基于GPRS或4G的通信基站電源監控系統的分析與設計

王二超

（河南省信息咨詢設計研究有限公司，河南 鄭州 450008）

0 引 言

隨著通信行業的不斷發展，通信網絡及設備的復雜性逐漸加強。為實現對通信網絡的集中控制，分布式計算機現已被廣泛應用于監控工作。分布式計算機的主要監控對象為通信電源，可確保監控系統采集的電源信息被準確傳輸至維護人員，是提高故障發現與解決效率的基礎，能夠進一步改善系統性能。

1 基于GPRS或4G的通信基站電源監控系統框架

基于GPRS或4G的通信基站電源監控系統框架如圖1所示。

圖1 基于GPRS或4G的通信基站電源監控系統框架

該系統由感知層、通信層與應用層三部分構成。其中，感知層的主要構件是電能采集模塊和控制模塊，均用于采集電源運行信息，感知系統運行情況[1]。應用層以MCU控制器為核心構件，與電源模塊、電路、顯示器以及外接存儲器相連，用戶可在監控終端中，通過MCU控制器，調取電源的運行信息，實現對通信基站電源的實時監控和對電源運行狀態的及時維護。模塊通信層的主要內容是GPRS。該模塊功能的實現需借助GPRS技術，也可采用4G技術替代，是確保監控數據被妥善傳輸至維護人員的基礎。鑒于當通信出現異常時，監控的目標將無法實現，因此，應對GPRS或4G技術的應用方法加以研究。

2 基于GPRS或4G的通信基站電源監控系統的硬件設計

2.1 MCU的選擇

MCU作為通信基站電源監控系統的核心，需確保功能無異常。本課題采用TI-MSP430F149型號的MCU，對系統硬件實施優化設計。TI-MSP430F149型號單片機具有功耗低、處理能力強和穩定性強的優勢。當電壓處于1.8～3.6 V時，該型號MCU為保持數據，耗電達0.1 μA/MIPS[2]。在單片機運行過程中，耗電雖有所提升，卻仍可維持在250 μA/MIPS以下。另外，TI-MSP430F149型號的MCU對工作環境的要求同樣較低，在-40～85 ℃溫度條件下，單片機均可運行。

2.2 信息采集

該電源監控系統對不同信息的采集方法亦不同。系統采集的主要參數包括三相市電電壓電流、發電機電壓以及基站48 V電源的運行參數。以三相市電電壓為例，在通信網絡運行過程中，監控系統可借助傳感器，對10 mV～1 V范圍內的電壓實施采集[3]，且信息采集的誤差可控制在0.5%以下，準確度較高。至于三相市電電流，監控系統采取以差分輸入為主的電流采樣方式。在采樣過程中，電流互感器會首先發出二次側信號，在順利獲取數據后，系統會立即將其存儲在數據庫中，同時借助GPRS或4G技術，完成數據的傳輸操作。

2.3 電源模塊

該系統的電源由AC-DC電源、DC-DC電源以及MCU供電電源三部分構成。其中，AC-DC電源采用三相市電變5 V直流電源。在設計過程中，設計人員可將相變整流電路的輸出部分相互連接，使其接入至電壓調整電路。此時，系統的電壓將由220 V交流電轉變為12 V直流電[4]，待調整電壓后，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，有關人員主要應用SU5-48S05模塊完成設計，并將輸入電壓和輸出電壓分別設置為48 V與5 V，保證輸出功率為78%，提高電源模塊設計水平。

2.4 電路設計

2.4.1 接口電路

接口電路主要用于為GPRS及4G通信的實現提供路徑。為確保通信質量無異常，應在設計過程中應用GTM900型號的GPRS模塊。借助該型號GPRS模塊的雙頻段優勢，豐富系統的語音與數據業務功能。GTM900型號的GPRS模塊，可與SIM卡相連接，人員僅需借助4G網絡，即可在移動終端中，查看經GPRS傳輸的信息，從而判斷當前電源系統的運行狀態是否存在異常。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，均具有較強的性能，可支持數據傳輸功能的實現。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控系統的需求，在對電路進行布局時，需將主要硬件電路置于2塊不同的電路板。該系統選取POWER與CPU兩塊電路板，對電路的布局進行優化設計。其中，CPU板主要用于顯示信息，POWER板則用于測量信號。POWER與CPU兩塊電路板，可經羊角插座相互連接，并通過內部接口，各自與SIM卡連接，形成整體的通信體系。當信息測量與處理完成后，用戶可通過4G網絡及時接收數據，實現對通信基站電源運行狀態的監控。

3 基于GPRS或4G的通信基站電源監控系統的軟件設計

3.1 軟件結構

通信基站電源監控系統主要由通信軟件、A/D采集軟件以及檢測軟件等部分構成。上述軟件均可采用C語言開發，且開發周期較短。系統軟件主要包括底層驅動、通信、任務處理以及人機接口4部分。在系統與電源相連接后，會自動進行初始化，底層驅動軟件隨之開啟，系統功能逐步完善。經過初始化，電源的運行數據會被采集到系統數據庫，系統數據庫進而根據用戶的指令，對任務進行處理，且最終通過GPRS將數據發送至人機接口，在實現人機交互的基礎上，保證數據能夠為用戶所用。

3.2 設計方案

3.2.1 GPRS及4G通訊

在通信基站電源監控系統運行過程中，應同時實現GPRS與4G通訊，保證數據自數字庫傳遞至系統終端。當GPRS網絡運行無異常時，所有數據的通訊起點均應以GPRS為主。而當出現網絡故障時，可立即以SMS替代GPRS，對數據進行緩沖，并啟動GPRS重連機制，直至網絡重新連接。上述流程中，對數據的緩沖操作尤為重要。在設計過程中，應綜合應用實時緩沖與異常緩沖兩種技術，并在EEPROM中，提取一定的存儲空間，供存儲緩沖數據，從而延長了數據存儲時間，避免因通信不良導致數據丟失問題的發生。

3.2.2 異常判定處理

異常主要包括來電、停電、欠壓、過壓、斷相以及過流。以GPRS或4G技術為基礎設計的通信基站電源監控系統均可在上述異常發生后的20 s內，實現對異常的判定，并作出相應的反應。以發電機停止運行為例，在該異常發生后，系統可及時檢測到計量芯片的電量值。如顯示無電，且電池電壓連續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，系統會通過GPRS模塊和人機接口實現數據傳輸，確保維護人員及時了解故障，并將故障排除。

3.2.3 A/D采集與檢測

A/D采集與檢測設計方法有所不同，以A/D采集為例，通信基站電源監控系統的A/D采集方式以繼電器采集為主。在系統運行過程中，繼電器可以0.5 s/次的速度，利用計量芯片采集電源參數。若計量芯片存在故障，繼電器的參數采集頻率會延緩至10 min/次。為確保參數精度無異常，可利用“Y=aX+b”公式執行修正。其中，Y代表修正結果，a與b均為常量，可通過串口進行修改。需注意的是，一旦液晶截面切換至直流電壓顯示區域，必須重新啟動繼電器，使其繼續采集各項參數。

3.3 服務端軟件

3.3.1 供電狀態與預警

通信基站電源監控系統的供電狀態與預警方法如下：（1）供電狀態：設計人員可采用實時監控技術進行基站電源設計。當電源運行時，系統需實時采集運行參數，并記錄蓄電池的供電情況與發電機的運行情況，便于工作人員了解當前供電狀態；（2）預警：在通信基站電源運行過程中，故障發生率較高，設計電源監控軟件時需確保軟件具有預警功能，確保在故障發生時能夠被及時發現?？紤]到上述需求，可采用不同顏色，劃分不同的故障等級，提升預警信息的醒目性，進而提高故障解決效率。

3.3.2 電量計算及監控

計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。為提高電量計算的準確率，設計人員應確保系統能夠在固定時段，自行調取數據庫中的用電數據對其進行計算，并將計算得到的結果，再次存儲于數據庫中。當用戶要求了解上階段用電量時，僅需從系統中調取相應的數據，即可在移動終端顯現用電趨勢圖。采用上述方式計算并監控電量，不僅能夠提高計算效率，還可保證計算結果準確反映系統的運行狀態，從而增強系統性能，降低斷電風險的發生概率。

4 基于GPRS或4G的通信基站電源監控系統的實現

4.1 實現方案

4.1.1 系統配置

該系統的操作內核以Linux為主，默認配置文件 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，用戶進入系統界面后，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

為確保系統功能的實現，在系統配置完成后，相關人員應將GPRS模塊通過TXD和RXD端口與移動設備相連。在此基礎上，運行minicom口終端即可實現GPRS的功能。為避免系統長期運行對電源散熱造成影響。有關人員應采用“R=△T/Pd”公式計算并控制散熱器的熱阻，避免對系統功能的發揮造成阻礙。上述公式中，R代表熱阻，T代表溫度，P代表功率。在系統運行過程中，會自動計算上述參數，確保系統功能能夠正常實現。

4.2 實現效果

為判斷以GPRS或4G技術為基礎設計的通信基站電源監控系統是否具有應用價值，在系統設計完成后，將其應用至通信基站建設。結果顯示，在系統運行過程中，電源模塊散熱器溫度一直處于83 ℃左右，散熱效果較好，系統的各項功能不會因過熱出現異常，進一步觀察發現該系統預警的準確率為100%、數據刷新周期為0.43 s、電源空載損耗為20 W、運行效率≥92%且數據傳輸速率同樣得到保證。因此，基于GPRS或4G技術的通信基站電源監控系統應用效果良好。

5 結 論

借助GPRS或4G技術設計的通信基站電源監控系統不僅具有數據傳輸實時性強的優勢，還可做到及時預警，實現對整個通信網絡的保護。因此，通信行業應考慮借助GPRS或4G技術，對通信基站的電源實施監控，在獲取電源運行數據的基礎上，分析數據是否存在異常，從而及時發現問題、解決問題，提高電源、通信基站以及通信網絡運行的安全性與穩定性。