移動基站電源管理系統(tǒng)設計＊

王應德,黎福海,席永明,3

(1.長沙大學電子與通信工程系,湖南長沙 410003;2.湖南大學電氣與信息工程學院,湖南長沙 410018;3.江西省公安廳交通警察總隊,江西南昌 330006)

移動基站電源管理系統(tǒng)設計＊

王應德1,2,黎福海2,席永明2,3

(1.長沙大學電子與通信工程系,湖南長沙 410003;2.湖南大學電氣與信息工程學院,湖南長沙 410018;3.江西省公安廳交通警察總隊,江西南昌 330006)

本文給出了一個移動通信基站電源管理系統(tǒng)的設計方案.方案包括以 AD I公司高性能處理器 Blackfin531為核心、以專用的電能計量芯片 ADE7754進行電能計量和供電狀況監(jiān)測的前置終端設計,服務器端和前置終端單元之間采用主從控制方式的通信協(xié)議設計,以及提高電源管理系統(tǒng)抗干擾能力的系統(tǒng)可靠性設計.最后,對本設計進行了總結,并對基站電源管理系統(tǒng)的未來進行了展望.

基站;公共傳輸網(wǎng)絡;ADE7754;Blackfin531;通信協(xié)議

隨著移動通信迅速發(fā)展及通信覆蓋面的日益擴大和普及,移動通信基站遍布全國各地.移動通信基站所處的大多數(shù)地區(qū),電力網(wǎng)情況并不穩(wěn)定,機房環(huán)境也比較惡劣,但在一般情況下,機房基本上都是無人值守的,所以對基站電源及運行環(huán)境進行遙測、遙信和遙控,是降低運行維護費用,提高通信質量及系統(tǒng)的管理水平,從而大幅度提高整體運行效率的迫切要求.基站電源管理系統(tǒng)在使用過程中將遇到的問題主要有:第一、系統(tǒng)通信可靠性問題.無線通信模塊工作于高頻,及容易干擾其他電路,也容易受其他電路的影響[1];第二、系統(tǒng)可維護性問題.管理系統(tǒng)必須是一個“可持續(xù)發(fā)展”的系統(tǒng),要能對系統(tǒng)進行維護、擴充和升級.因此,為了建立一個既穩(wěn)定可靠又能滿足今后維護和升級的基站電源精細化管理系統(tǒng),需要考慮以上問題.

1 供電電源管理系統(tǒng)組成模塊設計

系統(tǒng)分為前置終端和服務器端,系統(tǒng)結構如圖1所示.前置終端安裝于基站內(nèi)部,完成對基站用電量數(shù)據(jù)的采集、累積、保存、發(fā)送功能,同時記錄基站電源供電情況、實現(xiàn)用電異常自動報警和基站內(nèi)空調的開?？刂频萚2],服務器完成對上述數(shù)據(jù)的接收、統(tǒng)計、存檔、查詢功能.

1.1 系統(tǒng)前置終端功能設計

系統(tǒng)前置終端的功能設計如圖 2所示.終端MCU采集基站蓄電池、發(fā)電機電壓和三相市電動力信號,同時采集溫度和空調參數(shù)等環(huán)境信號,MCU控制器通過公共傳輸網(wǎng)絡 (有線或無線)將采集到的數(shù)據(jù)上傳到管理服務器,終端還包括電源模塊、顯示及按鍵、外置數(shù)據(jù)存儲模塊和MCU最小系統(tǒng)模塊.

系統(tǒng)前置終端作為系統(tǒng)信號采集和控制執(zhí)行單元,主要功能有:

基站用電量數(shù)據(jù)采集,有功電能計量精度 0.5級,可在終端查詢有功總電量、無功總電量,所查詢?nèi)盏漠斎沼泄﹄娏俊o功電量,所查詢月的當月有功電量、無功電量,并可在服務器實現(xiàn)上述數(shù)據(jù)的查詢.

圖1 系統(tǒng)結構圖

系統(tǒng)正常工作時,可通過對供電線路上的電壓、電流等參數(shù)的檢測,實時遠程監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況,電壓電流傳感器采集的數(shù)據(jù)通過電能計量模塊傳送到控制器.如果出現(xiàn)開路、短路等故障時,立即告警并切斷輸出,判斷故障何時消失,若故障消失則重新啟動后備電源,否則將一直監(jiān)測線路情況,直到故障消失為止.系統(tǒng)監(jiān)控基站電源供電狀況,包括異常情況記錄功能、告警功能、顯示功能[3].

異常情況記錄功能:三相電流上電、停電時刻記錄,斷相開始、恢復時刻記錄,過壓開始、恢復時刻記錄,電流異常開始、恢復時刻記錄;發(fā)電機啟動、停止時刻記錄;蓄電池欠壓開始、恢復時刻記錄.上述異常情況記錄均可在終端本地查詢顯示,也可以通過服務器查詢顯示.

告警功能:上述異常情況一旦發(fā)生,則系統(tǒng)終端將此異常信息發(fā)送至管理服務器,管理服務器可進行相應的處理操作.

顯示功能:實時顯示有功總電量、各分相有功總電量、三相線電壓、線電流、蓄電池電壓、終端運行狀態(tài)等信息.

系統(tǒng)終端采用公共傳輸網(wǎng)絡 (有線或無線)進行通訊,正常情況下終端與管理服務器端通過公共傳輸網(wǎng)絡 (有線或無線)進行通信.

圖2 系統(tǒng)前置終端的功能設計圖

系統(tǒng)預留了短信 (S MS)通道作為系統(tǒng)的備份通信手段,當網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)自動通過短信通道完成與服務器端的數(shù)據(jù)通信[4].

當外界因素影響,傳輸信道或傳輸系統(tǒng)不能正常傳輸數(shù)據(jù)時,終端可以獨立處理信息并存于本地,待信道正常后再傳輸,克服無線終端易受環(huán)境因素影響未能正常數(shù)據(jù)傳輸工作的缺點.

帶有實時時鐘,可由管理服務器進行時鐘設定,終端通過與服務器進行對操作.

帶有環(huán)境溫度采集功能,溫度數(shù)據(jù)實時發(fā)送至服務器,為監(jiān)控人員了解基站內(nèi)溫度情況并控制空調溫度提供參考.

帶有空調遠程控制功能,可在服務器遠程控制空調溫度.

電源模塊:終端裝置供電可由三相電 /基站 48V電源 /自帶電池供電,并能根據(jù)供電情況進行自動切換,保證終端可靠運行.

狀態(tài)顯示:系統(tǒng)可通過顯示與控制接口實時監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài),查詢基站局站號、供電線對數(shù)、總電壓、總電流、各單線電流值以及系統(tǒng)相關時間等,并能對局站號、供電線對數(shù)、峰值電流等系統(tǒng)重要參數(shù)進行設置.可通過 LED燈指示基站電源情況(市電 /蓄電池 /發(fā)電機);液晶顯示可指示網(wǎng)絡連接狀況及信號質量.

1.2 終端的硬件設計

終端硬件設計著眼于滿足當前應用需求,并為系統(tǒng)留有功能升級的空間.核心控制器選擇 AD I公司的 DSP——Blackfin531,該控制器性價比高,滿足當前應用需求,并能夠滿足將來的基站視頻監(jiān)控應用需求的升級.電能計量模塊選擇 AD I公司的ADE7754,該模塊在業(yè)內(nèi)占領市場比例高,出貨量大,計量精度高,運行穩(wěn)定,性價比高,得到廣泛應用.硬件組成框圖如圖 3所示:

圖3 系統(tǒng)硬件組成方框圖

2 供電電源管理系統(tǒng)通信協(xié)議與可靠性設計

2.1 服務器與前置終端的通信協(xié)議設計

服務器端和前置終端單元間均采用了主從控制方式.服務器端為“主站”,各基站均為“從站”.由主站向從站發(fā)布命令,指揮從站的運行,設置從站各項參數(shù),獲取從站的狀態(tài)信息.從站接收命令并做出響應.兩者采用了異步通信方式.

參考 ISO/OSI協(xié)議模型,兩種通信規(guī)范模型均采用分層設計方式.兩種協(xié)議結構十分相似,模型均分為三層:應用層、物理層、鏈路層.

(1)物理層:前置終端單元采用 RS-485/RS-232接口標準.RS-485采用差分傳輸方式,提高了信號傳輸距離和傳輸速度.而使用 RS-232主要是能用Modem通過 GPRS網(wǎng)絡進行撥號接入遠端 PC.

(2)鏈路層:該層實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路連接的建立、拆除,以及為數(shù)據(jù)在節(jié)點間的傳輸,提供一條可靠的數(shù)據(jù)通路.

(3)應用層:在應用層上傳輸各單元實體間的交互信息.命令消息由主站發(fā)向從站,而響應消息由從站反饋回主站.

2.2 電源管理系統(tǒng)的可靠性設計

干擾信號主要通過三個途徑進入系統(tǒng):電磁感應、傳輸通道和電源線.系統(tǒng)的抗干擾措施主要就是要防止干擾進裝置內(nèi)部,破壞裝置的正常運行.硬件抗干擾主要是從消除干擾源和切斷耦合通道兩方面著手,進行有的效隔離、屏蔽和濾波,阻斷干擾進入裝置的路徑,同時降低保護裝置本身的電磁敏感性.

電源的抗干擾設計.電源端口是最重要也是最易受到干擾的端口,電源的設計好壞對系統(tǒng)的抗干擾性能影響很大.本設計對電源端口的抗干擾方面注意了以下幾點:

(1)選用穩(wěn)定性好的模塊電源,專業(yè)電源廠家的電源模塊內(nèi)部一般包含完善的保護電路和濾波電路,如果成本許可,可選用工業(yè)級甚至軍工級產(chǎn)品:

(2)進行很好的濾波,電源部分采用了高頻扼流線圈 +鐵氧體磁珠 +旁路電容的措施[5].

(3)為有效防止浪涌等破壞性試驗將電源模塊燒壞,應加氧化鋅壓敏電阻和放電管來抑制過電壓.

通信端口的抗干擾設計.為提高通信端口的抗干擾能力,通訊端口均需經(jīng)過隔離后才能與外界進行通訊,常用的高速光電隔離器件如 6N1 37,TLP2630,HCPL.063等,其耐壓值均超過 1000V,具有很好的抗干擾能力.

印制電路板的抗干擾設計.電路板設計會對系統(tǒng)的抗干擾能力產(chǎn)生直接影響,因此也是裝置抗干擾的重要一環(huán),在印刷電路板設計應注意以下幾點.

(1)電源和地線之間加上去耦電容、盡量加寬電源和地線寬度.

(2)模擬電源與數(shù)字電源分開供電,模擬地與數(shù)字地分開連接,減少數(shù)字信號對模擬部分的干擾;

(3)選擇合理的導線寬度,由于瞬變電流在印制線條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印制導線的電感成分造成的,因此應盡量減小印制導線的電感量.

(4)在器件布置方面與其它邏輯電路一樣,應把相互有關的器件盡量放得靠近些,這樣可以獲得較好的抗噪聲效果.

機箱與系統(tǒng)結構的抗干擾設計.機箱作為外界干擾量最直接的屏障,在設計是注意以下幾點:

(1)機箱的機械結構應該合理,最好采用整體機箱;

(2)機箱整體必須具有良好的導電性,除前面板外,其余部位一般是金屬外殼直接裸露在空氣中,不涂任何絕緣材料;

(3)在設計布局時,應使敏感器件如 CPU、液晶顯示模塊等遠離電源、模擬量輸入、開入、開出等模塊;

(4)機殼采用多點接地的方式,即每個接地點都應接到距離該點最近的地平面上去.裝置接地不良不但對設備本身的正常運行造成影響,而且還可能造成人身觸電等重大事故.

3 結語

目前國內(nèi)移動基站電源管理系統(tǒng)多數(shù)是從國外引進的,系統(tǒng)功能有限,價格比較昂貴.這里研究設計的管理系統(tǒng)終端根據(jù)目前移動基站管理模式以及需要解決的問題進行定制研發(fā).使用它可以提高基站的管理維護水平,從而達到節(jié)能、提高服務質量的目標.該系統(tǒng)終端具有數(shù)據(jù)傳輸中繼及接入的功能,基站中其他設備的數(shù)據(jù)包可以通過本終端轉發(fā)到系統(tǒng)將服務器,命令和數(shù)據(jù)也可以通過服務器發(fā)送到本終端,由終端再轉發(fā)至相應的設備.此功能可以實現(xiàn)遙測遙控.本系統(tǒng)終端具有高可靠性,當公共傳輸網(wǎng)絡 (有線或無線)、短信 (S MS)通道都不能正常傳輸數(shù)據(jù)時,終端可以獨立處理,信息存于本地,待信道正常后再傳輸,克服無線終端易受環(huán)境因素影響未能正常數(shù)據(jù)傳輸工作的缺點.本系統(tǒng)可用于各種移動基站,也可以用于其他需要對電源進行監(jiān)控管理的場合.

[1]顧海洲,等.PC電磁兼容技術——設計實踐 [M].北京:清華大學出版社,2004.

[2]于長江,等.基于 GPRS的基站智能管理平臺終端 [J].計算機系統(tǒng)應用,2009,(8):199-204.

[3]彭偉.電源空調集中監(jiān)控系統(tǒng)的維護與管理[J].電信技術,2002,(5):27-28.

[4]桑彩霞,等.基于Web的遠程基站巡檢與監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].軟件導刊,2007,(21):102-104.

[5]范敦浩.電源監(jiān)控系統(tǒng)防雷措施 [J].通信電源技術,2002,(1):23-28.

TN91

A

1008-4681(2010)02-0032-03

2010-03-09

長沙市科技計劃 (批準號:k0803117-11)資助項目.

王應德 (1965-),男,湖南長沙人,長沙大學電子與通信工程系高級實驗師,碩士.研究方向:嵌入式系統(tǒng)、通信電源.

(作者本人校對)