摘要:介绍了一种面向通信基站应用的环境、动力监控器的研制。设计采用高性能的双串口单片机DS80C320，支持包括GPRS(General Packet Radio Service)无线数传通道在内的多种数据通信方式，并可用红外遥控方式控制空调轮换，同时系统扩展了多路榆入输出接口以支持多通道应用。应用本监拉器能时通信基站的动力设备及环境参数等进行集中监控，实现通信基站的无人值守。
关健词:集中监控;通用分组无线业务;AT指令;DSSOC320
通信技术的发展，移动、电信部门的基站建设规模也越来越大，为保证基站内通信设施的正常稳定工作，对其中的环境、动力设备进行集中监控成为必然。使用人工值班方式的监控方式不但耗费大量的人力、物力，而且无法实现对环境、动力数据的连续测试、跟踪和综合分析。
因此，研制一种能实时监控通信基站内动力和环境参数的集中监控设备极为必要，与传统基于传感器直接与基站外部告警接口连接的方式不同，新一代通信基站监控装置应具备近远端告警、本地存储和参数实时上传三大功能，能实现近端告警，也可由告警信息触发远端监控中心告警，并把告警现场数据及时上送到监控中心(包括无线GPRS通道)，以便于实现基站故障原因的分析，同时还能本地连续存储告警数据，以便实现对通信传输容错。采用这套系统，可以实现基站监控无人值守，减轻移动通信运营商的运营成本，确保通信设施稳定工作。
1硬件设计
1.1功能描述
以往的基站动力环境监控一般采用传感器直接与基站外部告瞥接口直接连接的方式。这种方式在实际使用中出现很多间题:(1)没有实际测试数据显示，用户不知道当前监控的真实情况;(2)通道配置不灵活，通道设置后不能改变;(3)不能存储测试数据记录;(4)没有告警联动功能;(5)不能集中联网管理，无法升级改造。
针对以上不足，新一代的基站动力环境监控系统包括以下主要功能:(1)具备大屏幕液晶显示，各种测试数据可以直接本地显示;(2)监控输入通道在16个以上，而且输人通道可以灵活配置，支持模拟量、开关量输人，满足监控参数较多的需求;(3)具备数字滤波和史密特特性，杜绝频繁告警和误告警;(4)具备告警联动功能;(5)支持多种告警数据上送方式，包括干接点、远程拨号、短信息、GPRS和RS232联接E1数据传输设备(抽时隙方式)组成集中监控方式;(6)完善的隔离措施，保证监控设备与被监控对象充分隔离.监控设备故障不影响基站安全;(7)有黑匣子功能，保证告警数据得到记录和本地存储;(8)具备简易门禁功能，支持Philips的Mifare one卡系列。
1.2系统工作原理
来自动力(包括三相电、直流电、油机、整流器)设备和环境(包括温度、湿度、烟雾、水浸、门禁、红外线)参数等被测对象通过相应传感变送单元预处理后，输出为有待进一步调理的模拟电压信号或开关信号，模拟量依次通过多路开关的数据分捡、信号的前端调理和模数转换，得到的数字信号输人MCU进行数据处理;开关量则通过光电隔离后由10扩展模块检测并输人到MCU,MCU再根据各个输人通道的设定属性值分别进行数据处理和告警识别，并将各个通道的告警值本地存储，同时在主机上显示告警信息，或进行8路继电器的告警联动输出。采集到的实时采样数据除了能显示在监控器的LCD屏幕上，还能根据系统要求上传到管理中心数据库，联网组成集中监控系统。见图1。
1.3设计要点
1.3.1 MCU最小系统设计
在MCU及外围电路的设计上，监控器采用了高性能的MCU和大容量的程序存储器、数据存储器及FIrASH或者EEP-ROM等。MCU采用bS80C320芯片，它具有与51兼容的管脚与指令集，256BIT的内部数据存储器,3个16位定时计数器，两个数据指针(DFIR) ,13个中断源，其中包括6个外部中断，且具备两个串口。与MCS - 51系列单片机相比，它一个指令周期仅为4个机器周期，因此，对于同样的一条指令，DS80C320比普通的MCS -- 51系列单片机执行快1.5～3倍，单周期指令时间仅为121 ns。
为保证有足够的程序空间和数据存储空间，程序存储器采用了WINROND的W27C512，静态数据存储器(SRAM)采用常用的HM62256;同时为保证系统稳定性，硬件看门狗采用IMP813 ,保证系统软件在意外跑飞和系统掉电的情况下能复位系统，提高系统可靠性;万年历时钟采用I2 C总线器件PCF8563，为系统提供实时时钟;EEPROM采用I2C总线器件AT24C64，用于保存系统参数、通道配置数据和系统历史告警记录，历史告警记录包括告警通道号、告警名称、告警值(上限告警、下限告警或正常)以及告警的发生和结束时间，历史告警记录总数近1000条.溢出时将自动覆盖最前面的记录。
1.3.2系统接口扩展电路
在系统内部接口扩展上，采用2片INTEI8255扩展系统的I/O口资源，用于连接显示器，键盘接口电路和告警输出控制等.在信号输入接口电路中，采用两片16输入/1输出的电子开
关CD4067，保证有32路的采集输人通道。为避免输入电压过高对电子开关造成的损坏，在输人端加了限幅电路和限流保护。
1.3.3空调控制接口
监控器具有灵活方便的空调控制方式，可以采用红外遥控方式对空调进行控制，对没有红外遥控功能的空调也可采用无线编码或通电直通的硬驱动方式。空调输人检测的温度可以选择为空调通风口温度或者环境室温。此外，在集中监控系统中，空调还可以直接由上位机控制，可以根据出风口温度对空调进行轮换，或者根据设置的轮换时间对空调进行控制，轮换时间或者告警的温度上下限可调。空调控制流程如图2。
1.3.4信号调理及模数转换
来自传感通道的模拟量先通过MCU控制的多路选择器进行前端信号分捡，再经过信号调理，输出可供AD转换器转换的0～5V的电压信号。信号调理包括信号平衡补偿，阻抗变换，增益偏差调节及信号的限幅保护等。信号调理部分原理图如图3所示。
模数转换电路中，考虑到其性能指标和采集速度要求，选用SPI接口的12位ADC，带内部参考电压的TLC2543芯片，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程，其主要性能特点是:12位分辨率,10 μθ转换时间，3路内置自测试方式，11个模拟信道，采样率为66 kB/θ，片内采样与保持，同时具有单双极性输出和可编程控制输出数据长度的优点。
1.3.5人机接口
为便于对机器进行现场设置及查询，内置5个功能键，键值读人采用中断方式。同时采用了大屏幕128 x 64点阵的液晶显示器，其控制和驱动IC为KSO713。为保证LCD器件工作的稳定可靠,LCD模块采用最新的COG(chip-on-glass)工艺。
1.3.6通信接口设计
随着基站监控网络化发展的趋势，基站内其他的智能设备也有必要通过串口互连以组成集中监控模式。典型应用如:在一个基站中，可能会有智能门禁，智能空调，智能UPS电源等一个或多个设备，为方便统一管理，有必要将动力与环境监控器和这些智能设备汇接。另一方面，当监控设备通过外接GSM/GPRS模块、调制解调器(MODEM)或用2MHz抽时隙等方式联网时，也可能占用系统串口。因此选择了双串口设计:一个串口用于挂接下行设备以扩展系统功能;而另一个串口用于连接上行设备，如抽时隙设备或GPRS(General Packet Radio Service)网络模块，以组成集中监控模式。在上行通道中，为实现通信接口的冗余容错，引人了GPRS无线数传通道。
GPRS是GSM在Phase2+阶段提供的通信分组无线业务，基于分组传输模式可提供端到端的、广域的无线IP连接，主要是通过在现有的GSM网络中增加GGSN(GPRS网关支持节点)和SGSN(GPRS业务支持节点)来实现的，支持IP协议和X.25协议，传输速率最高可达115kB/s.
GPRS无线传输部分采用GR47模块，GR47是由双频GSM/GPRS无线调制解调器，其主要特性包括:
(1)支持双频段，分别是900/1800MHz及850/1900MHz
(2) SMS短信业务支持PDU(Pmtocol Data Unit)和TXT(文本)两种格式，支持GPRS B级(4+1);
(3)内置TCP/IP协议集，支持M2M通信所有功能，采用ITU-T ( International Telecommunication Llnion Telecommunications Standanlisation Sector) V2.4/V2.8标准;
(4)内部集成CPU和实时操作系统，且可开放所有资源;
(5)通信接口支持UART, I2C, SPI。
实际应用中，由于其内置的TCP/IP协议集，不需要在单片机里处理TCP/IP协议，采用AT指令集就能接人GPRS网络，当数据传输量不多，或只传送告警信息时，也可以采用短消息方式(Short Message Service, SMS)联网。
接人流程如下:
(1)建立PDP场景 AT指令:AT+CGDCONT=1, " IP" , " CMNE1" ; RETURN : OK
(2)激活IP联接AT指令;AT *E2IPA二1，1; RETURN : OK
(3)查看IP地址
AT指令:AT*E2IPI二0; RETURN:，E2IPI:10。 233。 12。
168 ; OK
(4)已知接收方的IP地址和端口号，建立通信通道 AT指令:AT*E2IP() = l , "129, 59, 217, 99" ,1024: RETRUN:CONNECT
在应用GR47模块时，发送AT指令最好有几十ms的时间间隔，否则容易造成访问失败。另外，永远在线是GPRS服务的一大优点，但应用中如果超过一段时间不进行数据传输，也会存在掉线问题，主要原因是GPRS长时间不传输数据时，如上所述的GGSN服务器就会自动降低该TCP链路的数据业务优先级别，最后自动将链路断开，因此解决这一问题的常用方法是每间隔一定时间给对方发送少量数据包，以示信道的存在。
1.3.7输入榆出接口
系统输人部分具有32路模拟量、数字量兼容的采集输人通道，满足大部分监控环境对监控测试点数目的要求，当监控测点数目超过32个时，可以采用级联的方式扩大测点数
目。系统输出具有16路BTS告警输出通道，非常适合在通信基站中使用。同时还具备8路干接点输出通道，叮以作为告警联动使用，也可以作为空调直接控制使用，或者设置为其他的开关。
1.3.8可靠性设计
在系统可靠性设计上，为保证系统工作稳定，在设计时还充分考虑以下安全保护措施:采用光祸、继电器、变压器等多种隔离器件，采集设备与外部连接时能保证充分隔离;
多级滤波措施，包括在系统软件内采用数字滤波;在串口和三相电传感器输人通道等易引雷的地方加防雷保护器件;串口及I2C总线接口等采用光电隔离;数字地和模拟地分开，最后一点接地。
2 软件设计
软件的编写过程中，采用模块化的设计理念，具体分为四大模块:监控、设置、查询和自检，同时程序中还采用了指令冗余、软件陷阱及数据容错技术，以提高系统的抗干扰能力。
监控模块作为核心模块，又分为若干个子模块。
对监测系统的数字滤波采用了剔除极值与平均值法相结合的方法。因为删除极值可消除或削弱奇异项等干扰脉冲的影响，平均值法可削弱随机噪声的影响。在对各参数监测过程
中，对采集进计算机的数据作如下处理:每次对同一通道采集6个点，去掉最大值和最小值，剩下的4个数据取平均值，这样就可以把奇异项和噪声的干扰减弱，使精确度得到提高。同时对交流电、直流电压、温度和湿度的处理增加了史密特处理和调校功能。
3测试结果
基于C + + Building开发的上位机软件作为集中监控的管理平台，可用于查看设备状态和跟踪调试设备及控制操作对象;能实现日常的用户管理、设备管理、告警管理、规则管理以及值班管理。
实际测试过程中，利用上位机软件的实时曲线显示功能，能够跟踪被监测对象参数连续变化情况，以便对被测对象进行综合分析，如图6所示。
4 结束语
通过综合监控终端在某移动通信基站的实际应用证明，其设计与实现可广泛应用于各种通信基站和电力机房的集中监控。该监控终端通过对硬件电路、传输网络、空调控制等模块
的优化设计，实现了基站远程监控的“四遥功能(遥测、遥信、遥调、遥控)”，能实时监控设备运行状态、预期故障发生、迅速排除故障、记录和处理相关数据等，实现了综合化、集成化、智能化和网络化监控，节约了人力资源成本，提高了动力、通信设备运行的可靠性，保证了通信网路、电力设备运作的安全畅通，实现了基站无人值守。
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