虞德群 刘志旗 杨哲

和勤通信技术有限公司

0 引言

近些年随着4G高速网络的大规模建设，全国的通信铁塔存有量达到约200万座，这在给人们带来便利的同时，也产生了各种问题。比如，铁塔建成之后，长期处于室外自然环境，反复遭受风雨侵蚀，甚至受台风、地震等极端自然灾害的影响，使塔体剧烈振动、弯曲变形、塔身倾斜，甚至可能发生倒塔、伤人等恶性事故，严重危及人民群众的生命财产安全及设备设施的正常运行。目前，对通信铁塔日常运行状态的检查是通过人工周期巡检来实施，此方法无法实时有效地监测铁塔在运行过程中的状态，同时面对如此大量的通信铁塔，检查往往没有针对性，且投入的资源也相当多。

为此，本文提出一种基于物联网与大数据的通信铁塔监测系统，通过传感器、物联网技术对风速、风向及通信塔摆动幅度、周期等数据进行采集，再依靠计算机技术对监测数据与理论设计值及以往监测的大数据进行对比分析，判断铁塔是否存在安全隐患。

1 系统方案设计

1.1 系统总架构

本文设计的基于物联网与大数据的通信铁塔监测系统主要由信号采集系统、数据分析系统及预警报警系统三部分组成，系统的原理是：通过监测通信塔在一定风速下的顶端位移和通信塔自身的自振周期来反映通信塔的安全状态，某一通信塔在系统上建立时，首先会依据通信塔的实际情况录入理论计算模型，然后将前端监测到的数据和理论模型进行比对来分析，同时也根据近些年在同等风速条件下的监测数据，对比分析此次数据是否偏离正常范围，从而综合判断通信塔是否处于正常的工作状态，也可以通过在塔身不同部位设置监测点，判断出通信塔发生问题的部位。系统总体功能如图1所示。

图1 监控系统示意图

其中信号采集系统主要由传感器、微处理器、存储器和通信模块组成。传感器会根据系统的要求实时进行数据采集，微处理器会根据给定的参数对照表进行简单的数据处理，减少数据的发送量，然后通过通信模块将有效数据发送至管理平台进行数据分析。数据分析系统是整个系统的核心，对前方发回的数据，要与理论模型数据进行比较分析，同时还要基于以往收集的数据进行比较分析，通过这两方面的比较，将发现的问题反馈给预警报警系统，将分析系统得出的结论通过声音或图像的形式展现出来，并将信息发送给维护人员。

1.2 主要系统的设计

（1）信号采集系统的设计

信号采集系统是通信铁塔监测预警系统的基础。信号采集系统主要布置在铁塔的顶部，各个传感器采集到信号后传送给微处理器，在对数据进行简单的鉴别处理后，通过通信模块发送给后台数据分析系统。信号采集系统的工作流程如图2所示。

图2 信号采集系统工作流程图

信号采集系统的硬件主要包括四部分：信号传感器、电源模块、微处理器、通信模块。其中，信号传感器主要包括位移传感器、风速风向传感器、加速度传感器、倾角传感器。微处理器对传感器发送的数据进行简单的处理分析，同时处理器对电源模块进行节能管理，让系统具有更长的运行时间。信号采集系统的电源为独立供电系统，电源模块主要由电源控制器、太阳能电池板、锂电池组共同组合而成。通信模块负责信号的接收与发送，整个通信数据传输采用无线窄带物联网技术loRa与无线高速互联网4G相结合的方式。图3为信号采集系统的硬件原理图。

位移传感器、加速度传感器、风速传感器是本系统的关键组成部分。位移传感器的作用是测量铁塔在一定风速下顶部的位移情况，两者的比例关系能够间接体现铁塔连接部位是否存在失效情况。加速度传感器监测的是铁塔的自振周期，最终也是体现通信铁塔连接部位是否出现问题。

图3 信号采集系统硬件原理图

电源模块是信号采集系统的基础保障设施，需要为整个采集系统供电。考虑到系统安装的便利性，系统采用独立自供电系统，电能依靠太阳能产生，依靠锂电池储备。白天依靠太阳能进行系统工作和锂电池充电，夜晚通过锂电池进行供电，模块具有体积小、持续久、性能稳定的优点，可以满足信号采集系统的长期工作要求。

通信模块主要起到数据收发的作用。考虑到系统的低功耗及运营维护成本，无线数据传输组网采用窄带物联网技术loRa与无线高速互联网4G相结合的方式。图4为无线组网原理图。

图4 无线组网的原理图

（2）数据分析系统的设计

数据分析是整个通信铁塔监测预警系统的核心，数据分析系统的工作流程如图5所示。这部分主要包含两个功能。

图5 信号采集系统工作流程图

图6 特定风速下的理论位移模型

其一是系统要根据程序的设定将实际运行中的通信铁塔，通过输入塔高、塔体直径、塔体壁厚、天线数量、地区风速等相关数据，依据现行的《建筑结构荷载规范》《高耸结构设计规范》、《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》的计算要求，生成理论通信塔位移模型，然后将现场监测到的风速、位移数据与理论位移模型进行对比分析。图6是特定风速下的位移模型，图7是监测到的塔顶位移。将所测风速下的塔体顶部的理论位移与实测位移进行对比，选取10分钟的平均风速与此时段内的平均位移作为对比数据。当实测位移＞理论位移时发出报警。

图7 监测到的塔顶位移

其二是要将传感器发送的监测数据在服务器上进行存储，数据不断积累形成圆型统计图表，图8是位移分布与风速统计图。某一时段检测到的位移数据如果超出了当时风速圈的先前统计数据则发出预警，提交给预警报警系统。

图8 位移分布与风速统计图

1.3 预警报警系统的设计

预警报警系统是通信铁塔监测系统的输出界面。各个站点的采集系统收集处理后的数据以及得出的相应预警结果，将全部反馈至监控中心的上位机，监控中心将以文字和图像的形式直观地展示通信塔的运行状况。预警报警系统与维护系统相对接，能够及时将问题信息反馈给维护人员，进行及时处理。

预警报警系统可以完成数据的接收、存储和输出工作，系统通过串口将数据传送到上位机，界面系统采用B/S web方式结合地理信息系统实现，在同一个界面上显示每个站点的铁塔状态，并采用不同的标识对异常状态进行预警。也可以点击某个站点呈现出当前站点的各项监测数据及运行趋势，平台界面见图10。该系统可以实现铁塔维护管理、状态监测、数据存储及预警报警功能。

图9 监控系统工作图

图10 预警报警系统界面图

2 总结

本文提出一种基于物联网与大数据相结合的通信铁塔监测预警系统的设计思路。系统通过布放在塔顶的信号采集点，按照一定的程序采集铁塔的顶部位移、加速度、风速风向、倾角状态信息，与分析系统内预设的理论模型数据及以往数据进行对比分析，实现对通信铁塔的实时监测，对异常状态进行预警报警，给铁塔维护提供实施方案，能够有效提高维护效率，保证通信铁塔的在网稳定运行。