基于物聯網技術的通信電源監控系統設計研究

李曉麗，周曉革，王署光

（河南省洛陽經濟學校，河南 洛陽 471013）

0 引 言

近年來，通信事業發展較為迅速，為人們的日常生活和工作創造了便利條件。通信電源作為通信設備作業的能量供應模塊，在很大程度上決定了通信系統是否能夠正常作業[1]。因此，通信電源成為了當前通信設計的關鍵。高質量通信服務對通信電源提出了連續、不間斷、穩定作業要求，為了滿足這些需求，通信電源監控系統應運而生[2]。利用該系統實時監測通信電源的作業狀態，可以為通信電源作業的管控提供有效數據支撐。此類系統研究時間較短，尚未形成完整的系統設計方案，并且通信模式無法滿足無人、實時等需求[3,4]。因此，本文選取物聯網技術（Internet of Things，IoT）作為研究工具，提出一種新的系統設計方案。

1 通信電源作業原理

通信電源主要由直流配電、整流配電、交流配電3部分組成，其作業原理是將綠色能源轉化為設備作業動力，從而為設備作業提供足夠的能量[5]。目前，應用較多的綠色能源主要有3種，分別是太陽能、油機、市電[6]。其中，采用交流方式輸入的能源為油機和市電，利用整流模塊對能源進行轉換處理，生成直流電后為設備配電，使得直流配電屏得以正常作業。與交流電能相比，直流電能在綠色能源輸出占比更大，采用簡單的處理為通信設備提供電能[7]。采取直流配電屏分離處理，形成多個電壓供應線路，分別為各個設備提供作業電壓，從而達到為大型通信電源架構中直流配電部分提供電能的目的。由于通信電源作業期間容易受多種因素干擾，因此對其進行實時監控顯得尤為重要[8]。

2 系統總體架構設計

本系統選取嵌入式ARM核心控制芯片作為核心控制器，對現場通信電源設備作業狀況信息采集進行實時控制，借助GPRS DUT無線通信模塊將通信電源設備現場作業狀況信息發送至遠程監控中心，從而實現對通信電源設備作業狀況的無人實時監控[9]。根據設備作業狀況下達不同的操控命令，再由無線通信模塊將消息發送至現場控制終端，在ARM芯片控制下對通信電源設備作業狀態進行調整。圖1為系統總體架構。

圖1 系統總體架構

該系統主要由現場控制終端、GPRS DUT無線通信模塊、監控終端3部分組成。其中，現場控制終端主要包括通信電源設備、霍爾傳感器、A/D轉換模塊、ATS控制模塊以及ARM核心控制芯片，在ARM芯片的作用下對霍爾傳感器的作業狀態進行控制，實現現場通信電源設備作業狀態信息的采集，而后運用A/D轉換模塊對信號模式進行轉換得到直流電源信號，將其發送至ARM芯片，再由該芯片發送至無線模塊。系統中含有兩部分無線模塊，分別配備在現場信號采集終端和監控終端。當信號從現場信號采集終端傳輸至監控終端時，位于監控終端的無線模塊將接收到的信號發送至服務器，經過處理傳輸至遠程監控中心[10]。根據通信電源設備操控需求，設置正常作業參數范圍。將采集到的信號數據與此范圍進行對比，如果在此范圍內，再繼續采集信號；如果超出此范圍，則認為當前設備作業異常，需要立即采取處理措施。為了便于控制，本系統設置了幾種常見的問題和操控措施，如果超出問題范圍，則需要管理人員下達操控命令。對于操控命令的下達，通過GPRS DUT模塊發送至ARM芯片，而后驅動ATS模塊，從而達到控制設備作業狀態的目的。

3 系統功能模塊設計

3.1 系統信息采集模塊設計

本系統選取ARM芯片作為核心處理器，該芯片采用串聯方式建立與自動轉換開關電器（Automatic Transfer Switching equipment，ATS）、A/D轉換模塊、GPRS DUT模塊之間的通信連接，實現操控命令的下達。其中，信息采集模塊以通信電源設備作業狀態作為信息采集對象，利用ARM處理器向霍爾傳感器下達設備作業狀態采集命令。當霍爾傳感器接收到信號采集命令時，立即開啟信號采集模式，根據設定的信號采集周期要求和信號發送要求確定信號采集頻率與發送時間。為了便于分析，將采集到的模擬信號轉換為直流信號，在A/D模塊的作用下將采集到的設備作業模擬信號轉換為直流信號，發送至ARM控制器芯片。這個信號采集控制命令的發出和信號的接收過程就是系統信息采集模塊的作業原理。

3.2 系統通信模塊設計

利用GPRS DTU模塊創建現場終端和監控終端的通信連接，該模塊的作業原理如圖2所示。

圖2 GPRS DTU通信原理

該模塊借助GSM基站、Internet網絡完成消息的傳輸，此過程中涉及到的模塊主要包括GSM基站、服務GPRS作業支持節點（Serving GPRS Support Nod，SGSN）模塊、GPRS網絡、網關GPRS作業支持節點（Gateway GPRS support node，GGSN）模塊、Internet網絡以及遠程服務器。GPRS DTU模塊作業過程中，將采集到的直流信號進行分組處理，形成多個GPRS分組，而后獨立發送至GSM基站。為了創造GPRS網絡作業條件，本設計方案添加了SGSN模塊和GGSN模塊，前者用來為GPRS網絡運行提供數據封裝服務，后者借助網關對GPRS網絡數據進行集中處理，通過Internet網絡發送至遠程服務器，再由服務器發送至遠程監控中心。

3.3 系統監控終端設計

系統監控終端主要由3部分組成，分別是GPRS DTU模塊、服務器、遠程監控中心。其中，服務器起到了數據接收和處理作用。在VB 6.0軟件環境下，開發數據庫存儲和訪問程序，從而為遠程監控中心提供分析數據。為了便于管理，本系統監控終端對數據類別加以劃分，運用ADO技術訪問系統數據庫，分別調用不同類別數據表，獲取完整的通信電源監控信息。

3.4 系統通信協議與作業指令

3.4.1 系統通信協議

本系統通過設計通信協議來控制信號數據的傳輸及識別，包括前導符、包序號符、采集站名稱、采集時間、監測數據以及循環冗余校驗碼（Cyclic Redundancy Check，CRC）。其中，前導符長度為1個字節，起始字節為0；包序號符長度為10個字節，起始字節為2；采集站名長度為8個字節，起始字節為12；采集時間長度為14個字節，起始字節為20；監測數據長度為20個字節，起始字節為34；CRC長度為兩個字節，起始字節為54。

3.4.2 信號傳輸作業命令

本系統信號的傳輸按照通信協議采用統一文本格式規范通信電源監測信號，以便監控管理。本系統信號傳輸命令由監控中心計算機下達，通信電源監控工作人員在指揮中心開啟監控模式后，通過無線傳輸模塊將此命令下達至現場采集終端，采集到的信號數據信息將按照通信協議的格式返回。

4 系統測試分析

為了驗證本系統設計方案是否可靠，對通信電源監測信號采集準確性、實時性進行檢驗。以文獻[10]設計的系統作為對照組（記為傳統系統），以本系統為實驗組，布設6個信號采集節點展開測試，結果如表1和表2所示。

表1 通信電源監測信號采集準確性測試結果

表2 通信電源監測實時性測試結果

與傳統系統相比，本系統的通信電源監測信號采集準確率更高一些。6組節點測試中，本系統電壓信號采集精度均在99%以上。傳統系統雖然在第一個節點處的采集精度達到了99.17%，但是其他節點電壓采集精度均不足96%。

與傳統系統相比，本系統通信電源監測實時性更強，監控終端接收到信號的時間能夠與信號發送時間保持一致。

5 結 論

圍繞通信電源監控系統設計方法展開探究，針對當前系統設計方法存在的時效性和無人操控精準性較低的問題，本文選取IoT技術作為開發工具，設計了一套新的通信電源監控系統方案。測試結果顯示，本系統信號采集精度在99%以上，并且監控終端接收到這些信號的時間能夠與信號發送時間保持一致，較傳統系統性能有明顯改善。綜上所述，本系統可以作為通信電源監控輔助工具。