CN210294836U - 基于mqtt协议的通信基站动力与环境监控数据采集终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于MQTT协议的通信基站动力与环境监控数据采集终端，包括STM32F407核心控制单元，环境监测单元，空调、电力系统监测单元；所述环境监测单元包括温湿度传感器、烟雾传感器、水浸传感器、视频监控模块；所述空调、电力系统监测单元包括机房空调监控模块、智能电表监测模块、开关电源监控模块、蓄电池监测模块；所述STM32F407核心控制单元与所述环境监测单元，空调、电力系统监测单元连接，用于获取所述环境监测单元及空调、电力系统监测单元采集的数据，并通过MQTT协议与服务器进行通信，将获取的数据传输至服务器进行判断与分析。本实用新型能够全方位监测基站内的各种参数，并基于MQTT协议与服务器进行通信，便于数据传输。

Description

基于MQTT协议的通信基站动力与环境监控数据采集终端

技术领域

本实用新型属于通信技术领域，尤其涉及一种基于MQTT协议的通信基站动力与环境监控数据采集终端。

背景技术

随着现代电信事业以及我国4G移动通信事业的发展，通信网络规模在不断扩大，因此需要监管以及维护的通信基站数量和设备种类也随之增加。通信机房电源设备数量和种类繁多，而且分布范围广、位置分散，维护人员少，给维护和管理带来极大的不便。维护人员不但要巡视重要机房，还要经常对重要的设备数据进行测试并对设备故障作出快速响应。为了提高通信网络的整体质量，降低运行维护成本，提高能源利用率，智能化、稳定的设备投入运行，对动力设备和环境提出了更高的要求。不少的局站开始选择实行无人值守或少人值守的策略，需要通过一定的远程监控手段实时了解设备的运行情况。通信机房动力环境监控系统通过对电源、空调及智能电表、温湿度、烟雾、水浸传感器、门禁传感器环境进行监测，可以及时发现故障，大幅度提高整体运行效率，成为一种必要而且有效的手段。因此，利用远程监控软件对通信机房进行实时监控是目前确保企业安全的重要手段之一。

现有的监控终端的硬件电路由以STM32F407ZGT6为核心的控制板和接口扩展板两块电路板组成，具有如下技术缺陷：由于监控设备接口不统一，通信协议不同，有的设备使用I2C总线协议，还有的使用SPI通信协议，有一些还使用Modbus通信协议或者CAN总线通信协议，协议的多样性造成数据传输困难，大部分产品只能监测一个或少部分的环境参数，所以通信基站动力与环境监测产品功能单一，不能全方位监测基站内的各种参数。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于MQTT协议的通信基站动力与环境监控数据采集终端，以解决上述技术问题。

本实用新型提供了一种基于MQTT协议的通信基站动力与环境监控数据采集终端，包括机房动力与环境检测控制单元，环境监测单元，空调、电力系统监测单元；

环境监测单元包括：

温湿度传感器，用于采集当前环境温湿度数据；

烟雾传感器，用于采集环境烟雾数据；

水浸传感器，用于采集室内环境地面凝水数据；

视频监控模块，用于基于人体移动传感器、门磁传感器采集的数据，在有人打开机房门或者机房内有人移动时，记录10-20秒视频图像；

空调、电力系统监测单元包括：

机房空调监控模块，用于通过远程通信接口采集空调工作状态数据；

智能电表监测模块，用于采集智能电表A，B，C三相的电压、电流、功率有效值和当前频率数据；

开关电源监控模块，用于通过通信接口采集开关电源数据；

蓄电池监测模块，用于通过监测数据库代码或者通信协议采集蓄电池工作状态数据；

机房动力与环境检测控制单元与环境监测单元，空调、电力系统监测单元连接，用于获取环境监测单元及空调、电力系统监测单元采集的数据，并通过MQTT协议与服务器进行通信，将获取的数据传输至服务器进行判断与分析。

进一步地，机房动力与环境检测控制单元还用于基于开关电源监控模块采集的视频数据，结合智能电表模块采集的数据进行市电监测，若市电断电或者异常，发出告警信息。

进一步地，机房动力与环境检测控制单元包括网口控制模块、电平转换模块、电源模块及供电模块。

进一步地，机房动力与环境检测控制单元采用STM32F407芯片。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1)考虑到所有参数的广泛性以及电源、空调、传感器等机房设备型号的不同性，对于现有技术中使用广泛的设备型号都进行了采集，再将这些数据采用新兴的物联网协议MQTT协议将数据发送到MQTT服务器，MQTT 订阅客户端通过订阅上传到服务器的主题数据而获取机房的动力与环境参数，这使得该采集终端可以监控全部的机房设备。

2)基于MQTT协议进行数据传输，方便快捷。

3)功能完善、成本低，有非常大的实用和推广价值。

4)在空调参数设置和控制程序设计中，具有远程空调开关控制功能。

5)有线网络和4G网络兼容，即在有线网络和4G网络下均可实现该终端功能。

6)当软件程序需要更新时，该产品可实现远程更新程序，无需到实地进行操作。

附图说明

图1是本实用新型结构框图；

图2是本实用新型网口控制模块的电路图；

图3是本实用新型电平转换模块一实施例的电路图(转RS232)；

图4是本实用新型电平转换模块另一实施例的电路图(转RS485)；

图5是本实用新型电源模块的电路图；

图6是本实用新型12V-5V供电模块电路图；

图7是本实用新型5V-3.3V供电模块电路图；

图8是本实用新型温湿度数据读取模块工作流程图；

图9是本实用新型空调参数设置和控制模块工作流程图；

图10是本实用新型电源参数读取模块工作流程图；

图11是本实用新型智能电表读取模块工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本实用新型的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本实用新型的保护范围之内。

参图1所示，本实施例提供了一种基于MQTT协议的通信基站动力与环境监控数据采集终端，包括机房动力与环境检测控制单元，环境监测单元，空调、电力系统监测单元；

环境监测单元包括：

温湿度传感器，用于采集当前环境温湿度数据；

烟雾传感器，用于采集环境烟雾数据；

水浸传感器，用于采集室内环境地面凝水数据；

视频监控模块，用于基于人体移动传感器、门磁传感器采集的数据，在有人打开机房门或者机房内有人移动时，记录10-20秒视频图像；

空调、电力系统监测单元包括：

机房空调监控模块，用于通过远程通信接口采集空调工作状态数据；

智能电表监测模块，用于采集智能电表A，B，C三相的电压、电流、功率有效值和当前频率数据；

开关电源监控模块，用于通过通信接口采集开关电源数据；

蓄电池监测模块，用于通过监测数据库代码或者通信协议采集蓄电池工作状态数据；

机房动力与环境检测控制单元与环境监测单元，空调、电力系统监测单元连接，用于获取环境监测单元及空调、电力系统监测单元采集的数据，并通过MQTT协议与服务器进行通信，将获取的数据传输至服务器进行判断与分析。MQTT(Message Queuing TelemetryTransport)中文名子为消息队列遥测传输协议。它是一种基于发布/订阅，简单轻便的消息协议，专为低带宽，高延迟或不可靠的网络而设计。该协议的设计原则是尽量减少网络带宽和设备资源需求，同时还要确保可靠性和一定程度的交付保证。作为一种低带宽占用的即时通讯协议，在物联网、移动通信方面有着很大的应用前景。

通过该基于MQTT协议的通信基站动力与环境监控数据采集终端，能够全方位监测基站内的各种参数，并基于MQTT协议与服务器进行通信，使数据传输更加便捷。

在本实施例中，机房动力与环境检测控制单元还用于基于开关电源监控模块采集的视频数据，结合智能电表模块采集的数据进行市电监测，若市电断电或者异常，发出告警信息。

在本实施例中，机房动力与环境检测控制单元包括网口控制模块、电平转换模块、电源模块及供电模块。

下面对本实用新型作进一步详细说明。

通信机房中的各类设备对机房的数据进行采集，并将采集好的数据传至硬件部分进行处理，硬件部分会将各类数据进行处理与解析，当一系列处理结束以后，将所有数据进行打包并且传至服务器。服务器会将一部分数据存入数据库作为历史信息，这些历史信息可以用来对机房设备的工作状况进行判断与分析。服务器采用MQTT协议进行通信。

参图1所示，本监测终端的各模块功能及要求如下：

1.环境监测：

温湿度传感器：检测当前环境温湿度。

烟雾传感器：检测环境烟雾。

水浸传感器：机房等室内环境地面的凝水检测。

视频监控：结合人体移动传感器、门磁传感器，当有人打开机房门或者机房内有人移动时，记录10-20秒视频图像，在远程监控终端可以实时查看机房环境。

2.空调、电力系统监测：

机房精密空调监控：具备远程通信接口(485接口)。

开关电源：通过通信接口读取开关电源信息，结合智能电表进行市电监测，如果市电断电或者异常及时告警。

蓄电池监测：需要厂家开放监测数据库代码或者通信协议。

智能电表监测：可以实时测量A，B，C三相的电压、电流、功率等有效值和当前频率。具有RS485有线通信接口，符合DL/T645-2007标准。

3.机房动力与环境检测控制器：

核心控制单元：完成动力与环境各项参数的采集和控制，送到远程服务器。

工作状态显示：通过自带的液晶显示屏和相关指示灯，显示目前设备工作状态。如果出现故障或环境异常及时显示并告警，通知相关人员。

控制单元(硬件电路)总共分为以下几大模块设计：供电模块、网口控制模块、电源以及电平转换模块以及外部SRAM模块等。硬件电路中的主要芯片为STM32F407系列，该芯片集成FPU和DSP指令，并具有192KB SRAM、 1024KB FLASH、112个16位定时器、2个32位定时器、一个FSMC(可变静态存储控制器)接口以及112个通用的IO口等，芯片资源极其丰富。其中外部SRAM模块主要作为静态随机存取存储寄存器存在，SRAM(静态随机存储寄存器)在掉电以后，之前存储的数据就会消失，故SRAM只能作为高速缓存。外部SRAM模块的主要芯片是IS62WV51216，STM32雇佣FSMC来管理它，FSMC可用于驱动SRAM。JTAG模块用于下载程序和在线仿真并且调试程序，需要注意的是：为了避免IO口电平浮空，器件在JTAG引脚上内置了上拉和下拉。供电模块是根据电源需求对于电压进行大小转换，有12V-5V-3.3V 的转换。网口控制模块顾名思义是提供网络功能，用于连接网线。

1)网口控制模块

如图2所示，STM32F407内置的MAC层让使用者封装字节数据为网络帧结构，但STM32F407并没有能力将其发送到电缆上去，特别是涉及到光电电磁等模拟量的信号，没法处理，因此需要外部PHY模块进行辅助，而网络控制模块中的芯片DP83848IV就是这里所说到的外部PHY。其中RJ45 是各种不同接头中的一种类型，它可用于计算机网络数据的传输，它日常情况下可以分为两类：第一种是用于以太网网卡、路由器以太网接口的 DTE类型，另一种则是用于交换机的DCE类型，本实施例利用第一种。MAC 跟PHY通信是使用RMII或者MII接口，前者引脚使用少，频率高；后者引脚使用多，频率低。一般使用前者，网口控制模块的主芯片是 DP83848IV，它是以太网的控制芯片，支持MII和RMII两种接口模式，在 RMII模式下，DP83848IV芯片的34引脚需要连接一个50MHz的有源振荡器，即图2中的Y3。DP83848IV有48个引脚，其中的的42-46引脚可以用于读入自己的ADDR，ADDR是用于通信的地址。此外有三个引脚用于电压反馈，并且每个引脚必须接一个电容，即18/23/37引脚。

2)电平转换模块

如图3所示，电平转换模块主要芯片为MAX3232，它是一款为RS232标准串口设计的单电源电平转换芯片，只要输入电压在3.0V至5.5V范围以内，即可提供+5.5V(倍压电荷泵)和-5.5V(反相电荷泵)输出电压，电荷泵工作在非连续模式，一旦输出电压低于5.5V，将开启电荷泵；输出电压超过 5.5V，即可关闭电荷泵，每个电荷泵需要一个飞容器和一个储能电容，产生 V+和V-的电压。所谓的电荷泵电路是指1/2/3/4/5/6六个引脚与四个电容构成，电容类型一般为104(大小为0.1uF)。15/16引脚用于供电，供电VCC 可以为+3.3v或者+5V。图3中的J6是RS232的数据插头。

参图4所示，MAX485采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能。 MAX485芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。RO 和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态。A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制 MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻。

3)电源模块

参图5所示，电源模块中，主要的芯片是SYSY20-48S12，该芯片是一款DC/DC隔离电源模块，可实现由高压直流电源变为低压直流电源。 DC/DC变换是将原直流电通过调整其PWM(占空比)来控制输出的有效电压的大小，若想得到一个电源纹波相对较小、对系统其他电路干扰相对较小，而且相对稳定可靠的DC-DC电路，需要考虑输入电路和输出电路的选择，输入电路端会选择一个适当的电容用于滤波，输出电路旨在得到更小的纹波。

4)供电模块

参图6所示，MP2359是一款电压直降的芯片，它可以实现由12V-5V 的降压，芯片结构很简单，是六脚封装的，BST是靴带引脚，GND为接地引脚，3Vfb是反馈引脚，CE是芯片的使能引脚(在高电平有效)，Vin 为电源输入电压引脚，Lx是开关引脚。

参图7所示，ASM1117可以实现由5V-3.3V的降压，芯片是四脚封装，其中IN引脚连接的D5起到的作用是：防止电源反接引起芯片烧坏。而0 在2/4引脚的输出部分连接电容是为了确保芯片的稳定性。供电模块之所以实现由12V-5V-3.3V的降压是有一定考虑的，如果12V-3.3V直接进行降压，压降太大，这样会造成降压器件上输入和输出的压降过大，根据 P＝UI公式可得，电压越高则相应的电流就会越大，则器件消耗的功率P 就会越大，发热就会增多。同时电流的增大会字节导致器件散热功能减弱，器件就会因为温度高而影响寿命。

参图8至图11所示，温湿度数据读取模块用于对于机房温度湿度实时数据的追踪，空调参数设置和控制模块用于远程控制机房空调开关且改变机房温度的功能，智能电表读取模块用于实时测量A，B，C三相的电压、电流、功率等有效值和当前频率等参数，电源参数读取模块用于通过通信接口读取开关电源信息对于断电等情况及时处理。

1)温湿度数据的读取

在相应的C文件中首先应该对温湿度传感器进行复位处理，同时检测温湿度传感器状态是否正常，在确定无误的情况下开始启动。读取到数据之后需要对数据进行处理，注意温度湿度的范围设置，根据机房实际情况对温度湿度进行设置。

2)空调温度控制

空调参数设置和控制程序设计的目的是远程控制空调开关机并且可以设置空调温度。根据空调与计算机通信协议，当设定开机、制冷模式、设定温度24度时发送数据应如下：AA 00 10 20 58 00 00 00 00 00 00 00 00 00 CD其中AA为计算机发送给空调器命令，默认地址为00，10为空调开机，20为空调模式制冷，58为设置空调温度为24℃， CD＝FF-AA-10-20-58，上述数据都是16进制。空调与计算机通讯协议根据空调选择的不同协议也各不相同，具体协议具体实现。具体实现流程如图 9所示。

3)电源数据获取

进行电源数据读取时，首先应该设置好串口信息以及接收长度和标志位，接着获取电源的地址，根据电总协议发送数据命令，最后判断时候接收到数据以及接收数据是否正确，即满足电总协议中信息结构要求，若接收数据错误则返回接受错误的指令，反之根据数据结构进行数据的解析。电源采用电总协议进行通信，需要注意的是：不同的电源电总协议有所差别，需要进行不同的代码编写。电总协议规范了SU与SM之间信息交互的要求，为保证SU与SM之间能够准确无误的传输信息，约定按照一定的结构组织起来。在接收到信息之后便可再次根据电总协议规范对数据进行解析，从而得到实际的数值。电源数据相关信息如下表所示：

4)智能电表数据获取

设备通电后，进行一系列初始化设置包括：延时程序初始化、串口初始化以及中断优先级设置。通过通信协议要求向电表发送帧格式进行数据的获取，得到返回报文后对数据进行解析。智能电表符合电总协议和 DLT645-2007协议，DLT645-2007规约是中华人民共和国电力行业标准针对电表通信制定的电表协议，该协议支持点对点或者一主多从的数据交换的方式，对于它们彼此之间的通信连接、物理链路以及应用技术规定做出了明确的规定。智能电表数据相关信息如下表所示：

图2至图7电路图中零部件说明见下表：

该采集终端在使用过程中不仅可以实现对于机房各类参数进行远程监控同时还提供报警功能，当机房发生异常时，如水浸和烟雾传感器检测到异常，会有报警警告信息，以便机房工作人员及时查看情况并予以解决。该采集终端很好的解决了通信机房远程监控的现实问题，减少了人力和物力的投入。以此同时当需要对软件进行更新时，远程便可实现，无需研发人员到机房实地去进行更新与维修操作。对于通信机房的所有动力与环境的监测，该采集终端均可以实现，涉及设备范围广，同时投入少，因此具有良好的应用前景。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。

Claims (4)

1.一种基于MQTT协议的通信基站动力与环境监控数据采集终端，其特征在于，包括机房动力与环境检测控制单元，环境监测单元，空调、电力系统监测单元；

所述环境监测单元包括：

温湿度传感器，用于采集当前环境温湿度数据；

烟雾传感器，用于采集环境烟雾数据；

水浸传感器，用于采集室内环境地面凝水数据；

视频监控模块，用于基于人体移动传感器、门磁传感器采集的数据，在有人打开机房门或者机房内有人移动时，记录10-20秒视频图像；

所述空调、电力系统监测单元包括：

机房空调监控模块，用于通过远程通信接口采集空调工作状态数据；

智能电表监测模块，用于采集智能电表A，B，C三相的电压、电流、功率有效值和当前频率数据；

开关电源监控模块，用于通过通信接口采集开关电源数据；

蓄电池监测模块，用于通过监测数据库代码或者通信协议采集蓄电池工作状态数据；

所述机房动力与环境检测控制单元与所述环境监测单元，空调、电力系统监测单元连接，用于获取所述环境监测单元及空调、电力系统监测单元采集的数据，并通过MQTT协议与服务器进行通信，将获取的数据传输至服务器进行判断与分析。

2.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的通信基站动力与环境监控数据采集终端，其特征在于，所述机房动力与环境检测控制单元还用于基于所述开关电源监控模块采集的视频数据，结合智能电表模块采集的数据进行市电监测，若市电断电或者异常，发出告警信息。

3.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的通信基站动力与环境监控数据采集终端，其特征在于，所述机房动力与环境检测控制单元包括网口控制模块、电平转换模块、电源模块及供电模块。

4.根据权利要求1所述的基于MQTT协议的通信基站动力与环境监控数据采集终端，其特征在于，所述机房动力与环境检测控制单元采用STM32F407芯片。

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