基于GPRS或4G的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的分析與設(shè)計

王二超

（河南省信息咨詢設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450008）

0 引 言

隨著通信行業(yè)的不斷發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備的復(fù)雜性逐漸加強。為實現(xiàn)對通信網(wǎng)絡(luò)的集中控制，分布式計算機現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于監(jiān)控工作。分布式計算機的主要監(jiān)控對象為通信電源，可確保監(jiān)控系統(tǒng)采集的電源信息被準確傳輸至維護人員，是提高故障發(fā)現(xiàn)與解決效率的基礎(chǔ)，能夠進一步改善系統(tǒng)性能。

1 基于GPRS或4G的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)框架

基于GPRS或4G的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 基于GPRS或4G的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)由感知層、通信層與應(yīng)用層三部分構(gòu)成。其中，感知層的主要構(gòu)件是電能采集模塊和控制模塊，均用于采集電源運行信息，感知系統(tǒng)運行情況[1]。應(yīng)用層以MCU控制器為核心構(gòu)件，與電源模塊、電路、顯示器以及外接存儲器相連，用戶可在監(jiān)控終端中，通過MCU控制器，調(diào)取電源的運行信息，實現(xiàn)對通信基站電源的實時監(jiān)控和對電源運行狀態(tài)的及時維護。模塊通信層的主要內(nèi)容是GPRS。該模塊功能的實現(xiàn)需借助GPRS技術(shù)，也可采用4G技術(shù)替代，是確保監(jiān)控數(shù)據(jù)被妥善傳輸至維護人員的基礎(chǔ)。鑒于當通信出現(xiàn)異常時，監(jiān)控的目標將無法實現(xiàn)，因此，應(yīng)對GPRS或4G技術(shù)的應(yīng)用方法加以研究。

2 基于GPRS或4G的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 MCU的選擇

MCU作為通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的核心，需確保功能無異常。本課題采用TI-MSP430F149型號的MCU，對系統(tǒng)硬件實施優(yōu)化設(shè)計。TI-MSP430F149型號單片機具有功耗低、處理能力強和穩(wěn)定性強的優(yōu)勢。當電壓處于1.8～3.6 V時，該型號MCU為保持數(shù)據(jù)，耗電達0.1 μA/MIPS[2]。在單片機運行過程中，耗電雖有所提升，卻仍可維持在250 μA/MIPS以下。另外，TI-MSP430F149型號的MCU對工作環(huán)境的要求同樣較低，在-40～85 ℃溫度條件下，單片機均可運行。

2.2 信息采集

該電源監(jiān)控系統(tǒng)對不同信息的采集方法亦不同。系統(tǒng)采集的主要參數(shù)包括三相市電電壓電流、發(fā)電機電壓以及基站48 V電源的運行參數(shù)。以三相市電電壓為例，在通信網(wǎng)絡(luò)運行過程中，監(jiān)控系統(tǒng)可借助傳感器，對10 mV～1 V范圍內(nèi)的電壓實施采集[3]，且信息采集的誤差可控制在0.5%以下，準確度較高。至于三相市電電流，監(jiān)控系統(tǒng)采取以差分輸入為主的電流采樣方式。在采樣過程中，電流互感器會首先發(fā)出二次側(cè)信號，在順利獲取數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會立即將其存儲在數(shù)據(jù)庫中，同時借助GPRS或4G技術(shù)，完成數(shù)據(jù)的傳輸操作。

2.3 電源模塊

該系統(tǒng)的電源由AC-DC電源、DC-DC電源以及MCU供電電源三部分構(gòu)成。其中，AC-DC電源采用三相市電變5 V直流電源。在設(shè)計過程中，設(shè)計人員可將相變整流電路的輸出部分相互連接，使其接入至電壓調(diào)整電路。此時，系統(tǒng)的電壓將由220 V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?2 V直流電[4]，待調(diào)整電壓后，AC-DC電源即可建立完成。DC-DC電源的建立方法與AC-DC電源存在一定的差異，有關(guān)人員主要應(yīng)用SU5-48S05模塊完成設(shè)計，并將輸入電壓和輸出電壓分別設(shè)置為48 V與5 V，保證輸出功率為78%，提高電源模塊設(shè)計水平。

2.4 電路設(shè)計

2.4.1 接口電路

接口電路主要用于為GPRS及4G通信的實現(xiàn)提供路徑。為確保通信質(zhì)量無異常，應(yīng)在設(shè)計過程中應(yīng)用GTM900型號的GPRS模塊。借助該型號GPRS模塊的雙頻段優(yōu)勢，豐富系統(tǒng)的語音與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能。GTM900型號的GPRS模塊，可與SIM卡相連接，人員僅需借助4G網(wǎng)絡(luò)，即可在移動終端中，查看經(jīng)GPRS傳輸?shù)男畔ⅲ瑥亩袛喈斍半娫聪到y(tǒng)的運行狀態(tài)是否存在異常。GPRS模塊的接口主要有RTC Backup接口、LPG接口、UART接口以及SPI接口四種，均具有較強的性能，可支持數(shù)據(jù)傳輸功能的實現(xiàn)。SPI接口示意圖如圖2所示

圖2 SPI接口示意圖

2.4.2 電路布局

考慮到通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的需求，在對電路進行布局時，需將主要硬件電路置于2塊不同的電路板。該系統(tǒng)選取POWER與CPU兩塊電路板，對電路的布局進行優(yōu)化設(shè)計。其中，CPU板主要用于顯示信息，POWER板則用于測量信號。POWER與CPU兩塊電路板，可經(jīng)羊角插座相互連接，并通過內(nèi)部接口，各自與SIM卡連接，形成整體的通信體系。當信息測量與處理完成后，用戶可通過4G網(wǎng)絡(luò)及時接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對通信基站電源運行狀態(tài)的監(jiān)控。

3 基于GPRS或4G的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)主要由通信軟件、A/D采集軟件以及檢測軟件等部分構(gòu)成。上述軟件均可采用C語言開發(fā)，且開發(fā)周期較短。系統(tǒng)軟件主要包括底層驅(qū)動、通信、任務(wù)處理以及人機接口4部分。在系統(tǒng)與電源相連接后，會自動進行初始化，底層驅(qū)動軟件隨之開啟，系統(tǒng)功能逐步完善。經(jīng)過初始化，電源的運行數(shù)據(jù)會被采集到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進而根據(jù)用戶的指令，對任務(wù)進行處理，且最終通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送至人機接口，在實現(xiàn)人機交互的基礎(chǔ)上，保證數(shù)據(jù)能夠為用戶所用。

3.2 設(shè)計方案

3.2.1 GPRS及4G通訊

在通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中，應(yīng)同時實現(xiàn)GPRS與4G通訊，保證數(shù)據(jù)自數(shù)字庫傳遞至系統(tǒng)終端。當GPRS網(wǎng)絡(luò)運行無異常時，所有數(shù)據(jù)的通訊起點均應(yīng)以GPRS為主。而當出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時，可立即以SMS替代GPRS，對數(shù)據(jù)進行緩沖，并啟動GPRS重連機制，直至網(wǎng)絡(luò)重新連接。上述流程中，對數(shù)據(jù)的緩沖操作尤為重要。在設(shè)計過程中，應(yīng)綜合應(yīng)用實時緩沖與異常緩沖兩種技術(shù)，并在EEPROM中，提取一定的存儲空間，供存儲緩沖數(shù)據(jù)，從而延長了數(shù)據(jù)存儲時間，避免因通信不良導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失問題的發(fā)生。

3.2.2 異常判定處理

異常主要包括來電、停電、欠壓、過壓、斷相以及過流。以GPRS或4G技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)均可在上述異常發(fā)生后的20 s內(nèi)，實現(xiàn)對異常的判定，并作出相應(yīng)的反應(yīng)。以發(fā)電機停止運行為例，在該異常發(fā)生后，系統(tǒng)可及時檢測到計量芯片的電量值。如顯示無電，且電池電壓連續(xù)3次降低到1.5 V以下，則表明通信基站電源存在故障。此時，系統(tǒng)會通過GPRS模塊和人機接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，確保維護人員及時了解故障，并將故障排除。

3.2.3 A/D采集與檢測

A/D采集與檢測設(shè)計方法有所不同，以A/D采集為例，通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的A/D采集方式以繼電器采集為主。在系統(tǒng)運行過程中，繼電器可以0.5 s/次的速度，利用計量芯片采集電源參數(shù)。若計量芯片存在故障，繼電器的參數(shù)采集頻率會延緩至10 min/次。為確保參數(shù)精度無異常，可利用“Y=aX+b”公式執(zhí)行修正。其中，Y代表修正結(jié)果，a與b均為常量，可通過串口進行修改。需注意的是，一旦液晶截面切換至直流電壓顯示區(qū)域，必須重新啟動繼電器，使其繼續(xù)采集各項參數(shù)。

3.3 服務(wù)端軟件

3.3.1 供電狀態(tài)與預(yù)警

通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的供電狀態(tài)與預(yù)警方法如下：（1）供電狀態(tài)：設(shè)計人員可采用實時監(jiān)控技術(shù)進行基站電源設(shè)計。當電源運行時，系統(tǒng)需實時采集運行參數(shù)，并記錄蓄電池的供電情況與發(fā)電機的運行情況，便于工作人員了解當前供電狀態(tài)；（2）預(yù)警：在通信基站電源運行過程中，故障發(fā)生率較高，設(shè)計電源監(jiān)控軟件時需確保軟件具有預(yù)警功能，確保在故障發(fā)生時能夠被及時發(fā)現(xiàn)。考慮到上述需求，可采用不同顏色，劃分不同的故障等級，提升預(yù)警信息的醒目性，進而提高故障解決效率。

3.3.2 電量計算及監(jiān)控

計算各基站電源的電量是掌握通信基站用電平均量的主要途徑。為提高電量計算的準確率，設(shè)計人員應(yīng)確保系統(tǒng)能夠在固定時段，自行調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的用電數(shù)據(jù)對其進行計算，并將計算得到的結(jié)果，再次存儲于數(shù)據(jù)庫中。當用戶要求了解上階段用電量時，僅需從系統(tǒng)中調(diào)取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，即可在移動終端顯現(xiàn)用電趨勢圖。采用上述方式計算并監(jiān)控電量，不僅能夠提高計算效率，還可保證計算結(jié)果準確反映系統(tǒng)的運行狀態(tài)，從而增強系統(tǒng)性能，降低斷電風(fēng)險的發(fā)生概率。

4 基于GPRS或4G的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 實現(xiàn)方案

4.1.1 系統(tǒng)配置

該系統(tǒng)的操作內(nèi)核以Linux為主，默認配置文件 為s211x-android-2.4/kernel/arch/arm/configs/x211-android-inand-defconfi-g。采用上述文件配置，能夠有效提升文件修改的便利性。為方便操作，用戶進入系統(tǒng)界面后，采用下述方法編譯即可：

$exportPATH=/usr/local/src/s211x/arm-2009q3/bin:$PATH

$cd/usr/local/src/s211x/x211-android-2.4

$./mk-k#

4.1.2 功能配置

為確保系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，在系統(tǒng)配置完成后，相關(guān)人員應(yīng)將GPRS模塊通過TXD和RXD端口與移動設(shè)備相連。在此基礎(chǔ)上，運行minicom口終端即可實現(xiàn)GPRS的功能。為避免系統(tǒng)長期運行對電源散熱造成影響。有關(guān)人員應(yīng)采用“R=△T/Pd”公式計算并控制散熱器的熱阻，避免對系統(tǒng)功能的發(fā)揮造成阻礙。上述公式中，R代表熱阻，T代表溫度，P代表功率。在系統(tǒng)運行過程中，會自動計算上述參數(shù)，確保系統(tǒng)功能能夠正常實現(xiàn)。

4.2 實現(xiàn)效果

為判斷以GPRS或4G技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)是否具有應(yīng)用價值，在系統(tǒng)設(shè)計完成后，將其應(yīng)用至通信基站建設(shè)。結(jié)果顯示，在系統(tǒng)運行過程中，電源模塊散熱器溫度一直處于83 ℃左右，散熱效果較好，系統(tǒng)的各項功能不會因過熱出現(xiàn)異常，進一步觀察發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)預(yù)警的準確率為100%、數(shù)據(jù)刷新周期為0.43 s、電源空載損耗為20 W、運行效率≥92%且數(shù)據(jù)傳輸速率同樣得到保證。因此，基于GPRS或4G技術(shù)的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用效果良好。

5 結(jié) 論

借助GPRS或4G技術(shù)設(shè)計的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)不僅具有數(shù)據(jù)傳輸實時性強的優(yōu)勢，還可做到及時預(yù)警，實現(xiàn)對整個通信網(wǎng)絡(luò)的保護。因此，通信行業(yè)應(yīng)考慮借助GPRS或4G技術(shù)，對通信基站的電源實施監(jiān)控，在獲取電源運行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析數(shù)據(jù)是否存在異常，從而及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，提高電源、通信基站以及通信網(wǎng)絡(luò)運行的安全性與穩(wěn)定性。