基于物联网技术的通信电源监控系统设计研究
（河南省洛阳经济学校，河南洛阳，471013）
摘要：为了提高通信电源监控系统的实时性和精准性，选取物联网技术作为系统开发工具，提出通信电源监控系统设计研究。该系统以ARM芯片作为核心控制器，利用霍尔传感器采集通信电源设备作业状态信息，通过A/D转换生成直流信号，利用GPRS DTU模块传输信号，在监控中心读取信号信息，并下达控制命令。测试结果显示，与传统系统相比，本系统的监测精准性和实时性均有很大改善，有助于系统设计水平的提升。
关键词：物联网；监控系统；通信电源；ARM
Design and research of communication power monitoring system based on Internet of things technology
Li Xiaoli, Zhou Xiaoge, Wang Shuguang
(Henan Luoyang Economic School, Luoyang, Henan, 471013)
Abstract: in order to improve the real-time and accuracy of communication power monitoring system, the Internet of things technology is selected as the system development tool, and the design and research of communication power monitoring system is proposed. The system takes ARM chip as the core controller, uses Hall sensor to collect the operation status information of communication power supply equipment, generates DC signal through a / D conversion, uses GPRS DTU module to transmit the signal, reads the signal information in the monitoring center and issues control commands. The test results show that compared with the traditional system, the monitoring accuracy and real-time performance of the system are greatly improved, which is helpful to improve the design level of the system.
Key words: Internet of things; monitoring system; Communication power supply; ARM
近年来，通信事业发展较为迅速，为人们的日常生活和工作创造了便利条件。通信电源作为通信设备作业的能量供应模块，在很大程度上决定了通信系统是否能够正常作业[1]。因此，通信电源成为了当前通信设计的关键。高质量通信服务，对通信电源提出了连续、不间断、稳定作业要求，为了满足这些需求，通信电源监控系统应运而生[2]。利用该系统实时监测通信电源的作业状态，从而为通信电源作业的管控提供有效数据支撑。由于此类系统研究时间比较短，尚未形成完整的系统设计方案，并且通信模式不满足无人、实时需求[3-4]。本文尝试选取物联网技术作为研究工具，提出一种新的系统设计方案研究。
一、通信电源作业原理
通信电源主要由直流配电、整流配电、交流配电3部分组成，其作业原理是将绿色能源转化为设备作业动力，从而为设备作业提供足够的能量[5]。目前，应用比较多的绿色能源主要有3种，分别是太阳能、油机、市电[6]。其中，采用交流方式输入的能源为油机和市电，利用整流模块对能源采取转换处理，生成直流电后为设备配电，使得直流配电屏得以正常作业。与交流电能相比，直流电能在绿色能源输出占比更大，采用简单的处理，为通信设备提供电能[7]。采取直流配电屏分离处理，形成多个电压供应线路，分别为各个设备提供作业电压，从而达到为大型通信电源架构中直流配电部分提供电能的目的。由于通信电源作业期间容易受多种因素干扰，所以对其采取实时监控显得尤为重要[8]。
二、系统总体架构设计
本系统选取嵌入式ARM核心控制芯片作为核心控制器，对现场通信电源设备作业状况的采集进行实时控制，借助GPRS DUT无线通信模块，将通信电源设备现场作业状况信息发送至远程监控中心，从而实现对通信电源设备作业状况的无人实时监控[9]。根据设备作业状况，下达不同的操控命令，再由无线通信模块将消息发送至现场控制终端，在ARM芯片控制下，对通信电源设备作业状态进行调整。如图1所示为系统总体架构。
图1 系统总体架构
该系统主要由现场控制终端、GPRS DUT无线通信模块、监控终端3部分组成。其中，现场控制终端主要包括通信电源设备、霍尔传感器、A/D转换模块、ATS控制模块、ARM核心控制芯片，在ARM芯片的作用下，对霍尔传感器的作业状态进行控制，实现现场通信电源设备作业状态信息的采集，而后运用A/D转换模块，对信号模式进行转换，得到直流电源信号，而后发送至ARM芯片，再由该芯片发送至无线模块。系统中含有两部分无线模块，分别配备在现场信号采集终端和监控终端。当信号从现场信号采集终端传输至监控终端时，位于监控终端的无线模块将把接收到的信号发送至服务器，经过处理传输至远程监控中心。根据通信电源设备操控需求，设置正常作业参数范围。将采集到的信号数据与此范围进行对比，如果在此范围之内，再继续采集信号，如果超出此范围，则认为当前设备作业异常，需要立即采取处理。为了便于控制，本系统设置了几种常见的问题及操控措施，如果超出问题范围，则需要管理人员下达操控命令。关于操控命令的下达，通过GPRS DUT模块发送至ARM芯片，而后驱动ATS模块，对通信电源设备的操控下达命令，从而达到控制设备作业状态的目的。
三、系统功能模块设计
1、系统信息采集模块设计
本系统选取Tiny6410芯片作为ARM核心处理器，该芯片采用串联方式，建立与ATS、A/D、GPRS DUT模块之间的通信连接，实现操控命令的下达。其中，信息采集模块的设计，以通信电源设备作业状态作为信息采集对象，利用ARM处理器向霍尔传感器下达设备作业状态采集命令，该命令由ARM处理器直接发送。当霍尔传感器接收到信号采集命令时，立即开启信号采集模式，根据设定的信号采集周期要求和信号发送要求，确定信号采集频率和发送时间。为了便于分析，本系统将采集到的模拟信号转换为直流信号，在A/D模块的转换下，将采集到的设备作业模拟信号转换为直流信号，发送至ARM控制器芯片中。这个信号采集控制命令的发出和信号的接收过程就是系统信息采集模块的作业原理。
2、系统通信模块设计
本系统利用GPRS DTU模块创建现场终端和监控终端的通信连接，关于该模块的作业原理如图2所示。
图2 GPRS DTU通信原理
该模块借助GSM基站、internet网络，完成消息的传输，在此过程中涉及到的主要模块包括GSM基站、SGSN模块（服务GPRS作业支持节点，英文全称Serving GPRS support nod，）、GPRS网络、GGSN模块（网关GPRS作业支持节点，英文全称Gateway GPRS support node）、internet网络、远程服务器。GPRS DTU模块作业过程中，将采集到的直流信号采取分组处理，形成多个GPRS分组，而后独立发送至GSM基站。为了创造GPRS网络作业条件，本设计方案添加了SGSN模块和GGSN模块，前者用来为GPRS网络运行提供数据封装服务，后者借助网关，对GPRS网络数据采取集中处理，通过internet网络发送至远程服务器，再由服务器发送至远程监控中心。
3、系统监控终端设计
系统监控终端主要由3部分组成，分别是GPRS DTU模块、服务器、远程监控中心。其中，服务器起到了数据接收和处理作用，在VB6.0软件环境中，开发数据库存储和访问程序，从而为远程监控中心提供分析数据。为了便于管理，本系统监控终端对数据类别加以划分，运用ADO技术访问系统数据库，分别调用不同类别数据表，获取完整的通信电源监控信息。
4、系统通信协议与作业指令
（1）系统通信协议
本系统通过设计通信协议来控制信号数据的传输及识别，包括前导符、包序号符、采集站名称、采集时间、监测数据、CRC。其中，前导符长度占据1个字节，起始字节为0；包序号符长度占据10个字节，起始字节为2；采集站名长度占据8个字节，起始字节为12；采集时间长度占据14个字节，起始字节为20；监测数据长度占据20个字节，起始字节为34；CRC长度占据2个字节，起始字节为54。
（2）信号传输作业命令
本系统信号的传输，按照通信协议，采用统一文本格式规范通信电源监测信号，以便监控管理。本系统信号传输命令的下达，由监控中心计算机下达。通信电源监控工作人员在指挥中心开启监控模式后，通过无线传输模块，将此命令下达至现场采集终端，采集到的信号数据信息将按照通信协议的格式返回。
四、系统测试分析
为了检验本系统设计方案是否可靠，本研究对通信电源监测信号采集准确性、实时性进行检验。以文献【10】设计的系统作为对照组（记为传统系统），以本系统为实验组，布设6个信号采集节点展开测试，结果如表1和表2所示。
表1 通信电源监测信号采集准确性测试结果
作业系统 信号时间 不同节点电压信号采集准确细性测试
节点1 节点2 节点3 节点4 节点5 节点6
传统系统 现场电压（V） 48.5 49.0 50.0 52.5 51.0 51.0
采集电压（V） 48.1 45.9 46.7 54.7 54.8 53.9
精度（%） 99.17% 93.25% 92.93% 95.98% 93.66% 94.62%
本系统 现场电压（V） 48.5 49.0 50.0 52.5 51.0 51.0
采集电压（V） 48.3 48.9 49.7 52.4 51.3 50.8
精度（%） 99.59% 99.80% 99.40% 99.81% 99.42% 99.61%
与传统系统相比，本系统的通信电源监测信号采集准确率更高一些，6组节点测试中，电压信号采集精度均在99%以上，虽然传统系统在第一个节点处的采集精度达到了99.17%，但是其他节点电压采集精度不足96%。
表2 通信电源监测实时性测试结果
作业系统 信号时间 不同节点信号采集与接收实时性测试
节点1 节点2 节点3 节点4 节点5 节点6
传统系统 现场采集时间 12:01:00 12:01:05 12:01:10 12:01:15 12:01:20 12:01:25
终端接收时间 12:01:01 12:01:07 12:01:11 12:01:18 12:01:22 12:01:27
本系统 现场采集时间 12:01:00 12:01:05 12:01:10 12:01:15 12:01:20 12:01:25
终端接收时间 12:01:00 12:01:05 12:01:10 12:01:15 12:01:20 12:01:25
与传统系统相比，本系统通信电源监测实时性更强，监控终端接收到这些信号的时间能够与信号发送时间保持一致，而传统系统终端接收信号的时间与现场采集信号的时间不一致，延迟1～3s。
总结
本文围绕通信电源监控系统设计方法展开探究，针对当前系统设计方法存在的时效性和无人操控精准性的不足，本文选取物联网技术作为开发工具，设计了一套新的通信电源监控系统方案。实验测试结果显示，本系统信号采集精度均在99%以上，并且监控终端接收到这些信号的时间能够与信号发送时间保持一致，较传统系统性能有明显改善。因此，本系统可以作为通信电源监控辅助工具。
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作者简介：
1.姓名：李晓丽（出生年：1982年2月22日），性别：女，民族：汉，籍贯：洛阳，学历：本科，职称：讲师，研究方向：电子技术应用。
2.姓名：周晓革（出生年：1991年2月6日），性别：女，民族：汉，籍贯：洛阳，学历：本科，职称：助理讲师，研究方向：电气自动化。
3.姓名：王署光（出生年：1982年6月1日），性别：男，民族：汉，籍贯：信阳，学历：研究生，职称：副高，研究方向：电子技术应用。
