基于ZigBee的5G基站环境监控系统设计

2020-11-30林德洋李赫喆郑艳玲

无线互联科技 2020年20期

林德洋，李赫喆，郑艳玲

(哈尔滨华德学院，黑龙江哈尔滨 150025)

0 引言

移动通信从带宽和速率上正在飞速发展，网络通信距离也越来越大。5G基站是5G网络的核心设备，提供无线覆盖，实现有线通信网络与无线终端之间的无线信号传输。基站的架构、形态直接影响5G网络如何部署。在技术标准中，5G的频段远高于2G、3G和4G网络，5G网络现阶段主要工作在3 000～5 000 MHz频段。频率越高，信号传播过程中的衰减也越大，所以5G网络的基站密度将更高。2020年，中国在基站搭建量用达到约400万，开发商更加注重用户体验和用户便捷性、安全体验的满足。移动应用开发领域也发生了重要变化。根据数据显示，中国小程序等应用使用用户数量预计达到近9亿用户。

1 研究现状

随着移动通信技术的日益普及，通信网络规模也越来越庞大。截至2019年4月，我国移动终端的用户数达到13.5亿个，占全球移动终端用户数的27%。移动通信网络系统包括：移动基站、传输媒介、交换设备、接收终端等。其中，基站是在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。作为通信网络的组成部分，基站起着重要的作用，直接影响着网络的通信质量。基站动力设备和环境设施的好坏是决定通信网络能否正常工作的关键。

我国目前通信基站的数量达560万个，而且还在不断增加。由于基站分布广泛且每个基站又没有配备专人值班，当机房环境出现变化时，运维人员不能及时了解情况，容易导致基站工作故障，甚至造成局域通信网络的通信中断，影响用户感知。

目前，已有许多公司开发出类似的基站环境监控系统，这些产品涉及监控的环境变化量多，适合集中的大型通信基站环境监控。但是对于中小型基站而言，这些产品复用性较小，价格偏高。整体来说，不适合中小型通信基站的监控，因此，迫切需要适合中小型基站的监控系统。

2 需求分析

随着当前通信技术的迅速发展，通信基站的数量也在明显增长，基站的运行环境将直接影响设备运行的稳定性。而通信基站的分布范围广泛，需要环境监控系统进行自动监控、控制机房环境，但是现阶段只有大型基站的监控设备配备较为完善，许多中小型基站监控设备缺乏，技术水平也较低，多采用人工巡检的方式控制机房环境，不仅效率低，也无法及时发现潜在危险。基站环境监控的内容包括：动力设备参数、机房环境参数、机房安全等。除监控外，系统还需要联动空调设备、摄像头设备与其环境(温度、湿度)进行协调工作，使基站运行在一个相对稳定的环境中。

为了保障基站设备的稳定运行，要求机房必须保持合适的温湿度环境。环境温度过高或者过低会导致基站设备运行不稳定甚至烧毁板卡。因此，在基站机房中配备有空调系统，当机房的环境温度高于30 ℃时，环境监测系统能够检测到温度的变化并打开空调，低于26 ℃时能关闭空调，节能降耗。监控单元温湿度传感器采样周期为20 s，在客户端可以实时查看温度信息。为防止火灾发生和蔓延，需要对基站环境的烟雾进行检测和报警[1]。

3 主要设计

本课题主要研究通信基站环境参数监控系统的硬件设计，需配合软件实现监控功能，显示现场环境参数(包括：温度、湿度、烟雾浓度、基站供电)的数值，同时通过烟雾传感器和温湿度传感器保证通信基站环境的稳定，防止火灾和高温影响设备运行。通过ZigBee模块进行数据的无线接收和发送，通过按键设定报警的上下限，超限后可以发出报警提示，并控制通信基站的通风设备进行初期的处理，疏散温度和烟雾。将数据发送到远端的上位机中，可以及时向信息中心提供基站的环境数据，保证了信息中心工作人员的监控效率，同时也可以最大限度地避免事故的发生[2]。

基于上述原因，本研究提出了无线传感网络通信基站环境监测系统的设计方案，在特定区域中建立ZigBee无线网络，通过终端节点采集温度、烟雾和电能监测等数据信息，并将传感器信息由协调器传给上位机[3]。

3.1 烟雾传感器

当通信基站发生火灾时，烟雾传感器感应到异常气体情况，向上位机传输危险信号报警来通知工作人员。

3.2 红外热释电传感器

在基站周围设置安装红外热释电传感器，可以感应到附近的人员出入情况，一经发现有人员入侵，该节点就会将告警信号向网络中的上级节点发送，并最终将数据信息传送至协调器网关。

3.3 温湿度检测模块

DHT11温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。

3.4 电压检测模块

本系统中电压监测采用电压互感器模块ZMPT101B，具有板载高精度运放电路。模块可以测量250 V以内的交流电压，对应输出模拟量可以调节。输出信号为正弦波，波形的中间值(直流分量)为1/2VCC。供电电压在5～30 V。

4 软件开发

本系统选用QtCreator完成PC端上位机的软件开发。在打开该程序界面后，首先要对串口号和波特率进行选择和设置。当设置正确后，程序就可以接收到协调器发送的数据信息。当程序接收完数据包后，就会对其进行解析，然后将解析过后的信息在对话框中一一对应列出。这些信息主要包括仓库的温度、设备控制和节点加入时间等。

当网络出现变化时，界面程序中相应的数值也会跟着变化。界面中有3个按键，分别是打开串口、保存数据和退出程序。其中“打开串口”按键的标号和功能随着鼠标点击可以相应变化。当按键处于“打开串口”状态时，通过点击就能打开串口，建立一个专门接收串口数据的线程；当按键处于“关闭串口”状态时，点击后就会关闭该串口。“保存数据”按键起到将对话框的信息保存的作用。“关闭程序”按键被点击时，线程将被关闭，然后退出程序[4]。