基于ZigBee和3G的遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

洪澤才 陳世豪

摘要：遠程監(jiān)測系統(tǒng)指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，以傳感器為媒介，對數(shù)據(jù)進行采集及分析，進而實現(xiàn)對一定環(huán)境下物體運行情況的監(jiān)測的系統(tǒng)。文章簡要介紹了 ZigBee和3G技術(shù)，強調(diào)了將兩者應用到遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中的重要性。基于此，文章主要從系統(tǒng)硬件、結(jié)構(gòu)等方面，闡述了系統(tǒng)的設(shè)計方案。并通過系統(tǒng)性能測試的途徑，證實了系統(tǒng)的應用價值。

關(guān)鍵詞：ZigBee； 3G技術(shù)；遠程監(jiān)測系統(tǒng)

計算機及信息化技術(shù)水平的提高，為遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。在各領(lǐng)域運行環(huán)境的復雜性逐漸提升的今天，遠程監(jiān)測系統(tǒng)，已被應用到了生產(chǎn)及管理等各個領(lǐng)域。系統(tǒng)的性能如何，取決于設(shè)計技術(shù)是否合理。實踐經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，將ZigBee和3G技術(shù)，應用到遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，效果較好。可見，以ZigBee和3G技術(shù)為基礎(chǔ)，闡述系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方案較為重要。

1 ZigBee和3G技術(shù)

1.1 ZigBee 技術(shù)

ZigBee技術(shù)與藍牙，WiFi，超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)，并稱為當前的4大無線通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)的設(shè)計標準為IEEE 802.15.4，頻段包括2.4 GHz，868 MHz及915 MHz 3種，涵蓋范圍較廣[1]。將其應用到無線通信過程中，覆蓋范圍最高可達200 m，較藍牙、WiFi及UWB技術(shù)相比，覆蓋范圍更廣。該技術(shù)的傳輸速率為250 kbps，具有較強的抗干擾能力。在提高通信速率與通信質(zhì)量方面，具有較高的應用價值。

1.2 3G技術(shù)

第三代移動通信技術(shù)（3rd Generation，3G），為蜂窩移動通信技術(shù)的一種。與1G及2G技術(shù)相比，數(shù)據(jù)傳輸速率更高（144 kbps）[2]。目前，3G技術(shù)的應用已經(jīng)普及。該技術(shù)的應用，使得各領(lǐng)域的通信質(zhì)量，得到了明顯的提升。遠程監(jiān)測系統(tǒng)需依靠可靠的通信技術(shù)而實現(xiàn)，鑒于ZigBee和3G技術(shù)的優(yōu)勢，將兩者共同應用到系統(tǒng)的設(shè)計過程中，具有較強的可行性。

2 基于ZigBee和3G的遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案

2.1 硬件設(shè)計

以ZigBee和3G為基礎(chǔ)所設(shè)計的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，以芯片為主要硬件。本課題所設(shè)計的系統(tǒng)，芯片以CC2530無線單片機為主，MCU型號為8051型，編程語言為C51，可有效滿足通信功能。為確保遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)，能夠以圖像的形式體現(xiàn)，本課題同樣為無線單片機配備了Flash，型號為：CC2530F32/64/128/256。該芯片的運行所能夠接受的電壓范圍較廣，2?3.6 V電壓均能夠達到芯片的運行要求?？梢?，與傳統(tǒng)芯片相比，CC2530在性能方面，具有明顯的優(yōu)勢。因此，將其應用到遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計過程中，可行性較強。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 傳感器參數(shù)設(shè)計

本課題所設(shè)計的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，需依賴傳感器獲取被監(jiān)控物的運行信息。因此，系統(tǒng)的性能很大程度上取決于傳感器的性能。市場中常見的傳感器類型較多，傳感器的功能，為其主要劃分標準[3]。本課題所應用的傳感器，以溫度傳感器為主，具有普遍適用性。傳感器參數(shù)有以下3種：（1）型號，SMS-II-50；（2）量程，最低溫度為0 ℃，最高溫度為100%；（3）運行參數(shù)，電壓3?5 V，電流10 mA。實踐證實，將該傳感器應用到數(shù)據(jù)采集過程中，溫度誤差為±0.4℃。該誤差較小，對遠程監(jiān)測系統(tǒng)性能的提高，具有積極意義。

2.2.2 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

以ZigBee和3G為基礎(chǔ)所設(shè)計的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，串口型號為RS-232型。經(jīng)串口所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，需被3G-DTU模塊所接收，以便于監(jiān)控系統(tǒng)終端對數(shù)據(jù)進行儲存及分析。CC2530無線單片機的工作電壓較廣，可在一定程度上降低系統(tǒng)運行對功率的消耗量。因此，設(shè)計轉(zhuǎn)換電路時，將其消耗電流控制為1 μA既可。RS-232型串口的傳輸速率，一般為235 kbps，傳輸速率較高，應用優(yōu)勢顯著。為確保數(shù)據(jù)的采集、傳輸及分析能夠?qū)崿F(xiàn)。設(shè)計時，應將電路與芯片相連接，將91.7-RXD作為連接對象，提高遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計水平。

2.2.3 3G-DUT模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)傳輸裝置（Data Transfer Unit， DTU）為無線通信終端的一種，將其應用到遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，是確保3G通信能夠被用于遠程信息監(jiān)測的關(guān)鍵。近些年來，隨著遠程監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)量的不斷加大，傳統(tǒng)通信終端已經(jīng)明顯難以滿足通信需求。將DUT應用到通信過程中，可有效提高數(shù)據(jù)承載量，解決數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量差及效率低的問題。本課題所設(shè)計的3G-DUT模塊，型號為USR-G760C型。數(shù)據(jù)傳輸時，Revision A以及其他數(shù)據(jù)的接入速度，均能夠得到保證。

2.2.4 電源管理設(shè)計

遠程監(jiān)測系統(tǒng)的應用范圍較廣，監(jiān)測面積往往較大。因此，為提高數(shù)據(jù)采集的完整性，有必要增加傳感器的節(jié)點數(shù)量。傳感器數(shù)量增加后，電源持續(xù)供應的難度，將有所加大。可見，有必要對電源管理模塊進行優(yōu)化設(shè)計。電源管理模塊的電阻、電壓計算公式如下。

電阻計算公式：

電壓計算公式：

上述公式中，I代表電阻、V代表電壓、R代表電流。R1，R2等，分別代表傳感器不同節(jié)點的電流。設(shè)計人員可將遠程監(jiān)測系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)，代入到上述公式中，計算出系統(tǒng)設(shè)計所需要的電源參數(shù)。

3 遠程監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與性能測試

3.1 遠程監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

3.1.1 數(shù)據(jù)檢測中心軟件的設(shè)計

本課題所設(shè)計的數(shù)據(jù)檢測中心軟件，由數(shù)據(jù)庫、虛擬串口、開放式數(shù)據(jù)庫互連（Open Database Connectivity，ODBC）驅(qū)動所構(gòu)成，三者均屬于匯聚節(jié)點中的內(nèi)容。上述軟件中，數(shù)據(jù)庫需以MYSQL語言進行設(shè)計，虛擬串口軟件型號，以USR-VCOM為主。將遠程監(jiān)測系統(tǒng)應用到相關(guān)領(lǐng)域后，傳感器的匯聚節(jié)點，可立即采集相關(guān)數(shù)據(jù)。并將數(shù)據(jù)經(jīng)USR-VCOM串口，傳輸至上位機程序中。上位機接收數(shù)據(jù)后，則可經(jīng)ODBC驅(qū)動，將數(shù)據(jù)最終傳遞至系統(tǒng)終端，確保監(jiān)測人員，能夠?qū)?shù)據(jù)進行觀察，判斷被監(jiān)測物有無異常。

3.1.2 上位機程序設(shè)計及運行

基于ZigBee和3G的上位機程序，應以Microsoft Visual Basic 6.0軟件為基礎(chǔ)進行設(shè)計。為避免系統(tǒng)功能存在異常，可采用MSComm控件，實現(xiàn)對系統(tǒng)功能的控制。上位機運行流程如下：（1）配置上位機串口參數(shù)，確保參數(shù)無誤后，觀察串口是否打開。如未打開，應重新配置參數(shù)，至串口打開為止。（2）判斷傳感器是否已開始采集數(shù)據(jù)，如開始采集，則應判斷系統(tǒng)是否能夠接收到數(shù)據(jù)。（3）接收傳感器所采集的數(shù)據(jù)，并對其進行處理。

3.1.3 Web系統(tǒng)設(shè)計

遠程監(jiān)測系統(tǒng)中的Web系統(tǒng)，由“用戶登錄”“系統(tǒng)簡介”“節(jié)點數(shù)據(jù)”“數(shù)據(jù)圖形”“歷史數(shù)據(jù)”等模塊構(gòu)成。其中，“節(jié)點數(shù)據(jù)”“數(shù)據(jù)圖形”“歷史數(shù)據(jù)”模塊，為重點模塊。以后者為例，當用戶A采用用戶名+密碼的方式登錄系統(tǒng)后，可點擊“歷史數(shù)據(jù)”模塊，進入到“數(shù)據(jù)查詢”或“數(shù)據(jù)修改”中。此時，系統(tǒng)則可立即調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的歷史資料，并將其呈現(xiàn)在終端中。如需要，用戶可點擊“導出數(shù)據(jù)”鍵，將數(shù)據(jù)以EXCEL表格，或圖片的形式導出。

3.2 系統(tǒng)性能測試及結(jié)果

本部分采用仿真實驗，對以ZigBee和3G為基礎(chǔ)所設(shè)計的遠程監(jiān)測系統(tǒng)的性能進行了測試。測試方案及結(jié)果如下。

3.2.1 測試方案

本課題設(shè)計人員，采用仿真實驗的方式，對系統(tǒng)的性能進行了觀察，測試方案如下：（1）啟動仿真軟件，將遠程監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，輸入到軟件當中，建立“虛擬監(jiān)測儀器”。（2）模擬工業(yè)生產(chǎn)的流程，采用“虛擬監(jiān)測儀器”，對工業(yè)生產(chǎn)過程進行遠程監(jiān)控。（3）實時采集工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將其保存在數(shù)據(jù)庫當中。與此同時，將數(shù)據(jù)的變化狀態(tài)，以曲線圖的形式呈現(xiàn)在計算機終端中，供監(jiān)測人員觀察，進而判斷系統(tǒng)運行是否存在異常。

3.2.2 測試結(jié)果

丟包率為通信行業(yè)用于判斷通信質(zhì)量的主要指標，為判斷以ZigBee與3G技術(shù)為基礎(chǔ)所設(shè)計的遠程監(jiān)測系統(tǒng)的通信質(zhì)量，是否能夠滿足監(jiān)測需求。本課題對系統(tǒng)應用前后的丟包率進行了對比。通過對測試結(jié)果的觀察發(fā)現(xiàn)：

（1）監(jiān)測系統(tǒng)應用前：節(jié)點01的丟包率，為1.59%；節(jié)點02丟包率為3.4 7%；節(jié)點03丟包率為5.98%；節(jié)點04丟包率為9.71%。（2）系統(tǒng)應用后：本課題所設(shè)計的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，節(jié)點01的丟包率為0.51%；節(jié)點02丟包率為1.1 0%；節(jié)點03丟包率為1.84%；節(jié)點04丟包率2.58%。將兩者對比可以發(fā)現(xiàn)，與應用前相比，遠程監(jiān)測系統(tǒng)的應用，在降低丟包率方面，效果顯著，證實了系統(tǒng)的應用價值。

4 結(jié)語

綜上所述，將ZigBee與3G技術(shù)，應用到遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中。有助于提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率、提高數(shù)據(jù)通信質(zhì)量。以農(nóng)業(yè)及工業(yè)為代表的各行業(yè)，可考慮在利用ZigBee與3G技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計系統(tǒng)傳感器及芯片等硬件。在此基礎(chǔ)上，視自身的需求，優(yōu)化設(shè)計轉(zhuǎn)換電路、3G-DUT模塊及電源模塊。最終達到增強系統(tǒng)性能、提高遠程監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性的目的。

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