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      一種低成本數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

      2022-07-14 09:01:48
      電視技術(shù) 2022年6期
      關(guān)鍵詞:光照度檢波器采集器

      米 亮

      (江蘇省廣播電視總臺(tái)發(fā)射傳輸臺(tái),江蘇 南京 210009)

      0 引言

      無線發(fā)射臺(tái)的智慧化發(fā)展已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。發(fā)射臺(tái)智慧化建設(shè)包括前端采集、智慧分析、智慧呈現(xiàn)以及數(shù)據(jù)中心等[1]。前端采集器是發(fā)射臺(tái)智慧化建設(shè)必不可少的設(shè)備,必須高效、超感知、功能強(qiáng)大。超感知要求采集器能夠感知細(xì)微隱患,提前預(yù)防,防患于未然;功能強(qiáng)大要求采集器可采集不同種類的傳感器數(shù)據(jù),同時(shí)支持多種數(shù)據(jù)上傳方式。

      常見的采集器有電力數(shù)據(jù)采集器、環(huán)境數(shù)據(jù)采集器等,主要實(shí)現(xiàn)對(duì)不間斷電源(Uninterrupted Power Supply,UPS)、市電、環(huán)境(溫濕度、水浸、煙霧)的監(jiān)測(cè)。本文針對(duì)發(fā)射臺(tái)的特定需求,著眼于解決實(shí)際問題,研制了一種多功能采集器。該采集器能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射機(jī)射頻功率采集和光照度采集,通過以太網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)到發(fā)射臺(tái)局域網(wǎng),并支持Syslog 協(xié)議和消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸(Message Queuing Telemetry Transport,MQTT)協(xié)議。

      監(jiān)測(cè)平臺(tái)可采用兩種方式實(shí)現(xiàn),一種為定制軟件實(shí)現(xiàn)方式,另外一種為通用軟件實(shí)現(xiàn)方式[2]。定制軟件開發(fā)難度大、周期長(zhǎng),因此本系統(tǒng)采用通用軟件解決實(shí)際問題。采集器將告警信息通過syslog協(xié)議上傳到kiwi syslog 服務(wù)器,kiwi syslog 服務(wù)器完成告警信息顯示和語(yǔ)音報(bào)警,達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防的效果,實(shí)現(xiàn)提醒值班人員的目的。

      1 系統(tǒng)架構(gòu)

      系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)展示兩部分,如圖1 所示。

      圖1 多種類設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

      本系統(tǒng)中,其他類型設(shè)備是指支持syslog 協(xié)議的監(jiān)測(cè)設(shè)備,主要是畫面分割器。

      交換機(jī)連接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中具有網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)備,如多功能采集器、畫面分割器以及監(jiān)測(cè)終端等,進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚和信息交換。

      多功能采集器是整個(gè)系統(tǒng)的核心,完成射頻功率采集和光照度采集,將采集的參數(shù)進(jìn)行整理或者轉(zhuǎn)換,按照統(tǒng)一格式打包推送到數(shù)據(jù)平臺(tái),同時(shí)將告警信息通過syslog 協(xié)議上傳到監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

      監(jiān)測(cè)平臺(tái)采用通用軟件kiwi syslog 實(shí)現(xiàn)。kiwi syslog 對(duì)多功能采集器和畫面分割器產(chǎn)生的日志消息進(jìn)行集中存儲(chǔ)并報(bào)警。

      2 多功能采集器

      多功能采集器實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)射頻功率采集和光照度采集,通過以太網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)到發(fā)射臺(tái)局域網(wǎng),告警信息通過syslog 協(xié)議上傳到監(jiān)測(cè)平臺(tái),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(wǎng)方式上傳數(shù)據(jù),因此外部需要擴(kuò)展一個(gè)以太網(wǎng)模塊。

      圖2 多功能采集器流程圖

      2.1 發(fā)射機(jī)射頻功率檢波

      發(fā)射機(jī)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(shù)典型值為20~30 dB,因此耦合器的反饋信號(hào)比送到天線口的信號(hào)低20~30 dB。射頻信號(hào)經(jīng)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(jìn)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(tǒng)選用美國(guó)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(dòng)態(tài)范圍為-55~+15 dBm,屬于吸收式功率檢波器。

      AD8362 用作功率測(cè)量器件時(shí),輸出和輸入的均方根值的對(duì)數(shù)成比例關(guān)系。換言之,將直接以dB顯示讀數(shù),并可方便地按每10 倍1 V 或50 mV·dB-1的比例調(diào)整,其他斜率也很容易實(shí)現(xiàn)。

      檢波器的測(cè)量精度與溫度、頻率有關(guān),檢波器斜率和截距也不同。無線發(fā)射機(jī)均采用固定頻率發(fā)射且機(jī)房溫度變化范圍極小,特別有利于檢波器的校準(zhǔn)。根據(jù)AD8362 的特性,需要4 個(gè)已知參數(shù)即可計(jì)算出斜率和截距。發(fā)射機(jī)輸出功率電平設(shè)定為接近最大功率,記錄發(fā)射功率和AD8362 讀數(shù),再將發(fā)射機(jī)的輸出功率減少到接近最小功率,再次記錄發(fā)射功率和AD8362 讀數(shù)。根據(jù)以上4 個(gè)參數(shù)即可計(jì)算出斜率和截距。已知斜率和截距,可根據(jù)AD8362 讀數(shù)計(jì)算發(fā)射機(jī)的輸出功率。

      本系統(tǒng)中,射頻功率檢波器的輸出電壓范圍為0.6~5 V,單片機(jī)通過模擬接口讀取電壓值。發(fā)射機(jī)射頻輸出功率穩(wěn)定度指標(biāo)為±0.5 dB。以1 000 W發(fā)射機(jī)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(jī)根據(jù)“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(yīng)用名命名為“RF”,用于區(qū)別光照度采集日志消息。

      2.2 光照度采集

      發(fā)射機(jī)房中某設(shè)備為專用設(shè)備,只能通過巡檢的方式檢測(cè)故障。本系統(tǒng)提供了一種方法,能夠在不破壞原有設(shè)備物理結(jié)構(gòu)的情況下監(jiān)測(cè)該設(shè)備。該專用設(shè)備正常工作狀態(tài)下指示燈滅,設(shè)備故障或者設(shè)備信號(hào)異常時(shí)指示燈亮,光照度變化較為明顯?;谠撎匦裕鞠到y(tǒng)通過光照度變化判斷設(shè)備的工作狀態(tài)。系統(tǒng)選用BH1750 型光傳感器,其分辨率為1~65 535 lx,對(duì)光照度極為敏感。該傳感器精度高、測(cè)量誤差小,無需外圍電路,通過I2C 接口與上位機(jī)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(shè)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(hào)傳輸給單片機(jī),由單片機(jī)分析處理數(shù)據(jù);單片機(jī)事先設(shè)置好一個(gè)光照范圍,將采集的光照度數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)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(jī)根據(jù)“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(yīng)用名命名為“LI”,用于區(qū)別射頻功率檢波器日志消息。

      光照強(qiáng)度范圍的上、下限值需要通過多次試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整,保證區(qū)間設(shè)置合理,以達(dá)到最佳測(cè)量效果,避免誤報(bào)警[5]。經(jīng)過實(shí)測(cè),光傳感器進(jìn)行特殊處理后,對(duì)光線極為敏感,能夠判斷設(shè)備工作是否異常。

      2.3 軟件設(shè)計(jì)

      系統(tǒng)軟件通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。ATMEGA328單片機(jī)軟件程序流程如圖3 所示。單片機(jī)通過外部模擬量引腳采集射頻功率計(jì)數(shù)據(jù),通過I2C 接口采集光照度傳感器數(shù)據(jù)。射頻功率檢波器采用標(biāo)識(shí)頭“RF”封裝采集的數(shù)據(jù),光照度采集采用標(biāo)識(shí)頭“LI”封裝采集的數(shù)據(jù),通過通用異步收發(fā)傳輸 器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART)發(fā)送到以太網(wǎng)模塊,從而完成數(shù)據(jù)的采集和以太網(wǎng)發(fā)送功能。

      圖3 ATMEGA328 單片機(jī)軟件程序流程圖

      系統(tǒng)首先初始化射頻功率計(jì)和光照度傳感器模塊,使所有模塊進(jìn)入正常工作狀態(tài)。之后系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù),同時(shí)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)封裝發(fā)送,同時(shí)判斷數(shù)值是否在設(shè)置的區(qū)間內(nèi)。如果數(shù)值超出設(shè)置區(qū)間,系統(tǒng)根據(jù)“RFC-5424,2009”日志消息的格式封裝文本信息,發(fā)送告警信息,同時(shí)系統(tǒng)循環(huán)采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)封裝發(fā)送。

      2.4 Syslog 消息發(fā)布

      本系統(tǒng)通過syslog 消息方式上傳告警信息。Syslog RFC 數(shù)據(jù)格式遵循的規(guī)范主要有RFC 3164和RFC 5424。因RFC3164 已廢棄,本系統(tǒng)選用RFC5424 規(guī)范。

      Syslog 協(xié)議“RFC-5424,2009”格式為:優(yōu)先級(jí)-版本-空格-時(shí)間戳-空格-主機(jī)名-空格-應(yīng)用名-空格-進(jìn)程id-空格-信息id-空格-結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)-空格-消息。優(yōu)先級(jí)取值范圍為0~191,比如34。RFC5424 版本號(hào)默認(rèn)為1。時(shí)間戳格式為yyyy-mm-ddTHH:MM:SS.xxxxxx+/-HH:MM,比 如2021-09-10T23:20:50.52Z。主機(jī)名標(biāo)識(shí)發(fā)送syslog消息的源主機(jī),如192.168.0.1 或者”-”。應(yīng)用名用于識(shí)別產(chǎn)生消息的設(shè)備或應(yīng)用,可用“-”代替。進(jìn)程id 可用“-”代替,信息id 可用“-”代替,結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可用“-”代替。MSG 日志消息體無格式要求,如果syslog應(yīng)用使用UTF-8編碼,必須以BOM開頭?;谝陨蟬yslog 協(xié)議特點(diǎn),本系統(tǒng)發(fā)送符合這種格式的字符串,接收端即可解析出來。

      3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

      本系統(tǒng)選用Kiwi Syslog 通用軟件作為監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件。Kiwi Syslog Server 是一款經(jīng)濟(jì)實(shí)用的syslog 管理工具,可以接收跨網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(交換機(jī)、防火墻等)、服務(wù)器(Linux、Windows 服務(wù)器)的日志,對(duì)日志進(jìn)行集中存儲(chǔ)和管理以及報(bào)警。

      本系統(tǒng)中,Syslog 日志信息來源于兩部分,一部分是采集器產(chǎn)生的日志信息,另一部分是機(jī)房現(xiàn)有設(shè)備產(chǎn)生的日志信息。

      機(jī)房現(xiàn)有設(shè)備主要為多個(gè)廠家的畫面分割器。各個(gè)廠家均配備了畫面分割器管理軟件,這類軟件功能強(qiáng)大,但同時(shí)也給值班人員帶來負(fù)擔(dān)。值班人員很難快速判斷故障、解決故障。這類設(shè)備均支持syslog協(xié)議,將這類設(shè)備接入數(shù)據(jù)平臺(tái),在Kiwi Syslog 進(jìn)行相關(guān)配置,能夠?qū)崿F(xiàn)將采集器、畫面分割器等各種類型設(shè)備部署到一張網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型設(shè)備的集中監(jiān)控,完成告警信息顯示和語(yǔ)音報(bào)警。

      4 結(jié)語(yǔ)

      本文進(jìn)一步完善了現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng),提供了一種有效的監(jiān)測(cè)手段,將各種類型設(shè)備部署到一張網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一管理,實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同類型設(shè)備的集中監(jiān)控。系統(tǒng)具有異常報(bào)警功能,能夠保障廣播電視的安全播出。該方案開發(fā)成本低、周期短、實(shí)用性強(qiáng),具有一定的應(yīng)用前景。

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