第３卷增刊６Ｖｏｌ３６Ｓｕｐ东南大学学报（自然科学版）
年７月２００６Ｊｕｌｙ２００６）ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＥＡＳＴＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ
基站机房集中监控系统及其可靠性设计
张骥叶桦
（东南大学自动化研究所，南京２）１００９６
摘要：介绍了一种无人值守基站机房的监控系统，该监控系统结合了计算机高性能和微控制器小
首先介绍了门型化的优点，综合使用了多种检测技术、门禁方法和报警手段以提高自身的可靠性．
禁、环境控制和报警３个功能模块的设备和监控程序实现；然后，从硬件、软件和功能３个方面介绍了系统的设计方法；最后，通过冗余的检测控制手段和智能的故障诊断方法，使系统具备了高度的可靠性．经过现场测试运行，该系统能够在各种条件下持续、平稳、可靠的工作．
关键词：环境监控；门禁；可靠性；故障检测和报警；串行通讯
中图分类号：ＴＰ２７７文献标识码：Ａ文章编号：１（）增刊００１－０５０５２００６０１１１０４
Ｄｅｓｉｇｎｏｆｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｂａｓｅｓｔａｔｉｏｎｓａｎｄｉｔｓｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ
ＺｈａｎｇＪｉＹｅＨｕａ
（，Ｓ，Ｎ，Ｃ）ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙａｎｊｉｎｇ２１００９６ｈｉｎａ
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ｎｉｃａｔｉｏｎ
近年来，随着移动通信业务的迅猛发展，移动通信基站的建设数量与日俱增．尤其是随着第三代移动通信网（）建设的即将启动，电信运营商对快速建站、快速布网和降低基站综合成本和运营维护成本的３Ｇ
要求也更加迫切．无人值守通信机房的动力和环境集中监控系统集计算机、自动控制、通信、传感器和检测技术于一体，能够明显降低运营商的运行、维护和管理成本，具有很高的应用价值．通常这类系统在逻辑上都具有较高的模块化程度，各部分各司其职完成门禁、环境控制和报警等功能，同时有机地结合为整体．设计该类系统的核心问题，在于如何保证各功能模块和监控模块自身的正常运行，对于各种异常和故障如何及时做出准确的报警，以及面向使用者的人性化设计等方面．
１系统的总体设计
无人值守通信机房内的通讯设备对环境通常有一定要求，在一个较大的地区一般只会安排一个监控中心集中管理辖区内的所有机房．因此对监控系统的功能主要有３个要求：门禁功能（对进入机房的人员进行身份验证）、环境控制功能（为设备提供安全合适的环境）、报警功能（对各种故障和异常及时做出报警）具体地说，该类监控系统一般应包含以下设备和模块：可以从各下层模块获取数据，对．①监控模块：
这些数据进行运算处理，然后对各执行模块进行控制；监视所有的数据、状态和通信过程是否正常；接收监控中心和维护人员的控制和设置命令，并向他们返回数据和报警．监控模块可以由小型微控制器模块或者收稿日期：２００６０４２０．
作者简介：张骥（—），男，硕士生；叶桦（联系人），男，博士，教授，１９８１ｚｈｉｎｅｎｇ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．
１１２东南大学学报（自然科学版）第３卷６功能完整的工控机主机构成．电池系统：使用组合式智能电源和蓄电池屏，能够自动管理和②智能电源／
切换市电和蓄电池，为室内设备提供纯净的直流电源；对电源和蓄电池提供保护．使用③智能空调系统：专用的空调柜机及配套的工业级控制模块，能够采集空调的工作参数对其进行控制．为了延长空调柜机的使用寿命，考虑使用２台柜机互为备用．状态采集和控制模块：采集温度和湿度数据；控制通风系④数据／
符合统；采集与门禁相关的信号，并实现门禁功能；连接红外、烟雾和漏水等传感器．ＳＭＭｏｄｅｍ模块：⑤Ｇ
能够接入中国移动或联通的Ｇ作为与监控中心和维护人员进行无线联系的一种ＧＳＭ相关标准，ＳＭ网络，
方式．由摄像机和视频卡组成，能够实时采集室内的视频信号，并通过以太网传⑥工控机视频采集模块：
］１－４送到监控中心，也能够在本地保存［以工控机为例，监控系统的结构如图１所示．．
相应地，按照模块化程序的设计要求编写在监控
模块上运行的监控程序，其组织结构应由以下几部分
组成：定时、中断和任务调度程序：在①系统的初始化、
系统上电后完成各项准备工作，引导系统进入正常工
作状态；管理系统定时器，以及基于定时器的任务调
度；管理硬件和软件中断．，Ｓ２３２ＧＳＭ和以太网的通②Ｒ
信接口程序：通讯事件处理使用标准的ＵＲＳ２３２ＡＲＴ中
断机制实现．由于微控制器处理能力的限制，在多个
存在的情况下，需要考虑中断响应优先级和ＦＵＡＲＴＩＦＯ
缓存等问题．接口，除考虑上述ＧＳＭ数据来自于ＲＳ２３２
问题之外，还需要依据Ｇ对于ＳＭ协议对数据进行解释．
工控机系统来说还要处理以太网接口，在这里可以利
用操作系统的Ｓ机制实现．ｏｃｋｅｔｓ③环境控制和门禁算
法程序：根据当前室内外的环境状况，在兼顾考虑节能图１监控系统结构图对进出机房的等要求的情况下，决定控制环境的策略．
人员身份进行检查，如有非法人员进入应当启动报警程序．从通信、环境控制和门禁等程序④报警程序：
从通信处获得系统的异常和故障情况，及时调用通信程序向监控中心和维护人员报警．／Ｏ程序：⑤数据Ｉ
］２－４接口程序获得数据，根据控制命令和算法输出得到控制结果，对该结果进行合理性检查［各部分子程．
序的层次关系如图２所示．如果监控程序在工控机上运行，可以利用操作系统成熟的任务调度和消息机
］
５制；如果运行在微控制器上，需要自行设计任务执行方式和任务间通信［．
图２监控程序层次图
机房内安装的通讯设备机柜和电源／电池系统会对机房环境产生较强的电磁干扰，这些干扰通常经由电源、信号线和空气传播．各控制模块在设计的时候应当充分考虑抗干扰问题．智能电源／电池系统、智能空调系统和Ｇ接口，不具有硬件握手和载波检测能力，因此有ＳＭＭｏｄｅｍ模块都使用简单的双线制ＲＳ２３２
必要依靠协议增强通讯的可靠性，程序也应当具有诊断简单通讯故障的能力．此外应当尽量降低程序出现失控和死机的可能，一旦出现上述情况系统应当能够自动重启．
２硬件方面的可靠性设计
由于通信机房内部通常要求一定的防尘能力，所以一般使用－４而电子设备８Ｖ的正接地直流电源．
通常使用Ｔ或者Ｃ等负接地电源系统，如果直接将不同电源系统的设备相连，将可能造成电源的短ＴＬＭＯＳ
路．解决的办法是在监控模块的电源部分设计电气隔离的Ｄ在通讯线与内部电路的连接处进Ｃ／ＤＣ电路，
增刊张骥，等：基站机房集中监控系统及其可靠性设计１１３
］６行电气隔离，如果监控模块使用金属外壳，还要注意不能将内部地与模块外壳短接［．
在电源撤除的瞬间，由于微控制器掉电，系统内信号点可能会出现不可预知的状态．为了防止出现存储器被误改写或者Ｉ应当使用电源监控和中断技术，一旦电源电压低于某个阈值／Ｏ出现非法状态的情况，
（此时微控制器尚能工作）就保存运行参数到非易失存储器中，当电源电压低于微处理器正常工作电压的
］６以避免上述情况的出现［时候禁用存储器，并将Ｉ／Ｏ切换到安全状态，．
根据监控模块与外部设备接口的类型，需要设计不同方式的电气隔离：数字量信号输入（例如烟雾检测、门锁电磁检测等）使用光电耦合器隔离；数字量信号输出（例如风机回路、门锁芯线圈等）使用继电器隔离；模拟量信号输入（例如温度和湿度测量），经过串行Ａ／Ｄ转换器后在串行信号线上使用高速光电耦合器隔离；双工通讯线在经过电平转换器后使用高速光电耦合器隔离．使用这些隔离手段，不仅能够ＲＳ２３２
完全切断内外电路的电气连接，防止外部异常的大功率信号进入监控模块破坏内部电路；还可以滤除各种高频噪声，防止噪声引起内部控制器的误判断．使用继电器还可以增强对外电路的驱动能力，并防止感性
］６负载放电对模块内部电路的冲击［．
为了进一步消除接口电路和数字电路工作时向电源馈入的高频噪声，在模拟电路和重要的逻辑电路的电源和信号端设计一定的低通滤波器，可以基本消除高频干扰．正确的设计数字地和模拟地，将它们完
］６全隔离或单点相连，也可以减弱相互之间的干扰［．
３程序方面的可靠性设计
任何运行程序的微控制器都面临着在运行过程中程序“跑飞”的问题，特别是那些安装在前端的小型
如前所述，本系统的运行环境客观上有一定强度的干扰存在，如果不做预防，有可能会造成执行测控设备．
错误或者“死机”除使用前文所述的主动隔离措施之外，我们还使用了看门狗（）看门狗本身是一种．ＷＤＴ．
定时器，在到达预设溢出时间的时候能够产生复位信号，使系统重新开始工作．在正常情况下微控制器需要不断地复位看门狗（“喂狗”）以防止其溢出；当程序异常的时候由于不能及时完成复位，微控制器将被重新启动，这样就能够解决常见的异常情况．使用看门狗，可以避免分析纷繁复杂的程序异常原因，并采取各种针对措施的一系列过程，而将注意力集中在“跑飞”后的问题解决上，简化了设计过程并可以得到同样良
］６－７好的效果［．
监控模块使用Ｒ接口与其他功能模块进行数据交换，工业级的Ｒ本身具有较强的抗干扰能Ｓ２３２Ｓ２３２
力，但是仍然存在许多能够导致通讯失败的可能性：电缆接头松动、目标模块由于电源故障等原因ＲＳ２３２
未能正常工作或Ｒ因此监控模块Ｓ２３２电缆内部短路等．
需要在通讯初始化和通讯过程中定时检查与目标模块的
连接是否正常，并将通讯异常也作为一种故障提交报警
程序处理．
监控模块检查Ｒ首先Ｓ２３２通信故障的一般流程为：
尝试向任务调度程序或操作系统申请使用该接口（因为
在模块上运行的其他进程或任务有可能会先行占用接口
接口是不可共享的临界资源，在Ｃ语言资源，而ＲＳ２３２５１
］８里其服务程序具有不可再入属性［）；然后按照目标模块
的通信协议，发送Ｐ（对于以太网）、（对于ＧＩＮＧＡＴＳＭＭｏ
［］９）或状态查询请求（对于其他智能模块），根据回复ｄｅｍ
数据（当然也可能根本没有收不到回复）可以初步判断故
障原因，如图３所示．另外，在发送和接收的数据段中加
入适当的校验信息，也可以大幅度增加通信的成功率．图３判断Ｒ通信故障流程Ｓ２３２
４功能方面的可靠性设计
在现场调试时发现，由于房体具有一定的屏蔽性，在一定的距离和角度下遥控器的信号无法被正确接为了防止出现由于无法使用遥控器而导致的门禁失控的情况，设计了多种针对门的辅助控制手段：收．①维护人员可以使用手机发送短消息开门；当然非法②在室内的合法操作人员可以直接使用一个按钮开门，
１１４东南大学学报（自然科学版）第３卷６闯入者无法使用这个按钮开门；——通过这些措施保证将门③监控中心直接发送有线和无线的指令开门—
禁失控的可能性降到最低．
机房内控制温度的手段主要有２种：组风机和百叶窗组成的通风系统，以及２台空调柜机．相对而２
言风机的结构简单，可靠性高，且较为省电，是优先使用的温度控制手段；只有在客观条件不允许使用风机
如果通风系统和空调同时出现故障，并且室内温度过高，控制（例如室外湿度很大）的时候，才会使用空调．
模块会发出高温警报，通知维护人员到现场排除故障．
空调是降低室内温度的有效手段，但是由于其结构较为复杂，可能会出现各种故障影响其工作能力．考虑到这些故障一般都是由于长时间连续工作所致，我们为机房安排了２台空调．控制模块能够记录每台空调的工作时间，当某台空调工作一段时间之后，将其转入待机状态而启用另外一台．这样２台空调轮流使用，实践证明这样可以显著延长空调的使用寿命．
机房内使用２组照明系统：常规照明和应急照明．常规照明使用交流２，如果市电中断，继电器将２０Ｖ
接通使用直流４这个切换过程无须依靠监控程序，而是直接使用机械部件完成，以防８Ｖ的应急照明回路．
止微控制器可能出现的故障对照明切换的影响．
最后是从业务的角度考虑，当控制模块掉电的时候，合理设置继电器的常闭和常开触点使所有的输出控制节点处于安全的状态．例如：门锁线圈应当使锁芯收入，门处于开启状态；风机线圈回路应当断开，风机停止运转；常规照明回路应当接通，开启常规照明．
５结语
针对上述问题进行综合考虑，我们将微控制器和工控机２个方案都做了实现．前者虽然没有接入以太网和视频采集能力，但是体积小、成本低；后者则具备了所有功能，而且在现场连接显示器后能够提供
的图形化操作环境．Ｗｉｎｄｏｗｓ
已经建成的安装有监控系统的实验机房已通过了相关企业和部门的验收和鉴定，完全符合国家和行业的相关标准，且性能优良．门禁系统能够正确处理各种正常和异常的操作；室内温度被控制在（２０±）检测误差小于２℃；监控系统能够在最长４ｓ内对异常和故障发出报警，报警短消息的实时性受商用２℃，
根据温度控制算法确保风机优先于空调运行；台空调轮流工作，确保不会ＧＳＭ网络的影响可能会略低；２
实现了稳定工作、及时报警和出现连续长时间工作的情况；在实际环境中监控系统能够长时间稳定工作．
节能的设计目的．
我们将在此基础上不断进行现场测试和实验，并交付客户试运行，对系统做进一步检验，并对出现的新问题加以解决，将系统不断完善．
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