基于ZigBee和3G的遠程監測系統設計

洪澤才 陳世豪

摘要：遠程監測系統指以計算機技術為基礎，以傳感器為媒介，對數據進行采集及分析，進而實現對一定環境下物體運行情況的監測的系統。文章簡要介紹了 ZigBee和3G技術，強調了將兩者應用到遠程監測系統設計中的重要性。基于此，文章主要從系統硬件、結構等方面，闡述了系統的設計方案。并通過系統性能測試的途徑，證實了系統的應用價值。

關鍵詞：ZigBee； 3G技術；遠程監測系統

計算機及信息化技術水平的提高，為遠程監測系統的設計奠定了技術基礎。在各領域運行環境的復雜性逐漸提升的今天，遠程監測系統，已被應用到了生產及管理等各個領域。系統的性能如何，取決于設計技術是否合理。實踐經驗發現，將ZigBee和3G技術，應用到遠程監測系統的設計中，效果較好。可見，以ZigBee和3G技術為基礎，闡述系統的優化設計方案較為重要。

1 ZigBee和3G技術

1.1 ZigBee 技術

ZigBee技術與藍牙，WiFi，超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術，并稱為當前的4大無線通信技術。ZigBee技術的設計標準為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技術相比，覆蓋范圍更廣。該技術的傳輸速率為250 kbps，具有較強的抗干擾能力。在提高通信速率與通信質量方面，具有較高的應用價值。

1.2 3G技術

第三代移動通信技術（3rd Generation，3G），為蜂窩移動通信技術的一種。與1G及2G技術相比，數據傳輸速率更高（144 kbps）[2]。目前，3G技術的應用已經普及。該技術的應用，使得各領域的通信質量，得到了明顯的提升。遠程監測系統需依靠可靠的通信技術而實現，鑒于ZigBee和3G技術的優勢，將兩者共同應用到系統的設計過程中，具有較強的可行性。

2 基于ZigBee和3G的遠程監測系統的設計方案

2.1 硬件設計

以ZigBee和3G為基礎所設計的遠程監測系統，以芯片為主要硬件。本課題所設計的系統，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。為確保遠程監控數據，能夠以圖像的形式體現，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。可見，與傳統芯片相比，CC2530在性能方面，具有明顯的優勢。因此，將其應用到遠程監測系統的設計過程中，可行性較強。

2.2 系統結構設計

2.2.1 傳感器參數設計

本課題所設計的遠程監測系統，需依賴傳感器獲取被監控物的運行信息。因此，系統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，電壓3?5 V，電流10 mA。實踐證實，將該傳感器應用到數據采集過程中，溫度誤差為±0.4℃。該誤差較小，對遠程監測系統性能的提高，具有積極意義。

2.2.2 轉換電路設計

以ZigBee和3G為基礎所設計的遠程監測系統，串口型號為RS-232型。經串口所傳輸的數據，需被3G-DTU模塊所接收，以便于監控系統終端對數據進行儲存及分析。CC2530無線單片機的工作電壓較廣，可在一定程度上降低系統運行對功率的消耗量。因此，設計轉換電路時，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，應用優勢顯著。為確保數據的采集、傳輸及分析能夠實現。設計時，應將電路與芯片相連接，將91.7-RXD作為連接對象，提高遠程監測系統的設計水平。

2.2.3 3G-DUT模塊設計

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

2.2.4 電源管理設計

遠程監測系統的應用范圍較廣，監測面積往往較大。因此，為提高數據采集的完整性，有必要增加傳感器的節點數量。傳感器數量增加后，電源持續供應的難度，將有所加大。可見，有必要對電源管理模塊進行優化設計。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點的電流。設計人員可將遠程監測系統的各項數據，代入到上述公式中，計算出系統設計所需要的電源參數。

3 遠程監測系統開發與性能測試

3.1 遠程監測系統的開發

3.1.1 數據檢測中心軟件的設計

本課題所設計的數據檢測中心軟件，由數據庫、虛擬串口、開放式數據庫互連（Open Database Connectivity，ODBC）驅動所構成，三者均屬于匯聚節點中的內容。上述軟件中，數據庫需以MYSQL語言進行設計，虛擬串口軟件型號，以USR-VCOM為主。將遠程監測系統應用到相關領域后，傳感器的匯聚節點，可立即采集相關數據。并將數據經USR-VCOM串口，傳輸至上位機程序中。上位機接收數據后，則可經ODBC驅動，將數據最終傳遞至系統終端，確保監測人員，能夠對數據進行觀察，判斷被監測物有無異常。

3.1.2 上位機程序設計及運行

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

3.1.3 Web系統設計

遠程監測系統中的Web系統，由“用戶登錄”“系統簡介”“節點數據”“數據圖形”“歷史數據”等模塊構成。其中，“節點數據”“數據圖形”“歷史數據”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后，可點擊“歷史數據”模塊，進入到“數據查詢”或“數據修改”中。此時，系統則可立即調取數據庫中的歷史資料，并將其呈現在終端中。如需要，用戶可點擊“導出數據”鍵，將數據以EXCEL表格，或圖片的形式導出。

3.2 系統性能測試及結果

本部分采用仿真實驗，對以ZigBee和3G為基礎所設計的遠程監測系統的性能進行了測試。測試方案及結果如下。

3.2.1 測試方案

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

3.2.2 測試結果

丟包率為通信行業用于判斷通信質量的主要指標，為判斷以ZigBee與3G技術為基礎所設計的遠程監測系統的通信質量，是否能夠滿足監測需求。本課題對系統應用前后的丟包率進行了對比。通過對測試結果的觀察發現：

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

4 結語

綜上所述，將ZigBee與3G技術，應用到遠程監測系統的設計中。有助于提高系統的數據傳輸速率、提高數據通信質量。以農業及工業為代表的各行業，可考慮在利用ZigBee與3G技術的基礎上，設計系統傳感器及芯片等硬件。在此基礎上，視自身的需求，優化設計轉換電路、3G-DUT模塊及電源模塊。最終達到增強系統性能、提高遠程監測系統的可靠性的目的。

[參考文獻]

[1]金鷹.基于ZigBee的智能變電站熱點溫度遠程監測系統研究[J].中小企業管理與科技，2018（3）：191-192.

[2]張子紅，秦淑香，馮進玫.基于ZigBee技術和GPRS的高壓電網設備遠程在線監測系統[J].黑龍江電力，2016（2）：155-160.

[3]張冰川，劉雪巖，齊冀.基于3G和ZigBee技術的居民住宅供暖溫度遠程監測系統設計[J].長春理工大學學報（自然科學版），2014（1）：129-133.