蘇利萍

（河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院 信息工程系，河南 鄭州 450008）

0 引 言

電源在通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，是通信網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行和通信通暢的先決條件，是通信網(wǎng)絡(luò)的“心臟”，對(duì)通信電源實(shí)時(shí)監(jiān)控非常重要[1]。其中，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集是判斷通信電源狀態(tài)和診斷通信電源故障的重要依據(jù)。最初以人工方式采集通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，定時(shí)定點(diǎn)記錄通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且易產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤差[2]。隨著通信技術(shù)的逐漸普及與應(yīng)用，人工采集方式逐漸被智能化監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集法替代。王洪濤等人將改進(jìn)的PID算法應(yīng)用于通信電源的數(shù)據(jù)監(jiān)控采集，運(yùn)用改進(jìn)后的PID算法確定通信電源的監(jiān)控范圍，對(duì)通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集進(jìn)行告警處理，并加入低通濾波器完成對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集[3]。該方法在采集過(guò)程中較為穩(wěn)定，但是數(shù)據(jù)的采樣率不高。基于此，提出一種新的智能化通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集方法。

1 通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集方法

根據(jù)智能化通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集需求，將其采集過(guò)程細(xì)分為數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、轉(zhuǎn)換、接收3個(gè)部分，其采集流程如圖1所示。

圖1 通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集流程圖

利用無(wú)線(xiàn)傳感器獲取通信電源數(shù)據(jù)，利用讀卡器讀寫(xiě)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換和平滑濾波處理，接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)通信電源數(shù)據(jù)的采集。

1.1 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)讀寫(xiě)

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)讀寫(xiě)主要依靠讀卡器和傳感器實(shí)現(xiàn)，選用型號(hào)為IHGF/26554的智能讀卡器和型號(hào)為GUHD/56944的電源傳感器。電源傳感器采集通信電源數(shù)據(jù)與讀卡器讀寫(xiě)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)同步進(jìn)行，讀卡器將電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及時(shí)存入內(nèi)存中，精準(zhǔn)讀取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

首先，在讀卡器讀寫(xiě)邏輯單元中設(shè)計(jì)一個(gè)雙緩存架構(gòu)的dii3_fifo_write寫(xiě)緩存模塊，接收來(lái)自電源傳感器的通信電源數(shù)據(jù)。設(shè)定觸發(fā)條件，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到500 MB或者1 000 MB時(shí)，完成寫(xiě)緩存動(dòng)作并發(fā)送到讀卡器內(nèi)存中。其次，發(fā)送數(shù)據(jù)后自動(dòng)備份/保留一組數(shù)據(jù)并停止寫(xiě)入，等待再次滿(mǎn)足觸發(fā)條件后繼續(xù)寫(xiě)入。再次，在讀卡器內(nèi)存與A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理模塊時(shí)序間設(shè)定一個(gè)讀緩存模塊，將寫(xiě)入的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)讀緩存模塊處理后再發(fā)送給A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理模塊，避免數(shù)據(jù)過(guò)多造成A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換誤差。最后，為讀緩存設(shè)定約束條件，達(dá)到條件后將寫(xiě)入的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)一次性發(fā)送到讀緩存模塊上，檢查讀卡器的讀寫(xiě)狀態(tài)。如果未達(dá)到數(shù)據(jù)量要求，則將重復(fù)讀寫(xiě)寫(xiě)緩存模塊數(shù)據(jù)，保證通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的完整性。

1.2 A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

為了便于后續(xù)數(shù)據(jù)合并接收，采用加位標(biāo)記法轉(zhuǎn)換原始A/D數(shù)據(jù)。讀卡器讀寫(xiě)到的通信電源原始監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)大多為12 bit數(shù)據(jù)，由于在后續(xù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)接收過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)空位，因此在原始數(shù)據(jù)最高有效位前額外添加位數(shù)，使原始通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)位數(shù)擴(kuò)展為16 bit，即：

式中：y(x)表示擴(kuò)展后的通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；n表示A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊接收到通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)數(shù)量；In表示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)有效位數(shù)。將拓展后的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)最高有效位作為標(biāo)記位，A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊接收到每一個(gè)通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)后自動(dòng)將數(shù)據(jù)的標(biāo)記位標(biāo)記為有效位0，表示該數(shù)據(jù)為有效的通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)[4]。將標(biāo)記后的通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)寫(xiě)入fifo_ad合并模塊，利用該模塊將數(shù)據(jù)合并為256 bit，以此占滿(mǎn)讀卡器總數(shù)據(jù)位寬，即：

式中：k表示合并后的總數(shù)據(jù)位寬。為了防止A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊不產(chǎn)生讀空或者寫(xiě)滿(mǎn)狀態(tài)，控制A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的讀時(shí)鐘頻率，即：

式中：f表示A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的讀時(shí)鐘頻率；W表示讀數(shù)據(jù)位寬；Q表示寫(xiě)數(shù)據(jù)位寬；g表示讀卡器寫(xiě)時(shí)鐘頻率[5]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)置A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的讀時(shí)鐘頻率，使其能夠持續(xù)對(duì)通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)合并轉(zhuǎn)換。

1.3 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)接收

由于讀卡器讀寫(xiě)到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可能存在噪聲，因此需要對(duì)接收的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為一組連續(xù)信號(hào)，當(dāng)讀卡器對(duì)一組監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)讀寫(xiě)時(shí)，這組連續(xù)信號(hào)是在合理范圍內(nèi)上下浮動(dòng)變化。當(dāng)存在含噪信號(hào)時(shí)，連續(xù)信號(hào)的變化率會(huì)突然增大，使其變?yōu)橐唤M離散信號(hào)[6]。通過(guò)求取通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的一階后向差分，判斷監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)是否為含噪數(shù)據(jù)。一階后向差分表示連續(xù)信號(hào)變化率，其絕對(duì)值越小，表示這組連續(xù)信號(hào)的變化幅度越小。計(jì)算公式為：

式中：c1表示通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信號(hào)的一階后向差分；w表示任意一個(gè)數(shù)據(jù)的含噪量；w0表示前一位數(shù)據(jù)的含噪量[7]。通過(guò)數(shù)據(jù)一階后向差分不能確定含噪數(shù)據(jù)具體位置，需要再求出數(shù)據(jù)的二階后向差分來(lái)表示一組通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)一階向后差分變化率，即：

式中：c2表示通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信號(hào)的二階向后差分；wc1表示數(shù)據(jù)的一階后向差分；w0c1表示該數(shù)據(jù)前一位數(shù)據(jù)的一階后向差分[8]。二階信號(hào)差分的最大值表示一階差分信號(hào)波峰出現(xiàn)位置，選取該位置的一階差分信號(hào)作為濾波閾值，超過(guò)該閾值的為待濾波處理信號(hào)，采用平滑濾波法對(duì)數(shù)據(jù)濾波處理。假設(shè)數(shù)據(jù)濾波平滑窗口的長(zhǎng)度為N，將待濾波處理的通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)看作一個(gè)長(zhǎng)度為N的數(shù)據(jù)隊(duì)列，將該組列隊(duì)的平均值作為平滑濾波后的結(jié)果和該數(shù)據(jù)列隊(duì)的隊(duì)首，同時(shí)去除掉該組數(shù)據(jù)列隊(duì)隊(duì)尾的數(shù)據(jù)，即：

式中：y(m)表示濾波處理后的通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；m表示濾波處理數(shù)據(jù)列隊(duì)平均值[9]。重新求列隊(duì)均值，重復(fù)上述步驟，直到該組列隊(duì)數(shù)據(jù)一階差分信號(hào)小于閾值為止，從而濾除掉通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中的噪聲[10]。完成一組通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)濾波處理后，觸發(fā)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)指令，將數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊校驗(yàn)通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的起始位、功能碼、數(shù)據(jù)域以及結(jié)束位，校驗(yàn)合格后將其存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，從而實(shí)現(xiàn)智能化通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

以某通信電源為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該通信電源主要由1組交流配電單元、1組整流模塊、1組蓄電池組、1組油機(jī)發(fā)電機(jī)組以及1組直流配電單元構(gòu)成，電氣設(shè)備主要包括空氣短路開(kāi)關(guān)、接觸器、電壓器、電容器、接觸器以及空氣開(kāi)關(guān)等，共25臺(tái)。該通信電源額定功率為3 000 W，額定電壓為200 V，輸出電壓為53.5 V，輸出電流為50 A。將該通信電源的電壓和電流數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)采集對(duì)象，準(zhǔn)備了1臺(tái)電源傳感器和1臺(tái)讀卡器，將電源傳感器與讀卡器電源線(xiàn)路接入到通信電源的總線(xiàn)，電源傳感器采集頻率設(shè)定為1.36 Hz，采集周期為3 s，讀卡器讀寫(xiě)頻率設(shè)定為1.36 Hz，讀寫(xiě)周期也為3 s。讀卡器39 s內(nèi)讀取到的通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 讀卡器讀取到的通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

由表1可知，在第39 s采集到的通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)樣本為異常數(shù)據(jù)。經(jīng)后期通信電源故障檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)是部分通信電路短路造成的，由此說(shuō)明采集到的通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)可以作為故障分析的數(shù)據(jù)依據(jù)。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的可行性，以采樣率為實(shí)驗(yàn)唯一指標(biāo)，利用本文設(shè)計(jì)方法與基于改進(jìn)PID算法的通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集方法共同采集該通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。其中，采樣率是采集數(shù)據(jù)樣本與實(shí)際通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的比值。實(shí)驗(yàn)分為8組，對(duì)比每組實(shí)驗(yàn)記錄到的采集數(shù)據(jù)樣本與實(shí)際通信電源數(shù)據(jù)，采樣率計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，傳統(tǒng)方法對(duì)通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采樣率最高僅為75.42%，平均采樣率為72.41%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)方法且漏采嚴(yán)重。設(shè)計(jì)方法對(duì)通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采樣率最高可以達(dá)到99.99%，平均采樣率為99.48%，說(shuō)明設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的全面采集，沒(méi)有出現(xiàn)漏采或誤采現(xiàn)象，采集精度較高，更適用于智能化通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集。

表2 兩種方法監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采樣率對(duì)比（單位：%）

3 結(jié) 論

在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，采用加位標(biāo)記法和平滑濾波法提高數(shù)據(jù)采集精度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該思路的可行性。該研究有助于提高通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集工作效率和通信電源監(jiān)控精度，具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。但由于研究時(shí)間有限，此方法尚未應(yīng)用于大規(guī)模數(shù)據(jù)，在某些方面仍存在不足，未來(lái)將對(duì)該課題進(jìn)行深層次探究，從而為智能化通信電源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集提供有力的理論支撐。