基于物联网云平台的中波发射台机房环境监测系统

2022-03-02吕双辉

数字通信世界 2022年1期

吕双辉

（沧州广播电视台，河北沧州 061000）

0 引言

我国的大部分中波发射台虽然配置了环境监测、电源监测、视频监控、消防系统及门禁系统，但无法做到多系统的融合监测，远程查看，集中管理。并且大部分中波发射台的中波发射机需要每天20多小时的长时间、大功率、不间断地播出节目，这就要求值班人员长时间不间断地巡视、管理发射台的设备，工作强度大。另外，发射台供电系统和发射机设备运行参数需要值班人员手工抄写记录，交接班时上班人员无法查询设备运行情况，发射台工作状态无法远程查看等。

随着大数据、物联网和云技术的日益发展，一种面向物联网设备的云端一体化监控平台技术得到迅速发展，开发者可以高效、低成本地实现设备之间、设备与用户之间、设备与云服务之间可靠、高并发的数据通信[1,2]。该系统可以将发射台各个监测子系统设备进行统一管理，各个数据采集节点通过ZigBee无线通信方式以及RS-485方式将采集到的数据汇集到边缘网关。边缘设备将数据分析计算整理后通过MQTT协议推送给物联网云平台服务器，物联网平台转发采集到的信息至用户Web应用端进行可视化展示与预警。

1 系统总体架构

本系统的总体架构采用物联网的4层架构模式：应用层、平台层、网络层和感知控制层。

中波发射台机房内各种监测设备以及机房外的气象监测设备属于感知控制层。边缘网关通过4G无线通信模块接入互联网，将采集到的数据转换为MQTT协议的信息与阿里云物联网平台交互。物联网云平台属于平台层，作为物联网设备代理服务器提供统一的API接口供上层应用调用，提供物联网设备的身份认真、链路加密以及消息转发服务。应用服务器位于应用层，提供数据接入、机房环境监测、设备故障报警以及数据分析存储等服务。它通过HTTP/2协议发布和订阅已授权给应用的设备端的消息，以图形化方式展示监测数据的当前值以及历史曲线图。阿里云物联网平台提供HTTP/2设备（Java）SDK进行建联，用于建立感知控制层设备与应用层服务器的通信。用户端通过与应用服务器交互查询监测数据、报警信息、设备状态以及下发指令等。系统的总体架构图如图1所示。

图1 中波发射台机房环境监测系统总体架构

2 硬件设计

2.1 传感器硬件选型

本系统机房温湿度传感器采用普瑞森社公司提供的RS-485型卡轨温湿度变送器（如图2所示）。传感器信号稳定，精度高，防水性能较好，传输距离远，测量范围宽。传感器工作温度为-40～+60℃，湿度0%RH～80%RH，可以在大部分机房环境中稳定工作，Modbus-RTU 通信协议方便开发和适配其他相同协议的传感器，缩短开发周期。

图2 温湿度传感器

发射机电压电流采集模块采用金贝莱公司的JBLGK-350 RS-485型三相电量综合测量智能型隔离电量传感器（如图3所示）。该传感器测量精度高，抗干扰性能较好，可以在复杂的工业环境中稳定工作，采用全隔离技术安全可靠。测量项目包括：电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、累计电量、相序以及温度等参数，通信协议为Modbus-RTU协议，兼容性好。

图3 电压电流传感器

发射台室外风速传感器采用建大仁科公司的RSFS-N01型三杯式风速传感器（如图4所示）。传感器风速量程为0～60 m/s，分辨率为0.1 m/s，风速精度为±（0.2+0.03V）m/s（V表示风速），采用标准Modbus-RTU通信协议，接入方便。

图4 风速传感器

此外，本系统还采用了威盟士公司的RS-YL-N01-3型翻斗式雨量传感器及雨雪传感器，用于测量发射台室外环境的降雨量及发射台有无雨雪天气的监测。雨量传感器将降雨量脉冲信号转换为485（标准Modbus-RTU协议）通信方式输出，可以和本系统其他Modbus-RTU协议传感器串联，方便开发和数据采集。测量准确度≤±3%，可以满足发射台雨季降雨量监测的需求。雨雪传感器主要用来监测发射站是否出现了降雨或者降雪的天气，传感器采用交流阻抗测量方式，电极使用寿命长，不会出现氧化问题。雨雪测量结果精准，误报率几乎为零。

2.2 数据采集节点硬件设计

本系统数据传输采用标准Modbus-RTU协议通信方式和ZigBee通信方式相结合的方案。便于布线的地方采用RS-485有线通信方式，不便于布线的地方采用ZigBee无线通信方式。

本系统采用的Modbus-RTU通信模式，支持RS-485总线通信。RS-485通信方式传输距离远，支持的节点数量多，抗干扰能力强，比较适合于中波发射台强磁强电的环境中的信息传输，其传输速率在远距离传输时较低，距离与速率成反比状态，适用于远距离传感器数据的采集。

ZigBee通信协议包含3种节点类型：协调器、路由器和端设备。协调器是整个ZigBee网络的管理者，负责扫描网络设备并建立网络连接；路由器负责ZigBee网络路由发现和相关数据的转发；端设备负责传感器数据的上传和接收主控板下发的命令信息。当ZigBee网络组建完成后，端设备可以自动发现网络并建立连接，与路由器和协调器建立网络连接并绑定。ZigBee网络采用网状结构，如图5所示。

图5 ZigBee网络网状结构拓扑图

ZigBee硬件设备采用创思通信设计生产的ZigBee开发板。ZigBee开发板采用TI公司的CC2530射频芯片，板载多种传感器接口和按键配置，便于进行快速的硬件开发设计。ZigBee无线通信功耗低，设备价格较低，网络承载的节点多（可容纳65 000台设备），传输稳定。ZigBee网络带宽窄传输速率低，适用于传感器少量数据的传输。Z-stack协议栈的出现简化了ZigBee的开发难度，提供标准的接口函数，方便开发者使用。

2.3 边缘网关硬件设计

使用NXP公司的MCIMX6Y2CVM08AB（工业级）芯片作为边缘网关的主控芯片，核心板板载为256MDDR和256M的Nand Flash，工作温度在-40 ～+85℃，可以满足发射机房苛刻的工作环境，搭载Linux嵌入式操作系统。Linux系统是目前物联网设备中应用最广泛的操作系统，具有可裁剪性、强实时性，并提供设备统一的驱动接口。图6为边缘网关设备硬件原理图。

图6 边缘网关设备硬件原理图

从图6可以看出，边缘网关使用CC2530芯片作为ZigBee无线通信网络的协调器，负责启动和管理网络，汇聚感知层采集节点发送过来的数据，通过串口转发给微控制器MCIMX6Y2CVM08AB。微控制器通过485接口采用标准Modbus-RTU协议采集传感器数据。微控制器作为边缘网关，负责分析计算数据并通过以太网通信模块将数据推送给物联网云平台服务器。

3 软件设计

系统软件架构主要包括数据采集节点、物联网云平台、用户端三部分（如图7所示）。数据采集节点获取数据后与阿里云物联网平台建立网络连接，使用MQTT通信协议接入物联网云平台。云平台实现设备状态查询与管理、数据存储、图形化数据显示、数据报表分析、历史数据查询等功能。开发人员依据物联网云端提供的API接口，基于HTTP/2通信协议实现用户端与云平台的数据通信。

图7 系统软件设计架构图

3.1 ZigBee数据采集端软件设计

（1）边缘网关驱动ZigBee协调器流程图如图8所示。

图8 ZigBee协调器流程图

（2）ZigBee协调器初始化一个网络，ZigBee端设备与ZigBee路由器发现网络并加入网络，网络组建完成后边缘网关发送指令启动端设备，端设备启动后开始数据采集工作并将数据通过ZigBee网络转发给协调器。ZigBee端设备采集数据流程图如图9所示。

图9 端设备采集流程图

3.2 基于Modbus-RTU协议的RS-485通信设计

（1）微控制器（主控板）驱动Modbus-RTU协议传感器流程图如图10所示。

图10 Modbus-RTU设备驱动流程图

（2）主控板首先初始化配置文件，设置串口通信参数，连接485接口成功后向传感器发送Modbus指令采集数据，传感器响应后发送相关的采集数据。主控板将控制命令以请求报文的形式发送给传感器，传感器收到命令后以应答报文的形式返回采集到的数据。根据传感器厂家的功能码读取相关寄存器信息，每次通信都会通过CRC校验验证数据的正确性。

3.3 边缘网关软件设计

边缘网关（主控板）首先初始化各个模块并与云服务器建立连接，随后系统开启定时器功能，每间隔5秒执行一次定时器子程序，子程序控制ZigBee端设备以及Modbus-RTU协议传感器采集数据并将其存入缓存区。每间隔2分钟执行网络检测，网络正常则将2分钟内采集的数据进行平均值计算，并将计算结果上传至云端服务器，然后清除缓存区数据。如果网络异常则首先建立服务器连接再传输数据。如果采集的数据超出设定的阈值范围，则立即传输数据并发出报警信息。边缘网关数据采集主程序流程如图11所示。

图11 边缘网关数据采集主程序流程图

3.4 应用服务软件设计

阿里云物联网平台的Link SDK设备端软件开发工具包实现设备快速接入物联网平台，支持C、Java、Android、IOS等多种开发语言和平台，便于开发人员开发和移植[3-5]。

应用服务主要实现功能包括用户可以使用浏览器查看当前监测设备采集的数据、近期历史数据曲线以及报警信息等。也可以从Web端设置相关数据的阈值以及解除警报。对发射机相关运行参数自动定时记录并生成报表功能，提供历史数据查询、报警信息查询以及设备信息查询等。从安全角度出发，需要设计用户权限管理功能，保证相关人员的登录权限和操作权限。图12为阿里云物联网平台对传感器数据的可视化展示。