一種基于5G的可變頻率監控數據處理終端

鄭力明，田曉波

（中國人民武裝警察部隊警官學院信息通信系，四川 成都 610213）

自20世紀80年代傳入我國以來，監控技術經歷了模擬監控、數字監控及網絡監控3個主要階段[1]。隨著計算機技術與通信技術的不斷發展，監控技術逐漸廣泛應用于社會生產生活的各個領域。監控過程中產生海量監控數據，這些數據需要進行實時采集、傳輸、存儲、分析及顯示等操作。現有數據處理過程中，監控數據處理終端的通信頻段一經選擇不可再次更改，即當通信情況發生改變時系統無法自動切換使用頻段。上述問題的存在阻礙了數據傳輸帶寬的優化，從而影響監控數據的快速傳輸及處理。

針對上述存在的問題，設計了一種基于5G的監控數據處理終端，為監控數據傳輸提供穩定高質量的通信環境，利用5G雙頻模塊優勢，自適應選擇高質量通信頻段，確保終端能夠隨時接入和處理監控數據，解決當前存在的數據傳輸帶寬優化及數據快速處理問題。

1 總體技術方案

WIFI全稱是Wireless Fidelity，是一種能夠將手機、手持設備、個人電腦等終端以無線的方式連接至互聯網的技術，其核心是無線保真技術，主要用于移動設備接入無線局域網。日常生活中，常常把IEEE 802.11與WIFI混為一談。實際上，IEEE 802.11是根據WIFI技術制定的一個標準集合，包括介質訪問接入控制層和物理層[2]。其中，物理層定義了兩種無線調頻方式及一種紅外傳輸方式，它們工作在2.4 GHz的ISM頻段上，總數據傳輸速率是2 Mb/s。經過無線技術的不斷發展，IEEE 802.11又增加了IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac 5個版本[3]。

IEEE 802.11a和IEEE 802.11b都是在1999年發布的，其定義的工作頻段分別是5 GHz和2.4 GHz，理論上速率可達到54 Mbps和11 Mbps。IEEE 802.11g是對802.11b的提速升級版，工作頻段仍是2.4 GHz，速率從11 Mbps提升到54 Mbps。IEEE 802.11n于2009年發布，通過該技術實現了無線局域網性能向以太網性能水平的提升[4]，工作頻段包含2.4 GHz和5G Hz，速率達到 600 Mbps。IEEE 802.11ac發布于2012年，是IEEE 802.11a的提速升級版，工作頻段為5 GHz，理論速率突破1 GHz。

無線信號工作頻段不同，其可用帶寬和傳輸速率都不同，而民用設備使用頻段是由國家無線電頻譜管理中心規定的。2.4 GHz及5 GHz是目前無線局域網內常用的通信頻段。2.4 GHz頻段優點是頻段室內環境中抗衰減能力強，穿墻能力不錯，可覆蓋范圍為100 m。缺點是許多其他設備用的都是2.4 GHz頻段，比如藍牙、Zigbee無線等，會與WIFI擠占通信帶寬，造成通信速率的波動。

5 GHz頻段優點是抗干擾能力強，能夠提供更大的通信帶寬，數據吞吐率高，擴展性強[5]。缺點是穿墻能力較弱，覆蓋范圍較小，障礙物對5 GHz信號產生的衰減比2.4 GHz信號更大。

5G雙頻模塊結合了兩種頻段的優點，確保同一設備可同時使用5 GHz和2.4 GHz兩個頻段，可實現選擇通信情況較好的頻段進行通信。但是一旦選擇通信頻段，通信情況改變后不能自動切換使用頻段[6]。尤其是當監控數據傳輸對速率和吞吐量的要求較高時，普通設備難以滿足要求。

在監控數據處理終端的研究領域，近些年來誕生了一批研究成果，例如，曹學自等人[7]針對目前機械式播種機性能的不足，設計了一款智能精密播種機及其監控系統；萬玉龍等人[8]研究了冷鏈物流車輛狀態遠程監控終端的功能需求；武風波等人[9]設計了一種井下環境監測系統并實現對于井下工作環境狀況的實時監測；雷文靜等人[10]針對市場對小型化、嵌入式、大場景視頻監控的需求，設計一種基于FPGA的多路視頻網絡監控系統；馬景祥等人[11]研究開發了一個基于Android系統的遠程多人監控智能家居系統；袁練等人[12]研發了以一種形成狀態、數據、監控、管理于一體的手機端遠程監控系統，有效地實現了現場控制狀態數據的遠距離實時查看；金秀如等人[13]研究了一種多分量地震監測系統AETA；王大鵬等人[14]設計并實現一種數值預報業務系統移動監控平臺；石怡[15]設計了一種采用B/S模式應用于.NET平臺的小區雨水收集監控系統；劉升護等人[16]通過分析實時遙測數據處理系統的原理和結構，設計了一套新型的多冗余遙測數據處理系統。

上述成果在一定程度上提高了監控數據處理的效率和準確性，然而并沒有從根本上解決前文所述通信頻段自動切換的問題。

1.1 總體框架

所設計的監控數據處理終端，其硬件部分主要包括：中央處理器、內存儲器、外存儲器、網絡接口、音頻接口、USB接口、串行接口、顯示控制模塊、雙頻控制模塊、操作面板、電源模塊、5G雙頻模塊等。軟件部分包括：系統架構、硬件驅動、應用層軟件及服務。

圖1給出了系統原理框圖。電力子系統主要由聚合物電池、充電電路及電源管理模塊組成。驅動模塊、顯示面板及電容觸摸屏組成顯示子系統，并通過綜合數據線與顯示控制模塊相連。主板包含CPU、存儲器、網絡接口、USB接口、音頻接口及雙頻控制模塊，雙頻控制模塊的控制對象是5G雙頻模塊，包含一根2.4 GHz 5 dB增益天線和一根5 GHz 5 dB增益天線。

圖1 監控數據處理終端原理框圖

1.2 系統工作原理

雙頻控制模塊主要實現5G及2.4G切換的邏輯控制功能，并實現接口轉換電路的初始化、控制接口電路的狀態轉化、MCU芯片的上電、調整5G雙頻模塊通信參數等。在該終端中，雙頻控制模塊的MCU芯片為EFM32G222F128-QFP48單片機，主要是控制5G雙頻模塊進行頻率自適應選擇。此外，單片機將所接收的信號傳輸至主機，協助相應軟件實現功能。

當主機啟動后，單片機能夠自動搜索覆蓋范圍內最強的信號，如果接入已有網絡，則需要軟件發送入網許可信息，如果通過其他終端入網，則與附近信號最強的終端建立連接，首先使用5 GHz頻率。當傳輸誤碼率大于所設定門限時，雙頻控制模塊立刻切斷5 GHz通路，并將頻率改為2.4 GHz，重新建立連接。設備在發送數據時，選擇最優化的鏈路方案進行通信。圖2描述了系統數據傳輸流程。

圖2 系統數據傳輸流程

通信過程：1）發起過程：通信發起終端首先搜索附近可用信號，并對信道強度進行測試，選擇信號最強的進行接入。如果接入已有的無線網絡，由使用人利用軟件輸送接入許可信息完成接入。如果最強信號是另一臺終端，則自動建立連接。2）轉接過程：如通信發起終端想要進行超物理傳輸距離的通信，則選擇覆蓋范圍內信號最強的終端建立連接。通信時，終端先與最近的終端通信，再通過其轉發至目的終端，最終達到超物理傳輸距離通信。

2 軟硬件實現方案

在監控數據處理終端總體架構的基礎上，分別進行硬件及軟件設計[17]。硬件方面，對中央處理器、內存儲器、外存儲器、雙頻控制模塊等關鍵部分進行了元器件選型方案論證；軟件方面，對系統架構、硬件驅動、應用層軟件和服務等分別進行了說明。

2.1 硬件方案

中央處理器：

方案一：處理終端的中央處理器采用Intel賽揚G4900，雙核主頻3.1 GHz。該CPU集成了Intel HD Graphics顯示核心，具有功耗低、性能穩定的特點。

方案二：處理終端的中央處理器采用AMD A8-9 600，四核主頻3.1 GHz，該CPU集成了AMD R7顯示核心，采用第七代加速處理器，兼容DDR4內存，性價比高。

方案三：處理終端的中央處理器采用AMD速龍X4 860K，四核主頻3.7 GHz。該CPU兼容FM2+主板，但本身不含顯示核心，需要獨立的GPU支持。

表1給出了3種方案的比較。由于系統需要自帶核心顯示功能的CPU，所以最終選擇方案二作為中央處理器。

表1 中央處理器方案比較

內存儲器及接口：

方案一：內存儲器采用金士頓品牌，容量為4 GB，DDR3代，主頻為1 600 MHz的內存。

方案二：內存儲器采用威剛品牌，容量為4 GB，DDR4代，主頻為2 666 MHz的內存。

方案三：內存儲器采用金士頓品牌，容量為8 GB，DDR4代，主頻為2 666 MHz的內存。

表2給出了3種方案的比較。最終，考慮到容量4 G已經可以滿足需要，并且通過選用DDR4代內存提高主頻及內存與CPU之間的通信速率，故選擇方案二作為內存。

表2 內存方案比較

外存儲器及接口：

方案一：外存儲器采用西部數據品牌，容量為1 TB，機械硬盤，SATA接口，數據傳輸速率為100 MB/s。

方案二：外存儲器采用金士頓品牌，容量為120 GB，固態硬盤，SATA接口，數據傳輸速率為500 MB/s。

方案三：外存儲器采用金士頓品牌，容量為240 GB，固態硬盤，SATA接口，數據傳輸速率為500 MB/s。

表3給出了3種方案的比較。最終，考慮到固態硬盤在體積、數據傳輸速率等方面的優勢，容量120 G已經可以滿足需要，選擇方案二作為外存。主要用于存儲離線數據及相應的軟件環境。

表3 外存方案比較

網絡接口采用瑞昱RTL8111F芯片方案，固定型設備可實現千兆有線網絡接入。圖3給出了終端各個組成部分之間的接口關系。

圖3 終端各個組成部分之間的接口關系

雙頻控制模塊：該模塊采用EFM32G222F128-QFP48單片機、多個74LS系列芯片及外圍電路，實現5G雙頻模塊自適應頻率切換，實現自動選擇高質量信道入網。

電源模塊及操作面板：電源模塊由12 V 20 Ah聚合物電池、充電電路、電壓轉換電路和保護電路組成。操作面板由各類復位按鈕、開關按鈕、電臺狀態指示燈、電量顯示屏及各類外設接口組成。

顯示器及數據線：顯示器為觸屏類型，采用8寸液晶面板和電容觸屏，支持多點觸控，通過綜合數據線與主機連接。數據線是主機和觸屏顯示器的連接部件，采用KVVRP雙層屏蔽16芯控制線。圖4給出了數據線連接線序。

5G雙頻模塊：該模塊采用深圳天工測控技術有限公司的WG211雙頻WIFI模塊，符合IEEE 802.11a/b/g/n/ac無線標準，可工作在2.4 GHz和5 GHz頻段，具有傳輸速率高，抗干擾能力強的優點，模塊的適應性較強，傳輸距離能夠達到150 m以上。

天線：天線包括一根2.4 GHz天線和一根5 GHz天線，接口為SMA。

圖4 數據線線序圖

2.2 軟件方案

文中所設計數據處理終端軟件的主要功能是智能選擇最優工作頻率接入監控數據網絡，并讀取網絡內各種硬件設備數據，進行處理及顯示，以實現對網絡設備的監控，對設備參數進行設置，應用擴展等各類功能。圖5給出了終端軟件組成，主要包括系統架構、硬件驅動、應用層軟件和服務。

圖5 監控數據處理終端軟件組成示意圖

系統架構：根據實際使用環境要求，終端設備采用Windows7 32位操作系統。

硬件驅動：軟件中驅動功能包含天線控制模塊、觸屏多點觸控驅動、顯示器驅動、網卡、音頻、USB設備、智能卡讀卡設備，均使用現有平臺已有的成熟驅動程序[18]。MCU的驅動是根據實際使用情況，對通信協議進行定制開發，主要對數據拆封包、字節定義、時序控制、傳輸校驗、差錯處理和加密方式進行設計。

應用層軟件和服務：包含短消息通信、文件傳送、音視頻通信、在線終端管理及參數設置。其中，短消息通信可以用點對點方式、廣播方式發送短消息，消息內容為文本格式，終端在收到其他設備發送的消息后進行狀態提醒和聲音提醒，其操作方法類似于現有聊天軟件；音視頻通信軟件打開后自動加載音視頻服務進程，通過軟件主界面的音視頻功能發起通信請求，被叫用戶同意后，建立音視頻通話線路。

文件傳送可以用點對點方式、廣播方式發文件，文件格式為任意格式，收到文件后自動保存到指定目錄并提醒；在線終端管理軟件平臺打開后會顯示無線局域網內所有可連接設備的ID、名稱和坐標信息；參數設置軟件還允許設置顯示風格、窗口大小、配置文件導入與導出、工作模式設置、終端名稱設置等。

3 結 論

系統測試表明，所設計可變頻率監控數據處理終端利用5G雙頻模塊實現不同通信網絡之間的按需切換，具有根據實際網絡環境切換接入頻率的能力。與現有技術相比，該終端具有如下特點：

各個終端節點之間具有對等性，并且既可以加入已有的無線網絡，也可以通過點對點傳輸，借助其他終端入網，從而達到超過傳輸距離入網通信，延伸性強。網絡中所有節點既是終端，也是路由器，當某個節點有超過物理通信距離的通信要求時，需要通過中間節點進行一跳或多跳轉發。

便攜式終端能夠動態適應網絡的變化，實時檢測各個信道質量，自適應選擇高質量信道進行切換。該信道可以是已有網絡，也可以是其他終端提供的遠程接入的網絡。通信的路由信息由軟件進行廣播發送，實時更新，可以在任意時刻任意地點快速展開。