移动通信基站节能监控系统的设计

南红兰，李允俊

(延边大学 工学院，延吉 133002)

移动通信基站节能监控系统的设计

南红兰，李允俊

(延边大学 工学院，延吉 133002)

设计了一种移动通信基站节能监控系统，通过STM32F407单片机将模块整合，并设计了数据采集器与监控平台。智能控制器对基站内外温湿度检测，实现了控制新风机与空调的启停，并通过监控平台来远程监测基站设备情况。测试结果表明，本系统具有良好的稳定性，节能效果显著，具有一定的实用价值。

移动通信基站；STM32F407单片机；监控

引 言

近年来，移动通信行业飞速发展，移动网络规模不断扩大，电子通信产品的普及使人们对移动通信网络的业务需求与日俱增。为满足越来越大的通信需求以及为用户提供更好的通信服务，通信运营商们不断增设移动通信基站，随之而来的问题是无线通信行业的能源消耗急剧上升。其中，移动通信基站的空调耗电量占到了基站总耗电量的40%。所以，如何降低移动通信基站空调耗电量成为降低通信行业成本的关键问题之一[1-3]。

本文设计一种智能控制器来实现多模式控制新风系统，并设计信息采集服务器，将数据传到远端进行分析，通过建立数学模型，运用合适算法计算，得到不同时间内的最佳参数值。通过对控制器参数的修改，制定最佳节能策略，并结合远程实时监控，最终实现移动通信基站的节能目的。

1 系统架构

本移动通信基站节能监控系统主要分为智能控制器模块、数据采集器模块和监控平台模块三个部分。智能控制器模块采用STM32F407单片机，数据采集器模块采用S3C2410嵌入式开发板，监控平台模块采用Java语言进行开发，采用MySQL数据库进行数据存储。本系统构架如图1所示。

图1 系统架构图

1.1 智能控制器模块设计

智能控制器采用STM32F407单片机，主要对基站实现监视、控制、设定、管理及通信等功能。控制器通过AI接口对室内外温湿度和电表数据进行检测，通过AO接口进行变频输出，通过DI接口进行报警输入，通过DO接口输出继电器信号从而对新风机和空调进行控制，通过RS485接口与数据采集器进行通信，通过LED屏幕显示运行界面。控制器的设计首先对单片机进行各种系统初始化操作，然后进入主循环不断更新ModBus上传数据。本控制器有RS485接口，在接口接收到数据后，会执行相应的数据处理函数。根据系统需求，对电量的使用情况进行记录。控制器流程图如图2所示。

图2 控制器流程图

本系统定义ModBus解析函数对数据包进行解析。首先判断长度和CRC校验是否正确，在正确的情况下依次判断地址、功能码、字节数是否正确，保存数据并置地址和上传标记。表1为ModBus解析函数相关标记表，图3为ModBus解析函数流程图。

表1 ModBus解析函数相关标记表

控制器需要通过制定控制策略对新风机和空调进行智能控制，控制策略主要根据基站室内外的温湿度值作为判断指标。控制器控制策略主要分为4个优先级控制，从高到低分别是报警控制、湿度控制、温度控制及时间控制。

本系统采用温度控制的联动模式，主要是通过设定基站内温度的参数值来确定空调和新风机的开启或者关闭。根据系统指标要求，当低于低温下限26 ℃的时候，空调和新风机会都关闭；当高于低温下限26 ℃而低于高温上限35 ℃时，基站内外温差如果大于2 ℃，开启风机，而空调在26～30 ℃之间的时候是关闭状态，在30～35 ℃的时候是不处理状态(升温关闭，降温开启)；在35～40 ℃之间的时候，新风机关闭，空调开启；当40～45 ℃的时候，风机不处理状态(升温关闭，降温开启)，空调开启；当高于报警上限45 ℃的时候，新风机和空调全部开启，并报警。图4为控制策略图。

图3 ModBus解析函数流程图

图4 控制策略图

1.2 数据采集器模块设计

数据采集器与控制器选用RS485通信，采用ModBus协议。数据采集器与监控平台采用Socket通信，在与监控平台连接后，接收监控平台发过来的指令，将指令解析成相应的ModBus协议指令，通过RS485通信将命令发送给控制器，控制器根据ModBus协议将命令解析，执行相应的指令功能。数据采集器接收控制器返回值，数据采集器将控制器发过来的命令通过ModBus协议解析，再将解析后的数据发送到监控平台。

当接收到查询类指令的时候，服务器会构造ModBus协议指令，通过RS485端口写入控制器，然后读RS485端口，获取ModBus返回命令，解析ModBus命令，获取所需数据，将数据返回给客户端。当接收到控制类指令的时候，构造ModBus协议指令，通过RS485端口写入控制器。在这个线程里服务器会不断的循环接收命令，执行命令。图5为数据采集器流程图。

图5 数据采集器流程图

为了保证数据在传送过程中的准确性，ModBus采用CRC校验。具体方法是调用函数根据ModBus命令前6字节生成16位CRC校验码，将16位校验码加到命令最后两个字节中。接收设备收到ModBus命令后，调用函数重新计算命令字中前6个字节的CRC校验码，并与接收到的CRC校验码的值比较，如果两个值相同，则说明命令字传输过程中没有发生错误，否则返回异常功能码。

1.3 监控平台模块设计

移动通信基站节能监控系统是一个基于Java+ MySQL + HTML，采用Struts +JDBC + ECharts等技术组合的监控管理系统。系统总体分三个模块：实时数据、历史数据，系统数据。

① 实时数据。显示基站的监控信息，包括室内外温度、湿度、时间、IP、基站状态等。实时刷新页面数据，以显示最近基站监控数据。Web后台通过Socket通信获取数据采集器提交上来的数据，页面以表格的形式展示，利用Ajax和Socket 技术实时获取，并在页面更新数据。为了更好的分析数据，利用ECharts 框架技术展现室内外温湿度的折线图。

② 历史数据。以时间维度显示基站的监控信息，包括室内外温度、湿度、时间、IP、机房状态、空间状态以及电表等。Socket获取数据采集器数据的同时，会将数据通过JDBC存储到MySQL数据库中，方便记录数据。

③ 系统设置。系统设置中可设定不同的维度，数值可通过HTML传导到后台，后台通过Socket 和Linux 服务器交互获取增加维度条件之后的数据。可调节维度包括：时间、RS485接口、新风机、空调及室内外湿度的最高或最低值、报警温度、温差等。

本数据库是为了将基站中的数据存储起来，方便查询。数据库中存储的变量有基站号、机房状态、室内温度、室内湿度、室外温度、室外温度、时间、IP、新风机状态、空调状态及电表。表2为监控平台的数据库表。

表2 监控平台数据库表

2 遗传算法

本设计用遗传算法来对系统的节能性进行评价。首先建立电费计算数学模型，利用遗传算法求出最优解，并用MATLAB软件仿真出来的最优解来对系统节能性进行评价。遗传算法(Genetic Algorithm)是模拟达尔文生物进化论进行自然选择的生物进化过程的一种计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法[4]。

对于一个求函数最大值或最小值的优化问题，一般可以描述为下列数学规划模型：

式中X为决策变量，max f(X)为目标函数式，X∈R、R⊂U为约束条件，U是基本空间，R是U的子集。满足约束条件的解X称为可行解，集合R表示所有满足约束条件的解所组成的集合，称为可行解集合。

遗传算法的基本运算过程如下[5,6]：

① 初始化：设置进化代数计数器t=0，对最大进化代数T进行设置，随机生成M个个体作为初始群体P(0)。

② 个体评价：计算群体P(t)中各个个体的适应度值。

③ 选择运算：将选择算子应用于群体。选择的要求是把优化的个体直接遗传给后代或通过配对交叉产生新的个体再传给下代。群体中的个体将在适应度评估基础上进行选择操作。

④ 交叉运算：将交叉算子应用于群体。交叉算子是遗传算法中的最重要环节。

⑤ 变异运算：将变异算子应用于群体。对群体中的某些基因的基因值作变异操作。

⑥ 群体P(t)经过选择、交叉、变异运算操作之后将得到下一代群体P(t+1)。

⑦ 终止条件判断:若t=T，则以此进化过程中所得到的拥有最大适应度的个体作为问题的最优解，终止计算。

遗传算法的流程图如图6所示。

图6 遗传算法流程图

3 测试与结果

本设计以各个部分功能为测试点，分别对控制器、数据采集器、监控平台的功能进行测试。

通过在搭建测试环境对控制器进行功能测试，主要针对温湿度采集、密码登录、信息存储、通信、控制模式等功能进行测试。图7为控制器功能测试图。

图7 控制器功能测试图

通过对抽取的30台数据采集器进行实际现场测试，数据采集器运行稳定，数据传输准确，完成了控制器与监控平台的连接作用。数据采集器与控制器、数据采集器与监控平台的成功率均达到100%。

通过对监控平台进行24小时的连续运行测试，对各项功能进行重复执行，测试结果表明，监控平台运行稳定，监测与控制功能执行良好。图8为监控平台的实时数据界面图。

图8 实时数据界面

本系统通过在实际移动通信基站中进行整体系统测试，来对系统的各项功能及节能效果进行评价。通过建立移动通信基站降温设备耗电数学模型，利用遗传算法求出在使用智能控制器的情况下的用电情况，通过与常规基站降温设备能耗作对比，证明系统的节能性。

图9为用MATLAB软件仿真出来的最优解，将得到的解与常规基站降温设备能耗值作对比，得出使用本系统后，基站降温设备每天消耗电费32.2 kWh，而常规基站降温设备每天消耗电费约41 kWh，节约21.5%用电量。

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

图9 节能基站降温设备日耗电量

TP319

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