基于ZigBee-4G技術(shù)的運(yùn)動(dòng)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控及定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬順

（安徽省（水利部淮河水利委員會(huì)）水利科學(xué)研究院，安徽合肥 233088）

0 引言

隨著科技日新月異[1]，高科技產(chǎn)品不斷普及，智能家居、智能樓宇等監(jiān)控應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)一般通過本地組網(wǎng)對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，利用有線網(wǎng)絡(luò)將環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)連接進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，搭建異地遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)只對固定環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，一旦環(huán)境進(jìn)行空間移動(dòng)，就無法使用傳統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)相同功能。

為了解決對運(yùn)動(dòng)環(huán)境監(jiān)控和定位問題，本文采用物聯(lián)網(wǎng)中具有自組網(wǎng)、能耗少、短距離、低成本[2]等特點(diǎn)的ZigBee技術(shù)組建環(huán)境采集網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，位置信息利用4G技術(shù)獲取，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)環(huán)境的定位。兩類信息在智能網(wǎng)關(guān)匯聚，通過4G技術(shù)高速傳輸至遠(yuǎn)端的PC機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)環(huán)境監(jiān)控及定位功能，從而構(gòu)建一種基于ZigBee-4G技術(shù)的運(yùn)動(dòng)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控和定位系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)結(jié)合ZigBee技術(shù)局部組網(wǎng)和成熟的4G技術(shù)遠(yuǎn)傳優(yōu)勢，針對運(yùn)動(dòng)環(huán)境監(jiān)控和定位問題提出一套有效的無線遠(yuǎn)程通信解決方案。在環(huán)境監(jiān)控部分，本系統(tǒng)采用一種基于IEEE802.15.4協(xié)議的ZigBee網(wǎng)絡(luò)（以下簡稱Z網(wǎng)絡(luò)）通信技術(shù)，目標(biāo)監(jiān)控環(huán)境網(wǎng)絡(luò)中有眾多無線傳感器節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)采用樹型拓?fù)?，Z網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)均為無線傳輸，所有節(jié)點(diǎn)無須布線，解決了人工布線工程量大，成本高，監(jiān)控區(qū)域受限等問題。運(yùn)動(dòng)環(huán)境范圍內(nèi)布置多種采集傳感器，采集PM2.5，溫濕度，煙霧等環(huán)境因素，Z網(wǎng)絡(luò)內(nèi)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)路由器轉(zhuǎn)發(fā)在嵌入式網(wǎng)關(guān)匯集。

在遠(yuǎn)程傳輸和定位部分，集成4G模塊的嵌入式網(wǎng)關(guān)對Z網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，通過4G模塊發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)AT命令從通信衛(wèi)星獲取實(shí)時(shí)經(jīng)緯度確定運(yùn)動(dòng)環(huán)境的位置。在遠(yuǎn)端利用上位機(jī)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)反饋處理，最終完成對運(yùn)動(dòng)環(huán)境的監(jiān)控和定位跟蹤。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)作為終端節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器間的聯(lián)系紐帶，有著非常重要作用[3]。本設(shè)計(jì)選擇STC系列STC12C5A60S2單片機(jī)扮演主控制器角色，該單片機(jī)具備快速度、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)?？刂破髂K、電源模塊、4G模塊、Z模塊（以下簡稱Z模塊）、LED模塊和報(bào)警模塊等主要核心組件構(gòu)成該網(wǎng)關(guān)的硬件電路，嵌入式網(wǎng)關(guān)通過UART串口可拓展外設(shè)，外接Z模塊和4G模塊，分別作為Z網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的協(xié)調(diào)器和信息交互的設(shè)備。嵌入式網(wǎng)關(guān)具備以下主要功能：①集成Z模塊作為協(xié)調(diào)器進(jìn)行Z網(wǎng)絡(luò)組建，然后與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息交互；②4G網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與ZigBee協(xié)議間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換功能；③數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)的匯集和通過4G模塊與遠(yuǎn)程交互；④對異常環(huán)境情況進(jìn)行報(bào)警，以及在LED上動(dòng)態(tài)顯示環(huán)境信息。

2.2 Z模塊設(shè)計(jì)

本采集系統(tǒng)選擇TI公司SOC芯片CC2530作為終端模塊節(jié)點(diǎn)的核心主控芯片。該主控芯片優(yōu)點(diǎn)是具備集成度高、性能高的收發(fā)器，并且具有8051微處理器，且成本低廉、性能優(yōu)異[4]。Z模塊內(nèi)嵌協(xié)議棧，是ZigBee聯(lián)盟認(rèn)證的應(yīng)用開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)[5]。在Z網(wǎng)絡(luò)中有協(xié)調(diào)器，路由器和終端設(shè)備三種邏輯設(shè)備類型，Z模塊帶有串口，可在PC端對模塊進(jìn)行參數(shù)配置來定義設(shè)備類型。本系統(tǒng)模擬監(jiān)控運(yùn)動(dòng)的動(dòng)車環(huán)境，在每節(jié)車廂布控多個(gè)Z模塊，再經(jīng)路由器轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器，傳輸距離要求在200m左右，由于樹型拓?fù)溥m合多點(diǎn)終端和距離相對較近的應(yīng)用，故本系統(tǒng)采用樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。Z模塊硬件主要由4部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊、電源模塊。

2.3 4G模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用4G模塊為RELINK的IM506-P無線模塊，采用工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)接口52Pin-PCIE接口，同時(shí)支持4GPP TS 27.007標(biāo)準(zhǔn)AT命令及擴(kuò)展命令，接收靈敏度小于-107dB。IM506-P模塊不僅支持內(nèi)置嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，還支持MMS，特別個(gè)人定位跟蹤服務(wù)、無線POS機(jī)等各類M2M應(yīng)用。IM506-P模塊功能主要包括：電源管理、存儲(chǔ)器、射頻模塊、接口部分。

3 軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基于微軟公司W(wǎng)indows 10操作系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)，界面設(shè)計(jì)編程工具采用Visaul C++6.0，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫采用基于Windows平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQL Server 2000。

在4G模塊軟件設(shè)計(jì)部分，由于TCP協(xié)議具有面向連接的、可靠的優(yōu)點(diǎn)，因此選擇TCP協(xié)議。并且有ASCII、二進(jìn)制兩種傳輸模式供選擇，功能需求可以通過配置demo程序中的4G.h來滿足。本設(shè)計(jì)4G模塊IM506-P使用完備的AT命令集，此命令集能很好地完成設(shè)備配置調(diào)試、4G網(wǎng)絡(luò)組建以及執(zhí)行命令等操作。ZigBee開發(fā)環(huán)境基于TI公司的Zstack協(xié)議棧，開發(fā)工具采用IAR Embedded Workbench，本系統(tǒng)采用 ZStack-CC2530，IAR Embedded Workbench for 7.60版本，下載工具采用SmartRF Flash Programmer。

4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：實(shí)驗(yàn)?zāi)M在CRH5型動(dòng)車組運(yùn)動(dòng)環(huán)境中，每列8節(jié)編組，每節(jié)車廂25m。嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)在動(dòng)車組中間部分，每節(jié)車廂布置一個(gè)路由器及若干終端設(shè)備。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有以下：普通Z模塊5個(gè)，CC2530+CC2591（PA）核心板增強(qiáng)型Z模塊5個(gè)，仿真器1個(gè)，4G模塊2個(gè)，嵌入式網(wǎng)關(guān)1個(gè)，電腦1臺(tái)，溫度傳感器1個(gè)，光強(qiáng)傳感器1個(gè)，煙霧傳感器1個(gè)。

4.1 Z網(wǎng)絡(luò)誤包率、信號(hào)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

考慮現(xiàn)實(shí)環(huán)境中有障礙物，為模擬車廂環(huán)境，分別用普通模塊和增強(qiáng)型模塊組建Z網(wǎng)絡(luò)后，在室內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，室外接收數(shù)據(jù)。用于信號(hào)傳輸質(zhì)量檢測的源代碼，采用TI公司提供的per_test.eww程序，用來計(jì)算誤包率PER值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包的接收信號(hào)強(qiáng)度指示平均RSSI值。組建環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)完成后，隨機(jī)選擇一個(gè)Z采集模塊進(jìn)行測試，在電腦中安裝測試軟件，移動(dòng)協(xié)調(diào)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明，相比普通Z模塊組網(wǎng)，采用具有性能更強(qiáng)的增強(qiáng)型Z模塊組網(wǎng)，在預(yù)定范圍內(nèi)信號(hào)更強(qiáng)，同時(shí)誤包率控制在7%以內(nèi)，能很好完成數(shù)據(jù)從Z網(wǎng)絡(luò)到網(wǎng)關(guān)的傳輸。

4.2 4G網(wǎng)絡(luò)性能測試和上位機(jī)監(jiān)測軟件功能實(shí)驗(yàn)

成功搭建Z網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)，4G模塊通過串口連接TCP&UDP測試工具進(jìn)行測試，分別將2塊IM506-P 4G模塊和TCP&UDP測試工具通過串口連接PC進(jìn)行相應(yīng)配置、初始化后，分別對4G模塊的信號(hào)強(qiáng)度、定位功能、延時(shí)性能以及上位機(jī)監(jiān)測軟件進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）模塊信號(hào)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。打開串口編輯“AT+CSQ”并點(diǎn)擊發(fā)送，然后接收到“+CSQ：29，0 OK”，表明 4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)很好，誤碼率為0。

（2）測試獲取移動(dòng)目標(biāo)經(jīng)緯度。串口發(fā)送“AT+CIPGSMLOC=1，1”，模塊通過通訊基站獲取位置信息，然后通過Google map返回對應(yīng)經(jīng)緯度，測試結(jié)果表明定位基本精確，能很好完成對動(dòng)車的定位跟蹤。

（3）測試模塊延時(shí)性。編輯5 byte和1024 byte的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸延遲實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在網(wǎng)絡(luò)繁忙和數(shù)據(jù)量發(fā)送較大時(shí)，數(shù)據(jù)延遲時(shí)間為5s左右。

（4）Z網(wǎng)絡(luò)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測軟件，實(shí)現(xiàn)對溫度，光照和煙霧的正常監(jiān)測，監(jiān)測圖如圖1所示。

圖1 上位機(jī)軟件監(jiān)測

本部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比早期的GSM技術(shù)，4G技術(shù)具有信號(hào)穩(wěn)定、延時(shí)性小、通信質(zhì)量可靠、數(shù)據(jù)傳輸速率高、獲取位置信息精準(zhǔn)等特點(diǎn)，并且在電腦端研發(fā)的上位機(jī)監(jiān)測軟件良好地在異地遠(yuǎn)端實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的監(jiān)測。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)、4G技術(shù)，對系統(tǒng)涉及的軟件部分、硬件部分進(jìn)行詳細(xì)介紹，并描述軟件流程的開發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對運(yùn)動(dòng)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控和定位跟蹤功能的應(yīng)用設(shè)計(jì)，巧妙利用Zig－Bee技術(shù)與4G技術(shù)之間長處進(jìn)行互補(bǔ)組合，在一定程度上提高了傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)的智能化水平，具有較強(qiáng)的可操作性和現(xiàn)實(shí)意義。