廣電發(fā)射臺(tái)集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

于 堅(jiān)

（陜西廣播電視臺(tái)，陜西 西安 710061）

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的高速發(fā)展，廣播電視發(fā)射機(jī)監(jiān)控技術(shù)正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，從原先的單臺(tái)設(shè)備監(jiān)控，已發(fā)展到對(duì)整個(gè)發(fā)射臺(tái)播出設(shè)備、配電系統(tǒng)、機(jī)房環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和運(yùn)行管理。

陜西廣播電視發(fā)射塔負(fù)責(zé)8 套調(diào)頻廣播和3 套電視節(jié)目的無線播出工作，根據(jù)廣電總局《廣播電視安全播出管理規(guī)定》中關(guān)于自臺(tái)監(jiān)控的要求，需建立一套統(tǒng)一的集中監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射臺(tái)播出系統(tǒng)的全面監(jiān)控。

1 SNMP 協(xié)議

SNMP（Simple Network Management Protocol）即 簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議[1?3]，為網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)管理提供了底層框架，使得網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)管理員能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和配置管理其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、操作系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)等[4]，該協(xié)議目前已經(jīng)成為使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)管理標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

SNMP 是一種應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，基于管理工作站（NMS）/代理模式，傳輸層使用無連接服務(wù)的用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP，實(shí)現(xiàn)了不同廠商設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的互聯(lián)互通。SNMP 共有8 個(gè)版本，在實(shí)際應(yīng)用中SNMPv1，SNMPv2，SNMPv3 這3 個(gè)版本應(yīng)用最為廣泛[5]。

SNMP 協(xié)議簇由管理信息結(jié)構(gòu)和標(biāo)識(shí)（SMI）、管理信息庫（MIB）、SNMP 協(xié)議構(gòu)成[6]。SMI 定義了SNMP 框架中可用的管理信息的類型和語法；MIB 描述了代理能夠?yàn)楣芾砉ぷ髡咎峁┑男畔?，以及管理工作站?duì)這些信息的操作權(quán)限（查詢或設(shè)置）；SNMP 協(xié)議是管理工作站與代理之間的通信協(xié)議。RFC1157 中定義了SNMPv1中規(guī)定的5 種操作，每種操作對(duì)應(yīng)一個(gè)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）類型的定義：get，get?next，set，get?response，trap。

由于SNMP 協(xié)議在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，廣播電視發(fā)射機(jī)的遙控接口從早期的采用RS 232/RS 485 串行通信，通過串口服務(wù)器將發(fā)射機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)[7?8]，逐漸轉(zhuǎn)至采用SNMP 通過以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控[9?10]。利用以太網(wǎng)在組網(wǎng)方式上的便利性，使得多臺(tái)發(fā)射機(jī)、配電系統(tǒng)以及機(jī)房環(huán)境等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的集中監(jiān)控更容易實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展，本文將重點(diǎn)介紹基于SNMP 的發(fā)射臺(tái)集中監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)。

2 Harris 發(fā)射機(jī)協(xié)議分析

目前播出使用的Harris FAX10 型調(diào)頻發(fā)射機(jī)和SIEL 電視發(fā)射機(jī)均采用SNMP 協(xié)議，這里以Harris FAX10 型發(fā)射機(jī)為例，對(duì)其SNMP 展開具體分析。

2.1 Harris MIBs

MIB 是一種“標(biāo)準(zhǔn)”，使用ASN.1 語言定義被管理對(duì)象。網(wǎng)絡(luò)管理者通過SNMP查詢?cè)O(shè)備信息時(shí)，必須查詢?cè)O(shè)備的MIB，以確定是否有對(duì)應(yīng)的被管理對(duì)象定義。MIB是以層次化的方式組織設(shè)備管理信息，樹中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都代表著該設(shè)備的某項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，都有其唯一的對(duì)象標(biāo)識(shí)符（OID），管理工作站可以通過OID 指定要訪問的數(shù)據(jù)項(xiàng)。

根據(jù)Harris 公司提供的MIB，可通過MIB 瀏覽器進(jìn)行調(diào)試。MIB 瀏覽器的功能是使用搜索目錄樹的方法，定位和顯示MIB 中被管理對(duì)象的值，可通過向管理對(duì)象發(fā)送操作請(qǐng)求，接收和顯示變量綁定表中的內(nèi)容。

這里以接收發(fā)射機(jī)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為例，通過MIB 瀏覽器調(diào)試結(jié)果如圖1 所示。右側(cè)即為查詢指定OID（1.3.6.1.4.1.290.9.2.1.1.5.1.9.0）的返回值，包括paVoltage（PA 平均電壓）、paCurrent（PA 總電流）、outForwardPower（整機(jī)輸出功率）、outReflectedPower（整機(jī)反射功率）等以及一些發(fā)射機(jī)狀態(tài)開關(guān)量信息。Harris 發(fā)射機(jī)采用SNMPv2，支持get?bulk 操作，即一次獲得表中多個(gè)變量值，減少了查詢大量管理信息時(shí)所進(jìn)行的協(xié)議交換次數(shù)，便于數(shù)據(jù)采集。

發(fā)射機(jī)的使能控制主要包括開機(jī)、關(guān)機(jī)、升功率、降功率，通過set 操作改變SetValue 的值，即可遠(yuǎn)程控制發(fā)射機(jī)完成相應(yīng)的操作。如圖2 所示，TXBaseControl 的OID 為：1.3.6.1.4.1.290.9.2.1.1.5.3.1，set 值可以設(shè)為1（開機(jī)）、2（關(guān)機(jī)）、3（升功率）、4（降功率）。在理解了Harris發(fā)射機(jī)的MIB 庫后，便可以進(jìn)行SNMP 報(bào)文分析，只有理解報(bào)文結(jié)構(gòu)才能編寫應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。

圖1 Harris MIB 調(diào)試結(jié)果

圖2 MIB 中TXBaseControl 調(diào)試結(jié)果

2.2 SNMP 報(bào)文分析

2.2.1 BER 編碼

SNMP 使用BER（Basic Encoding Rules）作為傳輸語法，它將數(shù)據(jù)按ASN.1 定義的數(shù)據(jù)類型格式進(jìn)行二進(jìn)制編解碼和傳輸。BER 的基本思想是將數(shù)據(jù)表示成標(biāo)志、長(zhǎng)度、內(nèi)容（T，L，V），即傳輸數(shù)據(jù)的類型（Tag）、大小（Length）和值（Value）。如圖3 所示，BER 約定字節(jié)的最高有效位在最左邊（bit7），最低有效位在最右邊（bit0）。

以對(duì)象標(biāo)識(shí)符OID（1.3.6.1.4.1.290.9.2.1.1.2.2）為例，Tag 為06H，長(zhǎng)度L 為0DH（13 個(gè)字節(jié)），V 值為2B 06 01 04 01 82 22 09 02 01 01 02 02。其中，2B 十進(jìn)制為43，說明第一、第二個(gè)整數(shù)分別為1 和3。由于每個(gè)字節(jié)可以表示整數(shù)的范圍是0～127，而290 大于127，其二進(jìn)制表示為1 0010 0010，因此使用2 個(gè)字節(jié)表示，第1 個(gè)字節(jié)最高位為“1”，表示有后續(xù)字節(jié)，后7 位為000 0010；第2 個(gè)字節(jié)的最高位為“0”，表示本字節(jié)為最后1 個(gè)字節(jié)，后7 位為010 0010，這2 個(gè)字節(jié)最終的編碼為1000 0010 0010 0010，十六進(jìn)制表示為82 22。

2.2.2 SNMP 報(bào)文分析

為了理解Harris 發(fā)射機(jī)SNMP 的報(bào)文結(jié)構(gòu)，這里采用抓包軟件獲取SNMP 數(shù)據(jù)包，如圖4 所示。圖4 中，陰影部分以上是IP，UDP 的相關(guān)信息，陰影區(qū)報(bào)文是一個(gè)ASN.1 序列結(jié)構(gòu)，是根據(jù)BER 規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的信息，這里以框內(nèi)數(shù)據(jù)為例，具體解析如表1所示。

圖3 BER 的基本結(jié)構(gòu)和字節(jié)順序

圖4 捕獲的SNMP 數(shù)據(jù)包

表1 報(bào)文分析

從表1 的分析可知，GetResponse?PDU 返回了發(fā)射機(jī)實(shí)時(shí)參數(shù)PA 平均電壓值，以及其他一系列發(fā)射機(jī)運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)開關(guān)量信息，因此通過對(duì)SNMP 報(bào)文PDU數(shù)據(jù)包內(nèi)容的解析即可獲得相應(yīng)的Harris 發(fā)射機(jī)運(yùn)行參數(shù)。

3 發(fā)射臺(tái)集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 應(yīng)用需求

陜西塔調(diào)頻機(jī)房共有Harris 發(fā)射機(jī)Z10CD 型4 臺(tái)，F(xiàn)AX10 型4 臺(tái)，備機(jī)2 臺(tái)。除FAX10 型發(fā)射機(jī)外，其 余均采用RS 232 通信。電視機(jī)房有6 臺(tái)發(fā)射機(jī)，其中2 臺(tái)SIEL 發(fā)射機(jī)為SNMP 通信，其他均采用RS 232/RS 485通信。當(dāng)這些設(shè)備出現(xiàn)功率降低、模塊故障或駐波比增大的情況時(shí)，傳統(tǒng)的人工巡檢方式不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并處理，因此需開發(fā)一套集中數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全部發(fā)射機(jī)的集中監(jiān)控，并集成電力、環(huán)境監(jiān)測(cè)功能。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

調(diào)頻發(fā)射機(jī)通過2 臺(tái)倒備控制器完成底層數(shù)據(jù)采集和控制，電視發(fā)射機(jī)通過3 臺(tái)采集控制器完成數(shù)據(jù)采集和控制，機(jī)房溫濕度和煙感信息通過環(huán)境采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，配電柜電壓電流參數(shù)通過電力采集器采集。這些下位機(jī)通過以太網(wǎng)交換機(jī)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過TCP 連接方式傳送給臺(tái)站服務(wù)器，由服務(wù)器完成采集數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)和控制指令的發(fā)送，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 系統(tǒng)軟件功能

在本次發(fā)射臺(tái)集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，其軟件應(yīng)具備以下功能：

1）系統(tǒng)能夠采集模擬電視發(fā)射機(jī)、調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)等設(shè)備運(yùn)行參數(shù)并實(shí)時(shí)顯示。

2）系統(tǒng)具備定時(shí)開關(guān)機(jī)、遠(yuǎn)程遙控、啟用/禁止自動(dòng)倒備機(jī)、升降功率等功能。

3）支持顯示電力、環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)并實(shí)時(shí)顯示，可設(shè)置報(bào)警門限，故障時(shí)發(fā)出告警。

4）支持實(shí)時(shí)聲光報(bào)警，并可以通過配置不同的用戶組實(shí)現(xiàn)報(bào)警發(fā)送。

5）支持通過圖形曲線和表格等顯示形式，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等進(jìn)行分析處理，具備抄表、自動(dòng)記錄和網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)裙δ堋?/p>

3.3 集中監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

由于本系統(tǒng)涉及的硬件設(shè)備較多，包括調(diào)頻發(fā)射機(jī)、電視發(fā)射機(jī)、溫濕度傳感器、煙感探頭、電力采集器等，軟件系統(tǒng)分為下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件，下位機(jī)軟件負(fù)責(zé)對(duì)管理的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制，上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)可視化操作、圖形界面生成、數(shù)據(jù)庫管理和軟件功能模塊的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖如圖6 所示。由于篇幅有限，本文將重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)通信核心部分，即下位機(jī)基于SNMP 的發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集和控制軟件的開發(fā)，串行通信部分可參考文獻(xiàn)[11?12]。

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

3.3.1 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)體

由于采集的發(fā)射機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的數(shù)量較大，為了設(shè)計(jì)方便，建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，將從發(fā)射機(jī)上采集的數(shù)據(jù)放入結(jié)構(gòu)體中，其代碼如下：

3.3.2 SNMP 類

SNMP 通信軟件的開發(fā)主要完成以下兩個(gè)內(nèi)容：構(gòu)造正確的PDU，組成SNMP 報(bào)文；對(duì)發(fā)送或接收的SNMP報(bào)文進(jìn)行BER 編解碼。為了便于程序開發(fā)，可以通過編寫SNMP 類來完成SNMP 報(bào)文的封裝，SNMP 類主要完成BER 編解碼，從PDU 中獲取將Vb 對(duì)象或?qū)b 對(duì)象綁定到PDU。其中，Vb 對(duì)象是封裝了一個(gè)對(duì)象標(biāo)識(shí)符和一個(gè)ASN.1 值的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

SNMP 類的成員函數(shù)主要包括：

3.3.3 下位機(jī)主程序

下位機(jī)主程序完成采集器與發(fā)射機(jī)之間的SNMP通信，并將實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)接收上位機(jī)的控制信息，對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行開關(guān)機(jī)和升降功率操作。Harris發(fā)射機(jī)每1 s采集一次數(shù)據(jù)，SIEL 發(fā)射機(jī)每600 ms采集一次數(shù)據(jù)。以Harris 發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)采集為例，核心代碼如下：

對(duì)于接收的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)解析函數(shù)（bool DataAnaly（unsigned char*Dat，unsigned int num））處理，首先對(duì)GetResponse?PDU 或Trap?PDU 內(nèi)容進(jìn)行BER 解碼，再將對(duì)應(yīng)OID 的變量值逐一取出，根據(jù)發(fā)射機(jī)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)做相應(yīng)換算得到電壓、電流、功率等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)和狀態(tài)開關(guān)量存入transmitter 結(jié)構(gòu)體中，最后將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

3.3.4 上位機(jī)系統(tǒng)界面和功能

上位機(jī)服務(wù)器端集中監(jiān)控系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，具有系統(tǒng)登錄、基本信息、電力監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)瀏覽、發(fā)射機(jī)監(jiān)控、播出統(tǒng)計(jì)、報(bào)警查詢和報(bào)警分析9 個(gè)功能模塊，其主界面如圖7 所示。

主界面中上部顯示10 臺(tái)調(diào)頻發(fā)射機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，左側(cè)為3 臺(tái)配電箱的電壓電流參數(shù)，下部為調(diào)頻機(jī)房實(shí)時(shí)溫濕度和煙感信息。此外，播出統(tǒng)計(jì)、報(bào)警查詢和分析、發(fā)射機(jī)開關(guān)機(jī)和功率調(diào)整等功能也集成在系統(tǒng)子菜單中，以方便值班和技術(shù)人員查看和操作。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)開發(fā)過程中的難點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)與多臺(tái)多型號(hào)發(fā)射機(jī)之間的可靠通信，由于不同發(fā)射機(jī)各自通信方式和協(xié)議上的差異，需進(jìn)行大量的調(diào)試工作，因此深入理解設(shè)備的SNMP 等相關(guān)協(xié)議是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)后期仍需繼續(xù)開發(fā)，完善N+1 切換功能模塊，集成視頻監(jiān)控模塊，開發(fā)移動(dòng)終端監(jiān)控模塊，以實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)終端隨時(shí)隨地對(duì)臺(tái)站運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而進(jìn)一步提高發(fā)射臺(tái)站自動(dòng)化監(jiān)控水平。

圖7 調(diào)頻發(fā)射機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控界面