基于ZigBee的5G基站環境監控系統設計

林德洋，李赫喆，鄭艷玲

(哈爾濱華德學院，黑龍江 哈爾濱 150025)

0 引言

移動通信從帶寬和速率上正在飛速發展，網絡通信距離也越來越大。5G基站是5G網絡的核心設備，提供無線覆蓋，實現有線通信網絡與無線終端之間的無線信號傳輸。基站的架構、形態直接影響5G網絡如何部署。在技術標準中，5G的頻段遠高于2G、3G和4G網絡，5G網絡現階段主要工作在3 000～5 000 MHz頻段。頻率越高，信號傳播過程中的衰減也越大，所以5G網絡的基站密度將更高。2020年，中國在基站搭建量用達到約400萬，開發商更加注重用戶體驗和用戶便捷性、安全體驗的滿足。移動應用開發領域也發生了重要變化。根據數據顯示，中國小程序等應用使用用戶數量預計達到近9億用戶。

1 研究現狀

隨著移動通信技術的日益普及，通信網絡規模也越來越龐大。截至2019年4月，我國移動終端的用戶數達到13.5億個，占全球移動終端用戶數的27%。移動通信網絡系統包括：移動基站、傳輸媒介、交換設備、接收終端等。其中，基站是在一定的無線電覆蓋區中，通過移動通信交換中心與移動電話終端之間進行信息傳遞的無線電收發信電臺。作為通信網絡的組成部分，基站起著重要的作用，直接影響著網絡的通信質量。基站動力設備和環境設施的好壞是決定通信網絡能否正常工作的關鍵。

我國目前通信基站的數量達560萬個，而且還在不斷增加。由于基站分布廣泛且每個基站又沒有配備專人值班，當機房環境出現變化時，運維人員不能及時了解情況，容易導致基站工作故障，甚至造成局域通信網絡的通信中斷，影響用戶感知。

目前，已有許多公司開發出類似的基站環境監控系統，這些產品涉及監控的環境變化量多，適合集中的大型通信基站環境監控。但是對于中小型基站而言，這些產品復用性較小，價格偏高。整體來說，不適合中小型通信基站的監控，因此，迫切需要適合中小型基站的監控系統。

2 需求分析

隨著當前通信技術的迅速發展，通信基站的數量也在明顯增長，基站的運行環境將直接影響設備運行的穩定性。而通信基站的分布范圍廣泛，需要環境監控系統進行自動監控、控制機房環境，但是現階段只有大型基站的監控設備配備較為完善，許多中小型基站監控設備缺乏，技術水平也較低，多采用人工巡檢的方式控制機房環境，不僅效率低，也無法及時發現潛在危險。基站環境監控的內容包括：動力設備參數、機房環境參數、機房安全等。除監控外，系統還需要聯動空調設備、攝像頭設備與其環境(溫度、濕度)進行協調工作，使基站運行在一個相對穩定的環境中。

為了保障基站設備的穩定運行，要求機房必須保持合適的溫濕度環境。環境溫度過高或者過低會導致基站設備運行不穩定甚至燒毀板卡。因此，在基站機房中配備有空調系統，當機房的環境溫度高于30 ℃時，環境監測系統能夠檢測到溫度的變化并打開空調，低于26 ℃時能關閉空調，節能降耗。監控單元溫濕度傳感器采樣周期為20 s，在客戶端可以實時查看溫度信息。為防止火災發生和蔓延，需要對基站環境的煙霧進行檢測和報警[1]。

3 主要設計

本課題主要研究通信基站環境參數監控系統的硬件設計，需配合軟件實現監控功能，顯示現場環境參數(包括：溫度、濕度、煙霧濃度、基站供電)的數值，同時通過煙霧傳感器和溫濕度傳感器保證通信基站環境的穩定，防止火災和高溫影響設備運行。通過ZigBee模塊進行數據的無線接收和發送，通過按鍵設定報警的上下限，超限后可以發出報警提示，并控制通信基站的通風設備進行初期的處理，疏散溫度和煙霧。將數據發送到遠端的上位機中，可以及時向信息中心提供基站的環境數據，保證了信息中心工作人員的監控效率，同時也可以最大限度地避免事故的發生[2]。

基于上述原因，本研究提出了無線傳感網絡通信基站環境監測系統的設計方案，在特定區域中建立ZigBee無線網絡，通過終端節點采集溫度、煙霧和電能監測等數據信息，并將傳感器信息由協調器傳給上位機[3]。

3.1 煙霧傳感器

當通信基站發生火災時，煙霧傳感器感應到異常氣體情況，向上位機傳輸危險信號報警來通知工作人員。

3.2 紅外熱釋電傳感器

在基站周圍設置安裝紅外熱釋電傳感器，可以感應到附近的人員出入情況，一經發現有人員入侵，該節點就會將告警信號向網絡中的上級節點發送，并最終將數據信息傳送至協調器網關。

3.3 溫濕度檢測模塊

DHT11溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。

3.4 電壓檢測模塊

本系統中電壓監測采用電壓互感器模塊ZMPT101B，具有板載高精度運放電路。模塊可以測量250 V以內的交流電壓，對應輸出模擬量可以調節。輸出信號為正弦波，波形的中間值(直流分量)為1/2VCC。供電電壓在5～30 V。

4 軟件開發

本系統選用QtCreator完成PC端上位機的軟件開發。在打開該程序界面后，首先要對串口號和波特率進行選擇和設置。當設置正確后，程序就可以接收到協調器發送的數據信息。當程序接收完數據包后，就會對其進行解析，然后將解析過后的信息在對話框中一一對應列出。這些信息主要包括倉庫的溫度、設備控制和節點加入時間等。

當網絡出現變化時，界面程序中相應的數值也會跟著變化。界面中有3個按鍵，分別是打開串口、保存數據和退出程序。其中“打開串口”按鍵的標號和功能隨著鼠標點擊可以相應變化。當按鍵處于“打開串口”狀態時，通過點擊就能打開串口，建立一個專門接收串口數據的線程；當按鍵處于“關閉串口”狀態時，點擊后就會關閉該串口。“保存數據”按鍵起到將對話框的信息保存的作用。“關閉程序”按鍵被點擊時，線程將被關閉，然后退出程序[4]。

5 結語

文章基于ZigBee的通信基站監控系統設計與實現。系統里一共有3個節點，分別是一個協調器節點和3個終端節點。終端節點能夠對人員進入基站環境進行檢測并開啟風機，同時監測溫濕度，根據溫濕度值開啟設備進行環境調節。用戶也可以通過上位機詳細了解環境信息。