基站蓄电池监控系统设计

董鹏琳 覃团发 潘成举

摘 要： 为保障通信基站在市电停电时的正常运行，提出一种基于ARM及.NET技术的通信基站蓄电池监控系统设计方案。采用意法半导体公司Cortex?M3架构的STM32F103RC作为主控板的中央处理器，配备蓄电池电压、温度、电流采集，GPRS无线数据传输，nRF905无线收发，市电状态检测四大功能模块搭建硬件平台。通过ARM技术、.NET技术等将采集到的蓄电池及市电数据传输到远程服务器供服务器利用这些数据进行蓄电池剩余容量估计，从而制定最佳的运维方案。通过系统的联合调试分析表明，所设计的监控系统可以向远程服务器上的管理平台传输蓄电池的实时数据并显示出来。

关键词： 蓄电池监控； .NET技术； GPRS； STM32F103RC； 通信基站； 数据传输

中图分类号： TN92?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）18?0109?04

Design of battery monitoring system for base station

DONG Penglin1，2，3， QIN Tuanfa1，2，3， PAN Chengju4

（1. School of Computer and Electronic Information， Guangxi University， Nanning 530004， China；

2. Guangxi Key Laboratory of Multimedia Communications and Network Technology （Cultivation Base）， Nanning 530004， China；

3. Key Laboratory of Multimedia Communications and Information Processing for Colleges and Universities in Guangxi， Nanning 530004， China；

4. China Mobile （Shenzhen） Co.， Ltd.， Shenzhen 514048， China）

Abstract： A design scheme of the communication base station battery monitoring system based on ARM and .NET technologies is proposed to ensure the normal operation of the communication base station during the commercial power cut. The hardware platform is established， taking the Cortex?M3 architectured STM32F103RC of STMicroelectronics Company as the CPU of the main control board， and equipping with four functional modules of battery voltage， temperature and current acquisition module， GPRS wireless data transmission module， nRF905 wireless receiving and sending module， and commercial power status detection module. The ARM and .NET technologies are used to transmit the collected battery and commercial power data to the remote server， where the estimation of battery residual capacity can be conducted based on collected data， so as to develop the best operation and maintenance solution. The analysis results of the system′s joint debugging show that the designed monitoring system can transmit the real?time data of the battery to the management platform of the remote server and display it out.

Keywords： battery monitoring； .NET technology； GPRS； STM32F103RC； communication base station； data transmission

0 引 言

随着我国通信业的蓬勃发展，三大运营商的通信基站建设数量不断增加。这些基站具有数量大、分布偏远、平时无人监控等特点，为了在市电停电或者市电线路发生故障时维护工人能及时赶去使用发电机进行应急发电，需要一种高效的运维与发电方案 [1]。针对通信基站蓄电池的监控问题[2?3]，为采集蓄电池及市电状态的相关数据，研制了基站蓄电池监控系统，实现对基站蓄电池组每一节电池的电压、蓄电池组总电流和工作环境温度的即时监控。通过ARM技术、.NET技术等将采集到的蓄电池及市电状态（电压偏高、偏低、断电等）数据传输到远程服务器端的监管平台供其使用。当市电发生故障或者停电时，服务器端可以根据这些数据估算出蓄电池的剩余容量，从而有利于制定最优的运维方案。

1 基站蓄电池监控系统总体方案设计

通过设计蓄电池电压、电池组总电流、电池组环境温度采集模块、GPRS无线数据传输模块、nRF905无线收发模块[4]、市电状态检测模块搭建好硬件平台。其中，前三个功能模块组成如图1所示的电池数据监控器，而市电检测模块单独制作成一个检测盒。蓄电池数据监控器采集到电压、电流、温度等实时数据后，通过GPRS无线数据传输模块将数据传输至远程服务器端，由服务器上的监管调度平台对这些接收到的数据进行处理，制定出最优的发电调度方案。本系统的总体方案设计框图如图1所示。

2 基站蓄电池监控系统硬件设计

2.1 蓄电池数据监控器的主控板设计

主控电路板单元是蓄电池数据监控器的核心模块。此模块以意法半导体公司的STM32F103RC为中央处理器[5]，此主控板上包含nRF905短距离无线收发模块、GPRS无线通信模块、ADC数/模转换模块、稳压模块（GPRS模块正常工作需要有低纹波系数的电压与足够大的瞬间电流）等。

图2为主控板上中央处理器STM32F103RC的电路图。STM32F103RC主要负责硬件系统的初始化、接收各节蓄电池的端电压、蓄电池组总电流、温度等信息，并对这些信息按照一定的格式进行封装后（例如加上采样间隔、CRC校验等），通过芯片上的串行端口UART2将数据转发到主控板上的GPRS模块，并通过GPRS的有关配置指令使GPRS模块将数据通过无线的方式传送到互联网上的远程服务器。

监控器主板上的ADC转换模块负责测量基站中蓄电池组的总电压及总电流的实时数据。考虑到蓄电池的电流值有正负之分，采用AD7328逐次逼近型ADC芯片，该芯片允许多通道、双极性信号输入，并且转换精度高达12位。图3是运用AD7328芯片设计的ADC转换电路原理图。

为得到蓄电池组（蓄电池通过串联方式组成电池组）的电流，采用深圳硕亚科技公司制造的闭环型霍尔电流传感器SCB1R[6]。利用电磁感应原理，不需要接入电路便能准确地测量直流电的大小，其电流测量能力可达±400 A，过载能力强，工作温度范围从-20～85 ℃，与主控板的电流采集接口采用电缆连接方式。最后通过ADC转换模块得出实时的电流值，蓄电池组电流采集接口的电路原理图如图4所示。

由于GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务）模块启动后就保持在线联网状态并且其业务收费的多少取决于使用者传输数据的总量而非联网时间的长短，使用者在用GPRS传输数据时只需要支付比较少的费用。并且GPRS作为2.5 G标准有比2 G标准的GSM更迅捷的数据传输特性。因此，采用GPRS通信模块将蓄电池数据监控器的主控板上收集到的数据传送到远程服务器平台。在此模块中使用SIM900A通信芯片，在设计其外围电路时应注意增加工作状态指示灯电路以便后期调试。模块的电路设计如图5所示。

2.2 蓄电池数据监控器的电压及温度采集模块设计

蓄电池的单节电池电压及工作温度采集电路如图6所示。

在本模块的电路中采用凌力尔特公司一款电池组监控管理芯片LTC6802实现对各节蓄电池电压的数据采集[7?8]。LTC6802内部含有高精度ADC转换器、精确的电压基准，与STM8S103F单片机通过SPI接口进行通信[9]。该芯片可以同时检测12颗电池的电压，电压的转换范围是0～5 V，该芯片同时具有高温保护功能。

此外，LTC6802芯片也具有温度检测采集功能，使用廉价的热敏电阻将变化的阻值信号通过电路中的Vtemp1管脚直接传给LTC6802进行转换处理。为保证电路中STM8S103F单片机与LTC6802芯片的电平相匹配，在电路中加入了74LS07缓冲器。实际中，基站蓄电池组一般由24颗电池串联而成，考虑到蓄电池组的工作空间及检测的便捷性，设计了4个相同的电压及温度检测盒子，每个盒子都能测量出6颗不同电池的电压及工作温度数据，并通过检测盒上的nRF905模块将数据传送给主控板。

2.3 市电检测模块设计

市电采用的是三相制供电。为了保证此检测模块不被大电流烧坏，在电路中使用了SMD1206自恢复保险丝。同时，使用低压差电压调节器SPX2954M3向模块中的单片机及nRF905模块提供电压。当市电出现故障或者停电时，由STM8S103F单片机控制nRF905模块向主控板传输市电状态信号，电路原理图如图7所示。

3 基站蓄电池运维系统软件设计

运维系统的软件由两部分组成：一是蓄电池数据监控器、市电检测模块中SMT32F103RC及STM8S103F的固件程序；二是远程服务器端的Web程序开发。蓄电池组监控管理芯片LTC6802采集到的电压及温度数据通过SPI接口传给STM8S103F单片机，而单片机将采集到的数据转发给无线收发模块nRF905并控制其将数据通过无线通信方式传输到主控板上的nRF905模块。同时，主控板也利用其上ADC轉换模块与市电检测模块采集电流信息、市电状态信息。最后由STM32F103RC将全部数据封装好发送给GPRS模块，由它发送到远程的服务器上。

服务器端采用C#+IIS+MySQL技术架构[10]。C#负责制作数据显示前端界面以及实现TCP/IP协议，数据库采用开源的MySQL，服务器中配置IIS软件。图8是固件程序流程图，图9是Web程序流程图。

4 系统测试

在任意1台开通公网IP的电脑上配置好Web开发环境（安装IIS 7.0软件与MySQL数据库管理系统，电脑操作系统可以使用Windows 7.0也可以使用CentOS 7）并在MySQL数据库管理系统中创建好自己的数据库以便接收GPRS模块发送过来的电池组数据。在另1台个人电脑的TCP/IP客户端上输入远程服务器的公网IP地址，向服务器发起连接请求，连接成功后向服务器的数据库发送采集到的数据。

5 结 语

为了给移动通信基站的运维人员提供关键的调度决策数据，本文设计基站蓄电池监控系统的软硬件。STM32F103RC作为核心控制芯片将收集到的蓄电池电压、电流及温度数据通过GPRS无线通信模块传输到远程的服务器端，并通过系统的联合调试分析表明所设计的监控系统可以向远程服务器上的管理平台传输蓄电池的实时数据并显示出来。

注：本文通讯作者为覃团发。

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