基于GPS 授時(shí)的通信電源數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柯正義

（上海哲安建筑工程有限公司，上海 200082）

0 引 言

通信電源數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)是一種用于實(shí)時(shí)監(jiān)測和采集通信電源設(shè)備數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，包括電壓、電流、功率等參數(shù)，以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息[1]。通過實(shí)時(shí)采集和分析這些數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的故障和問題，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)，確保通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性[2]。因此，通信電源數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)成為一個(gè)備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，傳統(tǒng)的通信電源數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)容易出現(xiàn)記錄不全或記錄錯(cuò)誤的情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的完整性無法得到保障[3-4]。全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）授時(shí)已深入各領(lǐng)域，尤其在通信電源數(shù)據(jù)同步采集方面，GPS 授時(shí)技術(shù)展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢。從廣義角度分析，GPS 授時(shí)利用GPS 衛(wèi)星信號(hào)傳輸時(shí)間信息的方法，實(shí)現(xiàn)對地面時(shí)鐘的校正和同步[5]。基于此，文章引入GPS 授時(shí)，提出基于GPS 授時(shí)的通信電源數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

1 基于GPS 授時(shí)的通信電源數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)在基于GPS 授時(shí)的通信電源數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)中具有極其重要的意義和價(jià)值，是確保整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素[6]。選用具有高精度授時(shí)功能的GPS 設(shè)備，其參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 GPS 設(shè)備參數(shù)

按照表1，設(shè)置GPS 設(shè)備參數(shù)。選取具有授時(shí)功能的北斗接收器，其接收頻率應(yīng)與GPS 設(shè)備相同。接收器用于接收GPS 信號(hào)，提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)。

2 基于GPS 授時(shí)的通信電源數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)采集數(shù)據(jù)包協(xié)議

根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包的格式。第一，包頭，一般為4 Bytes，用于標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包的起始和長度[7]。第二，包體，可變長度，包含采集的數(shù)據(jù)字段。第三，包尾，一般為4 Bytes，用于標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包的結(jié)束和校驗(yàn)和。根據(jù)采集數(shù)據(jù)的類型和參數(shù)，確定需要包含在數(shù)據(jù)包中的字段，為每個(gè)數(shù)據(jù)字段指定適當(dāng)?shù)膯挝慌c精度，如表2所示[8]。

表2 通信電源數(shù)據(jù)字段

在此基礎(chǔ)上，編寫系統(tǒng)詳細(xì)的通信電源數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)包協(xié)議文檔，如表3 所示[9]。

表3 通信電源數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)包協(xié)議

2.2 基于GPS 授時(shí)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間同步邏輯設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)包協(xié)議設(shè)計(jì)完畢后，利用GPS授時(shí)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集時(shí)間同步邏輯，為后續(xù)數(shù)據(jù)采集提供有力的支持。選擇協(xié)調(diào)世界時(shí)（Universal Time Coordinated，UTC）作為基準(zhǔn)時(shí)間，通過GPS 接收器，獲取當(dāng)前時(shí)間[10]。基于GPS 授時(shí)，計(jì)算出通信電源數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間差，公式如下

式中：R為GPS 衛(wèi)星到通信電源的距離；C為光速；Xs為GPS 衛(wèi)星的位置參數(shù)；Xu為通信電源的位置參數(shù)。根據(jù)計(jì)算的時(shí)間差，生成相應(yīng)的時(shí)間同步信號(hào)，公式如下

式中：δ為補(bǔ)償因子，即對時(shí)間差的補(bǔ)償量。根據(jù)式（2），生成時(shí)間同步信號(hào)。時(shí)間同步信號(hào)可以采用脈沖信號(hào)、編碼信號(hào)或網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）等方式進(jìn)行傳輸。將生成的時(shí)間同步信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊，確保數(shù)據(jù)采集模塊能夠接收到準(zhǔn)確的時(shí)間同步信號(hào)。

2.3 通信電源數(shù)據(jù)采集與處理

基于GPS 授時(shí)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間同步邏輯設(shè)計(jì)完畢后，采集并處理通信電源數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)際需求，選擇合適的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行配置。部署節(jié)點(diǎn)時(shí)應(yīng)確保其能夠準(zhǔn)確測量和采集通信電源設(shè)備的電壓、電流、功率等參數(shù)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)通過通信協(xié)議，與中心服務(wù)器建立通信連接，并進(jìn)行通信測試。數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。在發(fā)送前，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)應(yīng)預(yù)處理采集的原始數(shù)據(jù)。利用中值濾波原理，消除通信電源數(shù)據(jù)異常值。濾波公式如下

式中：x(n)為通信電源原始數(shù)據(jù)序列；y(n)為濾波后的通信電源數(shù)據(jù)；M為數(shù)據(jù)長度。通過式（3），完成通信電源數(shù)據(jù)濾波處理，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)的同步數(shù)據(jù)庫。

2.4 建立同步數(shù)據(jù)庫

通信電源數(shù)據(jù)采集與處理完畢后，建立系統(tǒng)的同步數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)與管理采集的通信電源數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)同步數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)，確定數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)、字段定義及索引策略。根據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，建立數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)模型是同步數(shù)據(jù)庫的核心，能夠定義數(shù)據(jù)的組織方式、數(shù)據(jù)之間的關(guān)系及數(shù)據(jù)的完整性約束。系統(tǒng)同步數(shù)據(jù)庫如表4 所示。

表4 系統(tǒng)同步數(shù)據(jù)庫

按照表4，建立一個(gè)滿足實(shí)際應(yīng)用需求的同步數(shù)據(jù)庫，以確保同步數(shù)據(jù)庫能夠提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)，有效地管理與存儲(chǔ)采集的通信電源數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試準(zhǔn)備

為驗(yàn)證文章提出的基于GPS 授時(shí)的通信電源數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)的可行性，評(píng)估系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，開展系統(tǒng)測試。按照設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)一套基于GPS 授時(shí)的通信電源數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)，包括硬件設(shè)備和軟件程序。此次測試在包含多個(gè)通信電源設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行需求，搭建測試環(huán)境，其配置如表5 所示。按照表5，搭建好實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境后，將數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)分散在通信電源設(shè)備的附近，以確保能準(zhǔn)確收集各種環(huán)境下的數(shù)據(jù)。

表5 系統(tǒng)測試環(huán)境配置

3.2 結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)測試將選擇通信電源數(shù)據(jù)采集的時(shí)間同步精度作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。該指標(biāo)能夠衡量GPS授時(shí)與通信電源數(shù)據(jù)同步采集的時(shí)間差異，決定數(shù)據(jù)采集的同步性。時(shí)間同步精度計(jì)算公式如下所示

式中：tG為GPS 授時(shí)時(shí)間；tC為通信電源數(shù)據(jù)同步采集時(shí)間。時(shí)間同步精度越高，說明系統(tǒng)的GPS 授時(shí)與通信電源數(shù)據(jù)同步采集的時(shí)間差異越小，系統(tǒng)采集時(shí)效性越高，同步采集性能越好。采用對比分析的實(shí)驗(yàn)方法，將本文提出的基于GPS 授時(shí)的通信電源數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)與文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[4]提出的采集系統(tǒng)進(jìn)行對比。系統(tǒng)時(shí)間同步精度對比結(jié)果如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)時(shí)間同步精度對比結(jié)果

由圖1 可知，本文提出的基于GPS 授時(shí)的通信電源數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)應(yīng)用后，在通信電源數(shù)據(jù)量持續(xù)增加的情況下，其GPS 授時(shí)與通信電源數(shù)據(jù)同步采集的時(shí)間差異較小，時(shí)間同步精度始終達(dá)到98%以上，性能表現(xiàn)最佳。

4 結(jié) 論

通信電源數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)是一個(gè)重要的通信網(wǎng)絡(luò)管理工具，具有廣泛的應(yīng)用前景。為改善傳統(tǒng)通信電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的問題與不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于GPS 授時(shí)的通信電源數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了高精度的同步采集，確保了數(shù)據(jù)采集的同步性，避免了因時(shí)間不同步而導(dǎo)致的誤差和混亂，可以更好地服務(wù)于通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行和發(fā)展。