基于RCM的SDH传输设备高温预警系统设计

邵志伟

(北京科东电力控制系统有限责任公司，北京 100192)

SDH传输设备即同步数字传输体制设备，是一种重要的数据传输设备类型，与传统传输设备相比，这种传输体制规范了待传输的数字信号的帧结构、复用方式以及传输速率等级等特性，因此，具有传输稳定和速度快的应用优势。现如今SDH技术已经发展成为传输网络最为成熟的技术，被广泛地应用到诸多行业中。SDH传输设备的内部组成结构较为复杂，具体包括终端复用器、分插复用器、再生中继器等多个元件，设备内部的任意一个元件发生故障，都会影响SDH传输设备的性能和使用寿命，为保证数据传输网络的稳定运行，需要对其中的SDH传输设备的运行状态进行实时监测[1]。SDH传输设备温度是反映设备是否发生故障的主要特征之一，SDH传输设备内部出现故障，会导致故障元件的电阻迅速升高，同时消耗的功率也会随之增加，导致SDH传输设备表面的温度骤增。为实现对SDH传输设备温度的有效控制，设计相应的高温预警系统。

国内传输设备高温预警系统的研究设计经历三个阶段，分别为：人工逐点测量、分布式光纤监测和无线自动监测。人工逐点测量消耗的人力资源较多且危险性较大，分布式光纤监测需要利用有线通信资源，对监测环境的要求较高。鉴于上述两个原因，目前市面上使用范围较广的高温预警系统大多采用无线自动监测的形式。综合国内外的研究现状，目前发展得较为成熟的高温预警系统包括：基于ZigBee的高温报警系统、基于DS18B20的预警系统以及基于ARM的预警系统。然而在实际的应用过程中发现，上述传统的高温预警系统设置的预警门限较高，因此经常出现漏报和错报的情况，为此引入RCM的概念。

RCM是柔性化制造单元自动化控制调度系统，可以为生产支持设备中的所有单元进行自动化排产调度，在SDH传输设备高温预警系统的优化设计工作中，主要以SDH传输设备内部的工作模式进行调度分析，根据不同设备的运行参数设置合理的预警门限，间接地提升系统的预警精度。

1 SDH传输设备高温预警硬件系统设计

1.1 单片机处理器

系统选用AT89C52单片机为核心处理器，该单片机采用40针PDIP封装和44针PLCC封装，内置8位CPU，5个两级中断结构和1个时钟振荡器电路[2]。单片机用于“空闲模式”下的RAM、串行、计时器等功能维护，在“关机模式”下，保存RAM数据，停止时钟振荡的同时停止其他功能。

1.2 温度传感器

采用温度传感器实时采集被测节点的温度信息，通过无线通信的方式与温度监控模块进行数据交换，结构见图1。

图1 温度传感器结构

从图1中可以看出，温度传感器包括温度测量模块、主控制器模块、射频收发模块三大模块。测温芯片LM75BD通过I2C总线与控制器进行通信。CC2530控制器中的晶振电路包括：32mhz晶振电路，实现数据的正常接收和发送；32.768kHz晶体振荡电路，采用休眠模式，以降低芯片功耗。微分信号的输出端采用CC2530芯片的RF_N和RF_P引脚，模块中使用的天线是非平衡单极子天线，需要匹配电路实现差分到单端转换功能，滤波电路采用π型滤波，消除高频信号的干扰。该天线使用外部单端天线。选取LM75BD型号的温度传感器，该传感器包括具有I2C总线接口的数字温度转换器和具有I2C总线接口的a/D 转换器[3]。另外，LM75BD还可以设置为两种工作模式：正常模式和关机模式。该方法可对环境温度进行常规检测，在关机模式下最大限度地降低功耗，有利于整个系统的低功耗设计。在单线总线上可挂载多个传感器芯片，实现多点温度测量。

1.3 预警装置

系统使用的预警装置主要指蜂鸣器，改装蜂鸣器装置采用COMS数字集成逻辑控制芯片，内部设计二次稳压电路对集成电路芯片供电，同时设计滤波抗干扰电路和防极性反接保护电路，音频振荡电路。输入电源信号后，经控制电路的电压提升，功率放大，由蜂鸣片振动输出蜂鸣，声压振动信号经回音腔室，通过声波的多次折射，对音响振荡信号进行多次折射，通过上罩壳的发声孔输出更强的声压。

1.4 系统电路设计

1.4.1 供电电路

温度传感器由VDD管脚接入外部电源实现供电，无须牵引力加强输入线和输出线，同时，总线控制器不需要维持高温度转换阶段，因此它可以在单线总线上传输其他数据。由于温度传感器安装在被测点表面，使用后不方便频繁拆装，系统电源需要考虑工作寿命问题，选用容量为4200mAh的3.7V锂电池供电[4]。3.7V锂电池的放电截止电压一般是3V，充满电电压为4.2V，而温度传感器是用3.0V电源供电，所以必须通过稳压电路将电池电压稳定到3.0V，选用一种低功耗的芯片，输出电压为

(1)

由此可以通过改变电阻R1和R2的值实现输出电压大小的调节与控制。

1.4.2 蜂鸣器电路

蜂鸣器电路(见图2)根据温度监测结果设置触发门限，通过编写程序控制接通蜂鸣器管脚的升降量，实现蜂鸣器声音的启动与停止控制。

图2 蜂鸣器电路

2 SDH传输设备高温预警系统软件功能设计

2.1 利用RCM判断SDH传输设备运行状态

SDH传输设备的工作内容，可以分为数据帧结构调整和传输映射两个部分。SDH传输设备支持传输的信号结构为9行×270×N列，传输信号由多个单一信号通过字节间插复用而成。因此当待传输数据导入到SDH传输设备后，设备将其调整到标准传输帧结构，分配传输信道并预估传输时间[5]。数据传输映射的目的是保证数据传输的稳定性，将SDH传输信号经过一定的映射关系对应地放置在定制的容器中。一般情况下使用同步映射方式，这种方式不需要速率适配，当传输数据较大或传输信道出现拥塞情况时，使用异步映射，采用码速调整进行速率适配，直到数据传输完成为止。

在设备高温预警系统的运行过程中，需要结合SDH传输设备工作特性，判断设备的运行状态。将SDH传输设备分为工作、停止和故障三种状态，其中工作状态由正常工作和异常工作两种类型组成，停止状态为传输设备可以使用但未启动，故障状态的传输设备无监测价值。RCM强调以设备可靠度和故障后果为依据进行维修决策，是从经济性、可靠性等方面综合考虑的一种维修理论[6]。因此在传输设备状态判断的过程中，设置可靠度和瞬时故障率作为决策指标，其中瞬时故障率指标的量化过程可以表示为

(2)

f(t)和R(t)分别表示发生故障的概率和密度。同理可以得出可靠度指标的量化结果，综合量化指标的统计结果判断当前SDH传输设备的运行状态，并过滤处于故障状态的设备。

2.2 实时采集SDH传输设备温度数据

利用硬件模块中的温度传感器装置，完成对SDH传输设备各个关键位置温度的采集，并将其转换成数字信号输出。为保证温度采集数据的时效性，设置温度传感器的持续工作时间为6h，数据采集间隔为1.5s。

2.3 实现SDH传输设备高温预警功能

结合SDH传输设备的工作特征，设置设备的高温预警门限值μ。将温度传感器实时输出的温度监测结果与门限值μ进行比对，若温度低于门限值，则进入下一个判断循环，不启动任何预警程序；若温度与门限值相等，不启动预警程序，将温度传感器的数据采集间隔调整为0.5s；若温度高于门限值，立即启动预警程序，即启动蜂鸣器装置并在显示器上输出预警信息，直到温度低于门限值为止。

3 系统测试

为测试设计的基于RCM的SDH传输设备高温预警系统的预警功能，设计系统测试实验。实验选择SDH传输设备的运行环境作为测试环境，为保证实验结果的可信度，选择多个SDH传输设备作为实验样本，并按照空间顺序进行编号。根据系统的硬件设计结果，准备并连接相应的硬件设备，保证系统软件程序在实验环境中的正常运行。

由于设计的高温预警系统应用RCM系统，因此在实验环境中对该系统的运行环境进行搭建，显示的运行结果见图3。

图3 RCM程序运行界面

为形成实验对比，分别设置文献[1]提出的基于ZigBee的高温报警系统和文献[4]中提出的基于DS18B20的温度报警系统作为实验的两个对比系统，系统的运行环境与研究样本均相同。同时启动SDH传输设备和系统程序，得出SDH传输设备的温度监测曲线(见图4)。

图4 SDH传输设备高温预警系统运行界面

实验分别设置误报率和漏报率作为实验的两个量化测试指标，两个指标数据测试结果可以表示为

(3)

nl、nc和nA分别为SDH传输设备的漏报、错报次数以及高温样本总数量。通过人为破坏与控制的方式，设置实验中的高温样本数量为62个，并进行5次重复实验，以保证实验结果的精准度。通过记录高温预警程序的启动次数计算实际的预警数量。经过相关数据的统计与对比，得出系统预警功能的测试结果(见表1)。

表1 系统预警功能测试结果

将表1中的数据代入式(3)中，可以得出三个预警系统的平均漏报率和错报率分别为11.3%和12.3%、7.4%和6.1%、1.3%和1.3%。由此可见，设计系统的漏报率和错报率更低，即设计系统的预警精度更优。

4 结 语

高温预警系统的设计与开发，可精准判断SDH传输设备的状态，减少异常状态下的工作时长，有利于延长SDH传输设备的使用寿命。在系统测试实验中主要针对系统的预警功能进行测试，但未对系统性能进行测试，因此，还无法大规模地投入使用，在未来的研究工作中还需要进一步补充。