基于ZigBee 的冗余通信電源監控系統設計

關永君

（中海油信息科技有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524000）

0 引 言

隨著通信基站的不斷發展，冗余通信電源的監測變得尤為重要。為適應電源設備的特點，提高監測系統的健壯性，文章設計一種基于ZigBee 的冗余通信電源監控系統。硬件結構的分層監測方法和軟件運行算法的數學模型優化為監測系統的設計提供全面的技術支持。同時，通過引入無線通信技術，實現了企業網絡信息的安全傳輸。文章旨在通過實驗證實文章設計的基于ZigBee 的冗余通信電源監控系統在硬件性能和可靠性方面的優越性。

1 冗余通信電源監測系統

1.1 冗余通信電源監測系統的硬件結構優化

為適應通信基站電源設備的特點并提高系統的健壯性，在冗余通信電源監測系統的硬件結構設計中采用了分層監測方法。采用MSP430F149 軟件優化硬件結構和運行功能，系統處理器由16 位超低功耗單片機控制，具備5 種低功耗模式。在系統中，電源輸出電壓由多個電壓傳感器監測，且過多的電壓信息將導致數據冗余，因此需要對收集的數據進行預處理[1]。冗余通信電源監測系統的結構框架如圖1 所示。

圖1 系統框架

基于系統框架，設計監測和識別系統的硬件模塊。系統結構包括3 個關鍵部分，即視頻捕獲、核心控制和智能視覺識別。將ZigBee 協議棧和其他關鍵芯片嵌入單片機中，以充分利用無線通信技術實現企業網絡信息的安全傳輸。采用ZigBee 無線通信技術和CC2530 芯片，將多個關鍵傳感器集成在射頻（Radio Frequency，RF）前端，并通過無線方式將傳感器收集的監測信息傳輸到匯聚節點[2]。該過程實現了節點之間關鍵信息的統一融合處理，并規范了電源監測系統的硬件結構，電源監控系統硬件結構如圖2 所示。

圖2 電源監控系統硬件結構設計

電源監控系統硬件結構的關鍵模塊包括終端感知模塊、切換模塊和客戶端模塊。除核心的數據采集和控制功能，該系統還采用了主從控制模式，實現了監控功能的動態擴展。為實現實時監控，系統采用了傳感器自動信息上傳和采集機制，完成了個人局域網（Personal Area Network，PAN）調節器的功耗參數獲取、功耗控制和數據傳輸。具體操作包括AD 采樣、發送功耗控制信號、寫入調試信息。終端設備的微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）初始化后會進入等待狀態，接收到數據后，系統會確認目標地址是否匹配終端設備的ID 信息，并根據接收到的指令進行相應的處理[3]。

1.2 冗余通信電源監測軟件的運行算法

基于冗余通信電源監測系統的硬件配置結構，進一步建立了系統設備維護的數學模型，并對數學模型中的相關變量進行了優化。文章使用遺傳算法優化了維護系統，效果達到了預期。假設系統在整個生命周期內的維護周期數為n，每個周期的間隔為Ti，i=1,2,…,n。進行N1級系統維護時，系統可靠性和故障率之間的關系為

式中：R表示系統維護周期的時間間隔；hi(t)表示系統維護周期內系統設備的可靠性；K(t)表示系統可靠性達到預定閾值時的預防性維護時間。系統維護的性能和可靠性閾值K的計算公式為

式中：bN-1表示系統故障率的增長因子；α表示生命周期的衰減因子；p表示用來調整指數函數影響程度的常數。則系統的維護成本函數為

式中：Cp表示系統一次維護的最高值；Ci,r(t)表示第一個維護周期的最低值；Ci,d(t)表示系統停機指數。由于系統在實際運行過程中無法對各設備進行無休止的維護，因此需要為系統維護周期設置一個上限，設為n*。根據通信電源監測系統的基本系統特性可知，系統可靠性的下限為0.5[4]。則電源監測系統的基本系統運行系數計算公式為

使用遺傳算法解決數學模型，可以計算給定可靠性范圍內的最小維護成本，并將可靠性和維護次數作為數學模型的輸出結果，以實現對通信電源監測系統的維護[5]。

1.3 冗余通信電源監測的實施

監測站是監測系統的重要組成部分之一。系統將監測站向上連接，收集并傳輸監測站收集的各種監測數據，并將直接通信控制單元連接到各監測站，以接收各種數據。完成數據處理后，將數據發送到監測站[6]。上層監測系統中的監測中心可以實時監測數據，并與各監測站進行通信。冗余通信電源的監測過程如圖3 所示。

圖3 通信電源監控過程

除數據收集外，物聯網感知的主要任務還包括數據清理、壓縮、聚合及融合[7]。因此，通過對數據進行預處理，可以實現數據的有效傳輸和后續處理。針對感知數據的變化規律和時空相關性，提出了一種基于概率統計的傳感器節點數據清理方法。使用高斯分布獲取分布的概率模型，計算概率分布模式下的觀測值來獲得異常值，并進行數據清理[8]。

2 實驗結果分析

為驗證監測系統的運行效果，采用基于64 點數據的標準跟蹤指標，即使用標準數據集對原始篩選點進行標準化處理，并進行濾波計算，以便后續篩選[9]。實驗參數如表1 所示。

根據表1 所列參數，在相同的實驗環境下，比較基于有線通信的電源監測系統和文章提出的基于ZigBee 的冗余通信電源監測系統在干擾環境中的實際監測效果，并記錄2 個系統在信號干擾下的硬件性能，結果如表2 所示。

表2 信號干擾下2 個系統的硬件性能測試

由表2 可知，在相同的實驗環境下，文章設計系統的硬件運行效果更好，準確率較高。比較2 個系統在應用過程中軟件運行的異常功率參數，結果如表3 所示。

表3 2 個系統的異常功率參數

由表3 可知，基于ZigBee 的冗余通信電源監測系統在運行過程中的異常功率更低，能夠有效防止電源異常運行，保護整個系統，并降低了由傳感器、環境等因素引起的測量誤差[10]。

3 結 論

文章設計的基于ZigBee 的冗余通信電源監控系統充分考慮了通信基站電源設備的特殊需求，通過優化硬件結構和軟件算法，實現了對電源系統的高效監測和可靠維護。在相同的實驗環境下，與基于有線通信的電源監測系統相比，文章設計的系統在硬件性能和異常功率方面的性能更優。通過引入ZigBee 協議棧和CC2530 芯片，實現了無線通信，為監測系統提供了更安全、可靠的數據傳輸方式。該系統為冗余通信電源監控領域的進一步研究和應用提供了有力的技術支持。