孟優(yōu)優(yōu)，孫 飛

（河北北方學(xué)院，河北張家口075000）

隨著通信事業(yè)的長足發(fā)展，移動通信基站的分布范圍也在不斷地?cái)U(kuò)大。為了加強(qiáng)偏遠(yuǎn)地區(qū)及海域附近的通信服務(wù)，加大這些地區(qū)的通信設(shè)施覆蓋度是必要的手段。然而我國地域、海域廣闊，加之這些地區(qū)的人口密集度低，所以供電狀況較差。如何有效地實(shí)現(xiàn)和保障這些通信基站的供電質(zhì)量成為了一個(gè)亟需解決的問題。使用太陽能供電系統(tǒng)來為基站提供電能，不僅符合國家大力倡導(dǎo)的節(jié)能減排的要求，更可以有效地解決邊遠(yuǎn)地區(qū)電力系統(tǒng)不足的問題。

利用光伏系統(tǒng)作為基站電源，除需要一次性投資費(fèi)用及維護(hù)費(fèi)用外，無需其他的開支，因此是一種良好的供電形式。但是，太陽能發(fā)電受外界影響大，隨機(jī)性強(qiáng)，運(yùn)行不夠穩(wěn)定，所以加強(qiáng)對發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)控勢在必行。

1 移動基站太陽能供電系統(tǒng)的組成

利用太陽能為基站進(jìn)行供電主要有以下幾種方式：（1）太陽能獨(dú)立供電方式；（2）市電+太陽能供電方式；（3）太陽能+蓄電池供電方式；（4）太陽能+高頻開關(guān)供電方式；（5）市電+太陽能+蓄電池供電方式[1]。獨(dú)立太陽能供電方式主要適用于完全沒有市電且系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性要求一般的基站；而當(dāng)基站的可靠性要求較高，同時(shí)市電又不完善的地方，就需要利用太陽能+蓄電池的供電方式或利用太陽能+高頻開關(guān)的供電方式。目前，太陽能+蓄電池的方式以其適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)成為研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。

以太陽能發(fā)電為主體，蓄電池為備用電源的基站供電方式，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。供電系統(tǒng)由太陽能陣列、蓄電池組、太陽能控制器、逆變器等部分組成。當(dāng)天氣情況好的時(shí)候，系統(tǒng)由太陽能陣列直接供電，多余的電能由太陽能控制器轉(zhuǎn)入蓄電池組進(jìn)行存儲；而當(dāng)天氣情況不好的時(shí)候，由蓄電池組將存儲的電能通過太陽能控制器向負(fù)載供電。在移動通信基站中，主要的用電設(shè)備有基站收發(fā)信臺、信號傳輸設(shè)備、逆變器電源、照明設(shè)備、智能通風(fēng)系統(tǒng)等。這些用電設(shè)備有的使用直流電，有的使用交流電。使用直流電的，由太陽能控制器接DC/DC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電能輸入；使用交流電源的，由逆變器將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電后進(jìn)行負(fù)載供電。

圖1 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)

通信基站電源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控就是利用計(jì)算機(jī)、傳輸、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)手段，對分布范圍廣的一個(gè)或多個(gè)基站的電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的遙測、遙信和遙控，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析，及時(shí)預(yù)測故障發(fā)生的時(shí)間并加以排除，同時(shí)記錄相關(guān)處理數(shù)據(jù)，生成報(bào)表，必要時(shí)適時(shí)通知維護(hù)人員進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)通信基站電源系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控、無人值守的目的[2]。

由于本設(shè)計(jì)中通信基站的電源系統(tǒng)采用的是太陽能+蓄電池的供電方式，所以對電能供應(yīng)穩(wěn)定性的監(jiān)測尤為重要。目前，基站電源系統(tǒng)的監(jiān)測主要體現(xiàn)在對電壓的波動、頻率的波動、波形失真率、瞬時(shí)浪涌、瞬變脈沖、三相不平衡等各種質(zhì)量特性指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，以達(dá)到故障發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)采取相應(yīng)措施并報(bào)警等目的?；诖讼敕ǎ驹O(shè)計(jì)的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)由三層來完成。第一層為數(shù)據(jù)感知層，該層由無線傳感網(wǎng)來構(gòu)成，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)采用Zigbee 技術(shù)來完成；第二層為遠(yuǎn)程通信層，采用全球微波互聯(lián)接入(WiMax)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信并將信號接入公網(wǎng)；第三層為數(shù)據(jù)處理中心，在該中心設(shè)置大型數(shù)據(jù)庫，可以有效地對運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、維護(hù)信息進(jìn)行存儲、管理、查詢、自動更新，并結(jié)合相關(guān)的算法對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行深入分析，以此來判斷相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)并發(fā)出遠(yuǎn)程控制命令。

圖2 電源監(jiān)控系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

圖3 無線傳感器結(jié)構(gòu)圖

在系統(tǒng)的第一層，數(shù)據(jù)的采集利用無線傳感網(wǎng)來完成，每個(gè)結(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。其中前端傳感器根據(jù)被測物理信號的需要采用光電/光敏傳感器、霍爾/電流（壓）傳感器、溫度/濕度傳感器、風(fēng)速/風(fēng)向/風(fēng)量傳感器、電量傳感器等來完成。傳感器收集的小信號經(jīng)過AC/DC 轉(zhuǎn)換器送入處理器，處理器由嵌入式ARM 組成，并與存儲器相連，從處理器處理后的數(shù)據(jù)通過接口存入存儲器。本設(shè)計(jì)中采用的ARM 處理器為AT91RM9200，該芯片使用的是ARM920Tarm 內(nèi)核，運(yùn)行在180 MHz 時(shí)擁有200 MIPS 的運(yùn)算性能，內(nèi)部集成16 kb 靜態(tài)RAM 和128 kb 的boot ROM，完全能夠滿足小結(jié)點(diǎn)信息采集的要求。為了進(jìn)一點(diǎn)保證系統(tǒng)的可靠性，在某些關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)，例如蓄電池組、太陽能控制器等處的無線傳感器結(jié)點(diǎn)的ARM 處理器又?jǐn)U展了2 M 的flash 和32 M 的SDRAM，使其具有了獨(dú)立的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的控制能力；數(shù)據(jù)處理模塊處理后的數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)傳輸單元，數(shù)據(jù)傳輸單元采用Chipcon As 公司芯片來完成，該芯片帶有符合IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的無線定位引擎，能夠滿足低功耗ZIGBEE 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要，并可以工作在2.4 GHz 的免費(fèi)頻段。

整個(gè)低層的數(shù)據(jù)通信由短距離無線通信技術(shù)ZIGBEE 來完成。ZIGBEE 技術(shù)構(gòu)建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有功耗低、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、性價(jià)比高、擴(kuò)展簡便、安全可靠等顯著特點(diǎn)。它是由一組ZIGBEE 結(jié)點(diǎn)以Ad-Hoc 方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，主要采取協(xié)作方式，有效地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)感知對象的信息。每個(gè)結(jié)點(diǎn)都增加了能量檢測的功能。同時(shí)，為了通信功能的完善，每個(gè)結(jié)點(diǎn)還具有鏈路質(zhì)量指示的功能，并采用了碰撞避免機(jī)制，以避免發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)沖突。在網(wǎng)絡(luò)安全方面，ZIGBEE 設(shè)備采用了128 位的AES 加密算法，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理，從而有效地保證數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的高可靠性和安全性。

遠(yuǎn)程通訊擬采用WiMax 來完成。WiMax 是以IEEE802.16的系列寬頻無線標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)無線寬帶城域網(wǎng)的一種技術(shù)。該技術(shù)能夠提供40～48 公里范圍的無線接入及70 Mbit/s的高速率數(shù)據(jù)傳輸。WiMax 工作是802.16 頻段，該頻段無需授權(quán)就可使用，范圍在2～66 GHz，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積是3G 發(fā)射塔的10 倍，因此在邊遠(yuǎn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸具有成本低、速率高、質(zhì)量可靠的優(yōu)勢。

利用WiMax 可以有效地構(gòu)建邊遠(yuǎn)地域、海域的無線寬帶接入方式，可以很順利地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控場所的視頻、圖像監(jiān)控，對遠(yuǎn)程控制提供良好的支撐作用。

3 總結(jié)

本文研究了適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)基站太陽能電源的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以太陽能和蓄電池等基站供電設(shè)備為研究對象，以WiMax 無線傳輸為主體遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式，以ZIGBEE 為核心的無線傳感網(wǎng)為數(shù)據(jù)的采集網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了太陽能電源運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。

WiMax 技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、成本低、數(shù)據(jù)傳輸速率高的特點(diǎn)，配合無線傳感器等設(shè)備，可以有效地提供基站電源系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、圖像和語音等多種性能參數(shù)，為遠(yuǎn)程監(jiān)控打下良好的基礎(chǔ)。

[1]徐靜.自動跟蹤式獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)研究[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2009：13-17.

[2]楊曉宇.信基站太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)通信，2007，28：47-48.