智能化通信电源监控数据采集方法研究

苏利萍

（河南水利与环境职业学院 信息工程系，河南 郑州 450008）

0 引 言

电源在通信系统中发挥着重要作用，是通信网络正常运行和通信通畅的先决条件，是通信网络的“心脏”，对通信电源实时监控非常重要[1]。其中，监控数据采集是判断通信电源状态和诊断通信电源故障的重要依据。最初以人工方式采集通信电源监控数据，定时定点记录通信电源监控数据，该方法费时费力且易产生数据误差[2]。随着通信技术的逐渐普及与应用，人工采集方式逐渐被智能化监控数据采集法替代。王洪涛等人将改进的PID算法应用于通信电源的数据监控采集，运用改进后的PID算法确定通信电源的监控范围，对通信电源监控数据采集进行告警处理，并加入低通滤波器完成对监控数据的采集[3]。该方法在采集过程中较为稳定，但是数据的采样率不高。基于此，提出一种新的智能化通信电源监控数据采集方法。

1 通信电源监控数据采集方法

根据智能化通信电源监控数据采集需求，将其采集过程细分为数据读写、转换、接收3个部分，其采集流程如图1所示。

图1 通信电源监控数据采集流程图

利用无线传感器获取通信电源数据，利用读卡器读写监控数据，通过对监控数据A/D转换和平滑滤波处理，接收数据并存储到数据库中，从而实现对通信电源数据的采集。

1.1 监控数据读写

监控数据读写主要依靠读卡器和传感器实现，选用型号为IHGF/26554的智能读卡器和型号为GUHD/56944的电源传感器。电源传感器采集通信电源数据与读卡器读写监控数据同步进行，读卡器将电源监控数据及时存入内存中，精准读取监控数据。

首先，在读卡器读写逻辑单元中设计一个双缓存架构的dii3_fifo_write写缓存模块，接收来自电源传感器的通信电源数据。设定触发条件，当数据达到500 MB或者1 000 MB时，完成写缓存动作并发送到读卡器内存中。其次，发送数据后自动备份/保留一组数据并停止写入，等待再次满足触发条件后继续写入。再次，在读卡器内存与A/D数据转换处理模块时序间设定一个读缓存模块，将写入的数据经过读缓存模块处理后再发送给A/D数据转换处理模块，避免数据过多造成A/D数据转换误差。最后，为读缓存设定约束条件，达到条件后将写入的监控数据一次性发送到读缓存模块上，检查读卡器的读写状态。如果未达到数据量要求，则将重复读写写缓存模块数据，保证通信电源监控数据的完整性。

1.2 A/D数据转换

为了便于后续数据合并接收，采用加位标记法转换原始A/D数据。读卡器读写到的通信电源原始监控数据大多为12 bit数据，由于在后续监控数据接收过程中不会出现空位，因此在原始数据最高有效位前额外添加位数，使原始通信电源监控数据位数扩展为16 bit，即：

式中：y(x)表示扩展后的通信电源监控数据；n表示A/D数据转换模块接收到通信电源监控数据包中的数据数量；In表示监控数据有效位数。将拓展后的监控数据最高有效位作为标记位，A/D数据转换模块接收到每一个通信电源监控数据后自动将数据的标记位标记为有效位0，表示该数据为有效的通信电源监控数据[4]。将标记后的通信电源监控数据写入fifo_ad合并模块，利用该模块将数据合并为256 bit，以此占满读卡器总数据位宽，即：

式中：k表示合并后的总数据位宽。为了防止A/D数据转换模块不产生读空或者写满状态，控制A/D数据转换模块的读时钟频率，即：

式中：f表示A/D数据转换模块的读时钟频率；W表示读数据位宽；Q表示写数据位宽；g表示读卡器写时钟频率[5]。根据计算结果设置A/D数据转换模块的读时钟频率，使其能够持续对通信电源监控数据合并转换。

1.3 监控数据接收

由于读卡器读写到的监控数据可能存在噪声，因此需要对接收的监控数据进行滤波处理。通信电源监控数据为一组连续信号，当读卡器对一组监控数据读写时，这组连续信号是在合理范围内上下浮动变化。当存在含噪信号时，连续信号的变化率会突然增大，使其变为一组离散信号[6]。通过求取通信电源监控数据的一阶后向差分，判断监控数据是否为含噪数据。一阶后向差分表示连续信号变化率，其绝对值越小，表示这组连续信号的变化幅度越小。计算公式为：

式中：c1表示通信电源监控数据信号的一阶后向差分；w表示任意一个数据的含噪量；w0表示前一位数据的含噪量[7]。通过数据一阶后向差分不能确定含噪数据具体位置，需要再求出数据的二阶后向差分来表示一组通信电源监控数据一阶向后差分变化率，即：

式中：c2表示通信电源监控数据信号的二阶向后差分；wc1表示数据的一阶后向差分；w0c1表示该数据前一位数据的一阶后向差分[8]。二阶信号差分的最大值表示一阶差分信号波峰出现位置，选取该位置的一阶差分信号作为滤波阈值，超过该阈值的为待滤波处理信号，采用平滑滤波法对数据滤波处理。假设数据滤波平滑窗口的长度为N，将待滤波处理的通信电源监控数据看作一个长度为N的数据队列，将该组列队的平均值作为平滑滤波后的结果和该数据列队的队首，同时去除掉该组数据列队队尾的数据，即：

式中：y(m)表示滤波处理后的通信电源监控数据；m表示滤波处理数据列队平均值[9]。重新求列队均值，重复上述步骤，直到该组列队数据一阶差分信号小于阈值为止，从而滤除掉通信电源监控数据中的噪声[10]。完成一组通信电源监控数据滤波处理后，触发数据存储指令，将数据自动发送到数据存储模块中。数据存储模块校验通信电源监控数据的起始位、功能码、数据域以及结束位，校验合格后将其存储到数据库中，从而实现智能化通信电源监控数据采集。

2 实验论证分析

以某通信电源为实验对象，该通信电源主要由1组交流配电单元、1组整流模块、1组蓄电池组、1组油机发电机组以及1组直流配电单元构成，电气设备主要包括空气短路开关、接触器、电压器、电容器、接触器以及空气开关等，共25台。该通信电源额定功率为3 000 W，额定电压为200 V，输出电压为53.5 V，输出电流为50 A。将该通信电源的电压和电流数据作为数据采集对象，准备了1台电源传感器和1台读卡器，将电源传感器与读卡器电源线路接入到通信电源的总线，电源传感器采集频率设定为1.36 Hz，采集周期为3 s，读卡器读写频率设定为1.36 Hz，读写周期也为3 s。读卡器39 s内读取到的通信电源监控数据如表1所示。

表1 读卡器读取到的通信电源监控数据

由表1可知，在第39 s采集到的通信电源监控数据样本为异常数据。经后期通信电源故障检测，发现是部分通信电路短路造成的，由此说明采集到的通信电源监控数据可以作为故障分析的数据依据。为了进一步检验设计方法的可行性，以采样率为实验唯一指标，利用本文设计方法与基于改进PID算法的通信电源监控数据采集方法共同采集该通信电源监控数据。其中，采样率是采集数据样本与实际通信电源监控数据的比值。实验分为8组，对比每组实验记录到的采集数据样本与实际通信电源数据，采样率计算结果如表2所示。

由表2可知，传统方法对通信电源监控数据的采样率最高仅为75.42%，平均采样率为72.41%，远远低于设计方法且漏采严重。设计方法对通信电源监控数据的采样率最高可以达到99.99%，平均采样率为99.48%，说明设计方法可以实现对通信电源监控数据的全面采集，没有出现漏采或误采现象，采集精度较高，更适用于智能化通信电源监控数据采集。

表2 两种方法监控数据采样率对比（单位：%）

3 结 论

在传统方法的基础上进行优化和改进，采用加位标记法和平滑滤波法提高数据采集精度，通过实验验证了该思路的可行性。该研究有助于提高通信电源监控数据采集工作效率和通信电源监控精度，具有良好的现实意义。但由于研究时间有限，此方法尚未应用于大规模数据，在某些方面仍存在不足，未来将对该课题进行深层次探究，从而为智能化通信电源监控数据采集提供有力的理论支撑。