基于NB-IOT的基站空调自动控制系统设计

徐嘉徽 王宣皓 王雪刚

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， NBIoT）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內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ΔT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，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。

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NBIOT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NBIOT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。

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