基于ZigBee 的冗余通信電源監(jiān)控系統設計

關永君

（中海油信息科技有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524000）

0 引 言

隨著通信基站的不斷發(fā)展，冗余通信電源的監(jiān)測變得尤為重要。為適應電源設備的特點，提高監(jiān)測系統的健壯性，文章設計一種基于ZigBee 的冗余通信電源監(jiān)控系統。硬件結構的分層監(jiān)測方法和軟件運行算法的數學模型優(yōu)化為監(jiān)測系統的設計提供全面的技術支持。同時，通過引入無線通信技術，實現了企業(yè)網絡信息的安全傳輸。文章旨在通過實驗證實文章設計的基于ZigBee 的冗余通信電源監(jiān)控系統在硬件性能和可靠性方面的優(yōu)越性。

1 冗余通信電源監(jiān)測系統

1.1 冗余通信電源監(jiān)測系統的硬件結構優(yōu)化

為適應通信基站電源設備的特點并提高系統的健壯性，在冗余通信電源監(jiān)測系統的硬件結構設計中采用了分層監(jiān)測方法。采用MSP430F149 軟件優(yōu)化硬件結構和運行功能，系統處理器由16 位超低功耗單片機控制，具備5 種低功耗模式。在系統中，電源輸出電壓由多個電壓傳感器監(jiān)測，且過多的電壓信息將導致數據冗余，因此需要對收集的數據進行預處理[1]。冗余通信電源監(jiān)測系統的結構框架如圖1 所示。

圖1 系統框架

基于系統框架，設計監(jiān)測和識別系統的硬件模塊。系統結構包括3 個關鍵部分，即視頻捕獲、核心控制和智能視覺識別。將ZigBee 協議棧和其他關鍵芯片嵌入單片機中，以充分利用無線通信技術實現企業(yè)網絡信息的安全傳輸。采用ZigBee 無線通信技術和CC2530 芯片，將多個關鍵傳感器集成在射頻（Radio Frequency，RF）前端，并通過無線方式將傳感器收集的監(jiān)測信息傳輸到匯聚節(jié)點[2]。該過程實現了節(jié)點之間關鍵信息的統一融合處理，并規(guī)范了電源監(jiān)測系統的硬件結構，電源監(jiān)控系統硬件結構如圖2 所示。

圖2 電源監(jiān)控系統硬件結構設計

電源監(jiān)控系統硬件結構的關鍵模塊包括終端感知模塊、切換模塊和客戶端模塊。除核心的數據采集和控制功能，該系統還采用了主從控制模式，實現了監(jiān)控功能的動態(tài)擴展。為實現實時監(jiān)控，系統采用了傳感器自動信息上傳和采集機制，完成了個人局域網（Personal Area Network，PAN）調節(jié)器的功耗參數獲取、功耗控制和數據傳輸。具體操作包括AD 采樣、發(fā)送功耗控制信號、寫入調試信息。終端設備的微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）初始化后會進入等待狀態(tài)，接收到數據后，系統會確認目標地址是否匹配終端設備的ID 信息，并根據接收到的指令進行相應的處理[3]。

1.2 冗余通信電源監(jiān)測軟件的運行算法

基于冗余通信電源監(jiān)測系統的硬件配置結構，進一步建立了系統設備維護的數學模型，并對數學模型中的相關變量進行了優(yōu)化。文章使用遺傳算法優(yōu)化了維護系統，效果達到了預期。假設系統在整個生命周期內的維護周期數為n，每個周期的間隔為Ti，i=1,2,…,n。進行N1級系統維護時，系統可靠性和故障率之間的關系為

式中：R表示系統維護周期的時間間隔；hi(t)表示系統維護周期內系統設備的可靠性；K(t)表示系統可靠性達到預定閾值時的預防性維護時間。系統維護的性能和可靠性閾值K的計算公式為

式中：bN-1表示系統故障率的增長因子；α表示生命周期的衰減因子；p表示用來調整指數函數影響程度的常數。則系統的維護成本函數為

式中：Cp表示系統一次維護的最高值；Ci,r(t)表示第一個維護周期的最低值；Ci,d(t)表示系統停機指數。由于系統在實際運行過程中無法對各設備進行無休止的維護，因此需要為系統維護周期設置一個上限，設為n*。根據通信電源監(jiān)測系統的基本系統特性可知，系統可靠性的下限為0.5[4]。則電源監(jiān)測系統的基本系統運行系數計算公式為

使用遺傳算法解決數學模型，可以計算給定可靠性范圍內的最小維護成本，并將可靠性和維護次數作為數學模型的輸出結果，以實現對通信電源監(jiān)測系統的維護[5]。

1.3 冗余通信電源監(jiān)測的實施

監(jiān)測站是監(jiān)測系統的重要組成部分之一。系統將監(jiān)測站向上連接，收集并傳輸監(jiān)測站收集的各種監(jiān)測數據，并將直接通信控制單元連接到各監(jiān)測站，以接收各種數據。完成數據處理后，將數據發(fā)送到監(jiān)測站[6]。上層監(jiān)測系統中的監(jiān)測中心可以實時監(jiān)測數據，并與各監(jiān)測站進行通信。冗余通信電源的監(jiān)測過程如圖3 所示。

圖3 通信電源監(jiān)控過程

除數據收集外，物聯網感知的主要任務還包括數據清理、壓縮、聚合及融合[7]。因此，通過對數據進行預處理，可以實現數據的有效傳輸和后續(xù)處理。針對感知數據的變化規(guī)律和時空相關性，提出了一種基于概率統計的傳感器節(jié)點數據清理方法。使用高斯分布獲取分布的概率模型，計算概率分布模式下的觀測值來獲得異常值，并進行數據清理[8]。

2 實驗結果分析

為驗證監(jiān)測系統的運行效果，采用基于64 點數據的標準跟蹤指標，即使用標準數據集對原始篩選點進行標準化處理，并進行濾波計算，以便后續(xù)篩選[9]。實驗參數如表1 所示。

根據表1 所列參數，在相同的實驗環(huán)境下，比較基于有線通信的電源監(jiān)測系統和文章提出的基于ZigBee 的冗余通信電源監(jiān)測系統在干擾環(huán)境中的實際監(jiān)測效果，并記錄2 個系統在信號干擾下的硬件性能，結果如表2 所示。

表2 信號干擾下2 個系統的硬件性能測試

由表2 可知，在相同的實驗環(huán)境下，文章設計系統的硬件運行效果更好，準確率較高。比較2 個系統在應用過程中軟件運行的異常功率參數，結果如表3 所示。

表3 2 個系統的異常功率參數

由表3 可知，基于ZigBee 的冗余通信電源監(jiān)測系統在運行過程中的異常功率更低，能夠有效防止電源異常運行，保護整個系統，并降低了由傳感器、環(huán)境等因素引起的測量誤差[10]。

3 結 論

文章設計的基于ZigBee 的冗余通信電源監(jiān)控系統充分考慮了通信基站電源設備的特殊需求，通過優(yōu)化硬件結構和軟件算法，實現了對電源系統的高效監(jiān)測和可靠維護。在相同的實驗環(huán)境下，與基于有線通信的電源監(jiān)測系統相比，文章設計的系統在硬件性能和異常功率方面的性能更優(yōu)。通過引入ZigBee 協議棧和CC2530 芯片，實現了無線通信，為監(jiān)測系統提供了更安全、可靠的數據傳輸方式。該系統為冗余通信電源監(jiān)控領域的進一步研究和應用提供了有力的技術支持。