基于ZigBee無線通信技術的基站安全監控系統設計

摘要：文章在分析傳統基站安全監控的基礎上，采用STM32單片機作為主控制器、RS-485總線和ZigBee無線技術作為通信網絡，針對ZigBee無線技術的基本原理和特點、ZigBee通信協議以及網絡模型，構建一種基于ZigBee無線通信技術的基站安全監控系統并進行系統測試，該系統利用無線傳感器網絡實現了對通信基站的安全管理。測試結果表明，本設計可以將網絡、計算機、終端設備集成在一起，通過JTAG總線將采集到的數據傳送到中央控制中心完成集中監控。

關鍵詞：ZigBee無線通信；基站；監控系統

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.03.002

中圖分類號：TN 92" " " " " " " "文獻標示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）03-000-03

Design of Base Station Security Monitoring System Based on ZigBee Wireless Communication Technology

ZHANG Caijiao

（Shanxi Information Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Taiyuan 030012， China）

Abstract： Based on the analysis of traditional base station security monitoring， this paper uses STM32 single-chip microcomputer as the main controller， RS-485 bus and ZigBee wireless technology as communication network， and builds a base station security monitoring system based on ZigBee wireless communication technology and system test according to the basic principles and characteristics of ZigBee wireless technology， ZigBee communication protocol and network model， which uses wireless sensor network to realize the security management of communication base stations. The test results show that the design can integrate the network， computer and terminal equipment， and transmit the collected data to the central control center through the JTAG bus to complete centralized monitoring.

Key words： ZigBee wireless communication; base station; monitoring system

0" 引言

為了保障通信基站安全，移動網絡運營商采用一些監控技術來實現基站安全管理[1]。傳統基站監控系統一般采用有線方式[2]，而現代基站監控系統開始采用無線方式。無線傳感器網絡（WSN）技術由于安全性高、功耗低等優點，在通信行業監控系統中的應用越來廣泛[3]。本文設計了一種基于WSN技術的基站安全監控系統[4]，該系統通過將網絡中節點接入網絡中央控制中心，實現對基站的安全管理，通過ZigBee無線通信技術和JTAG協議實現基站安全監控系統設計；采用ZT1115作為核心處理芯片，采用ZT1115M作為移動傳感器節點，采用STM32作為中央控制平臺。本文設計的基站安全監控系統可應用于移動通信網絡中的通信基站，實現遠程監管維護、異常報警及應急處理等功能[5]。

1" 基于ZigBee無線通信技術的基站需求

1.1 需求分析

伴隨中國移動通信技術的不斷發展，通信基站的建設數量日益增多，運營商提出了“集約化運營”的管理需求。目前國內只有一些大的基站擁有比較完備的監控設施，而很多中小基站的監控設施則有所欠缺，并且技術含量不高。大多采用手工監控的方法來控制機房環境，不但工作效率低下，而且難以及時察覺潛在的風險。對通信基站進行動環監測，主要涉及市電、開關、照明、視頻、空調以及溫濕傳感器、煙霧探測器、紅外探測器等功能模塊。

為保證通信基站的正常工作，需要將機房內環境溫度和濕度控制在適宜的范圍，環境中的溫度太高或太低都會造成基站工作的不穩定，嚴重時會造成電路板的損壞。因此，在室內的環境氣溫超過30℃時，可以通過環境監控系統開啟室內空調進行溫度調節，當溫度降到26℃以下就可以自動關掉空調，從而節約能源。監測裝置的溫濕度傳感器取樣時間為20s，用戶可以對其進行實時的溫濕度監測。同時，為了避免火災的發生和擴散，必須時刻對基站周圍的煙氣進行探測與預警。

1.2 ZigBee技術

ZigBee是一種低功耗、窄帶無線通信技術，采用2.4 GHz頻段傳輸數據，它使用分組交換技術，傳輸距離可達幾十米。ZigBee支持三種主要的應用類型，即點到點通信、點到多用戶數據通信以及區域網絡連接。在ZigBee技術中，節點之間可以通過無線方式與主節點進行數據通信，用戶可以通過終端設備與主節點進行通信。ZigBee技術采用短距離、低功耗、高可靠性、低數據率的協議棧來完成工作。本設計在STM32單片機中集成RS-485和ZigBee兩種接口協議，通過與RS-485和ZigBee協議棧結合實現對基站的遠程監控功能。

1.3 網絡模型及通信協議

ZigBee的拓撲結構（見圖1）展示了整個網絡中所有節點的連接過程。該網絡主要由兩個子網絡組成：一個是基于TCP/IP的子網，另一個是基于IEEE802.15.4標準的子網。其中第一個子網由兩個ZigBee網絡組成，第二個則由三個子網絡（ZigBee網關、ZigBee終端和無線傳感器網）組成。

2" 基站安全監控系統方案

本文設計的基于ZigBee無線通信技術的安全監控系統如圖2所示，具體包括現場檢測傳感器、遠程無線傳輸、網絡通信和監控中心等4個部分，每個部分的功能具體闡述如下。

（1）現場監測傳感器。通過對門窗的開關切換狀態進行監測，并利用傳感器上的MCU完成對信號的處理，ZigBee模塊會迅速搜索并連接到附近的多路數據的ZigBee無線通信系統，并將其添加到ZigBee的無線通信系統中，從而實現雙向通信。

（2）基站監控終端。系統具有ZigBee和4G的無線通信功能，主要負責收集現場的傳感器信息。通過ZigBee傳輸的實時數據，再利用內置的4G通信模塊將現場信息傳輸給基站的監測中心，從而達到對信號的即時監控。在接通電源后，無線采集器無須人工介入，可對周圍的ZigBee組件進行自動組網，添加或者移除內部的監測結點，不會對其他監測結點造成干擾。

（3）網絡通信。利用公共移動網把每個基站的門窗切換狀況資料發送至互聯網公共網，再由一個固定IP地址發送至監測控制中心。

（4）基站監控中心。主要包括交換機、服務器、UPS電源等硬件設備，以及操作系統、數據庫和基站安全監控系統等軟件設備。

3" 監控系統的設計

ZigBee的最大特色是功耗小，而其終端的電源通常都由電池來提供，因此采用的是低功率技術。減少電力系統的能耗通常是降低空載和通信狀態下的能量消耗，其中，在通信狀態下，由于終端的發送能力會對網絡的傳輸產生直接影響，所以通過控制端與協調站之間的間距來調整發送功率，可以有效地減少終端的功耗。針對該方案的具體需求，本文以STM32微控制器為平臺，聯合RS-485總線實現了ZigBee無線通信。該系統的前端監測系統全部使用了ZigBee的無線通信模塊，在此基礎上，通過安裝ZigBee無線通信模塊和前端感應器組成一個數據采集系統，同時監控終端還配備了4G遠程通信功能。由于監測系統的硬件設施都是在室外進行，所以必須配備一塊太陽能電池和一塊鉛酸蓄電池作為備用電源，以避免主電路出現斷電問題。如圖3所示。

3.1 硬件設計

本系統的硬件設計主要包括STM32單片機和上位機監控軟件兩部分。下位機監控軟件設計主要包含通信協議的定義、通信網絡及上位機監控軟件的編寫。

（1）通信協議的定義：STM32單片機對ZigBee模塊進行初始化后，將其與RS-485總線連接，并完成對ZigBee模塊和RS-485模塊的初始化。

（2）通信網絡：RS-485總線是通用的通信協議，利用STM32單片機進行ZigBee網絡通信，完成與RS-485總線的數據傳輸。

（3）上位機監控軟件：本設計采用JTAG接口實現上位機信息的顯示和操作。

（4）軟件設計步驟與硬件連接流程，如圖4所示。

（5）上、下位機監控軟件設計完成后，通過編程將其編譯為可運行于ZigBee無線通信協議上的程序。

（6）將上、下位機監控軟件通過JTAG接口與RS-485總線連接，并完成實時數據采集、傳送和控制等功能[6-7]。

3.2 軟件開發

本設計采用集成RS-485總線，通過修改ZigBee實例以運行ZigBee協議。修改后系統程序運行流程按圖4執行。

4" 系統測試與結果分析

本系統設計通過軟件實現了對基站的監控，主要包括以下功能。

（1）數據采集功能：利用RS-485接口采集RS-485總線上的數據，經ZigBee無線傳輸到監控中心。

（2）傳輸控制功能：將采集回來的數據進行相應處理。

（3）傳輸控制功能：將RS-485接收的數據經RS-232接口發送至ZigBee網絡中。

（4）接收反饋功能：當采集到基站內發生異常情況時，系統會發出報警信息。

由測試結果可知（見表1），通信距離與節點隨發射功率的增強呈增長趨勢，網絡運行正常，本系統具有較高的實用性和安全性，對于基站安全管理具有一定的指導意義。

5" 結束語

本系統在對基站進行安全監控的基礎上，利用無線傳感器網絡實現了對基站周邊環境的監測，并結合JTAG通信接口完成了對基站安全狀態的實時采集和傳輸。采用ZigBee技術構建基站安全監控系統，在通信距離、傳輸速率、抗干擾性等方面均優于現有的無線技術，并且系統成本低、部署方便，可為基站提供一種新的管理模式。此外，本文在傳統ZigBee通信協議理論基礎上進行了改進和創新，提出了基于JTAG接口實現ZigBee無線傳感器網絡傳輸協議的方法；在系統硬件設計方面采用STM32單片機作為主控制器，完成對基站周圍環境和其他設備狀態監測和數據采集；根據以上通信原理進行了軟硬件設計；最后在JTAG接口平臺上實現遠程控制和監控功能。ZigBee無線通信技術的應用范圍很廣，本文所設計開發的系統可廣泛應用于各種基站管理以及移動終端管理。■

參考文獻

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