基于物聯網技術的動環監控系統設計與實現

趙 勇

（山東省郵電工程有限公司，山東 濟南 250001）

1 基于物聯網技術的動環監控系統相關概述

隨著我國移動通信網絡的站址體量越來越大，無線信號覆蓋率逐步提高，相應的移動通信局（站）數量不斷增加，原有依靠駐場人員常態化巡檢的方式存在后臺人員需求量大、成本高等問題，已經無法滿足當今通信網絡運行質量標準高、排障響應速度快的需求。面對數量眾多、站址分散的各類基站、模塊局、交換母局以及核心機房，通過安裝動力及環境監控系統來實現在網運行設備的實時監控。但早期的動力及環境監控系統平臺存在設備廠家多、智能化程度低、接口協議匹配度差、監控機房多以及數據處理性能不足等問題，無法滿足通信網絡動環監控和運行維護的實際需求。

隨著用戶對網絡服務的要求越來越高，網絡運維工作對動環監控系統的訴求是既能實現大量站址中各類動力設備及機房環境參數的實時、集中監控，還要具備高效的智能數據處理能力，能實現大數據量的告警信息智能甄別、篩選，對故障原因和問題點能夠進行準確判斷與精準定位，提升故障預警能力，并可實現部分故障的遠程處置。同樣，跨終端的任務工單派發、故障處理進度記錄、數據稽核以及海量歷史數據的深化挖掘也是對現網動環監控系統升級改造的訴求重點。

隨著我國物聯網技術、云計算技術的持續演進，“互聯網+”等融合技術的場景應用落地。基于融合技術的新一代動力及環境監控系統能夠兼容不同廠家硬件設備接入，通過應用智能化網管實現歸一化平臺、集中化監控及遠程化維護。動環監控系統可以根據網絡拓撲靈活地選用適合的組網方式，將物理位置上分散的各節點基站鏈接至監控中心形成邏輯上的一體化，將各節點收集到的數據匯聚傳送到云計算中心實現集中監控。監控值班人員、現場維護人員既可以在網管中心對各節點基站進行遠程調度、參數調整，也可以通過PC終端、手機App等方式靈活接入網管，實時查看基站機房環境變化和設備運行情況，高效定位故障源并實現精準排除故障，保障通信網絡運行安全，提高管理和運維效率。

1.1 物聯網技術

物聯網（Internet of Things，IoT）技術是新一代的信息技術，從傳統互聯網“人與人、人與信息”的連接進化到“物與物、物與人”的泛在連接。物聯網關鍵技術包括3個方面：一是數據的采集、傳輸以及網絡部署等，核心為傳感器技術和無線傳感器網絡；二是異構網絡的接入，核心為無線傳輸技術；三是中間件、信息處理等，核心為云計算和數據挖掘技術等。在通信網絡動環監控系統中，通過無線射頻識別、紅外感應器等傳感器，按照相關協議接口能夠實現動力設備和環境設備的數據采集、上傳，同時可以根據集中網管平臺的指令進行相關設備參數的調整優化，降低運維成本，提升相應運維效率[1]。

1.2 動環監控系統

基于物聯網的動力及環境監控系統融合了傳感器技術、地理信息系統技術、移動通信技術及云計算技術，其網絡拓撲結構呈現扁平化形式，采用二級網絡架構，取消了早期動環監控網絡中的區域網管中心層級，降低了網絡傳輸時延。傳感器是動環監控系統的神經單元，在IoT技術的加持下，各類傳感器在智能動環監控單元（Field Supervision Unit，FSU）的管理下可以實現各類終端信息的定制化、實時化采集，并能對采集到的信息進行預處理。FSU的模塊化設計可以提供良好的終端擴展能力，實現多元化監控對象的數據采集，并可以根據機房傳輸條件選擇靈活的組網方式進行數據傳輸。

1.3 網管云計算中心

動環監控系統集中網管中心采用云計算技術，主要實現FSU采集上傳數據的存儲、處理、呈現、管理等功能。根據多樣靈活的網絡搭建思路，通過采用模塊化的組件模型架構，由基礎設施、集成平臺、服務組件協同運行，最終呈現出一個分層分級、擁有可定制圖形化界面并且可根據需求實現動態擴容的網管平臺系統，實現對任意經授權終端用戶的數據實時、同步呈現。

2 基于物聯網技術的動環監控系統解決方案

動環監控系統融合IoT技術后，將各類傳感器通過專屬協議連接至網管云中心，從而實現遠程收集節點基站的各項動力環境運行參數并進行監控。采集的通信動力參數包括油機、整流器、蓄電池組、高低壓配電、開關電源以及分路計量器等設備的運行數據；采集的機房環境參數包括溫濕度傳感器、煙感傳感器、門禁、紅外探測等各類傳感器的狀態信息[2]。

2.1 動環監控系統網絡拓撲結構

早期的動環監控系統多采用3級網絡架構，如圖1所示。移動通信基站作為被控端局（Supervision Unit，SU），負責采集各監控模塊（Supervision Module，SM）的數據上傳至區域監控中心（SS），所有數據在區域層面進行存儲、計算、處理后上傳至監控中心（Supervision Center，SC）[3]。

圖1 早期動環監控系統網絡拓撲

這種網絡架構是典型的樹型組網形式，其優點是SU擴展性好、成本較低，缺點是網絡復雜。當與SC相連的SS節點傳輸鏈路產生故障時，對整個網絡的影響較大。同時，大量SS節點的存在不僅增加了建設投資和維護成本，在SM的協議接口發生更新、升級時，無法進行全網同步升級，需要逐一匹配，工程量較大。

基于IoT技術的動環監控系統以支持海量節點并行接入為基礎，輔以云計算技術支持任何時間、任何地點、透過任何可聯網的終端連接到云平臺方便地存取數據的特點，精簡系統網絡架構，以扁平化的二級架構來搭建整個監控系統，如圖2所示。

圖2 基于物聯網技術的動環監控系統網絡拓撲

動環監控系統所有SU以FSU作為數據采集層主要的硬件設備，將各類傳感器的信息數據匯聚后，由底端直接接入到集中網管中心。扁平化二級架構可以理解為星型組網形式（圖3），由集中網管中心與分散在各機房的FSU進行直接通信，FSU之間不產生數據交互、互相獨立，最大程度地降低了某一節點故障對全網的影響。

圖3 基于物聯網技術的動環監控系統組網形式

采用全網集中網管中心組網形式主要有以下優點：一是所有業務管理層的數據配置都可以在集中監控中心（Central Supervision Center，CSC）側進行，通過預設模板進行簡單配置就能實現對FSU和監控對象（Supervision Object，SO）的控制和數據采集；二是通過在CSC中建立SO驅動庫，完成對各種類型監控對象的對接協議進行全量適配，當有新的監控對象接入FSU時會自動從CSC的驅動庫中進行對接協議的智能匹配；三是在移動通信基站FSU設備具備在線升級能力時，可以進行批量的遠程操控或下發計劃任務自動完成升級適配，降低動環監控系統的運維成本；四是在集中網管中心設置數據存儲、文件生成等規范標準，可以保證全網數據格式統一，便于監控、運維工作人員跨區域快速開展工作。

集中網管中心作為動環監控系統的“核心大腦”，通過部署云計算基礎設施即服務（Infrastructure as a Service，IaaS），節省了區域級監控中心層的建設開銷。通過使用云計算平臺即服務（Platform as a Service，PaaS）將應用模塊組件部署在云端，在遠程參數采集、實時數據分析、終端用戶隨機請求等方面實現了節點動態漂移、存儲動態擴展等功能。在應用服務層面，采用軟件即服務（Software-as-a-Service，SaaS）實現數據集中存儲和跨終端、跨平臺的地理信息系統（Geographic Information System，GIS）等軟件同界面操作[4]。

動環監控網管平臺包括數據庫服務器、報表服務器、WEB/APP服務器、操作管理中心（Operations and Maintenance Center，OMC）服務器以及若干個FSU采集區（包括注冊機、采集機、傳感器），用于承載FSU的監控業務。基于IoT技術的動環監控系統硬件組網如圖4所示。網絡拓撲從整體上來看是一個雙平面結構，整個網絡從服務器網卡到出口均為雙平面冗余結構，能夠提升系統的可靠性。網絡設備間部署開放式最短路徑優先（Open Shortest Path First，OSPF）動態路由協議，其中防火墻以下采用進程2承載內部私有網段路由，防火墻以上采用進程1承載公網網段路由[5]。

圖4 基于物聯網技術的動環監控系統硬件組網

2.2 動環監控系統數據傳輸方式

早期的監控系統大多采用公共交換電話網絡（Public Switched Telephone Network，PSTN）傳輸方式，線路傳輸質量無法保證且傳輸速率過低，只適用于數據量較小的終端站，而且只能采集重要參數進行數據傳輸，監控局限性較大，系統也極其不穩定性，目前已經基本不再采用。

現網的動環監控系統數據傳輸方式主要有兩種，即2M傳輸方式和TCP/IP傳輸方式[6]。無論2M傳輸方式還是TCP/IP傳輸方式，共性問題都是需要占用寶貴的傳輸鏈路資源。雖然現在基于波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技術的傳輸網和光纖網已經趨于成熟，但隨著5G時代的到來，帶寬、鏈路的需求量將成倍增長。結合物聯網和云計算的技術特點，在FSU中增加無線模塊，通過4G網絡建立移動通信基站端局與集中網管中心的定向連接。利用IoT技術的連接特性保證海量移動通信基站FSU的并行接入，同時通過云計算中心的分布式計算和負載均衡保證每一個授權賬號的數據實時同步。

為了保障系統信息安全，采用4G移動通信網絡建立無線連接時，FSU無線模塊中的SIM卡可以采用定向連接的形式，同時設定FSU只與對應VPN服務器的IP進行數據交互。FSU在入網時與VPN服務器通過二層隧道協議（Layer2 Tunneling Protocol，L2TP）建立隧道，同時向注冊機進行注冊認證，鑒權認證通過后向網管云計算中心的采集機上傳數據。當FSU發生故障或傳輸鏈路異常時，采集機向網管平臺上報離線告警，生成故障工單。基于IoT技術的動環監控無線傳輸機制如圖5所示。

圖5 基于物聯網技術的動環監控無線傳輸機制

2.3 動環監控系統監控對象

現網移動通信基站機房內存在型號各異的終端和傳感器設備，按監控用途分為通信動力設備和機房環境監控設備，按設備性能可分為智能設備、非智能設備，按用電特性可分為有源設備、無源設備，按信號傳送性質可分為模擬信號設備、數字信號設備。通信動力參數主要采集的設備對象為油機、逆變器、高/低壓配電屏、開關電源、整流器、穩壓器、蓄電池組、UPS、分路計量器以及新能源發電設備等。機房環境參數主要采集的參量對象為溫濕度、空調、新風、煙感、門禁、水浸、紅外移探測、攝像頭等。

將監控對象的數據按輸入、輸出進行歸類后，可以通過FSU進行遙測量、遙信量、遙控量的腳本配置。遙測量主要為模擬量信號輸入，例如動力設備的電壓、電流實時數據，機房環境的實時溫度、濕度數據等；遙信量主要類型為各類告警信息，當設備或傳感器在觸發設置的條件或閾值后就會由FSU上報告警并在網管平臺自動生成工單；遙控量主要為數字量信號輸出，是動環監控系統遠程處置的基本表現，例如整流模塊的遠程開啟/關閉控制、蓄電池的均沖/浮沖/放電測試、智能門禁的遠程開鎖以及機房空調的遠程溫度調整等[7]。

動環監控系統除了可以實現遠程排除故障外，還可以實現移動通信基站的節能減排。移動通信基站機房中，空調、開關電源整流模塊為主要的交流、直流用電設備。在移動通信基站的運行總能耗當中，空調的用電量占比最大（平均45%左右）[8]。由于移動通信基站的規模太大，這也使得通信運營商成為能耗大戶。隨著5G技術的建設應用，能耗有進一步增高的趨勢，節能減排已迫在眉睫。通過分析空調系統的運行耗電數據，主要影響因素體現在兩個方面。一是機房內的通信設備要保持長時間在網運行，對溫濕度要求較高，大多數機房內空調設備都處于常開狀態，以保持機房恒溫。當空調預設溫度不合理時，就會出現空調壓縮機頻繁啟停的情況，不但會消耗額外的能耗，還會對壓縮機產生較大的磨損。二是隨著機房內設備數量的增加，發熱量也在攀升，機房空調在網時間越長，老化現象越明顯，就會出現空調設備制冷能效不足、制冷效率較差的問題，導致空調長時間處于滿負荷運轉狀態，從而對電能造成了浪費。在新動環監控系統中，通過對機房溫度監控數據的日常分析和智能預警，結合機房空調的能耗變化趨勢建立空調控制算法模型，根據季節差異、機房所在區域地理環境差異智能調度遠程機房內的空調傳感器，實現無需到現場便可對節點基站機房內空調設備的預設溫度進行動態調節，在延長空調使用周期的基礎上取得良好的節能減排效果[9]。

傳統的監控對象或傳感器一般是通過RS485/RS232與FSU相連，不僅安裝布線工程量大，還存在各廠家接口引腳定義不同、串口通信協議不匹配等問題。隨著IoT技術的發展，各類內置協議轉換的智能設備和傳感器都已規模應用。例如支持ZigBee無線網絡協議或藍牙/紅外的傳感器，具有低成本、低功耗、支持多種組網方式的優點，可以實現與FSU的無線連接，大大降低工程實施難度和維護排障分析難度[10]。

3 加快基于物聯網技術的動環監控系統應用的相關建議

3.1 充分發揮物聯網技術的優越性

基于上述分析可見，通過在動環監控系統中引入IoT技術，在移動通信基站側基于無線的傳感器接入方式解決了工程實施走線復雜、工程量大、機房布線不美觀的問題，在集中網管中心側以驅動庫的形式實現了設備的開放接入，打破了廠家的壟斷。成熟的產品生態鏈、完善的應用解決方案將滿足標準更嚴、響應速度更快、效率更高的現代通信網絡運維要求，后續也將適用于更多的行業應用場景，服務更多的社會用戶。

3.2 集中解決當前系統迭代更新的局限性

隨著網絡技術的演進，現網動環監控系統存在多種網絡結構并存的現象，所連接的監控對象更是呈現硬件多樣性特征，實際應用改造過程中應著重解決設備協議對接和系統功能完善性等方面的問題。現階段技術演進和系統部署應用過程中，應結合現網設備的運行情況分批次、有計劃地進行設備更新和技術升級，在保證現網平穩運行的前提下，解決新舊系統的適配、對接問題。

4 結 論

綜上所述，IoT技術為動力及環境監控系統的升級改造提供了新的設計思路和實現方案。隨著5G移動通信技術的規模化應用，FSU可以通過更換無線模塊硬件的方式平滑升級。在5G低時延、高帶寬的助力下，基于物聯網技術的動環監控系統將會應用于更多的場景，同時發揮更重要的作用。