基于NB-IOT的基站空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐嘉徽 王宣皓 王雪剛

基站內(nèi)部空調(diào)為了維持通信設(shè)備正常工作，大多數(shù)常年處于開(kāi)啟狀態(tài)，尤其是氣溫變化較大且濕度較高地區(qū)，空調(diào)需要人工不定期檢查，因此基站空調(diào)的耗能問(wèn)題和偏遠(yuǎn)地區(qū)人工檢查問(wèn)題亟待解決?；诖耍疚牟捎肗B-IOT技術(shù)設(shè)計(jì)了空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)化調(diào)節(jié)和智能化維護(hù)，為解決空調(diào)耗能和人工檢查問(wèn)題提供了設(shè)計(jì)思路。

一、引言

隨著我國(guó)移動(dòng)通信互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，基站數(shù)量呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，由于基站的運(yùn)轉(zhuǎn)和承載量較大，產(chǎn)生的負(fù)荷增加，耗電量居高不下，產(chǎn)生了需要建設(shè)額外電量備用路線的問(wèn)題。當(dāng)前階段大多數(shù)基站依舊采用常年運(yùn)行和人工檢查的管理方式，這不僅使空調(diào)壽命縮短能耗增加，使通訊設(shè)備故障隱患增大，而且大量耗費(fèi)人力資源，因此如何解決基站空調(diào)高能耗和非自動(dòng)化問(wèn)題迫在眉睫。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，NB-IOT技術(shù)的低功耗、廣域網(wǎng)組聯(lián)為基站空調(diào)的自動(dòng)化、智能化遠(yuǎn)程控制提供了可能，適用于基站的分散式建設(shè)。

二、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things， NBIoT）是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中一個(gè)低功耗、低成本、廣覆蓋、快速度的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，適用于空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由兩部分組成，一部分為基于NB-IoT的遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，另一部分為智能化的基站溫度控制系統(tǒng)?；緶囟瓤刂葡到y(tǒng)由溫濕度數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)處理算法和響應(yīng)策略，空調(diào)功能自動(dòng)化控制部分組成，負(fù)責(zé)對(duì)基站內(nèi)部的溫濕度情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和算法響應(yīng)，為空調(diào)的功能切換提供數(shù)據(jù)支持和實(shí)施響應(yīng)策略；而遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)傳輸組件、溫濕度報(bào)警組件、空調(diào)遠(yuǎn)程功能控制組件組成，負(fù)責(zé)對(duì)基站內(nèi)的空調(diào)功能和開(kāi)關(guān)情況進(jìn)行自適應(yīng)決策和控制，目的在于節(jié)省能源耗費(fèi)，并減少人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)基站內(nèi)空調(diào)的無(wú)人自動(dòng)化控制效果。

（一）基站溫度控制系統(tǒng)

基站溫度控制系統(tǒng)以節(jié)能為目的，以空調(diào)自動(dòng)化控制為方式，以保證通訊設(shè)備在基站內(nèi)的安全穩(wěn)定運(yùn)行為前提，基站內(nèi)部空調(diào)一般具備制冷、排風(fēng)、除濕、待機(jī)四種模式。系統(tǒng)配備有溫濕度數(shù)據(jù)采集傳感器，可以實(shí)時(shí)測(cè)量基站內(nèi)部溫濕度情況，通過(guò)數(shù)據(jù)處理算法對(duì)當(dāng)前溫濕度情況進(jìn)行判斷，并根據(jù)提前設(shè)定好的響應(yīng)策略進(jìn)行空調(diào)模式選擇，為了防止由于檢測(cè)誤差或測(cè)量問(wèn)題造成空調(diào)模式來(lái)回切換的現(xiàn)象，對(duì)溫濕度數(shù)值采用kmeans聚類算法，并對(duì)突變數(shù)據(jù)進(jìn)行再判斷，同時(shí)增加數(shù)值采集間隔，對(duì)前后相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波，直到確定溫濕度變化屬于正常情況時(shí)，再進(jìn)行空調(diào)模式的選擇和切換。當(dāng)基站溫濕度持續(xù)保持在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，空調(diào)進(jìn)入待機(jī)模式休眠，當(dāng)溫濕度超過(guò)閾值時(shí)，則喚醒空調(diào)進(jìn)入工作狀態(tài)，這套控制系統(tǒng)與常年開(kāi)空調(diào)相比，在節(jié)省大量能源消耗降低排放的同時(shí)，也減少了監(jiān)查的人力資源浪費(fèi)。

基站溫度控制系統(tǒng)將正常溫度設(shè)置在35℃以下，相對(duì)正常濕度在85%RH以下的區(qū)域范圍之內(nèi)，其核心控制策略由基站內(nèi)溫濕度、基站內(nèi)外溫差和空調(diào)PID精確控制三部分組成，當(dāng)溫濕度長(zhǎng)時(shí)間超出閾值范圍，且持續(xù)性出現(xiàn)報(bào)警情況時(shí)，遠(yuǎn)程控制中心則判定基站內(nèi)部工作異常，將進(jìn)行人工檢查，基站內(nèi)部溫濕度控制流程如下所示：

第一步，將基站內(nèi)部溫度采集數(shù)值T作為數(shù)據(jù)處理的第一判定因素，將濕度采集數(shù)值RH作為第二判定因素，將室內(nèi)外溫度差ΔT作為第三判定因素，根據(jù)判定優(yōu)先級(jí)設(shè)置不同的控制決策，并對(duì)空調(diào)運(yùn)行功能進(jìn)行切換和選擇，空調(diào)控制的四種模式分別為制冷、除濕、排風(fēng)和待機(jī)。

待機(jī)模式：基站溫度控制系統(tǒng)采集基站內(nèi)部溫度濕度在正常數(shù)值范圍之內(nèi)，則使空調(diào)處于待機(jī)模式不工作，節(jié)約能耗，直至溫濕度超過(guò)閾值時(shí)，才喚醒空調(diào)的工作機(jī)制；

排風(fēng)模式：當(dāng)基站內(nèi)部溫度高于35℃，且內(nèi)部溫度比室外溫度高5℃以上時(shí)，空調(diào)切換為排風(fēng)模式，通過(guò)室內(nèi)外溫度差的導(dǎo)向方式降低基站內(nèi)部溫度，這時(shí)空調(diào)只有風(fēng)扇在工作，壓縮機(jī)處于休眠狀態(tài)，節(jié)約能耗；

制冷模式：當(dāng)基站內(nèi)部溫度高于35℃，且內(nèi)外溫度差小于5℃時(shí)，空調(diào)切換為制冷模式，通過(guò)空調(diào)的風(fēng)扇和壓縮機(jī)共同作用降低基站內(nèi)部溫度，保障通訊設(shè)備正常工作；

除濕模式：由于溫濕度處于同高的情況偏多，所以為了區(qū)分溫濕度的重要性，將濕度閾值提高至85%RH，且基站內(nèi)部溫度不高于35℃時(shí)，空調(diào)切換為除濕模式，當(dāng)溫度高于35℃時(shí)按照優(yōu)先級(jí)設(shè)置進(jìn)行功能切換。

在基站溫度控制系統(tǒng)中，設(shè)置了本地手動(dòng)控制界面，在工作人員進(jìn)行檢查和調(diào)試時(shí)，可以通過(guò)手動(dòng)控制切換空調(diào)功能，并根據(jù)顯示屏查看當(dāng)前溫濕度信息、空調(diào)功能信息，參數(shù)配比信息和控制調(diào)制信息，為系統(tǒng)正常工作保駕護(hù)航。

（二）遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)以遠(yuǎn)程自動(dòng)控制為目的，以NBIOT數(shù)據(jù)通信傳輸為方式，以保證通訊設(shè)備在基站內(nèi)的安全穩(wěn)定運(yùn)行為前提，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)并控制各個(gè)基站內(nèi)部的實(shí)際工作環(huán)境。

數(shù)據(jù)傳輸組件以NB-IOT窄帶通信為核心，由于NBIOT具有低成本、低功耗、廣覆蓋的性能優(yōu)勢(shì)，通過(guò)云端傳輸可以鏈接物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)具有覆蓋廣的特點(diǎn)，因此適用于分散式結(jié)構(gòu)建設(shè)的基站，為基站和服務(wù)中心建立數(shù)據(jù)通訊鏈路，通過(guò)NB-IOT通信傳輸可在服務(wù)中心直接監(jiān)測(cè)各個(gè)基站的實(shí)際工作環(huán)境情況，并可根據(jù)空調(diào)啟動(dòng)和功能切換命令，強(qiáng)制執(zhí)行空調(diào)控制功能，優(yōu)先級(jí)高于基站空調(diào)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

溫濕度報(bào)警組件為中斷響應(yīng)組件，一旦溫濕度超過(guò)閾值，即產(chǎn)生一次內(nèi)部溫濕度報(bào)警信息，當(dāng)空調(diào)按照既定策略正常工作時(shí)，不再持續(xù)產(chǎn)生溫濕度報(bào)警信息。當(dāng)空調(diào)非正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生一次空調(diào)功能響應(yīng)報(bào)警信息，并立刻將當(dāng)前報(bào)警信息通過(guò)NB-IOT傳輸給服務(wù)中心，當(dāng)溫度持續(xù)高溫未降低時(shí)，根據(jù)設(shè)定時(shí)間間隔進(jìn)行定時(shí)報(bào)警信息上報(bào)，直到人為取消報(bào)警信息或溫度有下降趨勢(shì)為止，同時(shí)當(dāng)空調(diào)或溫濕度采集出現(xiàn)故障時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信息通知服務(wù)中心。

空調(diào)遠(yuǎn)程功能控制組件是和數(shù)據(jù)傳輸組件共同作用的，是服務(wù)中心人為遠(yuǎn)程控制基站內(nèi)部空調(diào)功能的功能模塊，可以讓工作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控基站的空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，以及基站內(nèi)的溫濕度值，即使不進(jìn)入基站內(nèi)也能進(jìn)行監(jiān)控，如果空調(diào)工作狀態(tài)出現(xiàn)異常，為了讓員工及時(shí)發(fā)現(xiàn)并前往檢修，可通過(guò)空調(diào)遠(yuǎn)程功能控制組件強(qiáng)制關(guān)閉或打開(kāi)空調(diào)，以保障通訊設(shè)備的正常工作。

三、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于NB-IOT的基站空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)保障了通訊設(shè)備的正常工作環(huán)境，降低了基站能耗，減少了人工控制環(huán)節(jié)，可更好地保障空調(diào)延長(zhǎng)使用壽命，其中基站溫度控制系統(tǒng)通過(guò)算法執(zhí)行自動(dòng)化控制策略，實(shí)時(shí)調(diào)整空調(diào)的運(yùn)行功能，遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)NB-IOT與遠(yuǎn)程服務(wù)中心連接，可發(fā)送控制指令實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，降低人工消耗，有利于分散式基站建設(shè)。

作者單位：徐嘉徽 王雪剛 武警新疆總隊(duì)參謀部

王宣皓 武警工程大學(xué)