无线数字电视发射机房电力远程监测系统

张 帆，赵志梅

（河南工程学院 计算机科学与工程系，河南 郑州 450053）

责任编辑:任健男

0 引言

近几年，无线数字电视在国内发展异常迅速，主要运用在城市的公交、铁路、户外广告和移动多媒体等，由于城区建筑比较密集，对信号的衰减影响比较大，同时为了提高信号在郊区或者偏远小镇的覆盖质量和面积，就需要通过建立单频网、差转台或者直放站来解决信号的覆盖问题，这些基站可能分布在城市、乡镇，甚至是人际罕至的山区，数目较多，地域分布广。为了保证机房内的服务器、交换机、路由器、发射机、UPS和空调等的设备正常工作，稳定和持续的供电是其正常工作的基本保证[1]。目前国内外很多发射基站都是主要通过人工巡检方式了解供电运行情况，经常是当信号出现中断报修后，运维人员才发现故障，不仅增大了运维人员的工作量，而且对于提高客户服务质量等方面都会造成一定的影响。为适应减员增效和现代化管理的要求，设计了无线数字电视发射机房电力远程监测系统，通过对各设备支路电流、电压以及运行状态等参数的测量来实时监测和记录各设备运行状况。

1 系统功能和监测终端平台

无线数字电视发射机房电力远程监测系统集采集、处理、报警、管理于一体，内建完善的TCP网络功能，灵活组网。为了系统便于维护，采用标准模块化的设计方法，充分保证系统的适应性和可靠性，也便于扩充。

1.1 电力远程监测系统功能

系统分三层设计:监测终端、通信层和远程监测中心。监测终端主要通过采集各电力支路的参数和工作状态，并根据预设值判断故障，具有本地显示、报警和日记查询等功能；远程监测中心是一台多功能的智能监测服务器，内置了一套管理系统软件，能够对各种现场数据进行采集和自动化处理，主要收集从各个发射机房回传的数据，并通过数据库对数据进行存储和管理，同时具有数据分析、告警提示、报表打印等功能；通信层采用C/S架构设计，远程监测中心作为服务端，通过TCP传输协议与各机房的客户端通信[2]。

1.2 监测终端平台

发射机房的配电箱有多个支路，终端主要监测市电输入、空调、UPS蓄电池输出、机柜、发射机和室内照明等支路，通过监测母线电压和电流就可以实时掌握各单元的供电情况。

1.2.1 监测终端硬件结构

发射机房电力监测终端以微控制器C8051F340为处理核心，通过SM系列电流变送器将0～5 V的电压信号送给控制器的ADC口，通过SPI接口与网络模块W5100实现接入Internet；LCD用于显示机房现场监测结果及告警情况。监测终端结构如图1所示。

发射机房电力监测终端提供了多路模数字量传感器的设备接入接口，可以通过这些接口对现场的各种数据进行有效的远程监测和管理，当系统监测到被监测对象的情况发生异常时，系统会发出报警，及时地通知相关的管理人员。同时，还可以通过系统预设的应急程式，自动地启动对应的应急措施，帮助管理人员排除故障，避免或减轻故障带来的损失[3]。

1.2.2 支路电压和电流监测方法

主电力系统为了传输电能，往往采用交流、大电流回路把电力送往设备，无法与控制器C8051F340的ADC口直接相连进行测量。故采用了互感器解决这个问题，它可以将交流大电流按比例降到用控制器端口直接测量的数值。SM系列电流变送器结构如图2所示。

系统采用的是SM系列线性交流电流变送器SML50ACE-12/24，它灵敏度高，快速响应，初级与次级高度隔离；单电源供电，电源电压范围为12～24 V；测量电流范围为0～50 A；交流输入，输出0～5 V的直流电压。SM系列电流传感器的电流输出可通过外接电阻转换为电压输出。

2 客户端软件

客户端软件采用C语言设计，由于结构不复杂，故采用了一个循环的结构，在这个过程中通过调用不同的功能子函数实现，子函数包括各模块初始化、建立网络连接、数据采集处理、日志操作、数据格式的处理等。

2.1 程序流程

终端上电后首先进行系统初始化，包括网络配置、设置扫描间隔等，然后主动与服务器端建立TCP网络连接。通信正常后，终端开始依次采集各支路的电流和电压值，并对每组采集到的数据进行分析，处理后得出最后的结果，再对这个数值进行判断。如果是正常状态，就直接将数据按照事先规定的协议打包并发送至服务器端；如果监测到的数值异常，则写入日志，启动本地报警，并将告警原因显示到LCD上，向服务器发送数据时需要一并发送告警报错类型，以便工作人员及时查清原因。接着根据设定的扫描时间，延时N s，再次进入下一个循环[4]。扫描周期的设计要比较快，但不能太快，考虑到电流和温度变化，在1/10 s量级，扫描周期设计100～200 ms为最佳。软件流程如图3所示。

2.2 数据处理

考虑到坏数据处理和合理报警都是因为通道或传感器受到了干扰引起的，为了使提出的方法具有普适性，在数据采集底层就要进行处理。每个监测量定义都要对应这样一组数据，可以根据先验知识或后验知识人工设定。每个监测量在取得数值以后，经过评估，得到实时状态。结合数据处理，数据采集流程如下:1）从模块读数据，采样，得到数据；2）在时钟控制下，连续5次采样，平滑处理，去掉最大和最小，3次平均值作为实时数据；3）评估。如果不合理，废弃此数据，继续采样。如果依然不合理，放弃该点数据，记录状态为“故障”[5]。

3 集中监测管理中心

监测管理软件采用VC++6.0作为开发平台，由于系统要管理的机房数量多，而且涉及到的数据庞杂，为了方便分类、管理和查询等，引入了Access2003为后端数据库，采用开放数据库互连ODBC对数据库进行操作，它提供了一组对数据库访问的标准应用程序编程接口API，这些API利用SQL来完成增、删、改、查和维护等操作等大部分任务[6]。

程序运行在监测管理中心的PC机上，通过以太网实现与各监测节点的通信，主要使用Socket编程完成TCP的连接与数据的收发，并实现数据处理、实时显示、数据备份、历史查询、数据统计、分析预测、故障报警和报表导出等功能[7]。

3.1 数据传输协议

系统的客户端与服务器端的上下行数据交互主要包括两大类:上传数据和下行指令。为了使系统的数据传输更稳定可靠，定义了数据传输协议，将数据打包成帧的格式再通过建立的TCP连接发送出去，数据帧协议结构如表1所示。

为了区分每个帧数据，协议规定每个帧都以#DVB#开始，以#END#结束。在系统规划初期给每个机房的监测终端指定固定的IP地址，并录入到监测中心的管理系统中。

3.2 报警类型

本地报警功能在控制器上直接实现声光报警，并记录报警信息和处理措施，同时传送给监测后台。远程报警可通过监测后台实现，会在人机交互上弹出相应界面，给出是哪个机房的设备出现故障以及故障原因。故障报错种类分成8类，如表2所示。

表1 数据协议结构

表2 故障分析表

通道故障包括某个通道数据异常、开路或者短路。模块故障包括某个模块无通信回应、掉电、接触不良或者模块损坏。通信线路故障指所有模块都没有响应。其中，干扰是指由于受电磁环境的影响，偶尔出现无效的坏数据，如果有坏数据出现，发送最近一次测量数据作为替代并存储来消除干扰；如果是有连续的坏数据，就认为是通道或者电流变送器有缺陷。

4 结论

采用C/S架构设计的无线数字电视发射机房电力远程监测系统，采用了SM电流变送器实现了对大电流的准确测量，通过微控制器C8051F340实现了数据采集、处理、网络接入和数据传送等功能，从而完成了对市电输入、UPS蓄电池、空调、发射机等设备的实时监测。该系统适用于网络规模大、用户数量多和分布较广的基站电力监测管理，可对大量分布式的数字电视发射机房的电力的电源进行集中统一管理，真正做到电源管理的实时化、智能化和网络化，省去了频繁的机房巡查，大幅度降低了运维人员的工作强度，对于推进的无人值守基站管理模式具有重要意义。同时也变“报障→维护”的被动运维模式为主动和自动的运维模式，及时发现故障，将隐患消灭在萌芽中。

[1]王志强.机房动力环境监控系统设计[J].电视技术，2008，32（8）:74-75.

[2]张慧熙，孙亚萍.实时远程电源和UPS监控网络节点机硬件设计与实现[J].计算机测量与控制，2010，18（1）:142-144.

[3]卢刚，程显蒙.基于GPRS和AT89C52的远程电力监测系统设计[J].自动化仪表，2008，29（11）:40-42.

[4]白云州.基于W5100的网络化温室大棚环境监测系统[J].制造业自动化，2011，33（3）:20-21.

[5]姜印平，刘江江，李杰.基于MSP430单片机的智能电池监测仪[J].仪器仪表学报，2008，29（5）:1040-1043.

[6]顾东袁，杨东勇，徐杨法.智能坐便器嵌入式控制系统设计与实现[J].计算机工程与应用，2008，44（31）:98-100.

[7]李杭生，蔡永辉，李念.现场总线在铁路智能监控系统中的应用[J].仪表技术与传感器，2008（8）:63-65.