南紅蘭，李允俊

(延邊大學(xué) 工學(xué)院，延吉 133002)

移動(dòng)通信基站節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

南紅蘭，李允俊

(延邊大學(xué) 工學(xué)院，延吉 133002)

設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)通信基站節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)，通過STM32F407單片機(jī)將模塊整合，并設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集器與監(jiān)控平臺(tái)。智能控制器對基站內(nèi)外溫濕度檢測，實(shí)現(xiàn)了控制新風(fēng)機(jī)與空調(diào)的啟停，并通過監(jiān)控平臺(tái)來遠(yuǎn)程監(jiān)測基站設(shè)備情況。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，節(jié)能效果顯著，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

移動(dòng)通信基站；STM32F407單片機(jī)；監(jiān)控

引 言

近年來，移動(dòng)通信行業(yè)飛速發(fā)展，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電子通信產(chǎn)品的普及使人們對移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)需求與日俱增。為滿足越來越大的通信需求以及為用戶提供更好的通信服務(wù)，通信運(yùn)營商們不斷增設(shè)移動(dòng)通信基站，隨之而來的問題是無線通信行業(yè)的能源消耗急劇上升。其中，移動(dòng)通信基站的空調(diào)耗電量占到了基站總耗電量的40%。所以，如何降低移動(dòng)通信基站空調(diào)耗電量成為降低通信行業(yè)成本的關(guān)鍵問題之一[1-3]。

本文設(shè)計(jì)一種智能控制器來實(shí)現(xiàn)多模式控制新風(fēng)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)信息采集服務(wù)器，將數(shù)據(jù)傳到遠(yuǎn)端進(jìn)行分析，通過建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用合適算法計(jì)算，得到不同時(shí)間內(nèi)的最佳參數(shù)值。通過對控制器參數(shù)的修改，制定最佳節(jié)能策略，并結(jié)合遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，最終實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信基站的節(jié)能目的。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本移動(dòng)通信基站節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)主要分為智能控制器模塊、數(shù)據(jù)采集器模塊和監(jiān)控平臺(tái)模塊三個(gè)部分。智能控制器模塊采用STM32F407單片機(jī)，數(shù)據(jù)采集器模塊采用S3C2410嵌入式開發(fā)板，監(jiān)控平臺(tái)模塊采用Java語言進(jìn)行開發(fā)，采用MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。本系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.1 智能控制器模塊設(shè)計(jì)

智能控制器采用STM32F407單片機(jī)，主要對基站實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、控制、設(shè)定、管理及通信等功能?？刂破魍ㄟ^AI接口對室內(nèi)外溫濕度和電表數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，通過AO接口進(jìn)行變頻輸出，通過DI接口進(jìn)行報(bào)警輸入，通過DO接口輸出繼電器信號從而對新風(fēng)機(jī)和空調(diào)進(jìn)行控制，通過RS485接口與數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行通信，通過LED屏幕顯示運(yùn)行界面。控制器的設(shè)計(jì)首先對單片機(jī)進(jìn)行各種系統(tǒng)初始化操作，然后進(jìn)入主循環(huán)不斷更新ModBus上傳數(shù)據(jù)。本控制器有RS485接口，在接口接收到數(shù)據(jù)后，會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理函數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)需求，對電量的使用情況進(jìn)行記錄?？刂破髁鞒虉D如圖2所示。

圖2 控制器流程圖

本系統(tǒng)定義ModBus解析函數(shù)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。首先判斷長度和CRC校驗(yàn)是否正確，在正確的情況下依次判斷地址、功能碼、字節(jié)數(shù)是否正確，保存數(shù)據(jù)并置地址和上傳標(biāo)記。表1為ModBus解析函數(shù)相關(guān)標(biāo)記表，圖3為ModBus解析函數(shù)流程圖。

表1 ModBus解析函數(shù)相關(guān)標(biāo)記表

控制器需要通過制定控制策略對新風(fēng)機(jī)和空調(diào)進(jìn)行智能控制，控制策略主要根據(jù)基站室內(nèi)外的溫濕度值作為判斷指標(biāo)?？刂破骺刂撇呗灾饕譃?個(gè)優(yōu)先級控制，從高到低分別是報(bào)警控制、濕度控制、溫度控制及時(shí)間控制。

本系統(tǒng)采用溫度控制的聯(lián)動(dòng)模式，主要是通過設(shè)定基站內(nèi)溫度的參數(shù)值來確定空調(diào)和新風(fēng)機(jī)的開啟或者關(guān)閉。根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求，當(dāng)?shù)陀诘蜏叵孪?6 ℃的時(shí)候，空調(diào)和新風(fēng)機(jī)會(huì)都關(guān)閉；當(dāng)高于低溫下限26 ℃而低于高溫上限35 ℃時(shí)，基站內(nèi)外溫差如果大于2 ℃，開啟風(fēng)機(jī)，而空調(diào)在26～30 ℃之間的時(shí)候是關(guān)閉狀態(tài)，在30～35 ℃的時(shí)候是不處理狀態(tài)(升溫關(guān)閉，降溫開啟)；在35～40 ℃之間的時(shí)候，新風(fēng)機(jī)關(guān)閉，空調(diào)開啟；當(dāng)40～45 ℃的時(shí)候，風(fēng)機(jī)不處理狀態(tài)(升溫關(guān)閉，降溫開啟)，空調(diào)開啟；當(dāng)高于報(bào)警上限45 ℃的時(shí)候，新風(fēng)機(jī)和空調(diào)全部開啟，并報(bào)警。圖4為控制策略圖。

圖3 ModBus解析函數(shù)流程圖

圖4 控制策略圖

1.2 數(shù)據(jù)采集器模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器與控制器選用RS485通信，采用ModBus協(xié)議。數(shù)據(jù)采集器與監(jiān)控平臺(tái)采用Socket通信，在與監(jiān)控平臺(tái)連接后，接收監(jiān)控平臺(tái)發(fā)過來的指令，將指令解析成相應(yīng)的ModBus協(xié)議指令，通過RS485通信將命令發(fā)送給控制器，控制器根據(jù)ModBus協(xié)議將命令解析，執(zhí)行相應(yīng)的指令功能。數(shù)據(jù)采集器接收控制器返回值，數(shù)據(jù)采集器將控制器發(fā)過來的命令通過ModBus協(xié)議解析，再將解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控平臺(tái)。

當(dāng)接收到查詢類指令的時(shí)候，服務(wù)器會(huì)構(gòu)造ModBus協(xié)議指令，通過RS485端口寫入控制器，然后讀RS485端口，獲取ModBus返回命令，解析ModBus命令，獲取所需數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)返回給客戶端。當(dāng)接收到控制類指令的時(shí)候，構(gòu)造ModBus協(xié)議指令，通過RS485端口寫入控制器。在這個(gè)線程里服務(wù)器會(huì)不斷的循環(huán)接收命令，執(zhí)行命令。圖5為數(shù)據(jù)采集器流程圖。

圖5 數(shù)據(jù)采集器流程圖

為了保證數(shù)據(jù)在傳送過程中的準(zhǔn)確性，ModBus采用CRC校驗(yàn)。具體方法是調(diào)用函數(shù)根據(jù)ModBus命令前6字節(jié)生成16位CRC校驗(yàn)碼，將16位校驗(yàn)碼加到命令最后兩個(gè)字節(jié)中。接收設(shè)備收到ModBus命令后，調(diào)用函數(shù)重新計(jì)算命令字中前6個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)碼，并與接收到的CRC校驗(yàn)碼的值比較，如果兩個(gè)值相同，則說明命令字傳輸過程中沒有發(fā)生錯(cuò)誤，否則返回異常功能碼。

1.3 監(jiān)控平臺(tái)模塊設(shè)計(jì)

移動(dòng)通信基站節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)基于Java+ MySQL + HTML，采用Struts +JDBC + ECharts等技術(shù)組合的監(jiān)控管理系統(tǒng)。系統(tǒng)總體分三個(gè)模塊：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

① 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。顯示基站的監(jiān)控信息，包括室內(nèi)外溫度、濕度、時(shí)間、IP、基站狀態(tài)等。實(shí)時(shí)刷新頁面數(shù)據(jù)，以顯示最近基站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。Web后臺(tái)通過Socket通信獲取數(shù)據(jù)采集器提交上來的數(shù)據(jù)，頁面以表格的形式展示，利用Ajax和Socket 技術(shù)實(shí)時(shí)獲取，并在頁面更新數(shù)據(jù)。為了更好的分析數(shù)據(jù)，利用ECharts 框架技術(shù)展現(xiàn)室內(nèi)外溫濕度的折線圖。

② 歷史數(shù)據(jù)。以時(shí)間維度顯示基站的監(jiān)控信息，包括室內(nèi)外溫度、濕度、時(shí)間、IP、機(jī)房狀態(tài)、空間狀態(tài)以及電表等。Socket獲取數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)的同時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)通過JDBC存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫中，方便記錄數(shù)據(jù)。

③ 系統(tǒng)設(shè)置。系統(tǒng)設(shè)置中可設(shè)定不同的維度，數(shù)值可通過HTML傳導(dǎo)到后臺(tái)，后臺(tái)通過Socket 和Linux 服務(wù)器交互獲取增加維度條件之后的數(shù)據(jù)?？烧{(diào)節(jié)維度包括：時(shí)間、RS485接口、新風(fēng)機(jī)、空調(diào)及室內(nèi)外濕度的最高或最低值、報(bào)警溫度、溫差等。

本數(shù)據(jù)庫是為了將基站中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，方便查詢。數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的變量有基站號、機(jī)房狀態(tài)、室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、室外溫度、室外溫度、時(shí)間、IP、新風(fēng)機(jī)狀態(tài)、空調(diào)狀態(tài)及電表。表2為監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫表。

表2 監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)庫表

2 遺傳算法

本設(shè)計(jì)用遺傳算法來對系統(tǒng)的節(jié)能性進(jìn)行評價(jià)。首先建立電費(fèi)計(jì)算數(shù)學(xué)模型，利用遺傳算法求出最優(yōu)解，并用MATLAB軟件仿真出來的最優(yōu)解來對系統(tǒng)節(jié)能性進(jìn)行評價(jià)。遺傳算法(Genetic Algorithm)是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論進(jìn)行自然選擇的生物進(jìn)化過程的一種計(jì)算模型，是一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的方法[4]。

對于一個(gè)求函數(shù)最大值或最小值的優(yōu)化問題，一般可以描述為下列數(shù)學(xué)規(guī)劃模型：

式中X為決策變量，max f(X)為目標(biāo)函數(shù)式，X∈R、R?U為約束條件，U是基本空間，R是U的子集。滿足約束條件的解X稱為可行解，集合R表示所有滿足約束條件的解所組成的集合，稱為可行解集合。

遺傳算法的基本運(yùn)算過程如下[5,6]：

① 初始化：設(shè)置進(jìn)化代數(shù)計(jì)數(shù)器t=0，對最大進(jìn)化代數(shù)T進(jìn)行設(shè)置，隨機(jī)生成M個(gè)個(gè)體作為初始群體P(0)。

② 個(gè)體評價(jià)：計(jì)算群體P(t)中各個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度值。

③ 選擇運(yùn)算：將選擇算子應(yīng)用于群體。選擇的要求是把優(yōu)化的個(gè)體直接遺傳給后代或通過配對交叉產(chǎn)生新的個(gè)體再傳給下代。群體中的個(gè)體將在適應(yīng)度評估基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇操作。

④ 交叉運(yùn)算：將交叉算子應(yīng)用于群體。交叉算子是遺傳算法中的最重要環(huán)節(jié)。

⑤ 變異運(yùn)算：將變異算子應(yīng)用于群體。對群體中的某些基因的基因值作變異操作。

⑥ 群體P(t)經(jīng)過選擇、交叉、變異運(yùn)算操作之后將得到下一代群體P(t+1)。

⑦ 終止條件判斷:若t=T，則以此進(jìn)化過程中所得到的擁有最大適應(yīng)度的個(gè)體作為問題的最優(yōu)解，終止計(jì)算。

遺傳算法的流程圖如圖6所示。

圖6 遺傳算法流程圖

3 測試與結(jié)果

本設(shè)計(jì)以各個(gè)部分功能為測試點(diǎn)，分別對控制器、數(shù)據(jù)采集器、監(jiān)控平臺(tái)的功能進(jìn)行測試。

通過在搭建測試環(huán)境對控制器進(jìn)行功能測試，主要針對溫濕度采集、密碼登錄、信息存儲(chǔ)、通信、控制模式等功能進(jìn)行測試。圖7為控制器功能測試圖。

圖7 控制器功能測試圖

通過對抽取的30臺(tái)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行實(shí)際現(xiàn)場測試，數(shù)據(jù)采集器運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，完成了控制器與監(jiān)控平臺(tái)的連接作用。數(shù)據(jù)采集器與控制器、數(shù)據(jù)采集器與監(jiān)控平臺(tái)的成功率均達(dá)到100%。

通過對監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行24小時(shí)的連續(xù)運(yùn)行測試，對各項(xiàng)功能進(jìn)行重復(fù)執(zhí)行，測試結(jié)果表明，監(jiān)控平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)測與控制功能執(zhí)行良好。圖8為監(jiān)控平臺(tái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面圖。

圖8 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面

本系統(tǒng)通過在實(shí)際移動(dòng)通信基站中進(jìn)行整體系統(tǒng)測試，來對系統(tǒng)的各項(xiàng)功能及節(jié)能效果進(jìn)行評價(jià)。通過建立移動(dòng)通信基站降溫設(shè)備耗電數(shù)學(xué)模型，利用遺傳算法求出在使用智能控制器的情況下的用電情況，通過與常規(guī)基站降溫設(shè)備能耗作對比，證明系統(tǒng)的節(jié)能性。

圖9為用MATLAB軟件仿真出來的最優(yōu)解，將得到的解與常規(guī)基站降溫設(shè)備能耗值作對比，得出使用本系統(tǒng)后，基站降溫設(shè)備每天消耗電費(fèi)32.2 kWh，而常規(guī)基站降溫設(shè)備每天消耗電費(fèi)約41 kWh，節(jié)約21.5%用電量。

Energy-saving Monitor System Design for Mobile Communication Base Station

Nan Honglan,Li Yunjun

(Institute of Technology,Yanbian University,Yanji 133002,China)

In this paper,an energy monitoring system of mobile communication base station is designed.A set of data collection and monitoring platform are designed based on STM32F407 microcontroller.The intelligent controller detects the temperature and humidity of the base station,it realizes start and stop function control of the new fan and air conditioning.Remote monitoring of base station equipment is achieved through the monitoring platform.The experiment results show that the system has the characteristics of high reliability,good stability and practical value.

mobile communication base station;STM32F407 microcontroller; monitoring

圖9 節(jié)能基站降溫設(shè)備日耗電量

TP319

A