CN102494719B - 一种通信基站发电机远程监测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种通信基站发电机远程监测系统及其方法，它包括一台调度服务器、一台数据服务器、一台WEB服务器、若干台移动的发电机，在每台发电机上设有智能监测装置，所述智能监测装置通过网络与调度服务器连接；其中，智能监测装置包括：GSM模块，它与电能采样模块、温湿度模块、SIM卡模块、电池及电源模块以及GPS模块连接，电能采样模块与设置在发电机上的电压传感器和电流传感器连接。本发明集通信基站发电机调度、管理、运行费用统计、GPS精确定位、油耗计算、电能采样、温湿度检测于一体，智能监测装置通用简单、功能强大、成本低廉、便于安装、使用操作和维护管理，为通信基站发电机的监控、调度与运行费用管理提供了支撑。

Description

一种通信基站发电机远程监测系统及其方法

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，尤其涉及通信基站发电机的调度、运行费用管理、电压与电流远程监视、油耗计算、发电机GPS精确定位、温湿度环境参数采集等通信基站发电机远程监测系统及其方法。

背景技术

近几十年来，随着我国移动通信事业的高速发展，全国各地设立了无数大小不一、分布广泛的通信基站，设备种类和数量大幅度的增加。由于基站数量众多，覆盖面积广，维护保养等难度大，其中电力中断对移动通信的影响则表现得更为明显。基站停电后，由于发现不及时或无人跟踪等原因，往往不仅影响网络质量，还会严重影响公司的收入和形象。因此，如何保证在大面积停电下调度和管理移动发电机，使网络质量不受影响是维护部门一项重要的工作。目前解决方式是靠移动发电机上站发电。多个基站停电，则需要人工按照VIP基站、覆盖基站、普通基站依次优先发电的策略进行调度，人工调度效率低下自不言明。

同时，由于目前能源紧张，发电机在运行时耗能较大，因此如何科学合理地调度使用通信基站发电机资源，有效地进行发电分析和费用管理将是基站发电机发电系统需要着力解决的问题。尤其是目前亟待解决的发电机定位精度差问题和燃油消耗问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种通信基站发电机远程监测系统及其方法，它为了确保通信系统的正常运作，改变传统的分散维护和人工监控及调度管理，实现对通信基站发电机及其环境的远程监控、调度和管理功能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种通信基站发电机远程监测系统，它包括一台调度服务器、一台数据服务器、一台WEB服务器、若干台移动的发电机，在每台发电机上设有智能监测装置，所述智能监测装置通过网络与调度服务器连接；其中，智能监测装置包括：GSM模块，它与电能采样模块、温湿度模块、SIM卡模块、电池及电源模块以及GPS模块连接，电能采样模块与设置在发电机上的电压传感器和电流传感器连接。

所述电能采样模块结构为：电流传感器和电压传感器采集电流和电压信号，经过电阻、电容整形电路，进入电能芯片CS5460A，电能芯片CS5460A精确测量和计算电能、瞬时功率、IRMS和VRMS；GSM模块通过SPI接口与CS5460A相连，CS5460A具有与微控制器通讯的双向串口和与能量成正比的频率可编程的脉冲输出。

所述GSM模块为MD231无线数传模块。

所述电池及电源模块结构为：由电路板外进入5V电源经过芯片LT1764转换成3.8V，给整个智能监测装置供电；当市电断电后，智能监测装置利用电池供电；电池选用3.7V的锂电池，利用芯片CYT5026完成充电。

一种通信基站发电机远程监测系统的监测方法，它的步骤为：

1)发电机起动触发GSM模块记录发电机投入工作时刻，控制GPS模块工作，经过卡尔曼滤波，精确定位发电机所处方位；

2)同时GSM模块控制电能采样模块和温湿度检测模块工作，采集发电机输出电的电压、电流以及发电机所处位置的温度和湿度信息，计算电能、瞬时功率、IRMS和VRMS；根据发电机工作时长计算油耗；

3)智能监测装置将各种数据和信息通过GPRS或短信方式传送给调度服务器；

4)调度服务器将数据帧进行有效信息提取后直接存放于实时数据库中；实时数据库中的数据经过处理后转存到位于数据库服务器上的关系数据库中；数据服务器中然后从数据库进行调用处理，用于WEB发布、运行监控和费用管理；

5)WEB服务器负责WEB发布，工程师或授权用户利用电脑或手机等终端上网进行查询、监控和管理发电机运行、维护情况。

所述步骤1)中所述卡尔曼滤波算式如下：

$\left\{\begin{array}{c}\hat{x}(k+1,k+1)=[I_n-K(k+1)H]\mathrm{\Φ}\hat{x}(k,k)+K(k+1)y(k+1)\\ K(k+1)=P(k+1,k)H^T[\mathrm{HP}(k+1,k)H^T+R{]}^{-1}\\ P(k+1,k)=\mathrm{\ΦP}(k,k){\mathrm{\Φ}}^T\\ P(k+1,k+1)=[I_n-K(k+1)H]P(k+1,k){[I_n-K(k+1)H]}^T+K(k+1)R{K}^T(k+1)\end{array}\right.$

式中， $x\left(k\right)={(x\left(k\right),\stackrel{\·}{x}\left(k\right),\stackrel{\·\·}{x}\left(k\right))}^T,$ 状态转移矩阵 $\mathrm{\Φ}=\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 0.5\\ 0& 1& 1\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ 观测阵 $H=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\end{array}\right],$ υ(k)＝(υ_s(k)，υ_v(k))^T为零均值、方差阵为R的观测白噪声，υ_s(k)和υ_v(k)为相应的位置和速度观测噪声。

所述步骤2)中，发电机油耗可按下式计算：

m＝α·k·UI·t/η

式中，m为耗油量(kg)；α为发电机油耗综合修正系数，受油品、发电机部件状态、操作工发电操作等因素影响，汽油α＝1.1～1.3，柴油α＝1.2～1.4；k为燃油消耗率(g/(kw.h))；U和I分别是发电机所发电的电压和电流有效值；t为发电机工作时长；η是发电机效率。

本发明集通信基站发电机调度、管理、运行费用统计、GPS精确定位、油耗计算、电能采样、温湿度检测于一体，智能监测装置通用简单、功能强大、成本低廉、便于安装、使用操作和维护管理，本发明能有效降低通信基站配套动力系统运行维护费用，提高发电机调度和管理效率，为通信基站发电机的监控、调度与运行费用管理提供了支撑。

附图说明

图1是一种通信基站发电机远程监测系统结构框图；

图2是图1中智能监测装置硬件框图；

图3是图2中GSM模块的原理图；

图4是图2中GPS模块的原理图；

图5是图2中电能采样模块的原理图；

图6是图2中电池与电源模块的原理图。

其中，1.GSM模块，2.GPS模块，3.电能采样模块，4.温湿度模块，5.电池及电源模块，6.电压传感器，7.电流传感器，8.SIM卡。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1给出了本发明的通信基站发电机远程监测系统结构框图，包括：一台负责调度、管理与监控的调度服务器、一台数据服务器、一台负责WEB发布的WEB服务器、若干台移动的发电机，在每台发电机上设有智能监测装置，所述智能监测装置通过网络与调度服务器连接；智能监测装置将各种数据和信息通过GPRS或短信方式传送给调度服务器；调度服务器将数据帧进行提取后直接存放于实时数据库中；实时数据库中的数据经过处理后转存到位于数据库服务器上的关系数据库中；数据服务器中然后从数据库进行调用处理，用于WEB发布、运行监控和费用管理；WEB服务器负责WEB发布，工程师或授权用户利用电脑、手机、PDA、平板电脑等终端设备上网进行查询、监控和管理发电机运行、维护情况。

图2是附图1所述的智能监测装置硬件框图，包括：GSM模块1、GPS模块2、电能采样模块3、温湿度模块4和电池及电源模块5。GSM模块1控制GPS模块2进行GPS方位信息采集；温湿度模块4定时采集通信基站的环境信息，并通过单总线传送给GSM模块1；电能采样模块3利用电压传感器6和电流传感器7采集发电机的电压和电流信号，经过整形送入电能芯片，电能芯片计算有效值和功率，将结果和瞬时值传送给GSM模块1；电池及电源模块5对所有模块进行供电，在电源断电情况下，采用电池供电，保障发电机远程监测系统正常工作。GSM模块1接受AT标准命令，并可通过SIM卡进行远程控制和监测。

本发明方法的特点在于采用GSM模块1的类型为MD231无线数传模块，原理图见附图3，该模块集GSM、GPRS和微控制器功能于一体，用户再无需增加微控制器的开销。MD231是一款工业级的GSM/GPRS双频和四频无线数传模块，支持标准AT命令控制且支持AT命令控制UART2/UART3数据收发，方便用户通过下载、升级程序及串口控制；支持GPRS数据传输，自带TCP/UDP协议栈，支持模块联入各种网络；支持SMS文本和PDU模式，可实现通过SMS方式远程监控和配置模块。

本发明中运用MD231采用于程序下载和升级用的串口UART1，用于调试的JTAG接口以及SIM卡8接口电路。用户可以通过短信息实现模块的远程参数配置和监控。

本发明提出了发电机远程监测方法包含以下步骤：发电机起动触发GSM模块1记录发电机投入工作时刻，控制GPS模块2工作，经过卡尔曼滤波，精确定位发电机所处方位，同时GSM模块1控制电能采样模块3和温湿度检测模块4工作，通过电压传感器6和电流传感器7采集发电机输出电的电压、电流以及发电机所处位置的温度和湿度等信息，根据发电机工作时长计算油耗，最后将这些信息通过SIM卡8利用GPRS或短信方式传送给调度服务器。调度服务器将数据帧进行提取后直接存放于实时数据库中；实时数据库中的数据经过处理后转存到位于数据库服务器上的关系数据库中；数据服务器中然后从数据库进行调用处理，用于WEB发布、运行监控和费用管理；WEB服务器负责WEB发布，工程师或授权用户利用电脑、手机、PDA、平板电脑等终端设备上网进行查询、监控和管理发电机运行、维护情况。

附图4是附图2中GPS模块2的原理图。GPS模块2采用高性能、低功耗、小尺寸并且非常容易整合的GPS模块ZYM-GA85。此GPS模块一次性追踪20颗人造卫星，具有快速收星和每秒更新一次定位数据的能力。GA85设计采用最新的表面粘贴技术和高水准电路整合技术，达到了同时将体积和功耗需求减少到最小的最佳表现。GSM模块与ZYM-GA85的通信是通过UART实现的。ZYM-GA85是一款带有TCXO设计的高性能产品，兼容所有SiRF软件方案。用户使用该方案可以捕获和持续追踪超低GPS信号，比目前其它自治GPS解决方案更为优秀。这意味着GPS现在能在先前被认为不可能使用的环境中使用，例如：严密的都市楼宇，密集的树林，深入内部的停车库和在户内的其它许多情况。

为了消除GPS定位信号误差，提高GPS定位精度，本发明采用了卡尔曼滤波方法。该方法首先将kT时刻GPS模块传来的数据转换成空间坐标系(X，Y，Z)中数据，其中T＝1s为采样时间。则对X轴的状态空间方程可以下式表示：

$\left\{\begin{array}{c}x(k+1)=\mathrm{\Φx}\left(k\right)\\ y\left(k\right)=\mathrm{Hx}\left(k\right)+\mathrm{\υ}\left(k\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中， $x\left(k\right)={(x\left(k\right),\stackrel{\·}{x}\left(k\right),\stackrel{\·\·}{x}\left(k\right))}^T,$ 状态转移矩阵 $\mathrm{\Φ}=\left[\begin{array}{ccc}1& 1& 0.5\\ 0& 1& 1\\ 0& 0& 1\end{array}\right],$ 观测阵 $H=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\end{array}\right],$ υ(k)＝(υ_s(k)，υ_v(k))^T为零均值、方差阵为R的观测白噪声，υ_s(k)和υ_v(k)为相应的位置和速度观测噪声。则卡尔曼滤波器可以表示为下式：

$\left\{\begin{array}{c}\hat{x}(k+1,k+1)=[I_n-K(k+1)H]\mathrm{\Φ}\hat{x}(k,k)+K(k+1)y(k+1)\\ K(k+1)=P(k+1,k)H^T[\mathrm{HP}(k+1,k)H^T+R{]}^{-1}\\ P(k+1,k)=\mathrm{\ΦP}(k,k){\mathrm{\Φ}}^T\\ P(k+1,k+1)=[I_n-K(k+1)H]P(k+1,k){[I_n-K(k+1)H]}^T+K(k+1)R{K}^T(k+1)\end{array}\right.---\left(2\right)$

同理可得空间坐标系中Y轴和Z轴上的滤波方程。通过卡尔曼滤波方法可以提高定位过程中位置及速度的估计精度。

附图5是附图2中电能采样模块3的原理图。电流传感器7和电压传感器6采集电流和电压信号，经过电阻电容整形电路，进入电能芯片CS5460A。CS5460A是一个包含两个Δ∑模-数转换器(ADC)、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的Δ∑模-数转换器。通过电能芯片CS5460A可精确测量和计算电能、瞬时功率、IRMS和VRMS。GSM模块通过SPI接口与CS5460A相连，CS5460A具有与微控制器通讯的双向串口和与能量成正比的频率可编程的脉冲输出。

CS5460A具有方便的片上AC/DC系统校准功能。

发电机的油耗根据发电机铭牌参数和检测的电压电流值按下式计算：

m＝α·k·UI·t/η    (3)

式中，m为耗油量(kg)；α为发电机油耗综合修正系数，受油品、发电机部件状态、操作工发电操作等因素影响，汽油α＝1.1～1.3，柴油α＝1.2～1.4；k为燃油消耗率(g/(kw.h))；U和I分别是发电机所发电的电压和电流有效值；t为发电机工作时长；η是发电机效率。

附图6中电池及电源模块5。由电路板外进入5V电源经过芯片LT1764转换成3.8V，给整个远程监测系统供电。当市电断电后，远程监测系统利用电池供电。电池选用3.7V的锂电池，利用芯片CYT5026设计有充电电路。

尽管对本发明的原理结合实施例进行了展示和描述，但本领域技术人员将会理解在不偏离本发明的原理和实质的情况下，对这些实施例进行改变，如无线数传模块、温湿度模块的型号等，其范围也落入本发明的权利要求及其等同物所限定的范围内。

Claims (2)

1.一种采用通信基站发电机远程监测系统的监测方法，所述通信基站发电机远程监测系统，它包括一台负责调度、管理与监控的调度服务器、一台数据服务器、一台负责WEB发布的WEB服务器、若干台移动的发电机，在每台发电机上设有智能监测装置，所述智能监测装置通过网络与调度服务器连接；其中，智能监测装置包括：GSM模块，它与电能采样模块、温湿度模块、SIM卡模块、电池及电源模块以及GPS模块连接，电能采样模块与设置在发电机上的电压传感器和电流传感器连接；其特征是，它的步骤为： 

1）发电机起动触发GSM模块记录发电机投入工作时刻，控制GPS模块工作，经过卡尔曼滤波，精确定位发电机所处方位； 

2）同时GSM模块控制电能采样模块和温湿度检测模块工作，采集发电机输出电的电压、电流以及发电机所处位置的温度和湿度信息，计算电能、瞬时功率、IRMS和VRMS；根据发电机工作时长计算油耗； 

3）智能监测装置将各种数据和信息通过GPRS或短信方式传送给调度服务器； 

4）调度服务器将数据帧进行有效信息提取后直接存放于实时数据库中；实时数据库中的数据经过处理后转存到位于数据服务器上的关系数据库中；数据服务器然后从数据库进行调用处理，用于WEB发布、运行监控和费用管理； 

5）WEB服务器负责WEB发布，工程师或授权用户利用电脑或手机上网进行查询、监控和管理发电机运行、维护情况； 

所述步骤1）中所述卡尔曼滤波算式如下： 

对X轴的状态空间方程以下式表示：

式中，

状态转移矩阵

观测阵

υ(k)＝(υ_s(k)，υ_v(k))^T：为零均值、方差阵为的观测白噪声R的观测白噪声，υ_s(k)和υ_v(k)为相应的位置和速度观测噪声。 

2.如权利要求1所述的监测方法，其特征是，所述步骤2）中，发电机油耗按下式计算： 

m＝α·k·UI·t/η 

式中，m为耗油量kg；α为发电机油耗综合修正系数，受油品、发电机部件状态、操作工发电操作因素影响，汽油α=1.1～1.3，柴油α=1.2～1.4；k为燃油消耗率g/(kw.h)；U和I分别是发电机所发电的电压和电流有效值；t为发电机工作时长；η是发电机效率。 

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