基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基站移動(dòng)式油機(jī)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘要：文章依托杭州大光明通信系統(tǒng)股份有限公司在研項(xiàng)目，聚焦于傳統(tǒng)基站移動(dòng)式油機(jī)管理模式存在的局限性與不足，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的基站移動(dòng)式油機(jī)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)追蹤油機(jī)的位置、油耗、狀態(tài)等數(shù)據(jù)，為提升油機(jī)維護(hù)保養(yǎng)監(jiān)管力度、基站發(fā)電調(diào)度管理力度、基站發(fā)電保障力度、發(fā)電費(fèi)用管控精細(xì)化程度提供有力的數(shù)據(jù)支持。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，文章驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；基站；油機(jī)監(jiān)控；無(wú)線通信技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN98 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和5G網(wǎng)絡(luò)的廣泛普及，我國(guó)基站建設(shè)規(guī)模正處于快速增長(zhǎng)階段?；具\(yùn)行的穩(wěn)定性是確保通信網(wǎng)絡(luò)連貫性和服務(wù)品質(zhì)的基石［1］。在此背景下，移動(dòng)式油機(jī)作為市電停電/電網(wǎng)故障時(shí)保障基站電力供應(yīng)的關(guān)鍵后備力量，其作用不容小覷。然而，目前傳統(tǒng)油機(jī)管理方式還普遍依靠人工進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其最大的弊病是統(tǒng)計(jì)隨意性大和數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致該支付給油機(jī)發(fā)電代維單位的路費(fèi)、油機(jī)發(fā)電費(fèi)等數(shù)據(jù)無(wú)法核實(shí)，造成很大浪費(fèi)。為了解決移動(dòng)油機(jī)應(yīng)急發(fā)電時(shí)這個(gè)難題，文章提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基站移動(dòng)式油機(jī)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 基站移動(dòng)式油機(jī)概述

基站移動(dòng)式油機(jī)是指專門為通信基站提供的便攜式或可移動(dòng)式發(fā)電設(shè)備，主要在市電供應(yīng)中斷或市電不穩(wěn)定時(shí)，為通信基站提供應(yīng)急電力支撐［2］。這類油機(jī)通常以柴油或汽油為燃料，具備一定的移動(dòng)性和快速部署能力，能夠在短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)供電，確保基站設(shè)施正常運(yùn)行，保證通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和連續(xù)性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)包括傳感層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和平臺(tái)業(yè)務(wù)應(yīng)用層的緊密關(guān)聯(lián)且功能明確的監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

傳感層主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集市電狀態(tài)、油機(jī)運(yùn)行參數(shù)、油機(jī)液位、監(jiān)控主機(jī)后備電池電壓、北斗定位的經(jīng)緯度。即在底層傳感層架構(gòu)上，系統(tǒng)部署了一系列高性能傳感設(shè)備，這些傳感器能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)各類關(guān)鍵指標(biāo)［3］。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要是通過(guò)4G無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。在網(wǎng)絡(luò)傳輸層面上，利用高效的通信協(xié)議與技術(shù)，確保了從眾多分散的傳感器節(jié)點(diǎn)收集到的大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能夠迅速、安全、穩(wěn)定地傳送到云端或數(shù)據(jù)中心［4］。

平臺(tái)業(yè)務(wù)應(yīng)用層主要借助大數(shù)據(jù)處理與智能算法，對(duì)收集到的信息進(jìn)行深度分析與處理，為基站運(yùn)維管理提供直觀、精細(xì)且可操作性強(qiáng)的業(yè)務(wù)洞察與決策支持。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要是由6部分組成，分別為雙電源供電模塊、油機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控核心模塊、油機(jī)液位采集模塊、油機(jī)參數(shù)采集模塊、市電檢測(cè)及RF發(fā)射模塊、4G無(wú)線+北斗定位模塊。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2.1 雙電源供電模塊設(shè)計(jì)

為了確保系統(tǒng)能夠在各種復(fù)雜的工作環(huán)境下始終保持穩(wěn)定、連續(xù)、高效運(yùn)作，該系統(tǒng)特別設(shè)計(jì)了雙電源供電方案。

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，尤其是當(dāng)油機(jī)處于活躍發(fā)電作業(yè)狀態(tài)時(shí)，該設(shè)計(jì)巧妙地利用油機(jī)自產(chǎn)的交流電能作為首要能量來(lái)源，直接為監(jiān)控組件及通信模塊的運(yùn)行提供動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)捕獲油機(jī)性能參數(shù)、工作狀態(tài)等核心數(shù)據(jù)的傳輸與分析。

針對(duì)油機(jī)處于非作業(yè)時(shí)段，諸如保養(yǎng)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)運(yùn)等時(shí)段，該系統(tǒng)建有一套高效、持久的電池儲(chǔ)能單元。該單元設(shè)計(jì)旨在低功耗待機(jī)模式下，也能維持基本心跳功能，在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中能觸發(fā)喚醒定位，間斷性記錄轉(zhuǎn)運(yùn)路徑。

通過(guò)集成主輔雙電源供電機(jī)制，系統(tǒng)能夠極大地提高自身的可靠性和抗風(fēng)險(xiǎn)能力，有效避免因在油機(jī)不發(fā)電情況下導(dǎo)致的監(jiān)控盲點(diǎn)和數(shù)據(jù)丟失，有力保障油機(jī)資產(chǎn)的安全管理以及最優(yōu)化調(diào)度決策。

2.2.2 油機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控核心模塊設(shè)計(jì)

油機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控核心模塊采用ST32F103RBT6芯片，用于實(shí)現(xiàn)4個(gè)方面的功能目標(biāo)，如圖3所示。（1）監(jiān)控雙電源供電模塊的電池電壓采集SAMP_V3和油機(jī)電電壓采集SAMP_V1。（2）通過(guò)SPI接口連接系統(tǒng)其他各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)油機(jī)發(fā)電時(shí)油機(jī)的電壓、頻率、電流、功率、發(fā)電量、油液位、市電狀態(tài)、后備電池電壓、定位經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)的采集。（3）當(dāng)市電斷電后再次來(lái)電時(shí)會(huì)有來(lái)電提示。（4）油機(jī)監(jiān)控通過(guò)MQTT協(xié)議及4G無(wú)線上中移物聯(lián)的OneNET平臺(tái)，最終將信息推送到監(jiān)控業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺(tái)。

2.2.3 油機(jī)液位采集

油機(jī)液位采集模塊的核心功能在于精確獲取液位傳感器輸出的電壓信號(hào)，并通過(guò)精密的轉(zhuǎn)換算法，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)向?qū)嶋H液位讀數(shù)的無(wú)損映射，確保了測(cè)量結(jié)果的高保真度與準(zhǔn)確性。鑒于油機(jī)油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常呈現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)異形特征，直接從傳感器獲取的原始液位信息須經(jīng)由平臺(tái)側(cè)的高級(jí)算法模型進(jìn)行深度學(xué)習(xí)與迭代優(yōu)化，旨在準(zhǔn)確估算出油箱內(nèi)的實(shí)際存油量，為后續(xù)的油料管理與維護(hù)決策提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支持。

2.2.4 油機(jī)發(fā)電參數(shù)采集模塊

油機(jī)發(fā)電參數(shù)采集模塊主要采用鉅泉光電科技生產(chǎn)的7038型計(jì)量集成電路作為核心元件。該模塊主要負(fù)責(zé)采集油機(jī)發(fā)電過(guò)程中的一系列關(guān)鍵指標(biāo)，如電壓、電流強(qiáng)度、頻率及累計(jì)發(fā)電量等。通過(guò)SPI串口接口接入監(jiān)控核心模塊，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝耘c實(shí)時(shí)性。

2.2.5 市電檢測(cè)及RF發(fā)射模塊

油機(jī)發(fā)電作業(yè)過(guò)程中，確保對(duì)外市電恢復(fù)供電進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)，并及時(shí)終止油機(jī)運(yùn)行，以縮減不必要的發(fā)電開(kāi)支，是提高能源利用效率與經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵。

在基站油機(jī)切換箱市電輸入端，油機(jī)市電狀態(tài)智能判別裝置通過(guò)采集市電電壓，經(jīng)數(shù)據(jù)分析后通過(guò)RF433射頻無(wú)線模塊將市電狀態(tài)（有電/無(wú)電）信息無(wú)線發(fā)射到油機(jī)監(jiān)控主機(jī)配對(duì)的RF433射頻無(wú)線接收模塊，實(shí)現(xiàn)近端或遠(yuǎn)端供電的外市電供電狀態(tài)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。油機(jī)切換箱市電狀態(tài)采集原理如圖4所示。

2.2.6 4G無(wú)線+北斗定位模塊

該模塊采用高性能的移遠(yuǎn)EC200 4G通信與北斗定位一體化模塊，集成了強(qiáng)大的無(wú)線通信與高精度定位功能。它能夠高效地收集油機(jī)運(yùn)行的各類數(shù)據(jù)，并同步獲取北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的精確經(jīng)緯度信息，利用成熟的4G無(wú)線傳輸技術(shù)，將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)OneNET平臺(tái)。4G無(wú)線+北斗定位模塊原理如圖5所示。

3 系統(tǒng)應(yīng)用案例

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，在移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商的基站中進(jìn)行了部署和測(cè)試。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可靠性。

首先，通過(guò)該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，尤其是在基站市電中斷緊急情況下，運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)基站油機(jī)進(jìn)行及時(shí)的遠(yuǎn)程調(diào)度與控制，確保基站的穩(wěn)定運(yùn)行，提高了服務(wù)質(zhì)量。

其次，該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警機(jī)制，有助于運(yùn)營(yíng)商實(shí)時(shí)跟蹤油機(jī)的液位及油耗。當(dāng)油機(jī)液位降到報(bào)警值時(shí)，或者市電恢復(fù)供應(yīng)的瞬間，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)上報(bào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)管理平臺(tái)，通知發(fā)電運(yùn)維人員，確保運(yùn)維的及時(shí)性，同時(shí)，能夠大幅度減少不必要的燃料消耗與相關(guān)費(fèi)用支出。

最后，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化功能能夠幫助運(yùn)營(yíng)商更好地理解和管理基站油機(jī)的運(yùn)行情況。通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析和自學(xué)習(xí)，運(yùn)營(yíng)商不僅可以優(yōu)化油箱液位的準(zhǔn)確度，還可以發(fā)現(xiàn)油機(jī)的使用規(guī)律和優(yōu)化空間，從而制定更加合理的維護(hù)計(jì)劃和管理策略。

4 結(jié)語(yǔ)

文章詳細(xì)介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基站移動(dòng)式油機(jī)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐。該系統(tǒng)通過(guò)雙電源供電設(shè)計(jì)、油機(jī)液位的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、RF433射頻無(wú)線技術(shù)傳輸市電狀態(tài)、北斗定位與4G通信技術(shù)等，為運(yùn)營(yíng)商提供了全面、高效的基站移動(dòng)式小油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理能力。實(shí)際應(yīng)用案例表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)追蹤油機(jī)的位置、油機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)及油耗等數(shù)據(jù)，為提升油機(jī)維護(hù)保養(yǎng)監(jiān)管、基站發(fā)電調(diào)度管理、發(fā)電保障等提供有力的數(shù)據(jù)支持，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

［1］時(shí)晉蘇.一種通信局站發(fā)電油耗的監(jiān)管辦法［J］.通信電源技，2020（2）：216-217.

［2］康彩云，郭彥軍，徐鐸，等.油機(jī)市電智能判別裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用：中國(guó)通信能源會(huì)議論文集［C］.北京：中國(guó)通信學(xué)會(huì)通信電源委員會(huì)，2017.

［3］陶乃勇.一種新型基站油機(jī)發(fā)電方案研究［J］.河山東通信技術(shù)，2015（2）：42-44.

［4］黃建豐，毛松苗，陳國(guó)盛，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的基站移動(dòng)油機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究探討：中國(guó)通信能源會(huì)議論文集［C］.南昌：中國(guó)通信學(xué)會(huì)通信電源委員會(huì)，2012.

Design and implementation of wireless monitoring system for mobile oil enginebased on Internet of Things

Abstract： Based on the research project of Hangzhou Great Guangming Communication System Co.， Ltd.， this paper focuses on the limitations and deficiencies of the traditional base station mobile oil machine management mode， and designs and realizes a wireless monitoring system of base station mobile oil machine based on the Internet of Things. Through wireless communication technology， the system can track the location， fuel consumption， status and other data of the oil engine in real time， providing strong data support for improving the maintenance supervision， the power generation dispatching management of base station， the guarantee of base station power generation， and the refined degree of power generation cost control. Finally， the system is effective and practical.

Key words： Internet of Things; base station; oil machine monitoring; wireless communication technology