移動通信基站節能監控系統的設計

南紅蘭，李允俊

(延邊大學 工學院，延吉 133002)

移動通信基站節能監控系統的設計

南紅蘭，李允俊

(延邊大學 工學院，延吉 133002)

設計了一種移動通信基站節能監控系統，通過STM32F407單片機將模塊整合，并設計了數據采集器與監控平臺。智能控制器對基站內外溫濕度檢測，實現了控制新風機與空調的啟停，并通過監控平臺來遠程監測基站設備情況。測試結果表明，本系統具有良好的穩定性，節能效果顯著，具有一定的實用價值。

移動通信基站；STM32F407單片機；監控

引 言

近年來，移動通信行業飛速發展，移動網絡規模不斷擴大，電子通信產品的普及使人們對移動通信網絡的業務需求與日俱增。為滿足越來越大的通信需求以及為用戶提供更好的通信服務，通信運營商們不斷增設移動通信基站，隨之而來的問題是無線通信行業的能源消耗急劇上升。其中，移動通信基站的空調耗電量占到了基站總耗電量的40%。所以，如何降低移動通信基站空調耗電量成為降低通信行業成本的關鍵問題之一[1-3]。

本文設計一種智能控制器來實現多模式控制新風系統，并設計信息采集服務器，將數據傳到遠端進行分析，通過建立數學模型，運用合適算法計算，得到不同時間內的最佳參數值。通過對控制器參數的修改，制定最佳節能策略，并結合遠程實時監控，最終實現移動通信基站的節能目的。

1 系統架構

本移動通信基站節能監控系統主要分為智能控制器模塊、數據采集器模塊和監控平臺模塊三個部分。智能控制器模塊采用STM32F407單片機，數據采集器模塊采用S3C2410嵌入式開發板，監控平臺模塊采用Java語言進行開發，采用MySQL數據庫進行數據存儲。本系統構架如圖1所示。

圖1 系統架構圖

1.1 智能控制器模塊設計

智能控制器采用STM32F407單片機，主要對基站實現監視、控制、設定、管理及通信等功能。控制器通過AI接口對室內外溫濕度和電表數據進行檢測，通過AO接口進行變頻輸出，通過DI接口進行報警輸入，通過DO接口輸出繼電器信號從而對新風機和空調進行控制，通過RS485接口與數據采集器進行通信，通過LED屏幕顯示運行界面。控制器的設計首先對單片機進行各種系統初始化操作，然后進入主循環不斷更新ModBus上傳數據。本控制器有RS485接口，在接口接收到數據后，會執行相應的數據處理函數。根據系統需求，對電量的使用情況進行記錄。控制器流程圖如圖2所示。

圖2 控制器流程圖

本系統定義ModBus解析函數對數據包進行解析。首先判斷長度和CRC校驗是否正確，在正確的情況下依次判斷地址、功能碼、字節數是否正確，保存數據并置地址和上傳標記。表1為ModBus解析函數相關標記表，圖3為ModBus解析函數流程圖。

表1 ModBus解析函數相關標記表

控制器需要通過制定控制策略對新風機和空調進行智能控制，控制策略主要根據基站室內外的溫濕度值作為判斷指標。控制器控制策略主要分為4個優先級控制，從高到低分別是報警控制、濕度控制、溫度控制及時間控制。

本系統采用溫度控制的聯動模式，主要是通過設定基站內溫度的參數值來確定空調和新風機的開啟或者關閉。根據系統指標要求，當低于低溫下限26 ℃的時候，空調和新風機會都關閉；當高于低溫下限26 ℃而低于高溫上限35 ℃時，基站內外溫差如果大于2 ℃，開啟風機，而空調在26～30 ℃之間的時候是關閉狀態，在30～35 ℃的時候是不處理狀態(升溫關閉，降溫開啟)；在35～40 ℃之間的時候，新風機關閉，空調開啟；當40～45 ℃的時候，風機不處理狀態(升溫關閉，降溫開啟)，空調開啟；當高于報警上限45 ℃的時候，新風機和空調全部開啟，并報警。圖4為控制策略圖。

圖3 ModBus解析函數流程圖

圖4 控制策略圖

1.2 數據采集器模塊設計

數據采集器與控制器選用RS485通信，采用ModBus協議。數據采集器與監控平臺采用Socket通信，在與監控平臺連接后，接收監控平臺發過來的指令，將指令解析成相應的ModBus協議指令，通過RS485通信將命令發送給控制器，控制器根據ModBus協議將命令解析，執行相應的指令功能。數據采集器接收控制器返回值，數據采集器將控制器發過來的命令通過ModBus協議解析，再將解析后的數據發送到監控平臺。

當接收到查詢類指令的時候，服務器會構造ModBus協議指令，通過RS485端口寫入控制器，然后讀RS485端口，獲取ModBus返回命令，解析ModBus命令，獲取所需數據，將數據返回給客戶端。當接收到控制類指令的時候，構造ModBus協議指令，通過RS485端口寫入控制器。在這個線程里服務器會不斷的循環接收命令，執行命令。圖5為數據采集器流程圖。

圖5 數據采集器流程圖

為了保證數據在傳送過程中的準確性，ModBus采用CRC校驗。具體方法是調用函數根據ModBus命令前6字節生成16位CRC校驗碼，將16位校驗碼加到命令最后兩個字節中。接收設備收到ModBus命令后，調用函數重新計算命令字中前6個字節的CRC校驗碼，并與接收到的CRC校驗碼的值比較，如果兩個值相同，則說明命令字傳輸過程中沒有發生錯誤，否則返回異常功能碼。

1.3 監控平臺模塊設計

移動通信基站節能監控系統是一個基于Java+ MySQL + HTML，采用Struts +JDBC + ECharts等技術組合的監控管理系統。系統總體分三個模塊：實時數據、歷史數據，系統數據。

① 實時數據。顯示基站的監控信息，包括室內外溫度、濕度、時間、IP、基站狀態等。實時刷新頁面數據，以顯示最近基站監控數據。Web后臺通過Socket通信獲取數據采集器提交上來的數據，頁面以表格的形式展示，利用Ajax和Socket 技術實時獲取，并在頁面更新數據。為了更好的分析數據，利用ECharts 框架技術展現室內外溫濕度的折線圖。

② 歷史數據。以時間維度顯示基站的監控信息，包括室內外溫度、濕度、時間、IP、機房狀態、空間狀態以及電表等。Socket獲取數據采集器數據的同時，會將數據通過JDBC存儲到MySQL數據庫中，方便記錄數據。

③ 系統設置。系統設置中可設定不同的維度，數值可通過HTML傳導到后臺，后臺通過Socket 和Linux 服務器交互獲取增加維度條件之后的數據。可調節維度包括：時間、RS485接口、新風機、空調及室內外濕度的最高或最低值、報警溫度、溫差等。

本數據庫是為了將基站中的數據存儲起來，方便查詢。數據庫中存儲的變量有基站號、機房狀態、室內溫度、室內濕度、室外溫度、室外溫度、時間、IP、新風機狀態、空調狀態及電表。表2為監控平臺的數據庫表。

表2 監控平臺數據庫表

2 遺傳算法

本設計用遺傳算法來對系統的節能性進行評價。首先建立電費計算數學模型，利用遺傳算法求出最優解，并用MATLAB軟件仿真出來的最優解來對系統節能性進行評價。遺傳算法(Genetic Algorithm)是模擬達爾文生物進化論進行自然選擇的生物進化過程的一種計算模型，是一種通過模擬自然進化過程搜索最優解的方法[4]。

對于一個求函數最大值或最小值的優化問題，一般可以描述為下列數學規劃模型：

式中X為決策變量，max f(X)為目標函數式，X∈R、R?U為約束條件，U是基本空間，R是U的子集。滿足約束條件的解X稱為可行解，集合R表示所有滿足約束條件的解所組成的集合，稱為可行解集合。

遺傳算法的基本運算過程如下[5,6]：

① 初始化：設置進化代數計數器t=0，對最大進化代數T進行設置，隨機生成M個個體作為初始群體P(0)。

② 個體評價：計算群體P(t)中各個個體的適應度值。

③ 選擇運算：將選擇算子應用于群體。選擇的要求是把優化的個體直接遺傳給后代或通過配對交叉產生新的個體再傳給下代。群體中的個體將在適應度評估基礎上進行選擇操作。

④ 交叉運算：將交叉算子應用于群體。交叉算子是遺傳算法中的最重要環節。

⑤ 變異運算：將變異算子應用于群體。對群體中的某些基因的基因值作變異操作。

⑥ 群體P(t)經過選擇、交叉、變異運算操作之后將得到下一代群體P(t+1)。

⑦ 終止條件判斷:若t=T，則以此進化過程中所得到的擁有最大適應度的個體作為問題的最優解，終止計算。

遺傳算法的流程圖如圖6所示。

圖6 遺傳算法流程圖

3 測試與結果

本設計以各個部分功能為測試點，分別對控制器、數據采集器、監控平臺的功能進行測試。

通過在搭建測試環境對控制器進行功能測試，主要針對溫濕度采集、密碼登錄、信息存儲、通信、控制模式等功能進行測試。圖7為控制器功能測試圖。

圖7 控制器功能測試圖

通過對抽取的30臺數據采集器進行實際現場測試，數據采集器運行穩定，數據傳輸準確，完成了控制器與監控平臺的連接作用。數據采集器與控制器、數據采集器與監控平臺的成功率均達到100%。

通過對監控平臺進行24小時的連續運行測試，對各項功能進行重復執行，測試結果表明，監控平臺運行穩定，監測與控制功能執行良好。圖8為監控平臺的實時數據界面圖。

圖8 實時數據界面

本系統通過在實際移動通信基站中進行整體系統測試，來對系統的各項功能及節能效果進行評價。通過建立移動通信基站降溫設備耗電數學模型，利用遺傳算法求出在使用智能控制器的情況下的用電情況，通過與常規基站降溫設備能耗作對比，證明系統的節能性。

圖9為用MATLAB軟件仿真出來的最優解，將得到的解與常規基站降溫設備能耗值作對比，得出使用本系統后，基站降溫設備每天消耗電費32.2 kWh，而常規基站降溫設備每天消耗電費約41 kWh，節約21.5%用電量。

Energy-saving Monitor System Design for Mobile Communication Base Station

Nan Honglan,Li Yunjun

(Institute of Technology,Yanbian University,Yanji 133002,China)

In this paper,an energy monitoring system of mobile communication base station is designed.A set of data collection and monitoring platform are designed based on STM32F407 microcontroller.The intelligent controller detects the temperature and humidity of the base station,it realizes start and stop function control of the new fan and air conditioning.Remote monitoring of base station equipment is achieved through the monitoring platform.The experiment results show that the system has the characteristics of high reliability,good stability and practical value.

mobile communication base station;STM32F407 microcontroller; monitoring

圖9 節能基站降溫設備日耗電量

TP319

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