基于CM300和SM79164的基站监控系统

     摘 要：介绍了一种采用高性能8位单片机SM79164作为主要控制芯片的通信基站环境和动力监控系统的设计，该系统使用各种高性能传感器采集基站里的环境和动力参数，利用串口摄像头获取基站里的图像，在初步分析和处理数据后，通过CDMA2000—1X模块CM300与中心机房建立TCP／IP连接，把所有数据传送回主机，主机将信息进一步处理后通知相关维护人员，从而实现了对基站的实时监控，提高了基站动力设备和通信设备运行的可靠性。
关键词：通信基站；环境监控CM300；SM79164

0 引 言
    随着现代通信事业的迅猛发展，通信机房的数量急剧增加，在提高通信服务质量的同时，对通信机房的管理也提出更高的要求。传统的监控系统主要针对基站的电源设备和环境参量等对象，利用各种检测设备进行监控，当有情况发生时，使用GSM模块发送短信的告警方式。这种告警方式传输数据量小，根本不能够用于传送图像，而且短信延时大，也不能及时通知到维护技术人员。为解决这个问题，我们采用CDMA2000—1X空中接口技术代替GSM技术，这种技术拥有153 Kb／s的全双工无线传输数据的能力，监控系统在此基础上与中心机房建立起TCP／IP连接，进行数据传输，这样既能实现告警及时性，又能满足传送图像的需求。此外，为了减少能源浪费和降低基站运营成本，还使用了红外遥控技术对基站的空调进行控制。
    该系统采用新茂公司高性能8位单片机SM79164作为主控芯片，选用华为公司的CM300作为通信模块，使用各种高性能传感器，配备高速率的串口摄像头。该系统实现了中心机房对基站设备和环境参量的集中的实时的可视化监控，通过该系统可以及时发现设备故障并快速地排除，节约了人力资源成本，实现了基站的无人值守，提高了动力设备、通信设备运行的可靠性，从而降低了基站系统的运行成本，提高了移动通信系统运行的可靠性及服务质量。

1 硬件设计
1．1 功能描述
    图1为基站监控系统硬件结构框图，该系统选用新茂公司SM79164作为MCU。SM79164采用基本的8052作为内核，最高工作频率可以达到35 MHz，内部拥有64 KB的片上FLASH和4 KB的RAM。系统针对基站电源设备、空调设备和基站的环境参量等对象，利用温度、门磁、红外、烟感、水浸、电压和电流等传感器实现对监控对象的数据采集。采集到的各种参数经过MCU简单的处理后，室内的温度、电池的电压和电流等信息将显示在液晶屏上。如果测量到室内温度不在设置的温度范围内，则通过红外遥控控制空调开或者关。当检测到异常情况时，系统立即发出声光报警，并启动CM300通信模块和中心机房建立TCP／IP连接，开启串口摄像头，把采集的参数和图像数据一起传送回机房，由中心机房进行进一步的处理。

1．2 CM300模块
    CM300是华为公司推出的一款无线数据传输模块，支持短消息、高质量语音和无线数据等业务。该模块工作电压为3．3～4．5 V，工作频段为800 MHz。模块采用CDMA2000—1X空中接口技术，拥有153 Kb／s的全双工无线传输数据的能力，涵盖CDMA所有的标准的语音和数据应用的AT指令。该模块内嵌了TCp／IP协议，用户通过简单的AT命令就能实现数据传输。
    CM300模块还提供了一个8位LCD接口、一个标准的IIC接口、一个标准的USB接口和2路RS 232双工串口，串口的最大速率达到230．4 Kb／s。本系统中的MCU就是通过其中一个串口与CM300之间进行数据通信的，通信使用的波特率采用230．4 Kb／s。但是SM79164只有一个串口，不能满足同时与串口摄像头和CM300通信的需要，因此我们采取两个模块共用一个串口的方法。图2为单片机串口复用框图，CD4053是三组两路模拟开关芯片，由SM79164的一个I／O引脚作为它的选通信号。

当该系统需要向中心机房传送数据时，首先由SM79164控制CD4053建立与CM300模块的串口通信通道，然后由单片机通过AT命令控制CM300模块与中心机房建立TCP／IP连接，中心机房的IP地址和端口号PORT通过短信方式进行远程配置。CM300模块可以同时建立5个独立的TCP／IP连接，每个连接一次最多可以发送512 B的数据。
1．3 空调控制
    所有的电子设备都有一个工作温度范围，如果环境温度高于或者低于这个范围，会大大缩短电子设备的寿命。而实际的环境温度又很少超出这个范围，如果长时间的开启空调会造成巨大的能源浪费，因此空调控制对于保障基站设备正常工作和节约能源都显得特别重要。

    空调控制方式有很多种，该系统采用红外遥控的方式，其工作原理跟普通的家电遥控方式相同。红外遥控电路如图3所示，这种空调控制方式的硬件结构简单，成本低，具有很好的稳定性和可靠性。图3中signal a为O和1组成的编码信号，在红外遥控编码中把560 ns的高电平和1 690 ns的低电平定义为1，把560 ns的高电平和565 ns的低电平定义为0，不同型号的空调对应不同的一组编码；signal b为38 kHz的占空比3：1的载波信号，两路信号经由与门实现脉宽调制(PWM)后，由三极管8050驱动红外二极管发射出去，它们的波形图如图4所示。

    在系统首次使用时，空调的编码和温度的上下限可以由中心机房通过短信方式进行远程设定。初始设定后，单片机首先把采集的温度值与温度上下限进行比较，如果环境温度超出设定的温度范围，就向空调发出遥控信号，从而实现对空调的控制。同时中心机房也可以通过发送短信的方式进行远程遥控空调，其优先级高于本地，这样可以有效地防止由于监控设备发生故障而引起的空调频繁起停。

2 软件设计
    监控系统的软件设计采用结构化的设计思路，这样既有利于程序的查错，又利于程序的更新升级。具体内容包括：初始配置、系统初始化、数据采集、LCD显示、空调控制、图像读取和告警模块共7个部分，图5为监控系统主程序流程图。

2．1 初始配置
    在监控系统首次使用前，中心机房通过发送短信的方式对其进行初始配置。监控系统采用中断的方式处理收到的短信。当系统收到一条短信后，首先判断是否来自中心机房，然后才读取短信的内容。为了加强短信的机密性，对短信的格式以及关键位置的关键字都有严格的规定。初始配置的内容包括：短信服务中心号码、中心软件的IP地址和端口号、开启和关闭空调的温度值、蓄电池输出电压和电流的告警值、上传图像的象素值和系统时间等。所有初始值都存储在芯片AT24C256中，AT24C256是一款I2C总线接口的E2PROM，MCU可以使用普通的两个I／O口对其进行读写操作。
2．2 数据采集
    数据采集主要包括4个开关量和3个模拟量。4个开关量分别是：烟感、水浸、红外和门磁，开关量主要是由传感器输出的高低电平采集得到。在采集开关量时，为了消除突发脉冲干扰，软件设计通过一点采多采的方法来降低随机噪声的干扰。3个模拟量分别是：基站内的温度、电池的电压和电流。温度通过数字式温度传感器DSl8820，DSl8820采用独特的单线接口方式，与MCU连接时仅需要一条线即可实现数据的双向通讯。电池的电压和电流通过2路8位串行A／D转换芯片ADC0832获得，ADC0832数据通信采用标准的SPI接口，MCU通过普通的4根I／O引脚利用软件方式与ADC0832进行通信。为了进一步提高系统的抗干扰性和稳定性，在采集模拟量时，软件系统通过多次采集求平均值的方法，保证得到的数据的精确性。
2．3 数据传输
    当有告警发生时，监控系统需要把采集的数据和图像通过CM300传送回中心机房。每次在传送数据之前，CM300首先需要建立PPP连接，然后根据初始配置中的IP地址和端口号来建立TCP／IP连接，连接建立完成后才开始传送数据，数据发完以后又需要断开两个连接，所有这些操作都是由MCU通过串口向CM300发送AT命令完成的，具体的AT命令使用方法可以参考华为CM300系列AT命令用户手册。

3 结 语
    该系统采用了基于CDMA2000—1X技术的CM300作为通信模块，配备各种高性能传感器和高速率串口摄像头，针对基站电源设备和环境参量进行全方位的立体的可视化的监控，并加强了对基站里最大耗能设备空调的控制。将移动通信维护管理部门关心的问题综合在一起处理，解决了基站设备维护中的一些实际问题，降低了基站系统的运行成本，提高了移动通信系统运行的可靠性及服务质量。