基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基站電源監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

韓玉聽(tīng)

（山東省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071）

0 引 言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，人們對(duì)通信基站的需求增加。隨著通信基站大規(guī)模的建設(shè)和使用，基站內(nèi)部的電源情況、供電安全保障或節(jié)能減排等問(wèn)題，仍然是基站建設(shè)的重點(diǎn)問(wèn)題。不管是建設(shè)者還是使用者，都應(yīng)當(dāng)注重用電安全等問(wèn)題。整個(gè)基站系統(tǒng)涉及的工程數(shù)據(jù)信息極大，監(jiān)控系統(tǒng)是其中的一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題，也是基站建設(shè)的主要配套設(shè)施。本文主要論述基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，希望能夠?yàn)榛竟芾硖峁┮欢◣椭?/p>

1 電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通信基站中的電源管理平臺(tái)具有重要作用。電源管理包含不同的功能，如應(yīng)用層、服務(wù)層和設(shè)計(jì)層，每層都有不同的服務(wù)，可以根據(jù)不同層的應(yīng)用展開(kāi)分布式部署。其中，對(duì)電源需要實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)來(lái)分析電壓和電流的數(shù)據(jù)是否正常；檢測(cè)是通過(guò)使用采集控制器進(jìn)行的，檢測(cè)過(guò)后的數(shù)據(jù)也要進(jìn)行儲(chǔ)存。該平臺(tái)采用的是分布式部署，存在一定的難度。配電箱在建設(shè)基站中使用的數(shù)量極大，導(dǎo)致監(jiān)控平臺(tái)無(wú)法滿(mǎn)足使用的要求。這種情況下可以增加VPN、數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)量。每一個(gè)VPN能夠容下16 000個(gè)配電箱，增加VPN后也能夠滿(mǎn)足配電箱的使用，保障基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

基站電源監(jiān)控系統(tǒng)主要是自下而上提供應(yīng)用服務(wù)的，每層只需做好該層的工作。下層應(yīng)用在進(jìn)行實(shí)際工作流程中需要接收上層的指令?；倦娫幢O(jiān)控系統(tǒng)為基站的電源監(jiān)控管理提供了一定的拓展性，也提供了不同層次數(shù)據(jù)的接口，有利于保障基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

基站電源管理的核心是數(shù)據(jù)分類(lèi)處理和分級(jí)應(yīng)用?；倦娫幢O(jiān)控系統(tǒng)能夠解決監(jiān)控的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。其中，開(kāi)關(guān)電源、電表等產(chǎn)生的數(shù)據(jù)變化，以及基站電源中的數(shù)據(jù)差異化現(xiàn)象，都能通過(guò)基站電源監(jiān)控系統(tǒng)解決。事件的數(shù)據(jù)與應(yīng)用是指當(dāng)電源的監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生一些突發(fā)情況而產(chǎn)生異?，F(xiàn)象時(shí)，可以通過(guò)自定義方式觸發(fā)應(yīng)用程序，然后根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將事件的異常上報(bào)給平臺(tái)。平臺(tái)會(huì)分析采集事件數(shù)據(jù)，最后傳輸給遠(yuǎn)方的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷。通過(guò)開(kāi)啟遠(yuǎn)程設(shè)置，工作人員通過(guò)查看系統(tǒng)的應(yīng)用與服務(wù)等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的檢修。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與應(yīng)用是要實(shí)時(shí)性采集基站的工作狀態(tài)，一般15 min采集一次設(shè)備電源數(shù)據(jù)[1]。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集工作完成后，相關(guān)人員要將采集后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行分類(lèi)儲(chǔ)存。如果儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)應(yīng)用信息出現(xiàn)異常，基站電源監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)。

周期采樣數(shù)據(jù)與應(yīng)用主要周期性采集運(yùn)行設(shè)備數(shù)據(jù)，每一周期采集的數(shù)據(jù)要在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行分類(lèi)儲(chǔ)存，進(jìn)行下一步預(yù)計(jì)分析處理，最后通過(guò)處理分析的數(shù)據(jù)情況向運(yùn)行人員提供相關(guān)數(shù)據(jù)，如在線(xiàn)評(píng)估、報(bào)表分析、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，使運(yùn)行人員能夠深入掌握運(yùn)行情況。圖1為基站電源監(jiān)控系統(tǒng)。

2 電源管理功能設(shè)計(jì)

基站監(jiān)控系統(tǒng)方案，如圖2所示。

2.1 停電預(yù)警功能

該功能主要通過(guò)人工流程和人工操作系統(tǒng)的方式將停電的數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。錄入完成后，可以建立不同的標(biāo)識(shí)，設(shè)置在停電區(qū)域內(nèi)。基站電源監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中能夠自動(dòng)識(shí)別停電標(biāo)識(shí)，再根據(jù)基站的運(yùn)行條件進(jìn)行停電預(yù)警查詢(xún)。查詢(xún)方式可以是實(shí)時(shí)查詢(xún)，也可以查詢(xún)真實(shí)的停電情況。

2.2 發(fā)電管理功能

發(fā)電管理主要是對(duì)基站的發(fā)電情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。檢測(cè)需要采取從基站整體到局部的方式。根據(jù)發(fā)電基站的不同位置，對(duì)累計(jì)發(fā)電的時(shí)長(zhǎng)和發(fā)電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，分析發(fā)電比的情況是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 計(jì)量用電

在基站的運(yùn)行中需要隨時(shí)觀(guān)察計(jì)量用電的情況。計(jì)量用電分為交流用電和直流用電，兩種用電方式隨基站的情況做出選擇。配電箱是基站建設(shè)中不可或缺的部分，能夠?qū)⒒局械臄?shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，再儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)?；镜挠秒娏靠梢愿鶕?jù)不同的時(shí)間進(jìn)行查詢(xún)和分析，可以細(xì)分到年、月、日，或者可以查詢(xún)單獨(dú)的某一個(gè)基站的用電情況。

圖1 基站電源監(jiān)控系統(tǒng)

圖2 基站監(jiān)控系統(tǒng)方案

2.4 運(yùn)維數(shù)據(jù)

運(yùn)維數(shù)據(jù)能夠全面觀(guān)測(cè)基站的運(yùn)行狀態(tài)，分析基站中停電、發(fā)電的比例，借助電子地圖進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)來(lái)觀(guān)察實(shí)時(shí)情況。比如，當(dāng)日如果某基站的用電功率過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生停電警告或者蓄電池過(guò)低警告。此類(lèi)警告可以提醒工作人員基站的用電過(guò)高，需及時(shí)進(jìn)行處理。這樣便于運(yùn)行人員了解到基站運(yùn)維數(shù)據(jù)，在用電功率過(guò)大的情況下進(jìn)行調(diào)整。

2.5 蓄電池管理

蓄電池是基站的重要組成部分。蓄電池的使用時(shí)間較長(zhǎng)，但隨著使用時(shí)間的增加，蓄電池的功能會(huì)出現(xiàn)衰減趨勢(shì)，所以工作人員要做好蓄電池的管理和維護(hù)工作。可以對(duì)蓄電池釋放一定量的電壓等，并記錄蓄電池的更換情況和維修記錄；在蓄電池達(dá)到使用年限時(shí)，及時(shí)更換，避免蓄電池故障影響整個(gè)基站的運(yùn)行。

2.6 工單維護(hù)

工單維護(hù)是指在基站受到一定警告后，維修人員需要依據(jù)警告所給的工單處理和解決相關(guān)問(wèn)題。處理完成后，要詳細(xì)記錄維修方法和處理過(guò)程，以便必要時(shí)可以查詢(xún)相關(guān)的信息。

2.7 代維管理

工作人員在接收到系統(tǒng)維護(hù)管理信息時(shí)，需要輸入代維公司的信息，然后代維公司分配維修人員前往基站中進(jìn)行維修。此外，維修人員的個(gè)人信息也需要記錄在通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)中，避免后期出現(xiàn)問(wèn)題。

2.8 用戶(hù)界面設(shè)計(jì)與應(yīng)用

基站電源管理中的用戶(hù)設(shè)計(jì)，使用戶(hù)能夠了解所選區(qū)域基站的發(fā)電比例，發(fā)電的事件和供電所消耗的功率是需要分析的。每個(gè)基站的發(fā)電情況不同，對(duì)每個(gè)基站的發(fā)電情況的分析可以通過(guò)餅狀圖的形勢(shì)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3 通信電源監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 ARM處理器硬件構(gòu)成

ARM處理器在基站監(jiān)控系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，是基站通信監(jiān)控系統(tǒng)的核心。ARM處理器被廣泛和普遍使用，功能和資源十分豐富?；就ㄐ烹娫幢O(jiān)控系統(tǒng)中需要設(shè)置視頻傳感器，而視頻傳感器對(duì)攝像頭的要求較高。視頻傳感器中使用的是zc30USB攝像頭，操作便捷，在電源監(jiān)控系統(tǒng)的工作中發(fā)揮著監(jiān)視觀(guān)察的重要作用。在ARM處理器使用中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)zc30能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單操作，如打開(kāi)和關(guān)閉等指令。

3.2 無(wú)線(xiàn)傳感器硬件組成

無(wú)線(xiàn)傳感器是通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中的重要組成部分，能夠使電源監(jiān)控系統(tǒng)更加靈活。無(wú)線(xiàn)傳感器主要由傳感電路模塊、處理器模塊、電源和時(shí)鐘等構(gòu)成[2]。傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信息的采集和調(diào)整，并通過(guò)傳感器將收集的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理。處理器還有控制電路通信和功耗管理等功能。使用傳感器和處理器，能夠保障無(wú)線(xiàn)傳感的順暢通信。電源在這一過(guò)程中的主要作用是供電。時(shí)鐘主要是能夠?yàn)樘幚砥魈峁r(shí)鐘頻率，使處理器更穩(wěn)定準(zhǔn)確。

3.3 電能質(zhì)量傳感電路

目前，基站的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，很多基站被建設(shè)在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，設(shè)備設(shè)施不夠完善。電能質(zhì)量傳感電路在這樣的基站環(huán)境中具有重要作用。電能的波動(dòng)是不穩(wěn)定的，電能質(zhì)量傳感電路在控系統(tǒng)中能提供較大的供電質(zhì)量。在配置電能質(zhì)量傳感電路時(shí)，要保障配置的安全和穩(wěn)定，監(jiān)控通信的電源與傳感的部位，以隨時(shí)掌握電壓情況獲取電能質(zhì)量信號(hào)。獲取信號(hào)后，還需要做進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，最后利用DSP計(jì)算和換算轉(zhuǎn)換的結(jié)果，并通過(guò)Zig Bee模塊進(jìn)行發(fā)送。

3.4 溫濕度傳感電路

電源監(jiān)控系統(tǒng)的溫濕度傳感電路可以采用插針式DHT91。DHT91模塊能夠進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，還可進(jìn)行串行接口電路。該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)測(cè)量的結(jié)果數(shù)據(jù)精確度非常高，且性能可靠穩(wěn)定。濕度傳感電路和溫度傳感電路測(cè)量范圍存在一定區(qū)別，濕度的測(cè)量范圍和精度為0%～100%RH和±3.0%RH，溫度的測(cè)量范圍和精度則是-40～+123.8 ℃和±0.4 ℃[3]。

3.5 紅外傳感器

紅外傳感器在電源監(jiān)控系統(tǒng)中也需要給予重視。紅外傳感器的功能自動(dòng)化，能夠進(jìn)行自動(dòng)光敏控制、自動(dòng)溫度補(bǔ)償?shù)?。紅外傳感器的連接方式可以同DHT91感應(yīng)。

4 通信電源監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 ARM處理器軟件設(shè)計(jì)

基站電源監(jiān)控系統(tǒng)中，ARM處理器的內(nèi)核版本為2.6.32的Linux操作系統(tǒng)。該處理器的運(yùn)行流程如圖3所示。將傳感中獲取的各項(xiàng)信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，是ARM處理器的主要工作內(nèi)容。該系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕绦蚶肧ocket套接字進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

圖3 ARM處理運(yùn)行流程圖

4.2 Zig Bee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

Zig Bee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要部分。Zig Bee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳感共有3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每個(gè)需要應(yīng)用的實(shí)際部分，使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同。在電源監(jiān)控系統(tǒng)中，不同的系統(tǒng)會(huì)有不同數(shù)量的傳感單元。所以，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，務(wù)必要考慮數(shù)據(jù)沖撞現(xiàn)象。系統(tǒng)常常采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是ARM處理器中的主節(jié)點(diǎn)，為其他單元網(wǎng)絡(luò)的從節(jié)點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行根據(jù)主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，在主節(jié)點(diǎn)收到控制命令時(shí)要傳喚給對(duì)應(yīng)的從節(jié)點(diǎn)，在從節(jié)點(diǎn)接收到命令后再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4.3 電能質(zhì)量采集

電能質(zhì)量采集對(duì)電源監(jiān)控系統(tǒng)中的供電有很大幫助。采集過(guò)程中需要掌握一定的條件，如在通信電源的輸入端，電壓和電流都是周期性函數(shù)，要對(duì)該函數(shù)進(jìn)行分解，必須滿(mǎn)足狄里赫利條件。滿(mǎn)足條件后進(jìn)行分解能得出相關(guān)的參數(shù)，如電壓電流的不平衡率等，為電源監(jiān)控系統(tǒng)提供一定的基礎(chǔ)保障。

4.4 紅外感應(yīng)響應(yīng)與視頻圖像采集傳輸

在電源監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)中，若人入侵到HR-SR501紅外感應(yīng)模塊的感應(yīng)范圍內(nèi)，HR-SR501會(huì)產(chǎn)生一定的變化，發(fā)生電平轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，通過(guò)Zig Bee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸給ARM處理器。ARM處理器這時(shí)會(huì)打開(kāi)相應(yīng)的視頻圖像設(shè)備采集數(shù)據(jù)信息，收集侵入人員入侵的證據(jù)數(shù)據(jù)信息，并在數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行儲(chǔ)存。視頻圖像采集設(shè)備的工作在監(jiān)控系統(tǒng)中是重要環(huán)節(jié)，能夠在基站內(nèi)部進(jìn)行，也能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)控操作，對(duì)該工作展開(kāi)啟動(dòng)和關(guān)閉等設(shè)置。視頻圖像采集的設(shè)備要根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際情況來(lái)引用。相關(guān)設(shè)備主要是通過(guò)接口函數(shù)，在此基礎(chǔ)之上對(duì)相關(guān)圖像進(jìn)行采集。采集工作和發(fā)送操作能夠同時(shí)進(jìn)行。在基站區(qū)域本地內(nèi)安裝Spcaview程序，能夠在本地直接實(shí)現(xiàn)視頻圖像，且具有手動(dòng)捕捉畫(huà)面的功能；利用C語(yǔ)言程序，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程捕捉視頻畫(huà)面的功能。

4.5 溫濕度采集

溫濕度采集需要依靠DHT91處理器。該處理器工作時(shí)，主要是由SCK和DATA線(xiàn)路進(jìn)行時(shí)序控制。由于溫濕度采集的范圍存在一定的差異，所以在采集過(guò)程中要根據(jù)實(shí)際狀況選擇使用的采集方式。但兩者相似的是，都是在接收到數(shù)據(jù)采集命令后才進(jìn)行采集數(shù)據(jù)工作。采集數(shù)據(jù)工作完成后，需要發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，傳遞采集完成的信息。信號(hào)的傳遞和接收都需要網(wǎng)絡(luò)保持一定的暢通，在確保采集完成并傳輸完成后，才能展開(kāi)下一步的采集工作。

4.6 Web交互頁(yè)面設(shè)計(jì)

基站的電源控制系統(tǒng)服務(wù)器采用B/S結(jié)構(gòu)[4]。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操作，遠(yuǎn)程用戶(hù)能夠在一定的網(wǎng)絡(luò)支持下操作瀏覽器的頁(yè)面，輸入相應(yīng)的傳感器服務(wù)地址，就能夠查看系統(tǒng)中的各項(xiàng)信息資源。系統(tǒng)中的服務(wù)器是遵循HTTP協(xié)議的Boa服務(wù)器程序搭建的。基站的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)能夠在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)。服務(wù)器通過(guò)遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，滿(mǎn)足監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

Web用戶(hù)端采用ajax導(dǎo)步交互和服務(wù)器中的cgi進(jìn)程通信。該功能主要是當(dāng)遠(yuǎn)程的用戶(hù)想要進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，先要提出連接請(qǐng)求，然后在此基礎(chǔ)上建立相應(yīng)的通信機(jī)制，再通過(guò)get的方式將用戶(hù)的連接請(qǐng)求傳輸?shù)椒?wù)器中。服務(wù)器給予一定的回應(yīng)處理，才能實(shí)現(xiàn)用戶(hù)遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)的功能。Web交互設(shè)計(jì)頁(yè)面也需要做好相應(yīng)的工作。Web頁(yè)面中含有視頻監(jiān)視、溫度濕度數(shù)據(jù)顯示、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)等系統(tǒng)中包含的多項(xiàng)功能。一般來(lái)說(shuō)，Web頁(yè)面的右上角為時(shí)間和日期，右下角為運(yùn)行人員的操作記錄；頁(yè)面左側(cè)設(shè)計(jì)的是功能選擇，為用戶(hù)提供一定的幫助，如電能質(zhì)量、視頻圖像、控制等。不同的設(shè)計(jì)隨不同的設(shè)計(jì)人員產(chǎn)生變化。

5 結(jié) 論

綜上所述，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)闡述了基站電源監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)為一個(gè)新型的電源監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集和圖像數(shù)據(jù)采集等多種功能，避免了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)工作，操作起來(lái)更加簡(jiǎn)單便捷，為基站的管理工作帶來(lái)了一定的便利?；镜耐ㄐ烹娫幢O(jiān)控系統(tǒng)為一個(gè)新型的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在使用過(guò)程中為基站的管理帶來(lái)了很多優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用起來(lái)更加方便靈活。在運(yùn)行該系統(tǒng)的過(guò)程中，每一項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，運(yùn)行人員要按照科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)操作相關(guān)步驟，才能確保電源監(jiān)控系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行。