基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的鐵塔基站管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：大數(shù)據(jù)是一個(gè)數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)群體較為龐大的數(shù)據(jù)集，能從各種各樣類型的數(shù)據(jù)中心快速獲取有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息，具有數(shù)據(jù)量大、類型多樣、運(yùn)算高效、處理速度快等特點(diǎn)。大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于鐵塔基站管理系統(tǒng)對(duì)于提升管理系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量以及效率具有重要意義。基于此，文章設(shè)計(jì)了基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的鐵塔基站管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效提升鐵塔基站運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)技術(shù)；鐵塔基站；管理系統(tǒng)；監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP391" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：2022年廣西教育廳中青年研究課題；項(xiàng)目名稱：基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的鐵塔基站管理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)；項(xiàng)目編號(hào)：2022KY1495。

作者簡(jiǎn)介：唐永平（1980— ），男，副教授，碩士研究生；研究方向：軟件工程，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

0" 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度不斷加快，當(dāng)前5G建設(shè)的應(yīng)用范圍擴(kuò)大。國家統(tǒng)計(jì)部門發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)階段我國新建站址共享率從14.3%提升至83%，減少碳排放量超過2600萬噸。但鐵塔基站在運(yùn)行過程中可能會(huì)受到環(huán)境、建設(shè)質(zhì)量等的影響，容易出現(xiàn)變形，影響基站的正常運(yùn)行，也給企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益造成一定影響［1］。隨著信息化時(shí)代的來臨，鐵塔基站所承擔(dān)的功能越來越多，用戶及室內(nèi)用電設(shè)備的類型與數(shù)目也越來越多，這使得基站用電負(fù)荷急劇上升，甚至出現(xiàn)一臺(tái)電表要對(duì)多個(gè)客戶進(jìn)行計(jì)量的局面。因此，現(xiàn)有的基站管理系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)電力精細(xì)化管理的需求。而且，大部分的塔形基站都位于供電的末端，它們的供電電壓并不充足。有些基站地處偏僻，在進(jìn)行電網(wǎng)的架設(shè)、維護(hù)和檢修時(shí)都要花費(fèi)相當(dāng)大的人力和物力，在供電安全、可靠性和經(jīng)濟(jì)性上都會(huì)出現(xiàn)問題。因此，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)支撐的鐵塔基站管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究可較好地解決這一問題，提升鐵塔基站運(yùn)行的安全、穩(wěn)定性。

1" 鐵塔基站管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐵塔基站管理系統(tǒng)主要是借助大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其系統(tǒng)構(gòu)成有信號(hào)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、溫濕度數(shù)據(jù)采集及預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)4個(gè)部分［2］。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，通過對(duì)一定風(fēng)速下的信號(hào)塔末端位移和鐵塔自身的自振周期等信息來反映其安全狀態(tài)，在搭建系統(tǒng)時(shí)首先將基站的真實(shí)狀態(tài)輸入理論計(jì)算模型，然后將其與前端監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并結(jié)合近年相同風(fēng)速下的監(jiān)測(cè)資料對(duì)這一次的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，檢查這一數(shù)據(jù)是否存在偏差，以此來對(duì)基站的運(yùn)行狀況做出全面的判斷，還可以通過在基站各個(gè)位置安裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)來確定出現(xiàn)故障的具體位置，可為后續(xù)維護(hù)工作的開展奠定一定的基礎(chǔ)，該系統(tǒng)的運(yùn)行功能如圖1所示。

2" 管理系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)

2.1" 信號(hào)采集系統(tǒng)

在鐵塔基站管理系統(tǒng)中信號(hào)采集系統(tǒng)是必不可少的。其中，信號(hào)采集系統(tǒng)主要設(shè)置在塔頂，各傳感器將接收到的信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，經(jīng)過簡(jiǎn)單的鑒權(quán)處理再由通信模塊將其送至后臺(tái)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)由信號(hào)傳感器、電源、微處理器、通信4個(gè)模塊組成［3］。傳感器包括位移傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、加速度傳感器和傾角傳感器。利用單片機(jī)對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并利用處理器對(duì)其進(jìn)行能量管理，能夠保證其使用壽命得到最大化利用。本系統(tǒng)由電源控制器、太陽能電池板、鋰電池3部分構(gòu)成。電源模塊的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的接收與發(fā)送，通過無線網(wǎng)絡(luò)與窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的傳輸［4］。在該系統(tǒng)中，以位移、加速度、風(fēng)速等傳感器為關(guān)鍵部分。位移傳感器主要用來測(cè)量一定風(fēng)速下塔頭的位移，兩者之比可以間接地判斷塔頭是否存在故障。其中，加速度傳感器監(jiān)測(cè)塔的自振周期集系統(tǒng)主要集中于系統(tǒng)的頂部，主要負(fù)責(zé)將各個(gè)傳感器采集到的信號(hào)傳送給統(tǒng)一的微處理器，經(jīng)過初步的甄別處理之后再由通信模塊將其傳輸?shù)胶笈_(tái)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中，最后還可以顯示出通信鐵塔的連接部分是否存在故障，有助于檢修人員及時(shí)對(duì)其進(jìn)行維護(hù)［5］。通信模塊在實(shí)際運(yùn)行過程中主要是以數(shù)據(jù)收發(fā)為主要目的進(jìn)行運(yùn)作的。該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)須要使用到低成本、低耗能的運(yùn)營技術(shù)，將無線數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)應(yīng)用寬窄物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)LoRa以及無線高速互聯(lián)網(wǎng)4G相結(jié)合的形式能夠達(dá)到較好的運(yùn)行效率，同時(shí)也能節(jié)省運(yùn)行成本［6］。

2.2" 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是整個(gè)鐵塔基站運(yùn)行、管理系統(tǒng)中的核心部分，其系統(tǒng)的運(yùn)行流程如圖2所示。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中主要包含接收數(shù)據(jù)以及發(fā)送數(shù)據(jù)2個(gè)板塊。接收數(shù)據(jù)板塊在工作時(shí)會(huì)直接根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《移動(dòng)通信工程鋼塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)數(shù)據(jù)建立通信塔的位移理論模型，并與具體風(fēng)速下的位移模式、塔頂位移的監(jiān)控實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，借助單元處理數(shù)據(jù)獲得風(fēng)速位移的計(jì)算公式：

sti=LtiSin（α0-αi）

dti=Lto-Lticos（α0-αi）（1）

公式（1）中，Lto為初始測(cè)量的長(zhǎng)度，Lti為變形之后的長(zhǎng)度α0為水平方向初始夾角，i為變形之后的夾角值?；诠剑?）通過數(shù)據(jù)處理單元獲得風(fēng)速位移水平的計(jì)算公式：

sci=sci+Δsi=sci+0.25（B+3mH）2+L2ci或

sci=sci+Δsi=sci+L2c0+L2ci（2）

最后，將系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行比較，并以10 min的平均值和該時(shí)間段的平均值為對(duì)照。當(dāng)測(cè)量到的位移大于理論值時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警［7］。其次，發(fā)送數(shù)據(jù)模塊在實(shí)際運(yùn)行過程中主要是將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至對(duì)應(yīng)的傳感器，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)保存在服務(wù)器中，使之不斷地累積生成一個(gè)圓形的統(tǒng)計(jì)圖形，統(tǒng)計(jì)圖形主要以位移曲線和風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)曲線為主。在一定時(shí)間內(nèi)偵測(cè)到的位移資料，若超過以前的風(fēng)圈統(tǒng)計(jì)值就會(huì)發(fā)出警報(bào)，并向警報(bào)系統(tǒng)生成報(bào)告，以便管理人員能夠及時(shí)地采取針對(duì)性的處理措施。

2.3" 溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是對(duì)通信鐵塔監(jiān)控基站微網(wǎng)內(nèi)的環(huán)境狀況進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)溫度、濕度異常時(shí)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而對(duì)基站進(jìn)行遠(yuǎn)程維修。在對(duì)功耗、成本、工作電壓等方面進(jìn)行綜合考慮后，本研究設(shè)計(jì)主要選用德州儀器公司生產(chǎn)的HDC1080型濕度傳感器。本系統(tǒng)中的濕度傳感器內(nèi)置有一個(gè)高精度的溫度傳感器，可以用來進(jìn)行溫度和濕度的數(shù)據(jù)采集。與其他溫度、濕度傳感器相比，HDC1080的“休眠”電流只有100 mA，平均電流只有1.3 μA。此芯片具有較高的相對(duì)濕度和±0.2 ℃的準(zhǔn)確度，并且在高濕度條件下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。溫濕度數(shù)據(jù)的采集電路如圖3所示，該電路采用I2C總線，以80 H的從機(jī)寫入地址和81 H的讀取地址與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。第7號(hào)針是芯片熱墊，由于PCB上的熱可經(jīng)地線傳送，所以資料中規(guī)定不應(yīng)接地，為了保證測(cè)溫的準(zhǔn)確性，管腳7不必接地。

2.4" 預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)

在通信鐵塔監(jiān)控系統(tǒng)中，警報(bào)系統(tǒng)是由各個(gè)站點(diǎn)采集系統(tǒng)匯總處理后的數(shù)據(jù)得出相關(guān)的預(yù)警結(jié)果。這些數(shù)據(jù)都會(huì)被傳送到鐵塔基站管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中心的上位計(jì)算機(jī)中，監(jiān)測(cè)中心會(huì)把鐵塔的工作狀態(tài)以文字或圖形的方式顯示出來［8］。通過與維修系統(tǒng)的連接可以將故障信息及時(shí)反饋給維修人員，使其得到及時(shí)的處理。該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、輸出等功能，并通過串口向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)的接口系統(tǒng)以B/S網(wǎng)絡(luò)的形式與GIS相結(jié)合，在同一接口上將各變電站的運(yùn)行狀況進(jìn)行顯示，并通過不同的標(biāo)志或警示來提示異常情況，還可按系統(tǒng)特定的網(wǎng)站來展示目前網(wǎng)站的各種監(jiān)控資料和運(yùn)行情況［8］。本系統(tǒng)能夠完成對(duì)鐵塔的維" 修管理、運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和報(bào)警等。

3" 結(jié)語

本文基于大數(shù)據(jù)技術(shù)提出了一種新的鐵塔基站管理系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含信號(hào)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)4個(gè)部分，不同的系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中能夠按照設(shè)定程序?qū)Σ煌牟糠诌M(jìn)行監(jiān)管。相較于傳統(tǒng)的管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)具備更高的準(zhǔn)確率以及時(shí)效性，可提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

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（編輯" 沈" 強(qiáng)）

Design and implementation of tower base station management system based on big data technology

TANG" Yongping， GUO" Yan

（College of Electronic Information Engineering， Wuzhou Vocational College， Wuzhou 543002， China）

Abstract： Big data is a data set with huge data types and data groups. It can quickly obtain valuable data information from various types of data centers， and has the characteristics of large data volume， diverse types， efficient operation and fast processing speed. The application of big data technology in the tower base station management system is of great significance for improving the operation quality and efficiency of the management system. Based on this， this paper designs an iron tower base station management system based on big data technology， the system can effectively improve the safety and stability of the operation of the tower base station.

Key words： big data technology; tower base station; management system; monitoring and early warning system