基于ZigBee-4G技術的運動環境遠程監控及定位系統設計

馬順

（安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院，安徽合肥 233088）

0 引言

隨著科技日新月異[1]，高科技產品不斷普及，智能家居、智能樓宇等監控應用應運而生。傳統監控系統一般通過本地組網對環境進行監控，利用有線網絡將環境監控數據連接進互聯網絡，搭建異地遠程監控網絡系統。由于傳統監控系統只對固定環境進行監控，一旦環境進行空間移動，就無法使用傳統技術實現相同功能。

為了解決對運動環境監控和定位問題，本文采用物聯網中具有自組網、能耗少、短距離、低成本[2]等特點的ZigBee技術組建環境采集網絡，實現對運動環境進行實時監控，位置信息利用4G技術獲取，實現對運動環境的定位。兩類信息在智能網關匯聚，通過4G技術高速傳輸至遠端的PC機，最終實現對運動環境監控及定位功能，從而構建一種基于ZigBee-4G技術的運動環境遠程監控和定位系統。

1 系統結構

本系統結合ZigBee技術局部組網和成熟的4G技術遠傳優勢，針對運動環境監控和定位問題提出一套有效的無線遠程通信解決方案。在環境監控部分，本系統采用一種基于IEEE802.15.4協議的ZigBee網絡（以下簡稱Z網絡）通信技術，目標監控環境網絡中有眾多無線傳感器節點，系統采用樹型拓撲，Z網絡內數據均為無線傳輸，所有節點無須布線，解決了人工布線工程量大，成本高，監控區域受限等問題。運動環境范圍內布置多種采集傳感器，采集PM2.5，溫濕度，煙霧等環境因素，Z網絡內采集的環境數據經路由器轉發在嵌入式網關匯集。

在遠程傳輸和定位部分，集成4G模塊的嵌入式網關對Z網絡數據進行存儲和轉發，通過4G模塊發送標準AT命令從通信衛星獲取實時經緯度確定運動環境的位置。在遠端利用上位機軟件對數據進行分析處理，發現異常情況及時反饋處理，最終完成對運動環境的監控和定位跟蹤。

2 硬件設計

2.1 網關設計

網關作為終端節點與服務器間的聯系紐帶，有著非常重要作用[3]。本設計選擇STC系列STC12C5A60S2單片機扮演主控制器角色，該單片機具備快速度、功耗低、抗干擾能力強的特點。控制器模塊、電源模塊、4G模塊、Z模塊（以下簡稱Z模塊）、LED模塊和報警模塊等主要核心組件構成該網關的硬件電路，嵌入式網關通過UART串口可拓展外設，外接Z模塊和4G模塊，分別作為Z網絡組網的協調器和信息交互的設備。嵌入式網關具備以下主要功能：①集成Z模塊作為協調器進行Z網絡組建，然后與網關進行信息交互；②4G網絡協議與ZigBee協議間數據的轉換功能；③數據到網關的匯集和通過4G模塊與遠程交互；④對異常環境情況進行報警，以及在LED上動態顯示環境信息。

2.2 Z模塊設計

本采集系統選擇TI公司SOC芯片CC2530作為終端模塊節點的核心主控芯片。該主控芯片優點是具備集成度高、性能高的收發器，并且具有8051微處理器，且成本低廉、性能優異[4]。Z模塊內嵌協議棧，是ZigBee聯盟認證的應用開發標準平臺[5]。在Z網絡中有協調器，路由器和終端設備三種邏輯設備類型，Z模塊帶有串口，可在PC端對模塊進行參數配置來定義設備類型。本系統模擬監控運動的動車環境，在每節車廂布控多個Z模塊，再經路由器轉發到協調器，傳輸距離要求在200m左右，由于樹型拓撲適合多點終端和距離相對較近的應用，故本系統采用樹狀網絡拓撲。Z模塊硬件主要由4部分組成：數據采集模塊、數據處理模塊、無線通信模塊、電源模塊。

2.3 4G模塊設計

本設計采用4G模塊為RELINK的IM506-P無線模塊，采用工業級標準接口52Pin-PCIE接口，同時支持4GPP TS 27.007標準AT命令及擴展命令，接收靈敏度小于-107dB。IM506-P模塊不僅支持內置嵌入式TCP/IP協議棧，還支持MMS，特別個人定位跟蹤服務、無線POS機等各類M2M應用。IM506-P模塊功能主要包括：電源管理、存儲器、射頻模塊、接口部分。

3 軟件設計

遠程上位機監控系統基于微軟公司Windows 10操作系統環境下開發，界面設計編程工具采用Visaul C++6.0，后臺數據庫采用基于Windows平臺的數據庫管理系統SQL Server 2000。

在4G模塊軟件設計部分，由于TCP協議具有面向連接的、可靠的優點，因此選擇TCP協議。并且有ASCII、二進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。本設計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備配置調試、4G網絡組建以及執行命令等操作。ZigBee開發環境基于TI公司的Zstack協議棧，開發工具采用IAR Embedded Workbench，本系統采用 ZStack-CC2530，IAR Embedded Workbench for 7.60版本，下載工具采用SmartRF Flash Programmer。

4 實驗

實驗準備：實驗模擬在CRH5型動車組運動環境中，每列8節編組，每節車廂25m。嵌入式網關設在動車組中間部分，每節車廂布置一個路由器及若干終端設備。實驗設備主要有以下：普通Z模塊5個，CC2530+CC2591（PA）核心板增強型Z模塊5個，仿真器1個，4G模塊2個，嵌入式網關1個，電腦1臺，溫度傳感器1個，光強傳感器1個，煙霧傳感器1個。

4.1 Z網絡誤包率、信號強度實驗

考慮現實環境中有障礙物，為模擬車廂環境，分別用普通模塊和增強型模塊組建Z網絡后，在室內發送數據，室外接收數據。用于信號傳輸質量檢測的源代碼，采用TI公司提供的per_test.eww程序，用來計算誤包率PER值和實驗數據包的接收信號強度指示平均RSSI值。組建環境監控網絡完成后，隨機選擇一個Z采集模塊進行測試，在電腦中安裝測試軟件，移動協調器進行實驗，實驗證明，相比普通Z模塊組網，采用具有性能更強的增強型Z模塊組網，在預定范圍內信號更強，同時誤包率控制在7%以內，能很好完成數據從Z網絡到網關的傳輸。

4.2 4G網絡性能測試和上位機監測軟件功能實驗

成功搭建Z網絡和4G網絡，4G模塊通過串口連接TCP&UDP測試工具進行測試，分別將2塊IM506-P 4G模塊和TCP&UDP測試工具通過串口連接PC進行相應配置、初始化后，分別對4G模塊的信號強度、定位功能、延時性能以及上位機監測軟件進行測試，實驗結果如下：

（1）模塊信號強度實驗。打開串口編輯“AT+CSQ”并點擊發送，然后接收到“+CSQ：29，0 OK”，表明 4G網絡信號很好，誤碼率為0。

（2）測試獲取移動目標經緯度。串口發送“AT+CIPGSMLOC=1，1”，模塊通過通訊基站獲取位置信息，然后通過Google map返回對應經緯度，測試結果表明定位基本精確，能很好完成對動車的定位跟蹤。

（3）測試模塊延時性。編輯5 byte和1024 byte的數據進行傳輸延遲實驗，實驗結果顯示在網絡繁忙和數據量發送較大時，數據延遲時間為5s左右。

（4）Z網絡采集的環境數據經4G網絡傳輸到監測軟件，實現對溫度，光照和煙霧的正常監測，監測圖如圖1所示。

圖1 上位機軟件監測

本部分實驗結果表明，相比早期的GSM技術，4G技術具有信號穩定、延時性小、通信質量可靠、數據傳輸速率高、獲取位置信息精準等特點，并且在電腦端研發的上位機監測軟件良好地在異地遠端實現對環境的監測。

5 結語

本系統基于ZigBee技術、4G技術，對系統涉及的軟件部分、硬件部分進行詳細介紹，并描述軟件流程的開發設計，實現了對運動環境的遠程監控和定位跟蹤功能的應用設計，巧妙利用Zig－Bee技術與4G技術之間長處進行互補組合，在一定程度上提高了傳統智能家居系統的智能化水平，具有較強的可操作性和現實意義。