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远程传输监控电信设备参数的智能系统
Edmund Julien Spatariu ,Marius Constantin Popescu and Antoanela Naaji
摘 要：在不能直接被人监控的的情况下，通过智能系统监控电信设备参数更加方便快捷。本文所描述的监控系统是比较通用的系统，我们可以使用它监控各领域如：医药、农业、能源、化学工业等领域设备的具体参数，在本文中我们将介绍设备体系结构和特定应用程序的发展。监控系统用以太网传输模拟数字信号，由分析输入信号（DAIS）的远程传输设备和各种传感器组成。DAIS系统的主要硬件有：设有工业控制器的印刷电路板、以太网收发器、电阻器、电容器和连接器。其软件运行于ANSI C（美国国家标准学会）开发的单片机上。它包括C和C 编译器GCC（GNU Compiler Collection），一个汇编程序和一个方便程序开发员开发和测试应用程序的模拟器。报警监控应用程序可以运行在任何一个配有采用TCP/IP协议的操作系统的电子计算设备中，并且配有支持javascript的浏览器。用户可以通过浏览器访问应用程序。在检测到任何错误的情况下，应用程序将该设备添加到“报警列表”中，并直接通过浏览器发出警告声来调度工作人员。DAIS系统持续监测报告值的详细记录并将之存储在数据库中，所有可视化的存贮值能保存至多一年。正因为如此，参数可以被持续监控，主要参数包括主进料电压、备用电压、设备机柜外部温度、内部温度、机柜内的相对湿度、烟雾传感器（s）、至机柜检修门（s）的状态等。同样，为了提高系统的管理效率，我们设计了一个不需要维护的节能设备，提出了一个软件解决方案去管理正在单片机上执行的进程，使用网络界面使其尽可能的可定制。DAIS系统的成本很低，低于市场上其他比较常见的系统。
关键词：监测，单片机，软件，以太网，仙人掌图
1 绪论
从主要检查点安装在远程位置的电信设备的操作中出现的大部分问题是由于设备电力供应失败（缺乏电力供应），空调/供热系统（增加/减少设备的温度），水渗入设备柜， 最后但同样重要的，未经授权的人的干预等因素，从而导致系统出现宕机。实施一个电信设备参数监测系统[1]，并建立在偏远地点和没有人监督的位置，了解某些电气或环境参数的值，或可能影响正确操作的操作条件是必需的。因此,它能够监控主电源电压备份电压,设备内阁的室外温度，室内温度、室内湿度相对湿度、烟感测器、箱门的状态等参数。本文所描述的监控系统可扩展和实现监控电信以外领域的设备参数，如通过监测老一代工业机械参数的医学[2]或工业应用。用以太网传输模拟和数字信号的监控系统包括分析输入信号（(DAIS）的远程传输设备和传感器。DAIS系统成本比具有相同的选项P1的SCADA模块（监控和数据采集）便宜至少十倍。此外，报警监测和控制应用程序不需要安装；它可以在任何配备了一个使用TCP/IP操作系统的电子计算设备中运行并且拥有一个支持JavaScript浏览器。图形监控和保存数据到数据库的软件是在版本2的GNU通用公共许可证下建立的，许可是必须的，为了运行一个MySQL数据库和PHP支持。除了看门狗用于RRTU（远程终端单元）或FLC(Vrowammable逻辑控制器)、DAIS系统还使用了一个函数在固定的时间间隔通过网络链接到一个IP地址发送ping命令，如果在五个连续的请求后没有收到响应，以太网将被重置。
2 监控设备
在一般情况下，DAIS系统由一个设有工业单片机（如ATMEGA88[4]）的印刷电路板，一个以太网收发器（例如ENC28J60[5]），电阻器，电容器和连接器组成。单片机的作用是获取和处理模拟值（温度、湿度、电池电量）和数字数据（门磁、烟雾传感器）并将他们发送到HTTP的伺服器（超文本传输协议）中。在我们的实施过程中，为了分析输入信号， DAIS系统配有输入（低功耗）内外部温度专用的传感器（例如NTC19K [6]），接入门状态（例如MSM-22 [7]），湿度传感器（如HCZ-D5-A[8]），烟雾传感器和电池电量。DAIS系统通过RJ45以太网接口连接到网络。以太网连接速度为10Mbit/s（IEEE 802.3标准）。每台DAIS系统具有唯一的IP地址，并且通信是基于HTTP/1.1协议方式请求。请求放置在管理网络上的所有DAIS 系统的服务器上。每一个请求都伴奏着从DAIS系统的IP地址的回应，每秒能回应五次请求（200 [ms]连续请求之间）。电子图如图1所示。
图1 电子图
电子图中给出的材料清单在表1中。
表1 材料清单
传感器接口部分由电阻分压器和滤波电容器组成。电阻分压器中的电阻（Rang，Ra）确保输入电压满足单片机的工作电压范围并限制电流使单片机输入电压在0-3.3 [V]之间根据如下表达式：
（1）
上式中，n是输入数字（），u是单片机的输入电压，usn是传感器电压。
除了对电压作出调整、传感器接口部分也常常提供电流来限制单片机的输入，当电压超过输入电压uin时保护二极管D1嵌入单片机进入传导并允许单片机引脚的电压超过电源电压，如图2所示。
图2 单片机引脚过电源保护
在这种情况下，保护二极管D1的负载电流为：
（2）
上式中，im为通过二极管D1的电流（最大值允许范围为1-2mA），单片机的输入电压和us传感器电压。
保护二极管D2，也常常嵌入单片机中，防止意外的系统输入而产生的负电压。为了额外的保护DAIS 系统中还可以嵌入表1中可选组件。
3 软件应用
该软件运行在ANSIC（美国国家标准学会）使用的开发工具开发的单片机上，通过单片机制造商Atmel AVR Studio提供。它包括C和C 编译器GCC（GNU Compiler Collection），一个汇编程序和一个方便程序开发员开发和测试应用程序的模拟器。ReadADC模拟量和readDIO函数被声明为静态内联以方便访问，并在中断处理函数的100ms时间内进行快速处理。但把那些全局变量和中断函数中调用的变量定义并初始化为动态类型是为了提醒编译器这些变量不能被优化（而忽略掉），（因为这些变量会被调用）。关联到单片机端口且控制寄存器的未使用引脚被声明为输入引脚并且上拉电阻启动防止单片机受到干扰。模拟采集功能具有从模拟传感器获取数据的功能，如温度传感器、湿度传感器和电池电压测量传感器。从湿度传感器采集数据时，每次采集数据都要改变湿度传感器极化（图3）。
图3 DAIS系统操作算法
由于从传感器组件的电阻材料的迁移效果，这个过程是必要的。模拟数字转换器配置使用AVCC作为参考电压，如同VCC一样。该转换器的电源电压通过一个100 [nF]的去耦电容。此外，还有一个铁氧体线圈以抑制单片机的数字部分和以太网收发器的噪声。转换结果为左对齐8位。这样就足以只读ADCH寄存器包含最重要的8位，其他2位而被忽略。从电池电压的采集需要校准计算参数。因此,有必要测量电源电压,测量结果可能稍有不同,这取决于供电电路中使用的电阻。电源电压精确测量后,必须计算电阻分压器的参数，模拟至数据的转换是分别乘法和除法的结果。电压转换结果对应于单片机VRAW引脚的相应电压，Vmicrocontroiier——为了减少CPU负载、尽可能减少除法和乘法运算使转换结果限制在8位，最大16位。数字信号采集和滤波是使用特定的变量来测量的信号的次数，每次信号都是分别通过逻辑1和逻辑0的值判定的。如果信号读取结果为逻辑1，相关的变量是递增的，否则变量递减（如果值为逻辑0）。递增和递减是通过分别检查相关的变量不超过最大和最小极限，始终是0。模块操作的算法如图3所示。
4 网络应用
DAIS系统报告读值在数组的形式：“device_ip = 10.0.11.7、temp_s1 = - 250，1，temp_s2 = - 253,2，temp_s3 = 19,5，dig_1 = 1，dig_2 = 0，dig_3 = 1，vbat=26,7，hum=63”。服务器读取每个单独的设备报告的的值并以兼容大多数浏览器的HTTP格式显示,在一个HTTP格式中(图4)。数据被定义在文件的开头，因此：
-var TEMP_MAX_INT=45; //内部温度报警阈值/配置
-var TEMP_MAX_EXT=45; //外部温度报警阈值/配置
-var COM_TIME_OUTt=10; //在通信错误被声明之后，配置失败的通信尝试的数目
有一个index.html文件显示相呼应的DAIS系统的读数。呼应，采集、准备和发送数据使用JavaScript函数[9]来显示。在检测到任何错误的情况下,应用程序将设备列入“报警列表”中，直接从浏览器中使用一个mp3文件，发出了警告声音来调度人员。因此，网络应用设计来读取DAIS系统上显示的值，其包含一个java脚本支持的html文件来读取DAIS系统的值，以浏览器中访问的格式解释和显示。在应用程序中，我们定义了两种类型的DAIS系统，各自致力于室外机柜的远程通信和电话接入网点集中数据连接到安装在远程户外机柜的设备中。因此，中卫型DAIS系统架构用于室外机柜的远程通信，和NOC型（片上网络）DAIS系统架构用于电话接入网点。中卫型DAIS系统和NOC型DAIS系统的不同之处在于前者是具备备份电压测量功能的代表类型，而后者具备洪水检测功能。因此，中卫型DAIS系统架构用于室外机柜的远程通信，和NOC型（片上网络）DAIS系统架构用于电话接入网点。中卫型DAIS系统和NOC型DAIS系统的不同之处在于前者是具备备份电压测量功能的代表类型，而后者具备洪水检测功能。
该应用程序的网络接口如图4所示。
图4 网络接口
这种区别是合理，户外机柜远程通信缺乏防洪检测并且需要监控备份电池容量信息，因为这些户外机柜不可能安装 UPSs（不间断供电系统）由于机柜规模。在电话接入网点中，因为有限的空间，监测专业不间断供电系统的备用电压是不合理的；然而,由于触发洒水装置或管道破损可能会发生洪水。该代表类型的确定是直接通过网络应用程序更改IP相关设备类型的值：0 =监控台系统（由应用程序忽略），1 =中卫型DAIS系统和2 = NOC型DAIS系统。因此，根据声明的值，网页应用程序知道何时忽略，何时读取。何时解释，何时显示相关联的值（图5）。
图5 网络应用算法
5 监控图形
在报告值的DAIS系统中的详细记录能够被持续监测并存储在数据库中，所有值在用户界面直观显示的可能使之最多能存储一年。仙人掌程序是用于监测和显示图形（GNU通用公共许可证下）[10]。我们的系统是一个完整的网络图形解决方案，旨在利用数据的存储功能与RRDtool（Round Robin数据库工具）的图形功能[11]。仙人掌提供先进的图形模板，多个数据采集方法和用户管理功能。所有这些具有一个可靠的和直观的界面,可以用于从通常的局域网(局域网)到数以百计的设备组成的复杂网络的任何值。因此，DAIS系统的报告值可以通过Perl编译的脚本[12]阅读，并发送数据且存储，以保证读取数值的正常进展。数据可以显示整天（每5分钟-图6a），周（每30分钟-图6b），月（每2小时-图6c），每年（每24小时-图6d）
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