董鵬琳 覃團(tuán)發(fā) 潘成舉

摘 要： 為保障通信基站在市電停電時(shí)的正常運(yùn)行，提出一種基于ARM及.NET技術(shù)的通信基站蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。采用意法半導(dǎo)體公司Cortex?M3架構(gòu)的STM32F103RC作為主控板的中央處理器，配備蓄電池電壓、溫度、電流采集，GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，nRF905無(wú)線收發(fā)，市電狀態(tài)檢測(cè)四大功能模塊搭建硬件平臺(tái)。通過(guò)ARM技術(shù)、.NET技術(shù)等將采集到的蓄電池及市電數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器供服務(wù)器利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行蓄電池剩余容量估計(jì)，從而制定最佳的運(yùn)維方案。通過(guò)系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試分析表明，所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)可以向遠(yuǎn)程服務(wù)器上的管理平臺(tái)傳輸蓄電池的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并顯示出來(lái)。

關(guān)鍵詞： 蓄電池監(jiān)控； .NET技術(shù)； GPRS； STM32F103RC； 通信基站； 數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號(hào)： TN92?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）18?0109?04

Design of battery monitoring system for base station

DONG Penglin1，2，3， QIN Tuanfa1，2，3， PAN Chengju4

（1. School of Computer and Electronic Information， Guangxi University， Nanning 530004， China；

2. Guangxi Key Laboratory of Multimedia Communications and Network Technology （Cultivation Base）， Nanning 530004， China；

3. Key Laboratory of Multimedia Communications and Information Processing for Colleges and Universities in Guangxi， Nanning 530004， China；

4. China Mobile （Shenzhen） Co.， Ltd.， Shenzhen 514048， China）

Abstract： A design scheme of the communication base station battery monitoring system based on ARM and .NET technologies is proposed to ensure the normal operation of the communication base station during the commercial power cut. The hardware platform is established， taking the Cortex?M3 architectured STM32F103RC of STMicroelectronics Company as the CPU of the main control board， and equipping with four functional modules of battery voltage， temperature and current acquisition module， GPRS wireless data transmission module， nRF905 wireless receiving and sending module， and commercial power status detection module. The ARM and .NET technologies are used to transmit the collected battery and commercial power data to the remote server， where the estimation of battery residual capacity can be conducted based on collected data， so as to develop the best operation and maintenance solution. The analysis results of the system′s joint debugging show that the designed monitoring system can transmit the real?time data of the battery to the management platform of the remote server and display it out.

Keywords： battery monitoring； .NET technology； GPRS； STM32F103RC； communication base station； data transmission

0 引 言

隨著我國(guó)通信業(yè)的蓬勃發(fā)展，三大運(yùn)營(yíng)商的通信基站建設(shè)數(shù)量不斷增加。這些基站具有數(shù)量大、分布偏遠(yuǎn)、平時(shí)無(wú)人監(jiān)控等特點(diǎn)，為了在市電停電或者市電線路發(fā)生故障時(shí)維護(hù)工人能及時(shí)趕去使用發(fā)電機(jī)進(jìn)行應(yīng)急發(fā)電，需要一種高效的運(yùn)維與發(fā)電方案 [1]。針對(duì)通信基站蓄電池的監(jiān)控問(wèn)題[2?3]，為采集蓄電池及市電狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，研制了基站蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)基站蓄電池組每一節(jié)電池的電壓、蓄電池組總電流和工作環(huán)境溫度的即時(shí)監(jiān)控。通過(guò)ARM技術(shù)、.NET技術(shù)等將采集到的蓄電池及市電狀態(tài)（電壓偏高、偏低、斷電等）數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器端的監(jiān)管平臺(tái)供其使用。當(dāng)市電發(fā)生故障或者停電時(shí)，服務(wù)器端可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)估算出蓄電池的剩余容量，從而有利于制定最優(yōu)的運(yùn)維方案。

1 基站蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

通過(guò)設(shè)計(jì)蓄電池電壓、電池組總電流、電池組環(huán)境溫度采集模塊、GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊、nRF905無(wú)線收發(fā)模塊[4]、市電狀態(tài)檢測(cè)模塊搭建好硬件平臺(tái)。其中，前三個(gè)功能模塊組成如圖1所示的電池?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控器，而市電檢測(cè)模塊單獨(dú)制作成一個(gè)檢測(cè)盒。蓄電池?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控器采集到電壓、電流、溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，通過(guò)GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器端，由服務(wù)器上的監(jiān)管調(diào)度平臺(tái)對(duì)這些接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，制定出最優(yōu)的發(fā)電調(diào)度方案。本系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 基站蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 蓄電池?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控器的主控板設(shè)計(jì)

主控電路板單元是蓄電池?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控器的核心模塊。此模塊以意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RC為中央處理器[5]，此主控板上包含nRF905短距離無(wú)線收發(fā)模塊、GPRS無(wú)線通信模塊、ADC數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊、穩(wěn)壓模塊（GPRS模塊正常工作需要有低紋波系數(shù)的電壓與足夠大的瞬間電流）等。

圖2為主控板上中央處理器STM32F103RC的電路圖。STM32F103RC主要負(fù)責(zé)硬件系統(tǒng)的初始化、接收各節(jié)蓄電池的端電壓、蓄電池組總電流、溫度等信息，并對(duì)這些信息按照一定的格式進(jìn)行封裝后（例如加上采樣間隔、CRC校驗(yàn)等），通過(guò)芯片上的串行端口UART2將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到主控板上的GPRS模塊，并通過(guò)GPRS的有關(guān)配置指令使GPRS模塊將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線的方式傳送到互聯(lián)網(wǎng)上的遠(yuǎn)程服務(wù)器。

監(jiān)控器主板上的ADC轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)測(cè)量基站中蓄電池組的總電壓及總電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)?？紤]到蓄電池的電流值有正負(fù)之分，采用AD7328逐次逼近型ADC芯片，該芯片允許多通道、雙極性信號(hào)輸入，并且轉(zhuǎn)換精度高達(dá)12位。圖3是運(yùn)用AD7328芯片設(shè)計(jì)的ADC轉(zhuǎn)換電路原理圖。

為得到蓄電池組（蓄電池通過(guò)串聯(lián)方式組成電池組）的電流，采用深圳碩亞科技公司制造的閉環(huán)型霍爾電流傳感器SCB1R[6]。利用電磁感應(yīng)原理，不需要接入電路便能準(zhǔn)確地測(cè)量直流電的大小，其電流測(cè)量能力可達(dá)±400 A，過(guò)載能力強(qiáng)，工作溫度范圍從-20～85 ℃，與主控板的電流采集接口采用電纜連接方式。最后通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換模塊得出實(shí)時(shí)的電流值，蓄電池組電流采集接口的電路原理圖如圖4所示。

由于GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無(wú)線服務(wù)）模塊啟動(dòng)后就保持在線聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)并且其業(yè)務(wù)收費(fèi)的多少取決于使用者傳輸數(shù)據(jù)的總量而非聯(lián)網(wǎng)時(shí)間的長(zhǎng)短，使用者在用GPRS傳輸數(shù)據(jù)時(shí)只需要支付比較少的費(fèi)用。并且GPRS作為2.5 G標(biāo)準(zhǔn)有比2 G標(biāo)準(zhǔn)的GSM更迅捷的數(shù)據(jù)傳輸特性。因此，采用GPRS通信模塊將蓄電池?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控器的主控板上收集到的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器平臺(tái)。在此模塊中使用SIM900A通信芯片，在設(shè)計(jì)其外圍電路時(shí)應(yīng)注意增加工作狀態(tài)指示燈電路以便后期調(diào)試。模塊的電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.2 蓄電池?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控器的電壓及溫度采集模塊設(shè)計(jì)

蓄電池的單節(jié)電池電壓及工作溫度采集電路如圖6所示。

在本模塊的電路中采用凌力爾特公司一款電池組監(jiān)控管理芯片LTC6802實(shí)現(xiàn)對(duì)各節(jié)蓄電池電壓的數(shù)據(jù)采集[7?8]。LTC6802內(nèi)部含有高精度ADC轉(zhuǎn)換器、精確的電壓基準(zhǔn)，與STM8S103F單片機(jī)通過(guò)SPI接口進(jìn)行通信[9]。該芯片可以同時(shí)檢測(cè)12顆電池的電壓，電壓的轉(zhuǎn)換范圍是0～5 V，該芯片同時(shí)具有高溫保護(hù)功能。

此外，LTC6802芯片也具有溫度檢測(cè)采集功能，使用廉價(jià)的熱敏電阻將變化的阻值信號(hào)通過(guò)電路中的Vtemp1管腳直接傳給LTC6802進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。為保證電路中STM8S103F單片機(jī)與LTC6802芯片的電平相匹配，在電路中加入了74LS07緩沖器。實(shí)際中，基站蓄電池組一般由24顆電池串聯(lián)而成，考慮到蓄電池組的工作空間及檢測(cè)的便捷性，設(shè)計(jì)了4個(gè)相同的電壓及溫度檢測(cè)盒子，每個(gè)盒子都能測(cè)量出6顆不同電池的電壓及工作溫度數(shù)據(jù)，并通過(guò)檢測(cè)盒上的nRF905模塊將數(shù)據(jù)傳送給主控板。

2.3 市電檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

市電采用的是三相制供電。為了保證此檢測(cè)模塊不被大電流燒壞，在電路中使用了SMD1206自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。同時(shí)，使用低壓差電壓調(diào)節(jié)器SPX2954M3向模塊中的單片機(jī)及nRF905模塊提供電壓。當(dāng)市電出現(xiàn)故障或者停電時(shí)，由STM8S103F單片機(jī)控制nRF905模塊向主控板傳輸市電狀態(tài)信號(hào)，電路原理圖如圖7所示。

3 基站蓄電池運(yùn)維系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)維系統(tǒng)的軟件由兩部分組成：一是蓄電池?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控器、市電檢測(cè)模塊中SMT32F103RC及STM8S103F的固件程序；二是遠(yuǎn)程服務(wù)器端的Web程序開發(fā)。蓄電池組監(jiān)控管理芯片LTC6802采集到的電壓及溫度數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口傳給STM8S103F單片機(jī)，而單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給無(wú)線收發(fā)模塊nRF905并控制其將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信方式傳輸?shù)街骺匕迳系膎RF905模塊。同時(shí)，主控板也利用其上ADC轉(zhuǎn)換模塊與市電檢測(cè)模塊采集電流信息、市電狀態(tài)信息。最后由STM32F103RC將全部數(shù)據(jù)封裝好發(fā)送給GPRS模塊，由它發(fā)送到遠(yuǎn)程的服務(wù)器上。

服務(wù)器端采用C#+IIS+MySQL技術(shù)架構(gòu)[10]。C#負(fù)責(zé)制作數(shù)據(jù)顯示前端界面以及實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，數(shù)據(jù)庫(kù)采用開源的MySQL，服務(wù)器中配置IIS軟件。圖8是固件程序流程圖，圖9是Web程序流程圖。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在任意1臺(tái)開通公網(wǎng)IP的電腦上配置好Web開發(fā)環(huán)境（安裝IIS 7.0軟件與MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，電腦操作系統(tǒng)可以使用Windows 7.0也可以使用CentOS 7）并在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中創(chuàng)建好自己的數(shù)據(jù)庫(kù)以便接收GPRS模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的電池組數(shù)據(jù)。在另1臺(tái)個(gè)人電腦的TCP/IP客戶端上輸入遠(yuǎn)程服務(wù)器的公網(wǎng)IP地址，向服務(wù)器發(fā)起連接請(qǐng)求，連接成功后向服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

為了給移動(dòng)通信基站的運(yùn)維人員提供關(guān)鍵的調(diào)度決策數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)基站蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件。STM32F103RC作為核心控制芯片將收集到的蓄電池電壓、電流及溫度數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線通信模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的服務(wù)器端，并通過(guò)系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試分析表明所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)可以向遠(yuǎn)程服務(wù)器上的管理平臺(tái)傳輸蓄電池的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并顯示出來(lái)。

注：本文通訊作者為覃團(tuán)發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張紹東.基于IT平臺(tái)的通信設(shè)備蓄電池維護(hù)模式的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011.

ZHANG Shaodong. Research and implementation of battery maintenance mode of communication equipment based on IT platform [D]. Beijing： Beijing University of Posts and Telecommunications， 2011.

[2] 唐旺祥，沈國(guó)平，何衍.面向通信基站的蓄電池組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（5）：74?77.

TANG Wangxiang， SHEN Guoping， HE Yan. Design of battery group online monitoring system for communication base station [J]. Transducer & microsystem technologies， 2013， 32（5）： 74?77.

[3] 強(qiáng)應(yīng)海，陳木斌，徐猛，等.基站蓄電池監(jiān)控管理[J].電信技術(shù)，2010，1（4）：97?99.

QIANG Yinghai， CHEN Mubin， XU Meng， et al. Base station battery monitoring and management [J]. Telecommunications technology， 2010， 1（4）： 97?99.

[4] 張曉健，李偉，張小雨.MSP430和nRF905的無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006（2）：68?70.

ZHANG Xiaojian， LI Wei， ZHANG Xiaoyu. Design of wireless data?transfer systems based on MSP430 and nRF905 [J]. Microcontrollers & embedded systems， 2006（2）： 68?70.

[5] 劉波文.ARM Cortex?M3應(yīng)用實(shí)例開發(fā)詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

LIU Bowen. Explaining the application development of ARM Cortex?M3 application [M]. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2011.

[6] 李富安.閉環(huán)霍爾電流傳感器的設(shè)計(jì)與測(cè)試[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

LI Fuan. Design and experiment of closed loop hall effect current sensor [D]. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2013.

[7] 梁海濱，吳登娥，呂國(guó)輝.基于LTC6802的磷酸鐵鋰電池采集系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011，11（6）：38?41.

LIANG Haibin， WU Denge， L? Guohui. Data acquisition system of iron?phosphate?based lithium?ion batteries based on LTC6802 [J]. Microcontrollers & embedded systems， 2011， 11（6）： 38?41.

[8] 劉昊霖，齊鉑金，鄭敏信，等.基于LTC6802的電池組均衡電路設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2015，39（11）：2457?2460.

LIU Haolin， QI Bojin， ZHENG Minxin， et al. Design of equalization circuit for batteries based on LTC6802 [J]. Chinese journal of power sources， 2015， 39（11）： 2457?2460.

[9] 劉海成，葉樹江，郭強(qiáng).STM8單片機(jī)原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

LIU Haicheng， YE Shujiang， GUO Qiang. Principle and practice of STM8 microcontroller [M]. Beijing： Beihang University Press， 2013.

[10] 鄭阿奇.C#實(shí)用教程[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

ZHENG Aqi. C# practical course [M]. 2nd ed. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2013.