現場總線在鐵路智能監控系統中的應用[J].儀表技術與傳感器，2008（8）:63-65.