基于ZigBee 的冗余通信电源监控系统设计

关永君

（中海油信息科技有限公司湛江分公司，广东 湛江 524000）

0 引 言

随着通信基站的不断发展，冗余通信电源的监测变得尤为重要。为适应电源设备的特点，提高监测系统的健壮性，文章设计一种基于ZigBee 的冗余通信电源监控系统。硬件结构的分层监测方法和软件运行算法的数学模型优化为监测系统的设计提供全面的技术支持。同时，通过引入无线通信技术，实现了企业网络信息的安全传输。文章旨在通过实验证实文章设计的基于ZigBee 的冗余通信电源监控系统在硬件性能和可靠性方面的优越性。

1 冗余通信电源监测系统

1.1 冗余通信电源监测系统的硬件结构优化

为适应通信基站电源设备的特点并提高系统的健壮性，在冗余通信电源监测系统的硬件结构设计中采用了分层监测方法。采用MSP430F149 软件优化硬件结构和运行功能，系统处理器由16 位超低功耗单片机控制，具备5 种低功耗模式。在系统中，电源输出电压由多个电压传感器监测，且过多的电压信息将导致数据冗余，因此需要对收集的数据进行预处理[1]。冗余通信电源监测系统的结构框架如图1 所示。

图1 系统框架

基于系统框架，设计监测和识别系统的硬件模块。系统结构包括3 个关键部分，即视频捕获、核心控制和智能视觉识别。将ZigBee 协议栈和其他关键芯片嵌入单片机中，以充分利用无线通信技术实现企业网络信息的安全传输。采用ZigBee 无线通信技术和CC2530 芯片，将多个关键传感器集成在射频（Radio Frequency，RF）前端，并通过无线方式将传感器收集的监测信息传输到汇聚节点[2]。该过程实现了节点之间关键信息的统一融合处理，并规范了电源监测系统的硬件结构，电源监控系统硬件结构如图2 所示。

图2 电源监控系统硬件结构设计

电源监控系统硬件结构的关键模块包括终端感知模块、切换模块和客户端模块。除核心的数据采集和控制功能，该系统还采用了主从控制模式，实现了监控功能的动态扩展。为实现实时监控，系统采用了传感器自动信息上传和采集机制，完成了个人局域网（Personal Area Network，PAN）调节器的功耗参数获取、功耗控制和数据传输。具体操作包括AD 采样、发送功耗控制信号、写入调试信息。终端设备的微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）初始化后会进入等待状态，接收到数据后，系统会确认目标地址是否匹配终端设备的ID 信息，并根据接收到的指令进行相应的处理[3]。

1.2 冗余通信电源监测软件的运行算法

基于冗余通信电源监测系统的硬件配置结构，进一步建立了系统设备维护的数学模型，并对数学模型中的相关变量进行了优化。文章使用遗传算法优化了维护系统，效果达到了预期。假设系统在整个生命周期内的维护周期数为n，每个周期的间隔为Ti，i=1,2,…,n。进行N1级系统维护时，系统可靠性和故障率之间的关系为

式中：R表示系统维护周期的时间间隔；hi(t)表示系统维护周期内系统设备的可靠性；K(t)表示系统可靠性达到预定阈值时的预防性维护时间。系统维护的性能和可靠性阈值K的计算公式为

式中：bN-1表示系统故障率的增长因子；α表示生命周期的衰减因子；p表示用来调整指数函数影响程度的常数。则系统的维护成本函数为

式中：Cp表示系统一次维护的最高值；Ci,r(t)表示第一个维护周期的最低值；Ci,d(t)表示系统停机指数。由于系统在实际运行过程中无法对各设备进行无休止的维护，因此需要为系统维护周期设置一个上限，设为n*。根据通信电源监测系统的基本系统特性可知，系统可靠性的下限为0.5[4]。则电源监测系统的基本系统运行系数计算公式为

使用遗传算法解决数学模型，可以计算给定可靠性范围内的最小维护成本，并将可靠性和维护次数作为数学模型的输出结果，以实现对通信电源监测系统的维护[5]。

1.3 冗余通信电源监测的实施

监测站是监测系统的重要组成部分之一。系统将监测站向上连接，收集并传输监测站收集的各种监测数据，并将直接通信控制单元连接到各监测站，以接收各种数据。完成数据处理后，将数据发送到监测站[6]。上层监测系统中的监测中心可以实时监测数据，并与各监测站进行通信。冗余通信电源的监测过程如图3 所示。

图3 通信电源监控过程

除数据收集外，物联网感知的主要任务还包括数据清理、压缩、聚合及融合[7]。因此，通过对数据进行预处理，可以实现数据的有效传输和后续处理。针对感知数据的变化规律和时空相关性，提出了一种基于概率统计的传感器节点数据清理方法。使用高斯分布获取分布的概率模型，计算概率分布模式下的观测值来获得异常值，并进行数据清理[8]。

2 实验结果分析

为验证监测系统的运行效果，采用基于64 点数据的标准跟踪指标，即使用标准数据集对原始筛选点进行标准化处理，并进行滤波计算，以便后续筛选[9]。实验参数如表1 所示。

根据表1 所列参数，在相同的实验环境下，比较基于有线通信的电源监测系统和文章提出的基于ZigBee 的冗余通信电源监测系统在干扰环境中的实际监测效果，并记录2 个系统在信号干扰下的硬件性能，结果如表2 所示。

表2 信号干扰下2 个系统的硬件性能测试

由表2 可知，在相同的实验环境下，文章设计系统的硬件运行效果更好，准确率较高。比较2 个系统在应用过程中软件运行的异常功率参数，结果如表3 所示。

表3 2 个系统的异常功率参数

由表3 可知，基于ZigBee 的冗余通信电源监测系统在运行过程中的异常功率更低，能够有效防止电源异常运行，保护整个系统，并降低了由传感器、环境等因素引起的测量误差[10]。

3 结 论

文章设计的基于ZigBee 的冗余通信电源监控系统充分考虑了通信基站电源设备的特殊需求，通过优化硬件结构和软件算法，实现了对电源系统的高效监测和可靠维护。在相同的实验环境下，与基于有线通信的电源监测系统相比，文章设计的系统在硬件性能和异常功率方面的性能更优。通过引入ZigBee 协议栈和CC2530 芯片，实现了无线通信，为监测系统提供了更安全、可靠的数据传输方式。该系统为冗余通信电源监控领域的进一步研究和应用提供了有力的技术支持。