基站蓄電池監控系統設計

董鵬琳 覃團發 潘成舉

摘 要： 為保障通信基站在市電停電時的正常運行，提出一種基于ARM及.NET技術的通信基站蓄電池監控系統設計方案。采用意法半導體公司Cortex?M3架構的STM32F103RC作為主控板的中央處理器，配備蓄電池電壓、溫度、電流采集，GPRS無線數據傳輸，nRF905無線收發，市電狀態檢測四大功能模塊搭建硬件平臺。通過ARM技術、.NET技術等將采集到的蓄電池及市電數據傳輸到遠程服務器供服務器利用這些數據進行蓄電池剩余容量估計，從而制定最佳的運維方案。通過系統的聯合調試分析表明，所設計的監控系統可以向遠程服務器上的管理平臺傳輸蓄電池的實時數據并顯示出來。

關鍵詞： 蓄電池監控； .NET技術； GPRS； STM32F103RC； 通信基站； 數據傳輸

中圖分類號： TN92?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

隨著我國通信業的蓬勃發展，三大運營商的通信基站建設數量不斷增加。這些基站具有數量大、分布偏遠、平時無人監控等特點，為了在市電停電或者市電線路發生故障時維護工人能及時趕去使用發電機進行應急發電，需要一種高效的運維與發電方案 [1]。針對通信基站蓄電池的監控問題[2?3]，為采集蓄電池及市電狀態的相關數據，研制了基站蓄電池監控系統，實現對基站蓄電池組每一節電池的電壓、蓄電池組總電流和工作環境溫度的即時監控。通過ARM技術、.NET技術等將采集到的蓄電池及市電狀態（電壓偏高、偏低、斷電等）數據傳輸到遠程服務器端的監管平臺供其使用。當市電發生故障或者停電時，服務器端可以根據這些數據估算出蓄電池的剩余容量，從而有利于制定最優的運維方案。

1 基站蓄電池監控系統總體方案設計

通過設計蓄電池電壓、電池組總電流、電池組環境溫度采集模塊、GPRS無線數據傳輸模塊、nRF905無線收發模塊[4]、市電狀態檢測模塊搭建好硬件平臺。其中，前三個功能模塊組成如圖1所示的電池數據監控器，而市電檢測模塊單獨制作成一個檢測盒。蓄電池數據監控器采集到電壓、電流、溫度等實時數據后，通過GPRS無線數據傳輸模塊將數據傳輸至遠程服務器端，由服務器上的監管調度平臺對這些接收到的數據進行處理，制定出最優的發電調度方案。本系統的總體方案設計框圖如圖1所示。

2 基站蓄電池監控系統硬件設計

2.1 蓄電池數據監控器的主控板設計

主控電路板單元是蓄電池數據監控器的核心模塊。此模塊以意法半導體公司的STM32F103RC為中央處理器[5]，此主控板上包含nRF905短距離無線收發模塊、GPRS無線通信模塊、ADC數/模轉換模塊、穩壓模塊（GPRS模塊正常工作需要有低紋波系數的電壓與足夠大的瞬間電流）等。

圖2為主控板上中央處理器STM32F103RC的電路圖。STM32F103RC主要負責硬件系統的初始化、接收各節蓄電池的端電壓、蓄電池組總電流、溫度等信息，并對這些信息按照一定的格式進行封裝后（例如加上采樣間隔、CRC校驗等），通過芯片上的串行端口UART2將數據轉發到主控板上的GPRS模塊，并通過GPRS的有關配置指令使GPRS模塊將數據通過無線的方式傳送到互聯網上的遠程服務器。

監控器主板上的ADC轉換模塊負責測量基站中蓄電池組的總電壓及總電流的實時數據。考慮到蓄電池的電流值有正負之分，采用AD7328逐次逼近型ADC芯片，該芯片允許多通道、雙極性信號輸入，并且轉換精度高達12位。圖3是運用AD7328芯片設計的ADC轉換電路原理圖。

為得到蓄電池組（蓄電池通過串聯方式組成電池組）的電流，采用深圳碩亞科技公司制造的閉環型霍爾電流傳感器SCB1R[6]。利用電磁感應原理，不需要接入電路便能準確地測量直流電的大小，其電流測量能力可達±400 A，過載能力強，工作溫度范圍從-20～85 ℃，與主控板的電流采集接口采用電纜連接方式。最后通過ADC轉換模塊得出實時的電流值，蓄電池組電流采集接口的電路原理圖如圖4所示。

由于GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線服務）模塊啟動后就保持在線聯網狀態并且其業務收費的多少取決于使用者傳輸數據的總量而非聯網時間的長短，使用者在用GPRS傳輸數據時只需要支付比較少的費用。并且GPRS作為2.5 G標準有比2 G標準的GSM更迅捷的數據傳輸特性。因此，采用GPRS通信模塊將蓄電池數據監控器的主控板上收集到的數據傳送到遠程服務器平臺。在此模塊中使用SIM900A通信芯片，在設計其外圍電路時應注意增加工作狀態指示燈電路以便后期調試。模塊的電路設計如圖5所示。

2.2 蓄電池數據監控器的電壓及溫度采集模塊設計

蓄電池的單節電池電壓及工作溫度采集電路如圖6所示。

在本模塊的電路中采用凌力爾特公司一款電池組監控管理芯片LTC6802實現對各節蓄電池電壓的數據采集[7?8]。LTC6802內部含有高精度ADC轉換器、精確的電壓基準，與STM8S103F單片機通過SPI接口進行通信[9]。該芯片可以同時檢測12顆電池的電壓，電壓的轉換范圍是0～5 V，該芯片同時具有高溫保護功能。

此外，LTC6802芯片也具有溫度檢測采集功能，使用廉價的熱敏電阻將變化的阻值信號通過電路中的Vtemp1管腳直接傳給LTC6802進行轉換處理。為保證電路中STM8S103F單片機與LTC6802芯片的電平相匹配，在電路中加入了74LS07緩沖器。實際中，基站蓄電池組一般由24顆電池串聯而成，考慮到蓄電池組的工作空間及檢測的便捷性，設計了4個相同的電壓及溫度檢測盒子，每個盒子都能測量出6顆不同電池的電壓及工作溫度數據，并通過檢測盒上的nRF905模塊將數據傳送給主控板。

2.3 市電檢測模塊設計

市電采用的是三相制供電。為了保證此檢測模塊不被大電流燒壞，在電路中使用了SMD1206自恢復保險絲。同時，使用低壓差電壓調節器SPX2954M3向模塊中的單片機及nRF905模塊提供電壓。當市電出現故障或者停電時，由STM8S103F單片機控制nRF905模塊向主控板傳輸市電狀態信號，電路原理圖如圖7所示。

3 基站蓄電池運維系統軟件設計

運維系統的軟件由兩部分組成：一是蓄電池數據監控器、市電檢測模塊中SMT32F103RC及STM8S103F的固件程序；二是遠程服務器端的Web程序開發。蓄電池組監控管理芯片LTC6802采集到的電壓及溫度數據通過SPI接口傳給STM8S103F單片機，而單片機將采集到的數據轉發給無線收發模塊nRF905并控制其將數據通過無線通信方式傳輸到主控板上的nRF905模塊。同時，主控板也利用其上ADC轉換模塊與市電檢測模塊采集電流信息、市電狀態信息。最后由STM32F103RC將全部數據封裝好發送給GPRS模塊，由它發送到遠程的服務器上。

服務器端采用C#+IIS+MySQL技術架構[10]。C#負責制作數據顯示前端界面以及實現TCP/IP協議，數據庫采用開源的MySQL，服務器中配置IIS軟件。圖8是固件程序流程圖，圖9是Web程序流程圖。

4 系統測試

在任意1臺開通公網IP的電腦上配置好Web開發環境（安裝IIS 7.0軟件與MySQL數據庫管理系統，電腦操作系統可以使用Windows 7.0也可以使用CentOS 7）并在MySQL數據庫管理系統中創建好自己的數據庫以便接收GPRS模塊發送過來的電池組數據。在另1臺個人電腦的TCP/IP客戶端上輸入遠程服務器的公網IP地址，向服務器發起連接請求，連接成功后向服務器的數據庫發送采集到的數據。

5 結 語

為了給移動通信基站的運維人員提供關鍵的調度決策數據，本文設計基站蓄電池監控系統的軟硬件。STM32F103RC作為核心控制芯片將收集到的蓄電池電壓、電流及溫度數據通過GPRS無線通信模塊傳輸到遠程的服務器端，并通過系統的聯合調試分析表明所設計的監控系統可以向遠程服務器上的管理平臺傳輸蓄電池的實時數據并顯示出來。

注：本文通訊作者為覃團發。

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