基于NB-IOT的基站空调自动控制系统设计.pdf

软件与系统文徐嘉徽 王宣皓 王雪刚基于NB-IOT的基站空调自动控制系统设计基站内部空调为了维持通信设备正常工作，大多数常年处于开启状态，尤其是气温变化较大且湿度较高地区，空调需要人工不定期检查，因此基站空调的耗能问题和偏远地区人工检查问题亟待解决。基于此，本文采用NB-IOT技术设计了空调自动控制系统，实现了空调的实时监控、自动化调节和智能化维护，为解决空调耗能和人工检查问题提供了设计思路。一、引言随着我国移动通信互联网的快速发展，基站数量呈几何级数增长，由于基站的运转和承载量较大，产生的负荷增加，耗电量居高不下，产生了需要建设额外电量备用路线的问题。当前阶段大多数基站依旧采用常年运行和人工检查的管理方式，这不仅使空调寿命缩短能耗增加，使通讯设备故障隐患增大，而且大量耗费人力资源，因此如何解决基站空调高能耗和非自动化问题迫在眉睫。随着物联网技术的快速发展，NB-IOT技术的低功耗、广域网组联为基站空调的自动化、智能化远程控制提供了可能，适用于基站的分散式建设。二、控制系统设计窄带物联网（Narrow Band Internet of Things,NB-IoT）是物联网领域中一个低功耗、低成本、广覆盖、快速度的数据传输技术，适用于空调自动控制系统，系统由两部分组成，一部分为基于NB-IoT的远程自动化监控系统，另一部分为智能化的基站温度控制系统。基站温度控制系统由温湿度数据采集终端，数据处理算法和响应策略，空调功能自动化控制部分组成，负责对基站内部的温湿度情况进行监测和算法响应，为空调的功能切换提供数据支持和实施响应策略；而远程自动化监控系统由数据传输组件、温湿度报警组件、空调远程功能控制组件组成，负责对基站内的空调功能和开关情况进行自适应决策和控制，目的在于节省能源耗费，并减少人工作业，实现基站内空调的无人自动化控制效果。（一）基站温度控制系统基站温度控制系统以节能为目的，以空调自动化控制为方式，以保证通讯设备在基站内的安全稳定运行为前提，基站内部空调一般具备制冷、排风、除湿、待机四种模式。系统配备有温湿度数据采集传感器，可以实时测量基站内部温湿度情况，通过数据处理算法对当前温湿度情况进行判断，并根据提前设定好的响应策略进行空调模式选择，为了防止由于检测误差或测量问题造成空调模式来回切换的现象，对温湿度数值采用kmeans聚类算法，并对突变数据进行再判断，同时增加数值采集间隔，对前后相关数据进行卡尔曼滤波，直到确定温湿度变化属于正常情况时，再进行空调模式的选择和切换。当基站温湿度持续保持在规定范围内时，空调进入待机模式休眠，当温湿度超过阈值时，则唤醒空调进入工作状态，这套控制系统与常年开空调相比，在节省大量能源消耗降低排放的同时，也减少了监查的人力资源浪费。基站温度控制系统将正常温度设置在35以下，相对正常湿度在85%RH以下的区域范围之内，其核心控制策略由基站内温湿度、基站内外温差和空调PID精确控制三部分组成，当温湿度长时间超出阈值范围，且持续性出现报警情况时，远程控制中心则判定基站内部工作异常，将进行人工检查，基站内部温湿度控制流程如下所示：第一步，将基站内部温度采集数值T作为数据处理的第一判定因素，将湿度采集数值RH作为第二判定因素，将室内外温度差T作为第三判定因素，根据判定优先级设置不同的控制决策，并对空调运行功能进行切换和选择，空调控制的四种模式分别为制冷、除湿、排风和待机。待机模式：基站温度控制系统采集基站内部温度湿度在正常数值范围之内，则使空调处于待机模式不工作，59Informatization-Research信息化研究软件与系统作者单位：徐嘉徽 王雪刚 武警新疆总队参谋部 王宣皓 武警工程大学 节约能耗，直至温湿度超过阈值时，才唤醒空调的工作机制；排风模式：当基站内部温度高于35，且内部温度比室外温度高5以上时，空调切换为排风模式，通过室内外温度差的导向方式降低基站内部温度，这时空调只有风扇在工作，压缩机处于休眠状态，节约能耗；制冷模式：当基站内部温度高于35，且内外温度差小于5时，空调切换为制冷模式，通过空调的风扇和压缩机共同作用降低基站内部温度，保障通讯设备正常工作；除湿模式：由于温湿度处于同高的情况偏多，所以为了区分温湿度的重要性，将湿度阈值提高至85%RH，且基站内部温度不高于35时，空调切换为除湿模式，当温度高于35时按照优先级设置进行功能切换。第二步，针对空调控制系统较大的滞后性，为了更精确地实现温度控制，在第一步决策的基础上，采用空调PID精确控制策略消除误差，PID控制输出量公式如下所示：（1）由上式可知，输出量的作用对象是基站空调的风扇输出压缩机输出，通过PID精确控制策略，可以对温度调节进行精细化操作，当温度超过阈值过高时，PID将风扇和压缩机调节为最大输出量，而当温度刚超过阈值时，PID则将调节为较小输出量，以此来区分不同的温度数值情况，达到节省能耗的目标。为温差变量，表示当前实时温度和设定温度之差，、为PID控制的比例、积分和微分调节参数，通过温度调节实际情况进行不同参数配比。在基站温度控制系统中，设置了本地手动控制界面，在工作人员进行检查和调试时，可以通过手动控制切换空调功能，并根据显示屏查看当前温湿度信息、空调功能信息，参数配比信息和控制调制信息，为系统正常工作保驾护航。（二）远程自动化监控系统远程自动化监控系统以远程自动控制为目的，以NB-IOT数据通信传输为方式，以保证通讯设备在基站内的安全稳定运行为前提，远程监测并控制各个基站内部的实际工作环境。数据传输组件以NB-IOT窄带通信为核心，由于NB-IOT具有低成本、低功耗、广覆盖的性能优势，通过云端传输可以链接物联网服务器，对偏远地区具有覆盖广的特点，因此适用于分散式结构建设的基站，为基站和服务中心建立数据通讯链路，通过NB-IOT通信传输可在服务中心直接监测各个基站的实际工作环境情况，并可根据空调启动和功能切换命令，强制执行空调控制功能，优先级高于基站空调的自动控制系统。温湿度报警组件为中断响应组件，一旦温湿度超过阈值，即产生一次内部温湿度报警信息，当空调按照既定策略正常工作时，不再持续产生温湿度报警信息。当空调非正常运转时，产生一次空调功能响应报警信息，并立刻将当前报警信息通过NB-IOT传输给服务中心，当温度持续高温未降低时，根据设定时间间隔进行定时报警信息上报，直到人为取消报警信息或温度有下降趋势为止，同时当空调或温湿度采集出现故障时，也会产生报警信息通知服务中心。空调远程功能控制组件是和数据传输组件共同作用的，是服务中心人为远程控制基站内部空调功能的功能模块，可以让工作人员实时监控基站的空调运转状况，以及基站内的温湿度值，即使不进入基站内也能进行监控，如果空调工作状态出现异常，为了让员工及时发现并前往检修，可通过空调远程功能控制组件强制关闭或打开空调，以保障通讯设备的正常工作。三、结语本文设计的基于NB-IOT的基站空调自动控制系统保障了通讯设备的正常工作环境，降低了基站能耗，减少了人工控制环节，可更好地保障空调延长使用寿命，其中基站温度控制系统通过算法执行自动化控制策略，实时调整空调的运行功能，远程自动化监控系统通过NB-IOT与远程服务中心连接，可发送控制指令实现远程监控管理，降低人工消耗，有利于分散式基站建设。60Informatization-Research信息化研究