廣播電視無線發(fā)射臺站智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與分布式技術(shù)運用

張宏斌，趙軍棋

（云南省廣播電視局迪慶實驗臺，云南迪慶，674499）

無線發(fā)射臺站通常采用人員長期值守進行故障排查，監(jiān)測過程中容易出現(xiàn)疏忽、遺漏以及技術(shù)手段欠缺等問題導致發(fā)射系統(tǒng)工作性能難以持續(xù)，可靠性以及穩(wěn)定性難以保證[1]。因此，如何充分運用計算機與智能感知技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的自動化與智能化，更好地進行數(shù)據(jù)監(jiān)控、過程管理和服務反饋，加強系統(tǒng)穩(wěn)定性與可持續(xù)性，這是值得深入研究與分析的。

1 無線發(fā)射臺站智能監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的可行性研究

無線發(fā)射臺站智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，通過模塊設(shè)計與需求分析，廣播電視無線臺站的智能監(jiān)控系統(tǒng)應滿足以下主要功能[2]：

圖1 無線發(fā)射臺站智能監(jiān)控設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

(1)智能預警

在發(fā)射系統(tǒng)正常工作中，除了輸入/輸出信號外，還會產(chǎn)生大量的中間數(shù)據(jù)和待檢測的參數(shù)，需要通過監(jiān)控系統(tǒng)對相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集、分析和存儲，在智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計時需要將相關(guān)業(yè)務加入模塊構(gòu)建，通過實時不間斷的數(shù)據(jù)分析處理對整個發(fā)射系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)進行調(diào)整和優(yōu)化，已達到系統(tǒng)穩(wěn)定可靠長效運行的目的。

(2)信號監(jiān)測

通過智能感知技術(shù)、認知計算等機器算法以及網(wǎng)絡(luò)通信、電子線路與信號處理等新型技術(shù)的運用，使得發(fā)射系統(tǒng)能夠全域、全時、全頻段實現(xiàn)自動化監(jiān)控、無人化管理合理配置，并利用數(shù)據(jù)分析中的可靠結(jié)果反饋于系統(tǒng)運行中的各個方面，滿足系統(tǒng)功能的同時，科學合理配置資源和設(shè)施設(shè)備。

(3)無線傳輸

由于自動進行數(shù)據(jù)采集與處理，并通過門限設(shè)置管控設(shè)施設(shè)備運行的整個過程，將數(shù)據(jù)層面體現(xiàn)的故障隱患進行預警與智能處置，此外，還可以通過遠程終端對系統(tǒng)進程進行干預。安全加密機制同樣適用于監(jiān)控系統(tǒng)，能夠自動反制非法入侵，對于數(shù)據(jù)安全和信息保密的能力得到較好保證。

(4)智能接口

系統(tǒng)建設(shè)時采取的模塊化設(shè)計、功能性區(qū)分以及接口標準技術(shù)，使得智能監(jiān)控系統(tǒng)未來升級改造時可以直接采取任務式模式，對于提升系統(tǒng)容量、升級傳輸速度、加大處理模式等擴展需求，只需要針對具體需求提出升級標準即可。

2 無線發(fā)射臺站智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

智能監(jiān)控系統(tǒng)主要包括兩項重要技術(shù)：智能化處理與計算機控制。智能化處理能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)根據(jù)預設(shè)參數(shù)與方案，實現(xiàn)對系統(tǒng)工作情況的自動判斷處置；而計算機控制則是針對智能化處理的要求，進行實時數(shù)據(jù)采集、工作模式管理以及遠程終端干預等[3]。對于無線發(fā)射臺站智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的核心關(guān)鍵就是主控設(shè)備的設(shè)計搭建與系統(tǒng)功能的擴展應用，確保發(fā)射臺的穩(wěn)定運行時所需的一切條件和基本要求，如圖2 所示。

圖2 無線發(fā)射臺站智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計原理框圖

■2.1 主控設(shè)備

從智能監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的整體出發(fā)，主控設(shè)備作為數(shù)據(jù)處理的“大腦”，不僅要求數(shù)據(jù)處理速度快、信息傳輸能力強，還應保證工作穩(wěn)定可靠、技術(shù)維護簡單等。因此，通常選定STM32F107RC 型號單片機來作為主控設(shè)備的芯片進行功能設(shè)計和技術(shù)擴展。該芯片的最大優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)接口多（模數(shù)轉(zhuǎn)換、USB 以及MAC 等），多功能串口滿足WIFI技術(shù)對接的需求，模/數(shù)接口連接好數(shù)據(jù)傳感器，通過內(nèi)部FLASH 存儲模塊燒入系統(tǒng)功能設(shè)計編寫的代碼，完成基本功能實現(xiàn)，并將數(shù)模口外接PHY 芯片使得無線通信與智能傳感功能對接，全面實現(xiàn)智能監(jiān)控。

■2.2 功能實現(xiàn)

2.2.1 智能預警與臨機處置

對于智能預警功能事項，需要在系統(tǒng)運行多個關(guān)鍵位置安裝多路數(shù)據(jù)監(jiān)測傳感器，實時采樣數(shù)據(jù)，對于可能出現(xiàn)異常的情況，及時反饋信息到數(shù)據(jù)處理平臺，同時根據(jù)前期由技術(shù)人員界定的門限告警值和突發(fā)情況處置方案，由智能監(jiān)控系統(tǒng)針對性地做好數(shù)據(jù)研讀、分析和情況預判、處置等工作。

設(shè)計中，選擇數(shù)據(jù)傳感器非常重要，現(xiàn)階段功能全面的傳感器很多，例如溫濕度傳感器THS301 系列，氣敏式煙霧傳感器MQ-2，光電傳感器GL6G-P1211 等，安裝方便，使用簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)在發(fā)射系統(tǒng)運行狀態(tài)下的實時監(jiān)測功能。這類數(shù)據(jù)監(jiān)測傳感器共性特點是接入技術(shù)實現(xiàn)簡單，其中OUT 輸出數(shù)據(jù)為檢測信號輸出電平，通過數(shù)據(jù)處理，當出現(xiàn)超出門限的高電平或者低電平情況時自動判斷是否達到預警條件，此外還可以通過接口技術(shù)對接主控設(shè)備STM32F107RC的模/數(shù)接口，將數(shù)據(jù)情況、判斷結(jié)果和處理依據(jù)實時共享至數(shù)據(jù)處理終端和遠程服務終端，便于技術(shù)人員遠程實時控制該傳感器模塊。

2.2.2 信號監(jiān)測與信息反饋

參數(shù)監(jiān)測除了需要傳感器準確采集數(shù)據(jù)外，還需要將相關(guān)數(shù)據(jù)在遠程終端的顯示器上實時進行顯示，在智能監(jiān)控信息傳輸設(shè)備上預留的RS485 數(shù)據(jù)接口對接發(fā)射機數(shù)據(jù)接口，確保技術(shù)人員能夠?qū)崟r觀察數(shù)據(jù)情況，能夠有效把握發(fā)射系統(tǒng)整體運轉(zhuǎn)情況，并通過遠程控制對系統(tǒng)信息反饋和控制干預。

RS485 接口簡單，在信號監(jiān)測過程中，實測DOUT輸出信號電平，以便于進行實時量測，信號峰值較高時轉(zhuǎn)入預警模式。可以提前設(shè)置芯片電位級調(diào)整監(jiān)測信號的靈敏度，AOUT接入主控芯片STM32F107RC 標準接口，實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換后的處理、傳輸，便于傳感器實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)實時不間斷的采集提取，可以通過RS485 數(shù)據(jù)接口將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)平臺進一步分析處理，此時基于單片機預留串口位置，并通過無線信號探測模塊MINI-001 實現(xiàn)機房內(nèi)數(shù)據(jù)監(jiān)控功能，并結(jié)合AVID多波段多類串聯(lián)信號反饋開關(guān)至共享顯示終端，在有效降低干擾因素的基礎(chǔ)上，更好地實現(xiàn)信息反饋功能。

2.2.3 實時穩(wěn)定的無線網(wǎng)絡(luò)通信

無線模塊的使用可以有效解決問題，這里需要設(shè)計數(shù)據(jù)通信通路，并通過串口將無線模塊接入主控設(shè)備，使得系統(tǒng)具備無線傳輸功能，能夠?qū)崟r向外傳遞數(shù)據(jù)，并通過手機、IPAD 等設(shè)備智能接入系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)端，查看相關(guān)信息[4]。

在系統(tǒng)設(shè)計上，選擇RTL8211CU WiFi 模塊是基于現(xiàn)代電子技術(shù)應用的擴展無線通信設(shè)備。該型號結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小、功率要求低，但對外擴展應用功能強大，通過串口直連單片機，通過設(shè)置好的信號傳輸協(xié)議和傳輸策略，確保實現(xiàn)單片機系統(tǒng)與模塊之間的遠程無線通信，即實現(xiàn)WIFI 功能準入，便于手機/平板實現(xiàn)對智能監(jiān)控系統(tǒng)的管理控制。

2.2.4 接口擴展與智能技術(shù)應用

主控設(shè)備上預留以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口，對接數(shù)據(jù)通信的要求以及滿足數(shù)據(jù)處理平臺、遠程服務終端等信息傳輸能力。未來功能需要優(yōu)化、系統(tǒng)需要完善時，通過分布式技術(shù)+多功能接口能夠方便快捷實現(xiàn)系統(tǒng)改進，這對于升級改造項目而言是非常高效的。應用擴展的問題主要是為了針對分布式技術(shù)應用中存在的遠程終端與發(fā)射系統(tǒng)的信息傳輸和遠程管控等能力，能夠使得技術(shù)人員通過智能監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對無線臺站整體運行狀態(tài)的管理，這也是為了對接人工干預和技術(shù)更新的預留接口。

基于單片機數(shù)據(jù)端口無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號的模/數(shù)差分轉(zhuǎn)換，利用擴展AR8033的PHY 芯片，通過MII 接口與主控芯片直連，將數(shù)據(jù)信號差分轉(zhuǎn)換后，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式分類識別后分兩組信號連接無線傳輸端口或以太網(wǎng)，此時遠程終端可以實時觀測、調(diào)取和控制發(fā)射系統(tǒng)內(nèi)部運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，即遠程的智能化控制可以實現(xiàn)。

3 無線發(fā)射臺站智能監(jiān)控系統(tǒng)分布式技術(shù)運用

分布式技術(shù)是智能監(jiān)控系統(tǒng)中通過計算機設(shè)置多線程任務智能控制多條數(shù)據(jù)通路的工作模式，是實現(xiàn)無線臺站自動化控制的核心技術(shù)[5]。實際應用中，系統(tǒng)建模時通常會按照工作模塊進行板塊劃分，通過安裝微型計算設(shè)備于無線臺站發(fā)射系統(tǒng)的各個核心工作單元，以分布式的組網(wǎng)模式實現(xiàn)整體功能的優(yōu)化，可以在保證基本運行狀態(tài)穩(wěn)定的前提下，實現(xiàn)系統(tǒng)整體功能的最優(yōu)化。

■3.1 智能預警模塊分布式設(shè)計策略

智能預警是分布式技術(shù)實現(xiàn)智能監(jiān)測的核心所在，通過分布式的設(shè)計，在系統(tǒng)建模時可以初步將溫濕度、光敏度、煙霧與防火報警進行業(yè)務區(qū)分，如圖3 所示，并在輸出形式上采取不同表現(xiàn)方式即可，從而有效實現(xiàn)結(jié)構(gòu)分散、功能一致的分布式設(shè)計與統(tǒng)一式監(jiān)管，從控制論的思路考慮，智能預警模塊的功能實現(xiàn)是相互獨立且相互關(guān)聯(lián)的，能夠較好提高智能監(jiān)控的整體性能。

圖3 智能預警模塊分布式設(shè)計與數(shù)據(jù)傳輸鏈路

■3.2 信號監(jiān)測模塊分布式設(shè)計策略

信號檢測的核心是微型計算機進行的數(shù)據(jù)采集，通過分布式的設(shè)計，使得局部出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)整體不會出現(xiàn)崩潰的工作狀態(tài)，能夠通過不同信號傳輸設(shè)備對監(jiān)控區(qū)域的切換，降低故障或干擾造成的影響，便于技術(shù)人員及時發(fā)現(xiàn)問題，通過遠程干預實現(xiàn)功能替換或設(shè)備切換，以實現(xiàn)對發(fā)射系統(tǒng)的全面監(jiān)控。