基于ZigBee-4G技术的运动环境远程监控及定位系统设计

马顺

（安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院，安徽合肥 233088）

0 引言

随着科技日新月异[1]，高科技产品不断普及，智能家居、智能楼宇等监控应用应运而生。传统监控系统一般通过本地组网对环境进行监控，利用有线网络将环境监控数据连接进互联网络，搭建异地远程监控网络系统。由于传统监控系统只对固定环境进行监控，一旦环境进行空间移动，就无法使用传统技术实现相同功能。

为了解决对运动环境监控和定位问题，本文采用物联网中具有自组网、能耗少、短距离、低成本[2]等特点的ZigBee技术组建环境采集网络，实现对运动环境进行实时监控，位置信息利用4G技术获取，实现对运动环境的定位。两类信息在智能网关汇聚，通过4G技术高速传输至远端的PC机，最终实现对运动环境监控及定位功能，从而构建一种基于ZigBee-4G技术的运动环境远程监控和定位系统。

1 系统结构

本系统结合ZigBee技术局部组网和成熟的4G技术远传优势，针对运动环境监控和定位问题提出一套有效的无线远程通信解决方案。在环境监控部分，本系统采用一种基于IEEE802.15.4协议的ZigBee网络（以下简称Z网络）通信技术，目标监控环境网络中有众多无线传感器节点，系统采用树型拓扑，Z网络内数据均为无线传输，所有节点无须布线，解决了人工布线工程量大，成本高，监控区域受限等问题。运动环境范围内布置多种采集传感器，采集PM2.5，温湿度，烟雾等环境因素，Z网络内采集的环境数据经路由器转发在嵌入式网关汇集。

在远程传输和定位部分，集成4G模块的嵌入式网关对Z网络数据进行存储和转发，通过4G模块发送标准AT命令从通信卫星获取实时经纬度确定运动环境的位置。在远端利用上位机软件对数据进行分析处理，发现异常情况及时反馈处理，最终完成对运动环境的监控和定位跟踪。

2 硬件设计

2.1 网关设计

网关作为终端节点与服务器间的联系纽带，有着非常重要作用[3]。本设计选择STC系列STC12C5A60S2单片机扮演主控制器角色，该单片机具备快速度、功耗低、抗干扰能力强的特点。控制器模块、电源模块、4G模块、Z模块（以下简称Z模块）、LED模块和报警模块等主要核心组件构成该网关的硬件电路，嵌入式网关通过UART串口可拓展外设，外接Z模块和4G模块，分别作为Z网络组网的协调器和信息交互的设备。嵌入式网关具备以下主要功能：①集成Z模块作为协调器进行Z网络组建，然后与网关进行信息交互；②4G网络协议与ZigBee协议间数据的转换功能；③数据到网关的汇集和通过4G模块与远程交互；④对异常环境情况进行报警，以及在LED上动态显示环境信息。

2.2 Z模块设计

本采集系统选择TI公司SOC芯片CC2530作为终端模块节点的核心主控芯片。该主控芯片优点是具备集成度高、性能高的收发器，并且具有8051微处理器，且成本低廉、性能优异[4]。Z模块内嵌协议栈，是ZigBee联盟认证的应用开发标准平台[5]。在Z网络中有协调器，路由器和终端设备三种逻辑设备类型，Z模块带有串口，可在PC端对模块进行参数配置来定义设备类型。本系统模拟监控运动的动车环境，在每节车厢布控多个Z模块，再经路由器转发到协调器，传输距离要求在200m左右，由于树型拓扑适合多点终端和距离相对较近的应用，故本系统采用树状网络拓扑。Z模块硬件主要由4部分组成：数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块、电源模块。

2.3 4G模块设计

本设计采用4G模块为RELINK的IM506-P无线模块，采用工业级标准接口52Pin-PCIE接口，同时支持4GPP TS 27.007标准AT命令及扩展命令，接收灵敏度小于-107dB。IM506-P模块不仅支持内置嵌入式TCP/IP协议栈，还支持MMS，特别个人定位跟踪服务、无线POS机等各类M2M应用。IM506-P模块功能主要包括：电源管理、存储器、射频模块、接口部分。

3 软件设计

远程上位机监控系统基于微软公司Windows 10操作系统环境下开发，界面设计编程工具采用Visaul C++6.0，后台数据库采用基于Windows平台的数据库管理系统SQL Server 2000。

在4G模块软件设计部分，由于TCP协议具有面向连接的、可靠的优点，因此选择TCP协议。并且有ASCII、二进制两种传输模式供选择，功能需求可以通过配置demo程序中的4G.h来满足。本设计4G模块IM506-P使用完备的AT命令集，此命令集能很好地完成设备配置调试、4G网络组建以及执行命令等操作。ZigBee开发环境基于TI公司的Zstack协议栈，开发工具采用IAR Embedded Workbench，本系统采用 ZStack-CC2530，IAR Embedded Workbench for 7.60版本，下载工具采用SmartRF Flash Programmer。

4 实验

实验准备：实验模拟在CRH5型动车组运动环境中，每列8节编组，每节车厢25m。嵌入式网关设在动车组中间部分，每节车厢布置一个路由器及若干终端设备。实验设备主要有以下：普通Z模块5个，CC2530+CC2591（PA）核心板增强型Z模块5个，仿真器1个，4G模块2个，嵌入式网关1个，电脑1台，温度传感器1个，光强传感器1个，烟雾传感器1个。

4.1 Z网络误包率、信号强度实验

考虑现实环境中有障碍物，为模拟车厢环境，分别用普通模块和增强型模块组建Z网络后，在室内发送数据，室外接收数据。用于信号传输质量检测的源代码，采用TI公司提供的per_test.eww程序，用来计算误包率PER值和实验数据包的接收信号强度指示平均RSSI值。组建环境监控网络完成后，随机选择一个Z采集模块进行测试，在电脑中安装测试软件，移动协调器进行实验，实验证明，相比普通Z模块组网，采用具有性能更强的增强型Z模块组网，在预定范围内信号更强，同时误包率控制在7%以内，能很好完成数据从Z网络到网关的传输。

4.2 4G网络性能测试和上位机监测软件功能实验

成功搭建Z网络和4G网络，4G模块通过串口连接TCP&UDP测试工具进行测试，分别将2块IM506-P 4G模块和TCP&UDP测试工具通过串口连接PC进行相应配置、初始化后，分别对4G模块的信号强度、定位功能、延时性能以及上位机监测软件进行测试，实验结果如下：

（1）模块信号强度实验。打开串口编辑“AT+CSQ”并点击发送，然后接收到“+CSQ：29，0 OK”，表明 4G网络信号很好，误码率为0。

（2）测试获取移动目标经纬度。串口发送“AT+CIPGSMLOC=1，1”，模块通过通讯基站获取位置信息，然后通过Google map返回对应经纬度，测试结果表明定位基本精确，能很好完成对动车的定位跟踪。

（3）测试模块延时性。编辑5 byte和1024 byte的数据进行传输延迟实验，实验结果显示在网络繁忙和数据量发送较大时，数据延迟时间为5s左右。

（4）Z网络采集的环境数据经4G网络传输到监测软件，实现对温度，光照和烟雾的正常监测，监测图如图1所示。

图1 上位机软件监测

本部分实验结果表明，相比早期的GSM技术，4G技术具有信号稳定、延时性小、通信质量可靠、数据传输速率高、获取位置信息精准等特点，并且在电脑端研发的上位机监测软件良好地在异地远端实现对环境的监测。

5 结语

本系统基于ZigBee技术、4G技术，对系统涉及的软件部分、硬件部分进行详细介绍，并描述软件流程的开发设计，实现了对运动环境的远程监控和定位跟踪功能的应用设计，巧妙利用Zig－Bee技术与4G技术之间长处进行互补组合，在一定程度上提高了传统智能家居系统的智能化水平，具有较强的可操作性和现实意义。