（电路与系统专业论文）移动通信基站电源监控系统的设计及实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

移动通信基站电源监控系统的设计及实现 摘要 随着我国电信事业迅速发展，通信网络规模不断扩大，需要操作与维护 的通信基站种类和数量大幅度地提高，对通信基站电源的稳定性和可靠性也 就提出了更高的要求。为提高通信网的整体质量、节约人力资源和能源损耗， 我国提出了对通信电源设备及环境进行集中监控管理的要求，针对这一问题， 本文设计了一种通信电源集中监控管理系统，实现对移动通信基站电源进行 实时的监测和管理。 文章首先介绍移动通信基站电源监控系统应用背景，分析基站电源监控 系统的技术现状和发展趋势，阐述课题的研究意义，并概述了本文研究的主 要内容及所做的工作。然后根据监控系统的功能要求和性能指标，介绍了监 控系统整体设计，给出系统结构框图和各模块功能。设计的监控系统由系统 终端和管理服务器组成，系统终端负责完成基站电压信号、电流信号和环境 参数的采集，并通过g p r s 模块将计量数据和监控数据实时发送至管理服务 器。管理服务器对各个基站进行集中管理，实现远程控制空调温度、实时查 询终端数据，实现基站动力量和环境量的准确远程监控。 然后，根据监控系统的整体设计及技术指标要求，详细介绍了系统硬件 设计，选用m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为监控系统的核心处理器，在硬件上实现了多路 模拟量输入、a d 转换、开关量输出、电量采集、数据存储、时钟、系统校 准、人机对话、g p r s 数据通讯等功能，并且还对每一模块的硬件设计，进 行了详尽的说明，还给出了相关电气原理图，针对电路板布局进行专门设计， 保证主控制板的安全运行。 其次，本文对系统软件进行了详细的说明，对总体流程设计、中断服务 程序设计、g p r s 通信程序等主要模块软件流程进行了介绍。最后，从系统 软硬件抗干扰、端子接线的安全防护和雷电袭击的安全防护三方面进行了可 靠性设计。目前，通信基站电源监控系统已在湖南益阳等多处基站投入使用， 运行情况良好。本系统还可使用于电信行业、智能大厦和生活小区等。 关键词：基站监控系统；远程监控；数据采集；m s p 4 3 0 f 1 4 9 ；g p r s i i 硕：学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h et e l e c o m m u n i c a t i o n s i n d u s t r y ， c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki se x p a n d i n gq u i c k l ya n dd i f f e r e n tt y p e sa n dq u a n t i t yo f b a s es t a t i o n sw h i c hn e e dt ob eo p e r a t e da n dm a i n t a i n e di n c r e a s es i g n i f i c a n t l y i t l e a d st oh i g h e rs t a n d a r di nt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n sp o w e r t oi m p r o v et h eo v e r a l lq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n ds a v eh u m a n r e s o u r c e sa n de n e r g yc o n s u m p t i o n s ，c h i n ap u tf o r w a r dt h eu n i f i e dm a n a g e m e n t a n dm o n i t o r i n go nc o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n tp o w e r f o c u s i n go nt h ei s s u e ，t h e p a p e rd e s i g n sac e n t r a l i z e dm a n a g e m e n ts y s t e m t oa c h i e v er e a l - t i m ep o w e r m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n tf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o n a tf i r s t ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do ft h ep o w e rs u p p l y m o n i t o r i n gs y s t e mb a c k g r o u n d o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sb a s es t a t i o n sa n d a n a l y z e st h et e c h n i c a ls t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h es u b je c t ，m e a n w h i l e ， o u t l i n e st h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra n dt h ew o r kd o n e t h i sm o n i t o r i n gs y s t e m i n c l u d e st h es y s t e mt e r m i n a la n dm a n a g e m e n ts e r v e r t h et e r m i n a li sr e s p o n s i b l e f o rt h ec o l l e c t i o no ft h ev o l t a g es i g n a l ，c u r r e n ts i g n a la n de n v i r o n m e n t a l p a r a m e t e r si nt h eb a s es t a t i o n ，t h e nt r a n s m i t st ot h es e r v e r t h es e r v e rs e r v e a st h e c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n tf o re a c hb a s es t a t i o n ，r e m o t i n gc o n t r o la i r - c o n d i t i o n i n g t e m p e r a t u r e ，t e r m i n a lr e a l t i m ed a t aq u e r y ，a n dr e m o t i n gm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l t h es t r e n g t ha n da c c u r a c yo fe n v i r o n m e n t a la n dc o n t r o lv o l u m e s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g na n dt e c h n i c a li n d i c a t o r sr e q u i r e m e n t so f t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h eh a r d w a r ed e s i g n d e t a i l l y ，a n d s e l e c t e sm s p 4 3 0 f1 4 9a st h ec e n t r a lp r o c e s s i n gu n i to ft h e m o n i t o r i n gs y s t e m t h eh a r d w a r ea c h i e v e dam u l t i c h a n n e la n a l o gi n p u t ，a d c o n v e r s i o n ，s w i t c ho u t p u t ，e l e c t r i c i t ya c q u i s i t i o n ，d a t as t o r a g e ，c l o c k ，s y s t e m c a l i b r a t i o n ，h u m a n - m a c h i n ec o m m u n i c a t i o n ，g p r s d a t ac o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n s ，a tt h es a m et i m e ，t h ea r t i c l eg i v e s ad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h e h a r d w a r ed e s i g no fe a c hm o d u l ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gs c h e m a t i cd i a g r a m t h e c i r c u i tb o a r di sd e s i g n e ds p e c i a l l yt oe n s u r et h es a f eo ft h em a i nc o n t r o lp a n e l t h i r d ，i nt h i sp a p e r ，i tg i v e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o nf o r t h es y s t e ms o f t w a r e ， i n c l u d i n g t h eo v e r a l l p r o c e s s ，t h ei n t e r r u p t s e r v i c e r o u t i n e ， g p r s c o m m u n i c a t i o np r o g r a mm o d u l e sa n do t h e rm a j o rs o f t w a r ep r o c e s s e s f i n a l l y ，i t c a r r i e so u tt h er e l i a b i l i t yd e s i g ni nt h r e ea r e a sw h i c ha r ei n t e r f e r e n c ep r o t e c t i o n i i i 移动通信基站t 毡源隘挖系统的设 及实现 i nb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，c o n n e c t i o nt e r m i n a l sa n dl i g h t n i n gp r o t e c t i o n a t p r e s e n t ，p o w e rs u p p l ym o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h ec o m m u n i c a t i o nb a s es t a t i o nh a s b e e nu t i l i z e di ny i y a n g ，h u n a na n do p e r a t e si ng o o dc o n d i t i o n t h es y s t e mc a n b eu s e di nt h et e l e c o m m u n i c a t i o n si n d u s t r y , i n t e l l i g e n tb u i l d i n g sa n dr e s i d e n t d i s t r i c t ，t o o k e yw o r d s ：m o n i t o r i n gs y s t e mo fb a s es t a t i o n ；r e m o t em o n i t o r i n g ； d a t aa c q u i s i t i o n ；m s p 4 30 f14 9 ；g p r s i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 储虢存砺 日期。7 肿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签 导师签 日日 夕 月月 厂 l 年年 7 7 一 伽 期期 日马 硕一 ：学位论文 第1 章绪论 1 1 移动通信基站电源监控系统简介 2 0 世纪是全球通信技术飞速发展的时代，尤其是下半世纪，通信技术的 迅猛发展促进了全球的信息化革命。2 l 世纪，通信技术进入了计算机网络通 信的时代，信息在网络中传输的速率已达到g b i t s 的数量级，而且还在向更 高速率的方向发展。随着民族科技的振兴，我国的通信技术在信息化的浪潮 中也跻身于世界的前列，并正成为全球信息产业的主力军。信息时代对信息 的基本要求是准确、可靠、高效，这就要求信息数据在网络中进行处理、存 储、交换和传输等的各个环节中误码率尽可能地低，以保证向终端用户提供 连续和准确无误的信息资源。这对通信设备提出了较高的技术要求。作为通 信网络动力基础的通信电源，其供电质量的优劣和可靠性的高低直接影响着 通信设备的运行质量和可靠性，并进而影响到整个通信网络的运行质量和可 靠性1 1 。 随着我国电信事业的迅速发展，通信网络规模的不断扩大，需要操作与 维护的设备种类和数量大幅度地提高，设备的技术含量和复杂程度也越来越 高，相应的对通信电源的稳定性和可靠性也就提出了更高的要求。为提高我 国通信网的整体质量、节约人力资源和能源损耗，原邮电部于上世纪9 0 年代 初提出了对通信电源设备及环境进行集中监控管理的要求，即通过对通信电 源设备及环境运行进行遥测、遥信和遥控，最终实现少人值守或无人值守， 以提高设备维护质量，降低运行维护费用，同时保证系统处于良好的运行工 作状态，从而大幅度提高整体运行效率，提高通信质量及电源系统的管理水 平【2 j 。通信电源集中监控管理系统是一个分布式计算机控制系统，它通过对 监控范围内的通信电源系统和系统内的各电源设备、空调设备及机房环境进 行遥测、遥信，实时监控系统和设备的运行状态，记录和处理相关数据，及 时侦测故障并适时通知维护人员处理：进行必要的遥控操作，改变或调整设备 运行状态；按照上级监控系统或网管中心的要求提供相应的数据和报表，从而 实现通信局( 站) 的少人或无人值守，实现电源、空调及环境的集中监控维护 管理，提高供电系统的可靠性和通信设备的安全性。监控系统是一个集中并 融合了现代计算机技术、通信技术、电子技术、自动控制技术、传感器技术 和人机系统技术的最新成果而构成的计算机集成系统【3 】。 实施通信电源的集中监控和管理，代表了通信电源先进维护管理技术和 手段的发展方向，对实现与通信技术发展相适应的现代化电源维护和科学管 理，有着重要的意义【4 j 。 移动通信基站i 乜源豁控系统的设计及实现 第一、通信电源集中监控管理系统的运用，解放了劳动力，提高了电源 维护工作的效率，降低了维护成本。 第二、通信电源集中监控管理系统的运用， 性和可靠性。 第三、通信电源集中监控管理系统的运用， 性，降低了运行成本。 第四、通信电源集中监控管理系统的运用， 第五、通信电源集中监控管理系统的运用， 有效的网络平台。 提高了电源设备运行的稳定 提高了电源设备运行的经济 提高了电源维护管理水平。 为通信机房辅助监控提供了 通信电源集中监控管理系统的运用，对原有的维护观念和维护模式都产 生了巨大的影响。它改变了过去人们对电源的浅显认识和错误观念，扩大了 通信电源专业的领域，对电源维护管理人员的技术素质也提出了更高的要求。 同时，它也彻底改变了以往人工看守的传统模式【5 6 】。 通信电源集中监控管理系统的运用，对通信电源设备的技术革新也产生 了很大的影响。电源设备为了适应集中监控的需要，其智能化水平进一步提 高，监控模块的设计也更加合理，接口标准也进一步统一。同时，监控系统 的发展也促进了自动化领域的技术发展和革新，许多智能的传感器、变送器 纷纷被开发出来，成功的应用于监控系统。这些变化也使得监控系统本身更 加完善，可靠性进一步提高【7 1 。 1 2 监控系统发展概况及现状 1 2 1 监控系统的发展概况 上世纪8 0 年代，国际上己经注意到要对分散在不同地点的电源设备进行 集中监控管理，并且开发出了相应的集中监控系统。但是由于这些系统都是 由电源设备生产厂家进行开发的，因此只能接入单一类型的电源设备，这就 造成了一个监控中心要运行着诸如开关电源、油机和空调等多套监控系统， 甚至仅开关电源就包括了不同品牌的多套监控系统。这么多系统难以进行很 好地统一管理和集中监控。此外，各系统的功能、机制、协议、接口也存在 较大差异，很难进行互联。针对这种情况，我国原邮电部门提出了建设通信 电源集中监控管理系统的思路和要求 8 - 9 1 。 上世纪9 0 年代初，广东省率先建成国内第一套通信电源集中监控系统， 这可认为是我国通信电源集中监控技术研究和发展的起点。19 9 6 年，福建泉 州电信分公司本地网电源监控系统1 期13 5 个局点完工，系统涵盖泉州、石 狮、晋江、南安、惠安、安溪、永春、德化、全港等九个县市区，至今已有 l8 3 个母局和模块局，覆盖整个地区的每个乡、镇、村，总计3 0 0 万门线路 2 硕j ：学位论文 的本地网( 刘晓芳，2 0 0 4 ) 。1 9 9 8 年，广州市电信局长途枢纽楼开始实施通信 电源的集中监控，这是国内通信行业针对通信电源首次立项，并投入现场实 际运行的电源集中监控系统【1 0 】。江苏省从l9 9 8 年就开始着手规划移动动力 环境集中监控系统，并在19 9 9 年的6 月份开始启动试点工程，2 0 0 0 年正式 在全省建设移动通信动力环境集中监控系统，2 0 0 2 年6 月份全省在13 个本 地网完成在网运行机房和基站的动力环境集中监控系统的建设【1 1 1 。1 9 9 9 年浙 江省开发了s c 与s s 电源及环境集中监控管理系统联网协议作为省内标 准互联协议并试验成功，并于2 0 0 1 年建成省级监控中心，作为全省的电源管 理和技术支撑中心，进行全省范围内的实时监视和管理。黑龙江省移动基站 动力及环境集中监控系统分两期建设，一期建设工程已于2 0 0 2 年完成，共 1 2 7 3 个基站、16 个交换机房。该监控系统采用倒树型网络拓扑结构，为二级 管理结构，分为两个层次，在各地市建立一本地网监控中心l s c ( l o c a l s u p e r v i s i o nc e n t e r ) ，各基站和交换机房建立f s u ( f i e l ds u p e r v i s i o nu n i t ) 单元， 各b s c 实现基站监控数据收敛，组成涵盖整个地区的二级监控网络，设立1 个远程访问l c s 监控中心1 1 2 。 监控系统的建设大致分为3 个阶段：探索试验阶段、发展建设阶段和运 行维护阶段。目前大多数省市的监控系统建设都处于发展建设阶段。在这个 阶段中，各省市逐渐进入监控系统建设高潮，主要资金和精力都花在了新系 统的投入建设和建设系统的不断完善中。各局纷纷采取积极而谨慎的态度， 效仿已建成的地区和局站，来规划、建设自己的监控系统。在未来的几年里， 各省市将进入到全面的运行维护阶段中。监控系统的实际运用、不断优化和 悉心维护将成为维护人员的主要工作，系统的智能化、系统与电源维护体制 的结合、系统平台上新应用的开发将成为主要的探索方向。 1 2 2 监控系统的现状 在我国，监控系统的发展已经经历了十多个年头了，无论在技术、系统 建规模上，还是在系统运行维护上，都有了很大的发展【1 3 之们。具体表现在如 下几个方面： ( 1 ) 监控系统建设数量不断增加、系统规模不断扩大； ( 2 ) 监控技术日趋成熟、系统模式日趋稳定； ( 3 ) 相关技术不断发展与监控技术相互促进； ( 4 ) 监控系统的发展与运维体制的转变相互促进； ( 5 ) 相关标准规范日趋完善； ( 6 ) 监控市场逐步走向规范化。 这些变化为通信电源监控技术的进一步发展和监控系统进一步实施创造 了一个良好的环境。研制开发通信电源集中监控系统的厂家、公司、研究所 3 移动通信基站电源监控系统的设计及实现 如雨后春笋般涌现出来，如艾默生网络能源公司( 原华为集团) 自主开发的p s m s 动力设备及环境集中监控系统；中兴公司的z x m l0 动力设备环境集中监 控系统；亿阳集团的b o m o n l0 0 0 移动局( 站) 动力设备及环境多媒体集中监 控系统；翔浩x h 2 0 0 电信传输机房集中监控系统；国讯国际有限公司的c p e m 8 0 0 0 动力环境监控系统：烟台东方电子信息产业集团有限公司的o f 0 4 0 0 动力设备及环境集中监控系统；云南盘亚通信系统有限公司的p e s m 2 0 0 0 基站动力环境集中监控管理系统；武汉普天的洲际正汇通信电源集中监控系 统；香港丰联企业有限公司的联讯2 0 0 0 通信电源和空调设备集中监控系统： 美国司巴顿公司的p o w e r c o m 动力环境集中监控系统；法国m g e 公司的b 1 0 0 0 电源监控系统；e r i c s s o n 公司的e n e r g ym a s t e r 系统中的电源监控子系 统；美国p o w e r w a r e 电源有限公司的p o w e r m a n a g e ri i 远程直流电源管理系统 等等，这些电源监控系统都各具特色，并都已纷纷投向市场。 目前，国内外厂家、公司、研究所在不断完善自己的产品的同时，正致 力予将新技术应用于电源监控系统中，如c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) b u s 、l o n ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) w o r k 2 l 】等现场总线技术，这些技术的采用 解决了集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 的通信问题( 集散控制系统 处于现场的控制级和检测级仍采用4 2 0 m a 模拟量通信，使得现场采集设备 所占的比例最大，数量也最多，这就使得一对一的布线方式相当繁杂、安装 费用增加、维护量加大) 。现场总线( f i e l d b u s ) 是现代计算机、通信和控制技 术的集成，即通常人们所称的3 c ( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 、c o n t r 0 1 ) 技术【2 2 1 。现场总线技术应用于通信电源、空调及环境的集中监控管理系统，是电 源监控系统发展的一个全新方向。 1 3 课题的提出与现实意义 移动通信是目前应用最为广泛的一种通信手段，它覆盖范围广，使用方 便快捷，是其他任何手段无法比拟的 2 3 - 2 6 】。这种方便快捷的通信是靠移动通 信网络来实现的，而通信网络是由遍布各地的基站支持的。移动基站点多面 广无人值守，因此，基站供电质量和机房环境状态对移动通信至关重要。 但是，由于无线通信的特点，移动基站都建在当地最高处，在地理位置 上呈蜂窝状分布，以便获取最大的覆盖面，因此基站多数都建在当地最高建 筑顶层或在楼顶加建机房，由于受条件限制无法对基站进行单独供电，大多 是共用普通照明用电或农用电，供电质量较差且容易中断，基站的发射天线 是最高建筑物，极易受到雷击，多数机房是用普通民房改造或简易的建筑， 设备被盗时有发生，尤其是在农村地区基站的空调和电缆经常被盗，不但影 响基站设备的正常工作，而且还涉及基站设备和人身安全【2 7 。3 2 】。怎样感知基 4 硕i j 学位论文 站工作是否正常，交流和直流电源供电情况如何，机房温度是多少，空调工 作情况是否正常，机房安全状况如何，是否有非法闯入者，这些都是移动通 信网络管理者最关心的问题。本研究b p m t 2 0 基站电源及环境监控系统，就 是针对上述情况开发设计的。 但是，随着计算机控制技术、信息技术的迅速发展，以及对直供电源监 控系统技术需求的不断提高，直流远供电源监控系统还有待进一步改进，主 要体现在以下几方面： 1 进一步提高实时性 实时性是衡量通信电源监控系统的一个最重要的性能指标，它包括两个 方面，一个是系统对监控对象各种状态的响应速度，另一个是操作人员发出 控制指令时，被监控设备的响应速度。用于监控单元的计算机必须具有较强 的实时性，在顺序执行各种采集、控制操作时速度要快，反应时间要尽可能 短，同时对不同优先级的操作应具有高度的综合判优能力。 2 进一步提高可靠性 监控系统作为设备监控单元，直接对生产设备的运转情况进行监督控制， 因此必须要具有极高的可靠性，否则轻者产生误测、误报，严重时就会造成 直接的经济损失。高可靠性指标要求从开始设计系统起，就要充分考虑硬件 结构的合理性、器件的生产工艺、提前老化和系统安全防护性能等问题。 3 进一步提高可扩充性和可维护性 由于通信电源产品更新换代快，因此每套监控系统所对应的监控设备的 规模、制式都是随着实际需求而变化的，这就要求监控系统能够适应不同制 式的设备，其容量也应便于扩充。同时设计时应尽量采用模块化结构，且单 元部件的一致性要好，软硬件应具备必要的自检功能，从而保障平均故障修 复时间尽可能短，且修复后运行状态和精度不受影响。 4 进一步提高操作界面的友好性 操作人员是监控系统的重要组成部分，设备的维护、故障的排除都是由 操作人员完成，因此监控系统的人机界面要简单易学、便于操作，各种显示 应该简单明了。 另外，随着直供电源监控系统产品在实际中的广泛应用，用户也针对自 己的实际情况提出了新的功能与技术要求。因此，本文根据上述需求，在现 有移动基站远供电源监控系统的基础上，致力于研究一套新型移动通信基站 直流电源监控系统，使传统的监控系统功能和性能更加完善，能够符合直供 电源监控系统发展趋势，进一步满足用户需求。 5 移动通信基站i 乜源临控系统的设计及实现 1 4 本文所开展的研究内容及论文安排 按照y d t 1 0 5 1 2 0 0 0 通信局( 站) 电源系统总技术要求以及y d t1 3 6 3 2 0 0 5 通信局( 站) 电源空调及环境集中监控管理系统的要求【33 1 ，在传 统基站电源监控系统的基础之上，针对电源监控系统的发展趋势，以及用户 的实际应用需求而研制开发的新型b p m t 2 0 基站电源监控系统。本文主要章 节及其重点内容如下： 第1 章绪论部分，综述了移动设备电源及环境监控系统的发展历史和技 术现状，仔细分析国内外先进直流远供电源监控系统的特点，给出了本论文 的研究目的和意义。 第2 章监控系统整体设计，根据实际应用需求，满足b p m t 2 0 性能指 标前提下，进行了系统的总体方案设计，给出整体结构功能框图，并划分各 个模块功能要求； 第3 章监控系统硬件设计，在系统总体方案设计的基础上，设计系统硬 件电路，包括元器件选择、单元电路设计和电路布局设计。单元电路模块设 计包含有m c u 最小系统、电量采集电路、系统电源模块、g p r s 模块、时钟 电路和数据存储电路。 第4 章监控系统软件设计，详细介绍了软件设计结构，从监控终端软件 设计、管理服务端软件设计、通信软件设计等三方面详细介绍了监控系统软 件，并给出了各部分子模块的软件流程图； 第5 章监控系统可靠性设计，针对系统可靠性要求，对系统性能进行优 化，重点考虑了系统软硬件抗干扰性，端子接线、抗雷电袭击和线路复用等 安全防护设计。 最后，本文还对工作做了总结，并提出进一步的改进方案。 6 硕上学位论文 第2 章监控系统整体设计 基站电源监控系统采用先进的超低功耗固态集成电路技术，并针对中国 移动自身网络优势设计制造，适用于监控无人值守的基站1 3 4 - 3 5 】。监控内容包 括：低压配电、频率5 0 h z 的三相交流有功电能、三相电质量( 断相、过压、 电流异常) 、发电机发电时段、蓄电池电压，并通过g p r s 将计量数据和监控 数据实时发送至管理服务器，管理服务器实现远程控制空调温度、实时查询 终端数据。该装置计量部分性能均符合i e c l0 3 6 和g b t 17 2 15 - 2 0 0 2 标准中 三相电能表的技术要求。 2 1 系统设计原则与b p m t 2 o 指标 l 、精确度： ( 1 ) 电压及有功测量精度不低于1 级； ( 2 ) 电流及无功测量精度不低于2 级； 2 、时钟误差： 士3 s d ； 3 、功率消耗： 4 w ； 4 、抗电强度：2 k v ； 5 、电磁兼容 ( 1 ) 静电：i e c l0 0 0 4 2 中规定4 级( 接触放电8 k v ，空气放电15 k v ) ； ( 2 ) 高频电磁场抗扰度：按i e c l 0 0 0 4 3 中规定3 级( 8 0 1 0 0 0 h z1 0 v m ) ； ( 3 ) 电快速脉冲群：i e c l0 0 0 4 4 中规定3 级( 2 k v ) ； ( 4 ) 浪涌：i e c l 0 0 0 4 5 规定4 级( 4 k v ) ； ( 5 ) 无线电骚扰限：g b9 2 5 4 19 9 8 规定a 级； ( 6 ) 谐波影响：受3 次或5 次谐波干扰时，误差小于2 ； ( 7 ) 电压跌落和短时中断影响：按g b t1 7 6 1 8 1 9 9 8 中4 2 6 的规定进行1 分钟测试； ( 8 ) 可靠性：m t b f5 0 0 0 h 。 2 2 系统监控信号 系统监控信号分为两类：模拟量输入信号和开关量输入信号，其中本系 统需要检测的模拟量及要求如表2 1 所示： ( 1 ) 电流采样输入 7 堡垫堡篁兰兰! ! 篓些堡重量墼璧堡垒耋垩 输电线路上的电流采样通过电流互感器实现，一般为贯穿式电流互感器， 安装在机壳内，好处在生产时可固定感应比，不足是安装不方便，需要拆断 基站的市电输入，即需要停电安装，影响正常的运行。 表2 i 系统待检测的模拟量 b p m t 20 机器内没有的电流互感器，而是直接接外面的开口式电流互感 器的感应电流，这种设计方法带来的好处是安装方便，不足是安装时导线与 磁环圆环截面的角度可能不垂直，从而导致感应电流一定的误差。此误差可 以通过现场用钳形电流表测试校正13 6 1 。 图2 l 开口式电流互基器 ( 2 ) 电压采样输入 传统的电压采样输入为直接电阻分压输入，即高压交流直接加在电阻网 络上，优点是成本低，缺点是高压与后级电路有直接电气连接，安全性不够 高【3 7 】： b p m t 20 电压采样输入采取电压互感器隔离后电阻分压输入，优点是具 有很高的安全性，缺点是增加器件成本。 ( 3 ) 系统供电 b p m t i 0 有5 路电源给系统供电，优点是能充分保障系统供电，缺点是 成本较高。 b p m t 20 系统供电只保留由基站的4 8 v 通信设备供电经d c d c 转换的 一路供电，优点是成本较低，缺点是不能充分保障系统供电。 b p m t 20 增加了电源滤波及保护电路，增强了可靠性，但增加了成本。 硕卜学位论文 b p m t 2 0 增加了4 8 v 通信设备电源电压取样检测电路。 b p m t 2 0 电池只给r t c 供电，从成本考虑，可以选择低成本的电池。 ( 4 ) 温度采样 b p m t 2 0 温度采样选用独立的外置温度传感器，优点是能准确反映室温 状态。 2 3 系统结构框图 移动通信基站电源监控系统的整体结构如图2 2 所示，系统主要由两部 分组成：系统终端和管理服务器。监控终端m c u 采集基站蓄电池、发电机 电压和三相市电动力信号，同时采集温度和空调参数等环境信号，m c u 控制 器通过g p r s 网络将采集到数据上传到管理服务器，监控终端还包括电源模 块、显示及按键、外置数据存储模块和m c u 最小系统模块。管理服务器通 过g p r s 网络向监控监控终端下达各种控制和调节命令，集中管理所在辖区 的多个基站电源监控系统终端。现对框图各部分的功能说明。 电能采集模块 控制模块 电源| | 复位| | 时钟 模块i l 电路i | 电路 m c u 控制器 g p r s 模块 瓣i l 德i 萎言i 监控终端按键i l 存储器| | 接ul “8 8 1 1 悃 图2 2 移动通信基站电源监控系统的整体结构框图 2 3 1 系统终端 系统终端作为系统信号采集和控制执行单元，主要功能有： ( 1 ) 基站电源监控系统电能采集，有功电能计量精度o 5 级，可在终端 查询有功总电量、所查询同的当日有功电量、所查询月的当月有功电量，并 可在服务器实现上述数据的查询。 ( 2 ) 系统正常工作时，可通过对供电线路上的电压、电流等参数的检测， 实时监控直流远供系统的运行情况，电压电流传感器采集的数据通过电能计 量模块传送到控制器。如果出现开路、短路等故障时，立即告警并切断输出， 9 一一一一一一一一 移动通信幕站f 乜源监控系统的设计及实现 判断故障何时消失，若故障消失则重新启动后备电源，否则将一直监测线路 情况，直到故障消失为止。系统监控基站电源供电状况，包括异常情况记录 功能、告警功能、显示功能。 异常情况记录功能：三相电流上电、停电时刻记录，断相开始、恢复时 刻记录，过压开始、恢复时刻记录，电流异常开始、恢复时刻记录；发电机 启动、停止时刻记录；蓄电池欠压开始、恢复时刻记录。上述异常情况记录 均可在终端本地查询显示，也可以通过服务器查询显示。 告警功能：上述异常情况一旦发生，则系统终端将此异常信息发送至管 理服务器，管理服务器可进行相应的处理操作。 显示功能：实时显示有功总电量、各分相有功总电量、三相线电压、线 电流、蓄电池电压、终端运行状态等信息。 ( 3 ) 系统终端采用g p r s s m s 两种方式进行通讯，正常情况下终端与 管理服务器端通过g p r s 进行通信；当g p r s 出现连接故障时，终端可通过 短消息与管理服务器进行数据交换。 ( 4 ) 当网络出现故障时，在g p r s 与短信都发送不出的情况下，终端能 对未发送出去的数据进行保存，可保存3 天的数据，待上述情况解除后及时 将数据发送至服务器。 ( 5 ) 带有实时时钟，可由管理服务器进行时钟设定，终端通过与服务器 进行对操作，时钟日误差 1 秒。 ( 6 ) 带有环境温度采集功能，温度数据实时发送至服务器，为监控人员 了解基站内温度情况并控制空调温度提供参考。 ( 7 ) 带有空调远程控制功能，可在服务器远程控制空调温度。 ( 8 ) 电源模块：终端装置供电可由三相电基站4 8 v 电源自带电池供电， 并能根据供电情况进行自动切换，保证终端可靠运行。 ( 9 ) 状态显示：系统可通过显示与控制接口实时监控系统工作状态，查 询基站局站号、供电线对数、总电压、总电流、各单线电流值以及系统相关 时间等，并能对局站号、供电线对数、峰值电流等系统重要参数进行设置。 可通过l e d 灯指示基站电源情况( 市电蓄电池发电机) ；液晶显示可指示网 络连接状况及信号质量。 2 3 2 管理服务器系统 管理服务器安放在移动移动通信管理公司，负责集中管理所做地区各个 移动基站电源监测和控制，具有如下的功能： ( 1 ) 收集电能计量信息，可设定数据更新时间，统计各基站电能使用情况， 包含历史记录。 ( 2 ) 根据各基站所在点电费度计量计费情况，并具有各种相关统计功能。 l o 硕上学位论文 ( 3 ) 各基站运行状况，记录相关日志，并提供信息归类和报告。 ( 4 ) 对前端的注册和连接信息管理。 2 4 系统整体功能 l 、基站由市电供电时，可人为启动蓄电池后备直流电源进行自检，如果 后备电源工作正常，退出自检过程，如果不能正常工作则立即发出告警信息， 提示工作人员进行维修。 2 、当通信基站市电( c 2 2 0 v 电源) 断电时，可立即启动蓄电池后备直流 电源为本系统供电，同时柴油发电机组启动，为基站其他设备供电，当市电 恢复时，可重新切换到市电供电。 3 、系统可通过显示与控制接口实时监控系统工作状态，查询基站局站号、 供电线对数、总电压、总电流、各单线电流值以及系统相关时间等，并能对 局站号、供电线对数、峰值电流等系统重要参数进行设置。 4 、系统工作时，系统通过g p r s 将基站用电量数据等数据信息以及故障 信息等上传服务器端，实现远程监控。 塞塞兰篁萎兰! ! 塑些堡垂竺竺璧兰垒圣塑 第3 章监控系统硬件设计 移动基站电源监控系统对移动通信机房以及为数众多的基站的动力和环 境进行遥测、遥信和遥控，实时监视系统和设备的运行状态。记录和处理相 关数据及时侦测故障，通知人员处理，从而实现移动通信机房的少人或无 人值守，以及基站动力、环境的集中监控维护管理，保证基站的安全运行 1 3 s , 3 9 1 。监控系统终端的硬件结构如图3 1 所示。 。“ ；蝉曼蝉蜊掣蜊黪- 。、m 。 田3i 监控系统终端硬件结构圉 m s p 4 3 0 f 1 4 9 是整个基站监控系统终端的核心，它通过总线、控制线和 串行线来访问所有核心模块器件。内部机车f l a s h 存储器存放b o o t l o a d e r 、 模块驱动程序和应用程序。同时暂存采集模块上报数据信息，等待监控中心 读取当前基站动力设备运行状态。在系统加电后，系统首先从f l a s h 读取 数据，完成m s p 4 3 0 f 1 4 9 初始化，并开始接收监控中心发来指令。一个串口 一方面作为调试，另一方面用来在正常工作后做内部工作参数设置，数据标 定等。另一个串口作为异步透明串口使用，通过g p r s 网络将数据上传至监 控上位机。监控系统主要器件选型器件选型根据系统需求，以满足系统长期 稳定运行，为系统升级留有足够空间为原则，监控系统终端器件选型如表3 1 所示： 3 1 监控系统的m c u 选择及介绍 在基站电源监控系统中，监控设备的m c u 是整个系统的核心，它承载 硕上学位论文 着信号的采集，数据的运算与上传，以及对系统各部分模块的工作情况进行 协调和控制的作用。根据模块的功能需求，同时考虑目前模块设计中低功耗 化和微型化的发展趋势，本课题选用了t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机作为中 央处理器。 表3 1 监控系统主要器件选型表 注：所选传感器均源自电力系统已有应用并且长期运行稳定的传感器 t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，它具 有16 位r i s c 结构，具有丰富的寻址方式、简洁的2 7 条内核指令；大量的 移动通信苯站f l ! 源监控系统的设计及实现 寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理方法； m c u 中的16 个寄存器和常数发生器使m s p 4 3 0 微控制器能达到最高的代码 效率；m s p 4 3 0 有灵活的时钟源，可以使器件达到最低的功率消耗；它具有 强大的处理能力，在8 m h z 晶体驱动下，指令周期为1 2 5 n s t 4 0 42 1 。 m s p 4 3 0 f l4 9 单片机集成了丰富的片内外设模块，是符合系统应用要求 的高性价比单片机。m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的主要特点： ( 1 ) 低功耗：电压1 8 3 6 v 低电压，r a m 数据保持方式下耗电仅0 1p a ， 活动模式下耗电2 5 0 “a m i p s ( m i p s ：每秒百万条指令数) ，i 0 输入端口的 漏电流最大仅5 0 n a 。 ( 2 ) 强大的处理能力：m s p 4 3 0 系列单片机采用了目前流行的精简指令 集( r i s c ) 结构，一个时钟周期可以执行一条指令，因此在8 m h z 晶振工作 时，指令速度可达到8 m i p s 。 ( 3 ) 丰富的片上外围模块：m s p 4 3 0 系列单片机结合t l 的高性能模拟 技术，各成员都集成了较丰富的片内外设，具体到m s p 4 3 0 f 14 9 单片机有以 下功能模块：看门狗( w d t ) ，模拟比较器a ，定时器a ( t i m e ra ) ，定时器 b ( t i m e rb ) ，串口0 ，1 ( u s a r t 0 1 ) ，硬件乘法器，液晶驱动器，1 2 位a d c ， 直接数据存取( d m a ) ，端口1 6 ( p 1 p 6 ) ，基本定时器。 ( 4 ) 系统工作