基于ZigBee和3G的远程监测系统设计

洪泽才 陈世豪

摘要：远程监测系统指以计算机技术为基础，以传感器为媒介，对数据进行采集及分析，进而实现对一定环境下物体运行情况的监测的系统。文章简要介绍了 ZigBee和3G技术，强调了将两者应用到远程监测系统设计中的重要性。基于此，文章主要从系统硬件、结构等方面，阐述了系统的设计方案。并通过系统性能测试的途径，证实了系统的应用价值。

关键词：ZigBee； 3G技术；远程监测系统

计算机及信息化技术水平的提高，为远程监测系统的设计奠定了技术基础。在各领域运行环境的复杂性逐渐提升的今天，远程监测系统，已被应用到了生产及管理等各个领域。系统的性能如何，取决于设计技术是否合理。实践经验发现，将ZigBee和3G技术，应用到远程监测系统的設计中，效果较好。可见，以ZigBee和3G技术为基础，阐述系统的优化设计方案较为重要。

1 ZigBee和3G技术

1.1 ZigBee 技术

ZigBee技术与蓝牙，WiFi，超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术，并称为当前的4大无线通信技术。ZigBee技术的设计标准为IEEE 802.15.4，频段包括2.4 GHz，868 MHz及915 MHz 3种，涵盖范围较广[1]。将其应用到无线通信过程中，覆盖范围最高可达200 m，较蓝牙、WiFi及UWB技术相比，覆盖范围更广。该技术的传输速率为250 kbps，具有较强的抗干扰能力。在提高通信速率与通信质量方面，具有较高的应用价值。

1.2 3G技术

第三代移动通信技术（3rd Generation，3G），为蜂窝移动通信技术的一种。与1G及2G技术相比，数据传输速率更高（144 kbps）[2]。目前，3G技术的应用已经普及。该技术的应用，使得各领域的通信质量，得到了明显的提升。远程监测系统需依靠可靠的通信技术而实现，鉴于ZigBee和3G技术的优势，将两者共同应用到系统的设计过程中，具有较强的可行性。

2 基于ZigBee和3G的远程监测系统的设计方案

2.1 硬件设计

以ZigBee和3G为基础所设计的远程监测系统，以芯片为主要硬件。本课题所设计的系统，芯片以CC2530无线单片机为主，MCU型号为8051型，编程语言为C51，可有效满足通信功能。为确保远程监控数据，能够以图像的形式体现，本课题同样为无线单片机配备了Flash，型号为：CC2530F32/64/128/256。该芯片的运行所能够接受的电压范围较广，2?3.6 V电压均能够达到芯片的运行要求。可见，与传统芯片相比，CC2530在性能方面，具有明显的优势。因此，将其应用到远程监测系统的设计过程中，可行性较强。

2.2 系统结构设计

2.2.1 传感器参数设计

本课题所设计的远程监测系统，需依赖传感器获取被监控物的运行信息。因此，系统的性能很大程度上取决于传感器的性能。市场中常见的传感器类型较多，传感器的功能，为其主要划分标准[3]。本课题所应用的传感器，以温度传感器为主，具有普遍适用性。传感器参数有以下3种：（1）型号，SMS-II-50；（2）量程，最低温度为0 ℃，最高温度为100%；（3）运行参数，电压3?5 V，电流10 mA。实践证实，将该传感器应用到数据采集过程中，温度误差为±0.4℃。该误差较小，对远程监测系统性能的提高，具有积极意义。

2.2.2 转换电路设计

以ZigBee和3G为基础所设计的远程监测系统，串口型号为RS-232型。经串口所传输的数据，需被3G-DTU模块所接收，以便于监控系统终端对数据进行储存及分析。CC2530无线单片机的工作电压较广，可在一定程度上降低系统运行对功率的消耗量。因此，设计转换电路时，将其消耗电流控制为1 μA既可。RS-232型串口的传输速率，一般为235 kbps，传输速率较高，应用优势显著。为确保数据的采集、传输及分析能够实现。设计时，应将电路与芯片相连接，将91.7-RXD作为连接对象，提高远程监测系统的设计水平。

2.2.3 3G-DUT模块设计

数据传输装置（Data Transfer Unit， DTU）为无线通信终端的一种，将其应用到远程监测系统的设计中，是确保3G通信能够被用于远程信息监测的关键。近些年来，随着远程监测系统数据量的不断加大，传统通信终端已经明显难以满足通信需求。将DUT应用到通信过程中，可有效提高数据承载量，解决数据传输质量差及效率低的问题。本课题所设计的3G-DUT模块，型号为USR-G760C型。数据传输时，Revision A以及其他数据的接入速度，均能够得到保证。

2.2.4 电源管理设计

远程监测系统的应用范围较广，监测面积往往较大。因此，为提高数据采集的完整性，有必要增加传感器的节点数量。传感器数量增加后，电源持续供应的难度，将有所加大。可见，有必要对电源管理模块进行优化设计。电源管理模块的电阻、电压计算公式如下。

电阻计算公式：

电压计算公式：

上述公式中，I代表电阻、V代表电压、R代表电流。R1，R2等，分别代表传感器不同节点的电流。设计人员可将远程监测系统的各项数据，代入到上述公式中，计算出系统设计所需要的电源参数。

3 远程监测系统开发与性能测试

3.1 远程监测系统的开发

3.1.1 数据检测中心软件的设计

本课题所设计的数据检测中心软件，由数据库、虚拟串口、开放式数据库互连（Open Database Connectivity，ODBC）驱动所构成，三者均属于汇聚节点中的内容。上述软件中，数据库需以MYSQL语言进行设计，虚拟串口软件型号，以USR-VCOM为主。将远程监测系统应用到相关领域后，传感器的汇聚节点，可立即采集相关数据。并将数据经USR-VCOM串口，传输至上位机程序中。上位机接收数据后，则可经ODBC驱动，将数据最终传递至系统终端，确保监测人员，能够对数据进行观察，判断被监测物有无异常。

3.1.2 上位机程序设计及运行

基于ZigBee和3G的上位机程序，应以Microsoft Visual Basic 6.0软件为基础进行设计。为避免系统功能存在异常，可采用MSComm控件，实现对系统功能的控制。上位机运行流程如下：（1）配置上位机串口参数，确保参数无误后，观察串口是否打开。如未打开，应重新配置参数，至串口打开为止。（2）判断传感器是否已开始采集数据，如開始采集，则应判断系统是否能够接收到数据。（3）接收传感器所采集的数据，并对其进行处理。

3.1.3 Web系统设计

远程监测系统中的Web系统，由“用户登录”“系统简介”“节点数据”“数据图形”“历史数据”等模块构成。其中，“节点数据”“数据图形”“历史数据”模块，为重点模块。以后者为例，当用户A采用用户名+密码的方式登录系统后，可点击“历史数据”模块，进入到“数据查询”或“数据修改”中。此时，系统则可立即调取数据库中的历史资料，并将其呈现在终端中。如需要，用户可点击“导出数据”键，将数据以EXCEL表格，或图片的形式导出。

3.2 系统性能测试及结果

本部分采用仿真实验，对以ZigBee和3G为基础所设计的远程监测系统的性能进行了测试。测试方案及结果如下。

3.2.1 测试方案

本课题设计人员，采用仿真实验的方式，对系统的性能进行了观察，测试方案如下：（1）启动仿真软件，将远程监测系统的数据，输入到软件当中，建立“虚拟监测仪器”。（2）模拟工业生产的流程，采用“虚拟监测仪器”，对工业生产过程进行远程监控。（3）实时采集工业生产数据，并将其保存在数据库当中。与此同时，将数据的变化状态，以曲线图的形式呈现在计算机终端中，供监测人员观察，进而判断系统运行是否存在异常。

3.2.2 测试结果

丢包率为通信行业用于判断通信质量的主要指标，为判断以ZigBee与3G技术为基础所设计的远程监测系统的通信质量，是否能够满足监测需求。本课题对系统应用前后的丢包率进行了对比。通过对测试结果的观察发现：

（1）监测系统应用前：节点01的丢包率，为1.59%；节点02丢包率为3.4 7%；节点03丢包率为5.98%；节点04丢包率为9.71%。（2）系统应用后：本课题所设计的远程监测系统，节点01的丢包率为0.51%；节点02丢包率为1.1 0%；节点03丢包率为1.84%；节点04丢包率2.58%。将两者对比可以发现，与应用前相比，远程监测系统的应用，在降低丢包率方面，效果显著，证实了系统的应用价值。

4 结语

综上所述，将ZigBee与3G技术，应用到远程监测系统的设计中。有助于提高系统的数据传输速率、提高数据通信质量。以农业及工业为代表的各行业，可考虑在利用ZigBee与3G技术的基础上，设计系统传感器及芯片等硬件。在此基础上，视自身的需求，优化设计转换电路、3G-DUT模块及电源模块。最终达到增强系统性能、提高远程监测系统的可靠性的目的。

[参考文献]

[1]金鹰.基于ZigBee的智能变电站热点温度远程监测系统研究[J].中小企业管理与科技，2018（3）：191-192.

[2]张子红，秦淑香，冯进玫.基于ZigBee技术和GPRS的高压电网设备远程在线监测系统[J].黑龙江电力，2016（2）：155-160.

[3]张冰川，刘雪岩，齐冀.基于3G和ZigBee技术的居民住宅供暖温度远程监测系统设计[J].长春理工大学学报（自然科学版），2014（1）：129-133.