物聯網使能平臺在通信基站BMS中的應用研究

劉晏然

（安百拓（南京）建筑礦山設備有限公司,江蘇 南京 210000）

1 引言

移動通信基站運轉消耗大量電能，基站的節能降耗問題長期困擾通信運營商，隨著5G 時代的到來，該問題日益突出。據測算，5G 基站密度更大，且能耗是4G 基站的3 倍左右[1]，5G 網絡的基站經營成本將大幅提高，通信運營商均在尋求多種途徑推動基站節能降耗。

其中，電池管理系統（BMS）是一種能夠有效輔助基站節能降耗的物聯網技術手段，也逐漸成為基站建設的主要配套設施。基站BMS 監控機房內的空調及多種設備的工作狀態、溫濕度及電池的電壓＼電流等數據，結合峰谷平周期及電費等參量，通過人工智能算法生成最優化的電池調度策略，可有效降低基站的電費支出[2]。

5G 基站密度更大，掛載的設備種類和數量更多，同時，近年來基于云計算技術的分布式基站BMS 發展迅速，通過大范圍的基站規模化智能協同工作可進一步降耗[3]，這就需要基站BMS 的承載能力及與不同類型終端快速適配能力更強。而目前多數BMS 系統為封閉或半封閉狀態，不同廠家之間的終端類型、通信協議和數據存儲格式難以統一標準，單個系統的承載和可擴容能力有限，當終端數量和類型出現爆發式增長時，系統擴容升級成本急劇增加，該問題隨著5G 基站的規模建設日益突出。

物聯網使能平臺可承載海量物聯網終端接入，并向開發者提供IaaS、PaaS 等多個層面的服務，還支持多種開發方式和開發工具，可助力物聯網應用快速構建和高效運營，能夠有效解決上述問題，逐漸成為市場上新興的信息基礎設施，各大通信運營商及互聯網頭部企業、創新型企業均推出了此類平臺。國內市場影響力較大的有亞馬遜IoT、阿里Link、中國電信的CTWing 和中國移動的OneNet等；國際市場中，AT&T 和愛立信推出了SEP 平臺，德國電信發布了Cumulocity 服務物聯網和智慧城市，SK Telecom 與DaliWorks 聯合推出了ThingPlug，提供物聯公共服務。Verizon 自主研發了ThingSpace 平臺來簡化物聯網應用的開發部署。

2 研究

采用運營商的物聯網使能平臺，并研究基于該平臺構建通信基站BMS 的技術路徑和系統結構，開發了一套適用于基站蓄電池管理的BMS 系統用于實際項目，并對比了采用物聯網使能平臺開發BMS與傳統開發模式之間的差異。

2.1 物聯網使能平臺關鍵技術

物聯網使能平臺可提供以數據存儲和應用開發為基礎的PaaS 服務能力，能夠有效降低物聯網應用開發難度，縮短應用開發時間，降低應用開發、測試和運行整體成本[4]，并可增加系統整合敏捷度。同時能夠基于云基礎設施實現物聯網應用占用資源的彈性伸縮、動態調度、優化資源利用率[5]。

物聯網使能平臺具備的關鍵能力，見表1。

2.2 基于物聯網使能平臺的基站BMS

物聯網使能平臺發揮了終端與應用系統之間的中間件作用，實現了終端與應用的解耦，文中通過平臺提供的SDK 進行終端與平臺的對接，并采用平臺標準化接口開發應用系統，實現了基站BMS 系統，系統整體結構如圖1 所示。

圖1 基于物聯網使能平臺的基站BMS 結構圖

2.2.1 終端對接

物聯網使能平臺針對常見的通信協議，提供了相應的終端開發SDK，文中的物聯網終端主要采用LWM2M、ModBus 兩種協議進行對接，其中空調、溫濕度監控以及消防監控、門禁等終端產生的數據量較小，數據上報頻率低且時延不敏感，可通過窄帶NB-IoT 網絡上報數據。供電監控、天線監控等終端數據實時性要求較高，采用串口通信并通過以太網與平臺進行對接，見表2。

表2 基站BMS 常見終端通信方式及協議

2.2.2 應用開發

采用物聯網使能平臺開放的標準API 進行終端數據的獲取，工作指令的下發等操作，并基于平臺提供的地圖、AI、數據分析等API 實現應用的功能。應用系統使用Java 語言開發，包括后端Web 服務，前端Web 用戶界面以及手機App 應用等。

2.2.3 系統部署

應用系統采用物聯網使能平臺提供的托管服務進行部署，運行在平臺提供的云容器內，通過平臺提供的工具，能夠較快速實現應用程序包上傳、部署、運行并實時監控應用的工作狀態。

2.2.4 模式比較

基于物聯網使能平臺進行基站BMS 的搭建，由于平臺提供了標準化的接口進行終端適配，并提供終端模擬工具輔助應用系統開發，因此終端的適配和應用系統的開發可以同步進行。在終端與平臺適配后，即在平臺中自動進行數字化建模，形成終端物模型，復合物模型的同類型終端接入平臺不需要重復聯調即可正常工作，開發效率得到提升。當升級系統功能時，僅需將相關的接口以及物模型的參數進行調整，即可快速迭代功能。

在應用系統的部署方面，使用了物聯網使能平臺提供的云化容器，可實時監控應用的工作狀態，并可根據應用系統的負載需要，動態化調整占用的云資源，平臺可進行全天候的應用系統智能化托管，系統的整體運維時間和人工成本大幅降低。

在開發人工智能等技術門檻較高的功能方面，物聯網使能平臺提供了標準化能力接口，經過樣本訓練，可輔助BMS 應用系統在較短時間內形成智能化工作機制，根據基站工作的時空分布差異和網絡負荷變化，采用智能化的調度策略，盡可能降低能耗成本[6]，（見表3）。

表3 兩種BMS 開發模式對比

3 案例

某大型電池商采用基于物聯網使能平臺開發的BMS 用于基站合同能源管理，如圖2 所示。第一步根據商用模型，選擇小批量基站試點運行，通過樣本訓練系統，逐步優化用電峰段、谷段的充放電切換閾值、蓄電池組的放電深度等方案，基于峰谷電價智能化調節降低電費；并可通過智能化調節基站空調的運轉模式，進一步降低基站的能耗。預計該基站BMS 系統需接入全國范圍內約11.54 萬座基站的數據，考慮冗余量，模擬了20 萬個基站接入BMS 的壓力測試，系統可依托物聯網使能平臺動態擴容，運行良好。

圖2 基站機房電池監控效果

4 結論

物聯網使能平臺將物聯網開發過程中常見的比較煩瑣、機械重復但又非常耗費開發成本的一些操作（如設備管理和數據處理）等進行了提煉和封裝，形成了通用性的服務能力，開發者可以使用這些能力高效地實現設備的適配、管理以及數據的清洗、流轉、存儲等動作，可有效降低開發難度。

基于物聯網使能平臺進行通信基站BMS 開發，經實測，開發周期從平均約90d 縮短到了約60d，時間成本降低了約30%。同時，基于物聯網使能平臺的通信基站BMS 在運行時，系統開銷可根據終端數量動態伸縮，接入的基站數量大規模增加時僅需應用層進行數據的配置，無需額外的開發工作，系統的運行成本大幅降低，基于物聯網使能平臺進行通信基站BMS 的開發，是一種較為經濟的物聯網系統開發模式。