基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

李曉麗，周曉革，王署光

（河南省洛陽(yáng)經(jīng)濟(jì)學(xué)校，河南 洛陽(yáng) 471013）

0 引 言

近年來(lái)，通信事業(yè)發(fā)展較為迅速，為人們的日常生活和工作創(chuàng)造了便利條件。通信電源作為通信設(shè)備作業(yè)的能量供應(yīng)模塊，在很大程度上決定了通信系統(tǒng)是否能夠正常作業(yè)[1]。因此，通信電源成為了當(dāng)前通信設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。高質(zhì)量通信服務(wù)對(duì)通信電源提出了連續(xù)、不間斷、穩(wěn)定作業(yè)要求，為了滿(mǎn)足這些需求，通信電源監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[2]。利用該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通信電源的作業(yè)狀態(tài)，可以為通信電源作業(yè)的管控提供有效數(shù)據(jù)支撐。此類(lèi)系統(tǒng)研究時(shí)間較短，尚未形成完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并且通信模式無(wú)法滿(mǎn)足無(wú)人、實(shí)時(shí)等需求[3,4]。因此，本文選取物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet of Things，IoT）作為研究工具，提出一種新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 通信電源作業(yè)原理

通信電源主要由直流配電、整流配電、交流配電3部分組成，其作業(yè)原理是將綠色能源轉(zhuǎn)化為設(shè)備作業(yè)動(dòng)力，從而為設(shè)備作業(yè)提供足夠的能量[5]。目前，應(yīng)用較多的綠色能源主要有3種，分別是太陽(yáng)能、油機(jī)、市電[6]。其中，采用交流方式輸入的能源為油機(jī)和市電，利用整流模塊對(duì)能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，生成直流電后為設(shè)備配電，使得直流配電屏得以正常作業(yè)。與交流電能相比，直流電能在綠色能源輸出占比更大，采用簡(jiǎn)單的處理為通信設(shè)備提供電能[7]。采取直流配電屏分離處理，形成多個(gè)電壓供應(yīng)線(xiàn)路，分別為各個(gè)設(shè)備提供作業(yè)電壓，從而達(dá)到為大型通信電源架構(gòu)中直流配電部分提供電能的目的。由于通信電源作業(yè)期間容易受多種因素干擾，因此對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控顯得尤為重要[8]。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選取嵌入式ARM核心控制芯片作為核心控制器，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)通信電源設(shè)備作業(yè)狀況信息采集進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，借助GPRS DUT無(wú)線(xiàn)通信模塊將通信電源設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)狀況信息發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)通信電源設(shè)備作業(yè)狀況的無(wú)人實(shí)時(shí)監(jiān)控[9]。根據(jù)設(shè)備作業(yè)狀況下達(dá)不同的操控命令，再由無(wú)線(xiàn)通信模塊將消息發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)控制終端，在ARM芯片控制下對(duì)通信電源設(shè)備作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。圖1為系統(tǒng)總體架構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)控制終端、GPRS DUT無(wú)線(xiàn)通信模塊、監(jiān)控終端3部分組成。其中，現(xiàn)場(chǎng)控制終端主要包括通信電源設(shè)備、霍爾傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、ATS控制模塊以及ARM核心控制芯片，在ARM芯片的作用下對(duì)霍爾傳感器的作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)通信電源設(shè)備作業(yè)狀態(tài)信息的采集，而后運(yùn)用A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)信號(hào)模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到直流電源信號(hào)，將其發(fā)送至ARM芯片，再由該芯片發(fā)送至無(wú)線(xiàn)模塊。系統(tǒng)中含有兩部分無(wú)線(xiàn)模塊，分別配備在現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集終端和監(jiān)控終端。當(dāng)信號(hào)從現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集終端傳輸至監(jiān)控終端時(shí)，位于監(jiān)控終端的無(wú)線(xiàn)模塊將接收到的信號(hào)發(fā)送至服務(wù)器，經(jīng)過(guò)處理傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心[10]。根據(jù)通信電源設(shè)備操控需求，設(shè)置正常作業(yè)參數(shù)范圍。將采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)與此范圍進(jìn)行對(duì)比，如果在此范圍內(nèi)，再繼續(xù)采集信號(hào)；如果超出此范圍，則認(rèn)為當(dāng)前設(shè)備作業(yè)異常，需要立即采取處理措施。為了便于控制，本系統(tǒng)設(shè)置了幾種常見(jiàn)的問(wèn)題和操控措施，如果超出問(wèn)題范圍，則需要管理人員下達(dá)操控命令。對(duì)于操控命令的下達(dá)，通過(guò)GPRS DUT模塊發(fā)送至ARM芯片，而后驅(qū)動(dòng)ATS模塊，從而達(dá)到控制設(shè)備作業(yè)狀態(tài)的目的。

3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)信息采集模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選取ARM芯片作為核心處理器，該芯片采用串聯(lián)方式建立與自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器（Automatic Transfer Switching equipment，ATS）、A/D轉(zhuǎn)換模塊、GPRS DUT模塊之間的通信連接，實(shí)現(xiàn)操控命令的下達(dá)。其中，信息采集模塊以通信電源設(shè)備作業(yè)狀態(tài)作為信息采集對(duì)象，利用ARM處理器向霍爾傳感器下達(dá)設(shè)備作業(yè)狀態(tài)采集命令。當(dāng)霍爾傳感器接收到信號(hào)采集命令時(shí)，立即開(kāi)啟信號(hào)采集模式，根據(jù)設(shè)定的信號(hào)采集周期要求和信號(hào)發(fā)送要求確定信號(hào)采集頻率與發(fā)送時(shí)間。為了便于分析，將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，在A/D模塊的作用下將采集到的設(shè)備作業(yè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，發(fā)送至ARM控制器芯片。這個(gè)信號(hào)采集控制命令的發(fā)出和信號(hào)的接收過(guò)程就是系統(tǒng)信息采集模塊的作業(yè)原理。

3.2 系統(tǒng)通信模塊設(shè)計(jì)

利用GPRS DTU模塊創(chuàng)建現(xiàn)場(chǎng)終端和監(jiān)控終端的通信連接，該模塊的作業(yè)原理如圖2所示。

圖2 GPRS DTU通信原理

該模塊借助GSM基站、Internet網(wǎng)絡(luò)完成消息的傳輸，此過(guò)程中涉及到的模塊主要包括GSM基站、服務(wù)GPRS作業(yè)支持節(jié)點(diǎn)（Serving GPRS Support Nod，SGSN）模塊、GPRS網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)GPRS作業(yè)支持節(jié)點(diǎn)（Gateway GPRS support node，GGSN）模塊、Internet網(wǎng)絡(luò)以及遠(yuǎn)程服務(wù)器。GPRS DTU模塊作業(yè)過(guò)程中，將采集到的直流信號(hào)進(jìn)行分組處理，形成多個(gè)GPRS分組，而后獨(dú)立發(fā)送至GSM基站。為了創(chuàng)造GPRS網(wǎng)絡(luò)作業(yè)條件，本設(shè)計(jì)方案添加了SGSN模塊和GGSN模塊，前者用來(lái)為GPRS網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)封裝服務(wù)，后者借助網(wǎng)關(guān)對(duì)GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，再由服務(wù)器發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

3.3 系統(tǒng)監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)控終端主要由3部分組成，分別是GPRS DTU模塊、服務(wù)器、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。其中，服務(wù)器起到了數(shù)據(jù)接收和處理作用。在VB 6.0軟件環(huán)境下，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)程序，從而為遠(yuǎn)程監(jiān)控中心提供分析數(shù)據(jù)。為了便于管理，本系統(tǒng)監(jiān)控終端對(duì)數(shù)據(jù)類(lèi)別加以劃分，運(yùn)用ADO技術(shù)訪問(wèn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，分別調(diào)用不同類(lèi)別數(shù)據(jù)表，獲取完整的通信電源監(jiān)控信息。

3.4 系統(tǒng)通信協(xié)議與作業(yè)指令

3.4.1 系統(tǒng)通信協(xié)議

本系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)通信協(xié)議來(lái)控制信號(hào)數(shù)據(jù)的傳輸及識(shí)別，包括前導(dǎo)符、包序號(hào)符、采集站名稱(chēng)、采集時(shí)間、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（Cyclic Redundancy Check，CRC）。其中，前導(dǎo)符長(zhǎng)度為1個(gè)字節(jié)，起始字節(jié)為0；包序號(hào)符長(zhǎng)度為10個(gè)字節(jié)，起始字節(jié)為2；采集站名長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)，起始字節(jié)為12；采集時(shí)間長(zhǎng)度為14個(gè)字節(jié)，起始字節(jié)為20；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為20個(gè)字節(jié)，起始字節(jié)為34；CRC長(zhǎng)度為兩個(gè)字節(jié)，起始字節(jié)為54。

3.4.2 信號(hào)傳輸作業(yè)命令

本系統(tǒng)信號(hào)的傳輸按照通信協(xié)議采用統(tǒng)一文本格式規(guī)范通信電源監(jiān)測(cè)信號(hào)，以便監(jiān)控管理。本系統(tǒng)信號(hào)傳輸命令由監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)下達(dá)，通信電源監(jiān)控工作人員在指揮中心開(kāi)啟監(jiān)控模式后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊將此命令下達(dá)至現(xiàn)場(chǎng)采集終端，采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)信息將按照通信協(xié)議的格式返回。

4 系統(tǒng)測(cè)試分析

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是否可靠，對(duì)通信電源監(jiān)測(cè)信號(hào)采集準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性進(jìn)行檢驗(yàn)。以文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)的系統(tǒng)作為對(duì)照組（記為傳統(tǒng)系統(tǒng)），以本系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)組，布設(shè)6個(gè)信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)展開(kāi)測(cè)試，結(jié)果如表1和表2所示。

表1 通信電源監(jiān)測(cè)信號(hào)采集準(zhǔn)確性測(cè)試結(jié)果

表2 通信電源監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性測(cè)試結(jié)果

與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的通信電源監(jiān)測(cè)信號(hào)采集準(zhǔn)確率更高一些。6組節(jié)點(diǎn)測(cè)試中，本系統(tǒng)電壓信號(hào)采集精度均在99%以上。傳統(tǒng)系統(tǒng)雖然在第一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的采集精度達(dá)到了99.17%，但是其他節(jié)點(diǎn)電壓采集精度均不足96%。

與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)通信電源監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，監(jiān)控終端接收到信號(hào)的時(shí)間能夠與信號(hào)發(fā)送時(shí)間保持一致。

5 結(jié) 論

圍繞通信電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法展開(kāi)探究，針對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在的時(shí)效性和無(wú)人操控精準(zhǔn)性較低的問(wèn)題，本文選取IoT技術(shù)作為開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)了一套新的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)方案。測(cè)試結(jié)果顯示，本系統(tǒng)信號(hào)采集精度在99%以上，并且監(jiān)控終端接收到這些信號(hào)的時(shí)間能夠與信號(hào)發(fā)送時(shí)間保持一致，較傳統(tǒng)系統(tǒng)性能有明顯改善。綜上所述，本系統(tǒng)可以作為通信電源監(jiān)控輔助工具。