一種低成本數據采集監測系統的研究與應用

米 亮

（江蘇省廣播電視總臺發射傳輸臺，江蘇 南京 210009）

0 引言

無線發射臺的智慧化發展已經成為一種趨勢。發射臺智慧化建設包括前端采集、智慧分析、智慧呈現以及數據中心等[1]。前端采集器是發射臺智慧化建設必不可少的設備，必須高效、超感知、功能強大。超感知要求采集器能夠感知細微隱患，提前預防，防患于未然；功能強大要求采集器可采集不同種類的傳感器數據，同時支持多種數據上傳方式。

常見的采集器有電力數據采集器、環境數據采集器等，主要實現對不間斷電源（Uninterrupted Power Supply，UPS）、市電、環境（溫濕度、水浸、煙霧）的監測。本文針對發射臺的特定需求，著眼于解決實際問題，研制了一種多功能采集器。該采集器能夠實現發射機射頻功率采集和光照度采集，通過以太網上傳數據到發射臺局域網，并支持Syslog 協議和消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協議。

監測平臺可采用兩種方式實現，一種為定制軟件實現方式，另外一種為通用軟件實現方式[2]。定制軟件開發難度大、周期長，因此本系統采用通用軟件解決實際問題。采集器將告警信息通過syslog協議上傳到kiwi syslog 服務器，kiwi syslog 服務器完成告警信息顯示和語音報警，達到風險預防的效果，實現提醒值班人員的目的。

1 系統架構

系統結構主要分為數據采集和數據展示兩部分，如圖1 所示。

圖1 多種類設備監測系統功能結構

本系統中，其他類型設備是指支持syslog 協議的監測設備，主要是畫面分割器。

交換機連接監測系統中具有網絡接口的設備，如多功能采集器、畫面分割器以及監測終端等，進行數據匯聚和信息交換。

多功能采集器是整個系統的核心，完成射頻功率采集和光照度采集，將采集的參數進行整理或者轉換，按照統一格式打包推送到數據平臺，同時將告警信息通過syslog 協議上傳到監測平臺。

監測平臺采用通用軟件kiwi syslog 實現。kiwi syslog 對多功能采集器和畫面分割器產生的日志消息進行集中存儲并報警。

2 多功能采集器

多功能采集器實現發射機射頻功率采集和光照度采集，通過以太網上傳數據到發射臺局域網，告警信息通過syslog 協議上傳到監測平臺，工作流程如圖2 所示[3]。采集器主控芯片選用ATMEGA328 芯片。該芯片外圍接口豐富，提供模擬量采集、I2C 通信及串口通信等。另外，該芯片需通過以太網方式上傳數據，因此外部需要擴展一個以太網模塊。

圖2 多功能采集器流程圖

2.1 發射機射頻功率檢波

發射機功率的典型范圍是100～1 000 W（50～60 dBm），射頻功率檢波器的輸入功率范圍約為-75～+20 dBm。需要注意的是，定向耦合器的耦合系數典型值為20～30 dB，因此耦合器的反饋信號比送到天線口的信號低20～30 dB。射頻信號經定向耦合后功率仍然過大，因此在射頻功率檢波器前還要增加衰減器，才可以進行功率檢波。

不同的檢波器輸入頻率范圍不同、輸入功率范圍不同[4]。本系統選用美國ADI 公司AD8362 真有效值功率檢波器。AD8362 的工作頻率是50 Hz～3.8 GHz，動態范圍為-55～+15 dBm，屬于吸收式功率檢波器。

AD8362 用作功率測量器件時，輸出和輸入的均方根值的對數成比例關系。換言之，將直接以dB顯示讀數，并可方便地按每10 倍1 V 或50 mV·dB-1的比例調整，其他斜率也很容易實現。

檢波器的測量精度與溫度、頻率有關，檢波器斜率和截距也不同。無線發射機均采用固定頻率發射且機房溫度變化范圍極小，特別有利于檢波器的校準。根據AD8362 的特性，需要4 個已知參數即可計算出斜率和截距。發射機輸出功率電平設定為接近最大功率，記錄發射功率和AD8362 讀數，再將發射機的輸出功率減少到接近最小功率，再次記錄發射功率和AD8362 讀數。根據以上4 個參數即可計算出斜率和截距。已知斜率和截距，可根據AD8362 讀數計算發射機的輸出功率。

本系統中，射頻功率檢波器的輸出電壓范圍為0.6～5 V，單片機通過模擬接口讀取電壓值。發射機射頻輸出功率穩定度指標為±0.5 dB。以1 000 W發射機為例，射頻功率檢波器獲取的功率值范圍為59.5～60.5 dBm，如果獲取的功率值超出該范圍，單片機根據“RFC-5424，2009”日志消息的格式封裝文本信息，射頻功率檢波器日志消息中的應用名命名為“RF”，用于區別光照度采集日志消息。

2.2 光照度采集

發射機房中某設備為專用設備，只能通過巡檢的方式檢測故障。本系統提供了一種方法，能夠在不破壞原有設備物理結構的情況下監測該設備。該專用設備正常工作狀態下指示燈滅，設備故障或者設備信號異常時指示燈亮，光照度變化較為明顯。基于該特性，本系統通過光照度變化判斷設備的工作狀態。系統選用BH1750 型光傳感器，其分辨率為1～65 535 lx，對光照度極為敏感。該傳感器精度高、測量誤差小，無需外圍電路，通過I2C 接口與上位機通信。

光照度采集整體工作過程為：首先將光傳感器放置到專用設備指示燈房間，感知光線變化；光傳感器采集光照度，將采集的信號傳輸給單片機，由單片機分析處理數據；單片機事先設置好一個光照范圍，將采集的光照度數據與設定數值比較，如果光照度值大于范圍的上限值或者小于范圍的下限值，單片機根據“RFC-5424，2009”日志消息的格式封裝文本信息，光照度采集日志消息中的應用名命名為“LI”，用于區別射頻功率檢波器日志消息。

光照強度范圍的上、下限值需要通過多次試驗進行調整，保證區間設置合理，以達到最佳測量效果，避免誤報警[5]。經過實測，光傳感器進行特殊處理后，對光線極為敏感，能夠判斷設備工作是否異常。

2.3 軟件設計

系統軟件通過單片機編程實現。ATMEGA328單片機軟件程序流程如圖3 所示。單片機通過外部模擬量引腳采集射頻功率計數據，通過I2C 接口采集光照度傳感器數據。射頻功率檢波器采用標識頭“RF”封裝采集的數據，光照度采集采用標識頭“LI”封裝采集的數據，通過通用異步收發傳輸 器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）發送到以太網模塊，從而完成數據的采集和以太網發送功能。

圖3 ATMEGA328 單片機軟件程序流程圖

系統首先初始化射頻功率計和光照度傳感器模塊，使所有模塊進入正常工作狀態。之后系統開始采集數據，同時對采集到的數據進行分析。系統將采集的數據封裝發送，同時判斷數值是否在設置的區間內。如果數值超出設置區間，系統根據“RFC-5424，2009”日志消息的格式封裝文本信息，發送告警信息，同時系統循環采集數據并將數據封裝發送。

2.4 Syslog 消息發布

本系統通過syslog 消息方式上傳告警信息。Syslog RFC 數據格式遵循的規范主要有RFC 3164和RFC 5424。因RFC3164 已廢棄，本系統選用RFC5424 規范。

Syslog 協議“RFC-5424，2009”格式為：優先級-版本-空格-時間戳-空格-主機名-空格-應用名-空格-進程id-空格-信息id-空格-結構化數據-空格-消息。優先級取值范圍為0～191，比如34。RFC5424 版本號默認為1。時間戳格式為yyyy-mm-ddTHH:MM:SS.xxxxxx+/-HH：MM，比 如2021-09-10T23:20:50.52Z。主機名標識發送syslog消息的源主機，如192.168.0.1 或者”-”。應用名用于識別產生消息的設備或應用，可用“-”代替。進程id 可用“-”代替，信息id 可用“-”代替，結構化數據可用“-”代替。MSG 日志消息體無格式要求，如果syslog應用使用UTF-8編碼，必須以BOM開頭。基于以上syslog 協議特點，本系統發送符合這種格式的字符串，接收端即可解析出來。

3 監測系統

本系統選用Kiwi Syslog 通用軟件作為監測平臺軟件。Kiwi Syslog Server 是一款經濟實用的syslog 管理工具，可以接收跨網絡設備（交換機、防火墻等）、服務器（Linux、Windows 服務器）的日志，對日志進行集中存儲和管理以及報警。

本系統中，Syslog 日志信息來源于兩部分，一部分是采集器產生的日志信息，另一部分是機房現有設備產生的日志信息。

機房現有設備主要為多個廠家的畫面分割器。各個廠家均配備了畫面分割器管理軟件，這類軟件功能強大，但同時也給值班人員帶來負擔。值班人員很難快速判斷故障、解決故障。這類設備均支持syslog協議，將這類設備接入數據平臺，在Kiwi Syslog 進行相關配置，能夠實現將采集器、畫面分割器等各種類型設備部署到一張網絡統一管理，實現對不同類型設備的集中監控，完成告警信息顯示和語音報警。

4 結語

本文進一步完善了現有的監控系統，提供了一種有效的監測手段，將各種類型設備部署到一張網絡進行統一管理，實現了對不同類型設備的集中監控。系統具有異常報警功能，能夠保障廣播電視的安全播出。該方案開發成本低、周期短、實用性強，具有一定的應用前景。