基于物联网技术的动环监控系统设计与实现

赵 勇

（山东省邮电工程有限公司，山东 济南 250001）

1 基于物联网技术的动环监控系统相关概述

随着我国移动通信网络的站址体量越来越大，无线信号覆盖率逐步提高，相应的移动通信局（站）数量不断增加，原有依靠驻场人员常态化巡检的方式存在后台人员需求量大、成本高等问题，已经无法满足当今通信网络运行质量标准高、排障响应速度快的需求。面对数量众多、站址分散的各类基站、模块局、交换母局以及核心机房，通过安装动力及环境监控系统来实现在网运行设备的实时监控。但早期的动力及环境监控系统平台存在设备厂家多、智能化程度低、接口协议匹配度差、监控机房多以及数据处理性能不足等问题，无法满足通信网络动环监控和运行维护的实际需求。

随着用户对网络服务的要求越来越高，网络运维工作对动环监控系统的诉求是既能实现大量站址中各类动力设备及机房环境参数的实时、集中监控，还要具备高效的智能数据处理能力，能实现大数据量的告警信息智能甄别、筛选，对故障原因和问题点能够进行准确判断与精准定位，提升故障预警能力，并可实现部分故障的远程处置。同样，跨终端的任务工单派发、故障处理进度记录、数据稽核以及海量历史数据的深化挖掘也是对现网动环监控系统升级改造的诉求重点。

随着我国物联网技术、云计算技术的持续演进，“互联网+”等融合技术的场景应用落地。基于融合技术的新一代动力及环境监控系统能够兼容不同厂家硬件设备接入，通过应用智能化网管实现归一化平台、集中化监控及远程化维护。动环监控系统可以根据网络拓扑灵活地选用适合的组网方式，将物理位置上分散的各节点基站链接至监控中心形成逻辑上的一体化，将各节点收集到的数据汇聚传送到云计算中心实现集中监控。监控值班人员、现场维护人员既可以在网管中心对各节点基站进行远程调度、参数调整，也可以通过PC终端、手机App等方式灵活接入网管，实时查看基站机房环境变化和设备运行情况，高效定位故障源并实现精准排除故障，保障通信网络运行安全，提高管理和运维效率。

1.1 物联网技术

物联网（Internet of Things，IoT）技术是新一代的信息技术，从传统互联网“人与人、人与信息”的连接进化到“物与物、物与人”的泛在连接。物联网关键技术包括3个方面：一是数据的采集、传输以及网络部署等，核心为传感器技术和无线传感器网络；二是异构网络的接入，核心为无线传输技术；三是中间件、信息处理等，核心为云计算和数据挖掘技术等。在通信网络动环监控系统中，通过无线射频识别、红外感应器等传感器，按照相关协议接口能够实现动力设备和环境设备的数据采集、上传，同时可以根据集中网管平台的指令进行相关设备参数的调整优化，降低运维成本，提升相应运维效率[1]。

1.2 动环监控系统

基于物联网的动力及环境监控系统融合了传感器技术、地理信息系统技术、移动通信技术及云计算技术，其网络拓扑结构呈现扁平化形式，采用二级网络架构，取消了早期动环监控网络中的区域网管中心层级，降低了网络传输时延。传感器是动环监控系统的神经单元，在IoT技术的加持下，各类传感器在智能动环监控单元（Field Supervision Unit，FSU）的管理下可以实现各类终端信息的定制化、实时化采集，并能对采集到的信息进行预处理。FSU的模块化设计可以提供良好的终端扩展能力，实现多元化监控对象的数据采集，并可以根据机房传输条件选择灵活的组网方式进行数据传输。

1.3 网管云计算中心

动环监控系统集中网管中心采用云计算技术，主要实现FSU采集上传数据的存储、处理、呈现、管理等功能。根据多样灵活的网络搭建思路，通过采用模块化的组件模型架构，由基础设施、集成平台、服务组件协同运行，最终呈现出一个分层分级、拥有可定制图形化界面并且可根据需求实现动态扩容的网管平台系统，实现对任意经授权终端用户的数据实时、同步呈现。

2 基于物联网技术的动环监控系统解决方案

动环监控系统融合IoT技术后，将各类传感器通过专属协议连接至网管云中心，从而实现远程收集节点基站的各项动力环境运行参数并进行监控。采集的通信动力参数包括油机、整流器、蓄电池组、高低压配电、开关电源以及分路计量器等设备的运行数据；采集的机房环境参数包括温湿度传感器、烟感传感器、门禁、红外探测等各类传感器的状态信息[2]。

2.1 动环监控系统网络拓扑结构

早期的动环监控系统多采用3级网络架构，如图1所示。移动通信基站作为被控端局（Supervision Unit，SU），负责采集各监控模块（Supervision Module，SM）的数据上传至区域监控中心（SS），所有数据在区域层面进行存储、计算、处理后上传至监控中心（Supervision Center，SC）[3]。

图1 早期动环监控系统网络拓扑

这种网络架构是典型的树型组网形式，其优点是SU扩展性好、成本较低，缺点是网络复杂。当与SC相连的SS节点传输链路产生故障时，对整个网络的影响较大。同时，大量SS节点的存在不仅增加了建设投资和维护成本，在SM的协议接口发生更新、升级时，无法进行全网同步升级，需要逐一匹配，工程量较大。

基于IoT技术的动环监控系统以支持海量节点并行接入为基础，辅以云计算技术支持任何时间、任何地点、透过任何可联网的终端连接到云平台方便地存取数据的特点，精简系统网络架构，以扁平化的二级架构来搭建整个监控系统，如图2所示。

图2 基于物联网技术的动环监控系统网络拓扑

动环监控系统所有SU以FSU作为数据采集层主要的硬件设备，将各类传感器的信息数据汇聚后，由底端直接接入到集中网管中心。扁平化二级架构可以理解为星型组网形式（图3），由集中网管中心与分散在各机房的FSU进行直接通信，FSU之间不产生数据交互、互相独立，最大程度地降低了某一节点故障对全网的影响。

图3 基于物联网技术的动环监控系统组网形式

采用全网集中网管中心组网形式主要有以下优点：一是所有业务管理层的数据配置都可以在集中监控中心（Central Supervision Center，CSC）侧进行，通过预设模板进行简单配置就能实现对FSU和监控对象（Supervision Object，SO）的控制和数据采集；二是通过在CSC中建立SO驱动库，完成对各种类型监控对象的对接协议进行全量适配，当有新的监控对象接入FSU时会自动从CSC的驱动库中进行对接协议的智能匹配；三是在移动通信基站FSU设备具备在线升级能力时，可以进行批量的远程操控或下发计划任务自动完成升级适配，降低动环监控系统的运维成本；四是在集中网管中心设置数据存储、文件生成等规范标准，可以保证全网数据格式统一，便于监控、运维工作人员跨区域快速开展工作。

集中网管中心作为动环监控系统的“核心大脑”，通过部署云计算基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS），节省了区域级监控中心层的建设开销。通过使用云计算平台即服务（Platform as a Service，PaaS）将应用模块组件部署在云端，在远程参数采集、实时数据分析、终端用户随机请求等方面实现了节点动态漂移、存储动态扩展等功能。在应用服务层面，采用软件即服务（Software-as-a-Service，SaaS）实现数据集中存储和跨终端、跨平台的地理信息系统（Geographic Information System，GIS）等软件同界面操作[4]。

动环监控网管平台包括数据库服务器、报表服务器、WEB/APP服务器、操作管理中心（Operations and Maintenance Center，OMC）服务器以及若干个FSU采集区（包括注册机、采集机、传感器），用于承载FSU的监控业务。基于IoT技术的动环监控系统硬件组网如图4所示。网络拓扑从整体上来看是一个双平面结构，整个网络从服务器网卡到出口均为双平面冗余结构，能够提升系统的可靠性。网络设备间部署开放式最短路径优先（Open Shortest Path First，OSPF）动态路由协议，其中防火墙以下采用进程2承载内部私有网段路由，防火墙以上采用进程1承载公网网段路由[5]。

图4 基于物联网技术的动环监控系统硬件组网

2.2 动环监控系统数据传输方式

早期的监控系统大多采用公共交换电话网络（Public Switched Telephone Network，PSTN）传输方式，线路传输质量无法保证且传输速率过低，只适用于数据量较小的终端站，而且只能采集重要参数进行数据传输，监控局限性较大，系统也极其不稳定性，目前已经基本不再采用。

现网的动环监控系统数据传输方式主要有两种，即2M传输方式和TCP/IP传输方式[6]。无论2M传输方式还是TCP/IP传输方式，共性问题都是需要占用宝贵的传输链路资源。虽然现在基于波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术的传输网和光纤网已经趋于成熟，但随着5G时代的到来，带宽、链路的需求量将成倍增长。结合物联网和云计算的技术特点，在FSU中增加无线模块，通过4G网络建立移动通信基站端局与集中网管中心的定向连接。利用IoT技术的连接特性保证海量移动通信基站FSU的并行接入，同时通过云计算中心的分布式计算和负载均衡保证每一个授权账号的数据实时同步。

为了保障系统信息安全，采用4G移动通信网络建立无线连接时，FSU无线模块中的SIM卡可以采用定向连接的形式，同时设定FSU只与对应VPN服务器的IP进行数据交互。FSU在入网时与VPN服务器通过二层隧道协议（Layer2 Tunneling Protocol，L2TP）建立隧道，同时向注册机进行注册认证，鉴权认证通过后向网管云计算中心的采集机上传数据。当FSU发生故障或传输链路异常时，采集机向网管平台上报离线告警，生成故障工单。基于IoT技术的动环监控无线传输机制如图5所示。

图5 基于物联网技术的动环监控无线传输机制

2.3 动环监控系统监控对象

现网移动通信基站机房内存在型号各异的终端和传感器设备，按监控用途分为通信动力设备和机房环境监控设备，按设备性能可分为智能设备、非智能设备，按用电特性可分为有源设备、无源设备，按信号传送性质可分为模拟信号设备、数字信号设备。通信动力参数主要采集的设备对象为油机、逆变器、高/低压配电屏、开关电源、整流器、稳压器、蓄电池组、UPS、分路计量器以及新能源发电设备等。机房环境参数主要采集的参量对象为温湿度、空调、新风、烟感、门禁、水浸、红外移探测、摄像头等。

将监控对象的数据按输入、输出进行归类后，可以通过FSU进行遥测量、遥信量、遥控量的脚本配置。遥测量主要为模拟量信号输入，例如动力设备的电压、电流实时数据，机房环境的实时温度、湿度数据等；遥信量主要类型为各类告警信息，当设备或传感器在触发设置的条件或阈值后就会由FSU上报告警并在网管平台自动生成工单；遥控量主要为数字量信号输出，是动环监控系统远程处置的基本表现，例如整流模块的远程开启/关闭控制、蓄电池的均冲/浮冲/放电测试、智能门禁的远程开锁以及机房空调的远程温度调整等[7]。

动环监控系统除了可以实现远程排除故障外，还可以实现移动通信基站的节能减排。移动通信基站机房中，空调、开关电源整流模块为主要的交流、直流用电设备。在移动通信基站的运行总能耗当中，空调的用电量占比最大（平均45%左右）[8]。由于移动通信基站的规模太大，这也使得通信运营商成为能耗大户。随着5G技术的建设应用，能耗有进一步增高的趋势，节能减排已迫在眉睫。通过分析空调系统的运行耗电数据，主要影响因素体现在两个方面。一是机房内的通信设备要保持长时间在网运行，对温湿度要求较高，大多数机房内空调设备都处于常开状态，以保持机房恒温。当空调预设温度不合理时，就会出现空调压缩机频繁启停的情况，不但会消耗额外的能耗，还会对压缩机产生较大的磨损。二是随着机房内设备数量的增加，发热量也在攀升，机房空调在网时间越长，老化现象越明显，就会出现空调设备制冷能效不足、制冷效率较差的问题，导致空调长时间处于满负荷运转状态，从而对电能造成了浪费。在新动环监控系统中，通过对机房温度监控数据的日常分析和智能预警，结合机房空调的能耗变化趋势建立空调控制算法模型，根据季节差异、机房所在区域地理环境差异智能调度远程机房内的空调传感器，实现无需到现场便可对节点基站机房内空调设备的预设温度进行动态调节，在延长空调使用周期的基础上取得良好的节能减排效果[9]。

传统的监控对象或传感器一般是通过RS485/RS232与FSU相连，不仅安装布线工程量大，还存在各厂家接口引脚定义不同、串口通信协议不匹配等问题。随着IoT技术的发展，各类内置协议转换的智能设备和传感器都已规模应用。例如支持ZigBee无线网络协议或蓝牙/红外的传感器，具有低成本、低功耗、支持多种组网方式的优点，可以实现与FSU的无线连接，大大降低工程实施难度和维护排障分析难度[10]。

3 加快基于物联网技术的动环监控系统应用的相关建议

3.1 充分发挥物联网技术的优越性

基于上述分析可见，通过在动环监控系统中引入IoT技术，在移动通信基站侧基于无线的传感器接入方式解决了工程实施走线复杂、工程量大、机房布线不美观的问题，在集中网管中心侧以驱动库的形式实现了设备的开放接入，打破了厂家的垄断。成熟的产品生态链、完善的应用解决方案将满足标准更严、响应速度更快、效率更高的现代通信网络运维要求，后续也将适用于更多的行业应用场景，服务更多的社会用户。

3.2 集中解决当前系统迭代更新的局限性

随着网络技术的演进，现网动环监控系统存在多种网络结构并存的现象，所连接的监控对象更是呈现硬件多样性特征，实际应用改造过程中应着重解决设备协议对接和系统功能完善性等方面的问题。现阶段技术演进和系统部署应用过程中，应结合现网设备的运行情况分批次、有计划地进行设备更新和技术升级，在保证现网平稳运行的前提下，解决新旧系统的适配、对接问题。

4 结 论

综上所述，IoT技术为动力及环境监控系统的升级改造提供了新的设计思路和实现方案。随着5G移动通信技术的规模化应用，FSU可以通过更换无线模块硬件的方式平滑升级。在5G低时延、高带宽的助力下，基于物联网技术的动环监控系统将会应用于更多的场景，同时发挥更重要的作用。