基于ZigBee的5G基站環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林德洋，李赫喆，鄭艷玲

(哈爾濱華德學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025)

0 引言

移動(dòng)通信從帶寬和速率上正在飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信距離也越來(lái)越大。5G基站是5G網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備，提供無(wú)線覆蓋，實(shí)現(xiàn)有線通信網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線終端之間的無(wú)線信號(hào)傳輸?；镜募軜?gòu)、形態(tài)直接影響5G網(wǎng)絡(luò)如何部署。在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，5G的頻段遠(yuǎn)高于2G、3G和4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)階段主要工作在3 000～5 000 MHz頻段。頻率越高，信號(hào)傳播過(guò)程中的衰減也越大，所以5G網(wǎng)絡(luò)的基站密度將更高。2020年，中國(guó)在基站搭建量用達(dá)到約400萬(wàn)，開(kāi)發(fā)商更加注重用戶體驗(yàn)和用戶便捷性、安全體驗(yàn)的滿足。移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)領(lǐng)域也發(fā)生了重要變化。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)小程序等應(yīng)用使用用戶數(shù)量預(yù)計(jì)達(dá)到近9億用戶。

1 研究現(xiàn)狀

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的日益普及，通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也越來(lái)越龐大。截至2019年4月，我國(guó)移動(dòng)終端的用戶數(shù)達(dá)到13.5億個(gè)，占全球移動(dòng)終端用戶數(shù)的27%。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括：移動(dòng)基站、傳輸媒介、交換設(shè)備、接收終端等。其中，基站是在一定的無(wú)線電覆蓋區(qū)中，通過(guò)移動(dòng)通信交換中心與移動(dòng)電話終端之間進(jìn)行信息傳遞的無(wú)線電收發(fā)信電臺(tái)。作為通信網(wǎng)絡(luò)的組成部分，基站起著重要的作用，直接影響著網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量?；緞?dòng)力設(shè)備和環(huán)境設(shè)施的好壞是決定通信網(wǎng)絡(luò)能否正常工作的關(guān)鍵。

我國(guó)目前通信基站的數(shù)量達(dá)560萬(wàn)個(gè)，而且還在不斷增加。由于基站分布廣泛且每個(gè)基站又沒(méi)有配備專人值班，當(dāng)機(jī)房環(huán)境出現(xiàn)變化時(shí)，運(yùn)維人員不能及時(shí)了解情況，容易導(dǎo)致基站工作故障，甚至造成局域通信網(wǎng)絡(luò)的通信中斷，影響用戶感知。

目前，已有許多公司開(kāi)發(fā)出類似的基站環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，這些產(chǎn)品涉及監(jiān)控的環(huán)境變化量多，適合集中的大型通信基站環(huán)境監(jiān)控。但是對(duì)于中小型基站而言，這些產(chǎn)品復(fù)用性較小，價(jià)格偏高。整體來(lái)說(shuō)，不適合中小型通信基站的監(jiān)控，因此，迫切需要適合中小型基站的監(jiān)控系統(tǒng)。

2 需求分析

隨著當(dāng)前通信技術(shù)的迅速發(fā)展，通信基站的數(shù)量也在明顯增長(zhǎng)，基站的運(yùn)行環(huán)境將直接影響設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。而通信基站的分布范圍廣泛，需要環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控、控制機(jī)房環(huán)境，但是現(xiàn)階段只有大型基站的監(jiān)控設(shè)備配備較為完善，許多中小型基站監(jiān)控設(shè)備缺乏，技術(shù)水平也較低，多采用人工巡檢的方式控制機(jī)房環(huán)境，不僅效率低，也無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在危險(xiǎn)。基站環(huán)境監(jiān)控的內(nèi)容包括：動(dòng)力設(shè)備參數(shù)、機(jī)房環(huán)境參數(shù)、機(jī)房安全等。除監(jiān)控外，系統(tǒng)還需要聯(lián)動(dòng)空調(diào)設(shè)備、攝像頭設(shè)備與其環(huán)境(溫度、濕度)進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，使基站運(yùn)行在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中。

為了保障基站設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，要求機(jī)房必須保持合適的溫濕度環(huán)境。環(huán)境溫度過(guò)高或者過(guò)低會(huì)導(dǎo)致基站設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定甚至燒毀板卡。因此，在基站機(jī)房中配備有空調(diào)系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)房的環(huán)境溫度高于30 ℃時(shí)，環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)到溫度的變化并打開(kāi)空調(diào)，低于26 ℃時(shí)能關(guān)閉空調(diào)，節(jié)能降耗。監(jiān)控單元溫濕度傳感器采樣周期為20 s，在客戶端可以實(shí)時(shí)查看溫度信息。為防止火災(zāi)發(fā)生和蔓延，需要對(duì)基站環(huán)境的煙霧進(jìn)行檢測(cè)和報(bào)警[1]。

3 主要設(shè)計(jì)

本課題主要研究通信基站環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，需配合軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能，顯示現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)(包括：溫度、濕度、煙霧濃度、基站供電)的數(shù)值，同時(shí)通過(guò)煙霧傳感器和溫濕度傳感器保證通信基站環(huán)境的穩(wěn)定，防止火災(zāi)和高溫影響設(shè)備運(yùn)行。通過(guò)ZigBee模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線接收和發(fā)送，通過(guò)按鍵設(shè)定報(bào)警的上下限，超限后可以發(fā)出報(bào)警提示，并控制通信基站的通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行初期的處理，疏散溫度和煙霧。將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端的上位機(jī)中，可以及時(shí)向信息中心提供基站的環(huán)境數(shù)據(jù)，保證了信息中心工作人員的監(jiān)控效率，同時(shí)也可以最大限度地避免事故的發(fā)生[2]。

基于上述原因，本研究提出了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)通信基站環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，在特定區(qū)域中建立ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)采集溫度、煙霧和電能監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)信息，并將傳感器信息由協(xié)調(diào)器傳給上位機(jī)[3]。

3.1 煙霧傳感器

當(dāng)通信基站發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙霧傳感器感應(yīng)到異常氣體情況，向上位機(jī)傳輸危險(xiǎn)信號(hào)報(bào)警來(lái)通知工作人員。

3.2 紅外熱釋電傳感器

在基站周?chē)O(shè)置安裝紅外熱釋電傳感器，可以感應(yīng)到附近的人員出入情況，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)有人員入侵，該節(jié)點(diǎn)就會(huì)將告警信號(hào)向網(wǎng)絡(luò)中的上級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送，并最終將數(shù)據(jù)信息傳送至協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)。

3.3 溫濕度檢測(cè)模塊

DHT11溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

3.4 電壓檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)中電壓監(jiān)測(cè)采用電壓互感器模塊ZMPT101B，具有板載高精度運(yùn)放電路。模塊可以測(cè)量250 V以內(nèi)的交流電壓，對(duì)應(yīng)輸出模擬量可以調(diào)節(jié)。輸出信號(hào)為正弦波，波形的中間值(直流分量)為1/2VCC。供電電壓在5～30 V。

4 軟件開(kāi)發(fā)

本系統(tǒng)選用QtCreator完成PC端上位機(jī)的軟件開(kāi)發(fā)。在打開(kāi)該程序界面后，首先要對(duì)串口號(hào)和波特率進(jìn)行選擇和設(shè)置。當(dāng)設(shè)置正確后，程序就可以接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)程序接收完數(shù)據(jù)包后，就會(huì)對(duì)其進(jìn)行解析，然后將解析過(guò)后的信息在對(duì)話框中一一對(duì)應(yīng)列出。這些信息主要包括倉(cāng)庫(kù)的溫度、設(shè)備控制和節(jié)點(diǎn)加入時(shí)間等。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)變化時(shí)，界面程序中相應(yīng)的數(shù)值也會(huì)跟著變化。界面中有3個(gè)按鍵，分別是打開(kāi)串口、保存數(shù)據(jù)和退出程序。其中“打開(kāi)串口”按鍵的標(biāo)號(hào)和功能隨著鼠標(biāo)點(diǎn)擊可以相應(yīng)變化。當(dāng)按鍵處于“打開(kāi)串口”狀態(tài)時(shí)，通過(guò)點(diǎn)擊就能打開(kāi)串口，建立一個(gè)專門(mén)接收串口數(shù)據(jù)的線程；當(dāng)按鍵處于“關(guān)閉串口”狀態(tài)時(shí)，點(diǎn)擊后就會(huì)關(guān)閉該串口。“保存數(shù)據(jù)”按鍵起到將對(duì)話框的信息保存的作用?！瓣P(guān)閉程序”按鍵被點(diǎn)擊時(shí)，線程將被關(guān)閉，然后退出程序[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

文章基于ZigBee的通信基站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)里一共有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別是一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)能夠?qū)θ藛T進(jìn)入基站環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)并開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，同時(shí)監(jiān)測(cè)溫濕度，根據(jù)溫濕度值開(kāi)啟設(shè)備進(jìn)行環(huán)境調(diào)節(jié)。用戶也可以通過(guò)上位機(jī)詳細(xì)了解環(huán)境信息。