一种基于5G的可变频率监控数据处理终端

郑力明，田晓波

（中国人民武装警察部队警官学院信息通信系，四川 成都 610213）

自20世纪80年代传入我国以来，监控技术经历了模拟监控、数字监控及网络监控3个主要阶段[1]。随着计算机技术与通信技术的不断发展，监控技术逐渐广泛应用于社会生产生活的各个领域。监控过程中产生海量监控数据，这些数据需要进行实时采集、传输、存储、分析及显示等操作。现有数据处理过程中，监控数据处理终端的通信频段一经选择不可再次更改，即当通信情况发生改变时系统无法自动切换使用频段。上述问题的存在阻碍了数据传输带宽的优化，从而影响监控数据的快速传输及处理。

针对上述存在的问题，设计了一种基于5G的监控数据处理终端，为监控数据传输提供稳定高质量的通信环境，利用5G双频模块优势，自适应选择高质量通信频段，确保终端能够随时接入和处理监控数据，解决当前存在的数据传输带宽优化及数据快速处理问题。

1 总体技术方案

WIFI全称是Wireless Fidelity，是一种能够将手机、手持设备、个人电脑等终端以无线的方式连接至互联网的技术，其核心是无线保真技术，主要用于移动设备接入无线局域网。日常生活中，常常把IEEE 802.11与WIFI混为一谈。实际上，IEEE 802.11是根据WIFI技术制定的一个标准集合，包括介质访问接入控制层和物理层[2]。其中，物理层定义了两种无线调频方式及一种红外传输方式，它们工作在2.4 GHz的ISM频段上，总数据传输速率是2 Mb/s。经过无线技术的不断发展，IEEE 802.11又增加了IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、IEEE 802.11n、IEEE 802.11ac 5个版本[3]。

IEEE 802.11a和IEEE 802.11b都是在1999年发布的，其定义的工作频段分别是5 GHz和2.4 GHz，理论上速率可达到54 Mbps和11 Mbps。IEEE 802.11g是对802.11b的提速升级版，工作频段仍是2.4 GHz，速率从11 Mbps提升到54 Mbps。IEEE 802.11n于2009年发布，通过该技术实现了无线局域网性能向以太网性能水平的提升[4]，工作频段包含2.4 GHz和5G Hz，速率达到 600 Mbps。IEEE 802.11ac发布于2012年，是IEEE 802.11a的提速升级版，工作频段为5 GHz，理论速率突破1 GHz。

无线信号工作频段不同，其可用带宽和传输速率都不同，而民用设备使用频段是由国家无线电频谱管理中心规定的。2.4 GHz及5 GHz是目前无线局域网内常用的通信频段。2.4 GHz频段优点是频段室内环境中抗衰减能力强，穿墙能力不错，可覆盖范围为100 m。缺点是许多其他设备用的都是2.4 GHz频段，比如蓝牙、Zigbee无线等，会与WIFI挤占通信带宽，造成通信速率的波动。

5 GHz频段优点是抗干扰能力强，能够提供更大的通信带宽，数据吞吐率高，扩展性强[5]。缺点是穿墙能力较弱，覆盖范围较小，障碍物对5 GHz信号产生的衰减比2.4 GHz信号更大。

5G双频模块结合了两种频段的优点，确保同一设备可同时使用5 GHz和2.4 GHz两个频段，可实现选择通信情况较好的频段进行通信。但是一旦选择通信频段，通信情况改变后不能自动切换使用频段[6]。尤其是当监控数据传输对速率和吞吐量的要求较高时，普通设备难以满足要求。

在监控数据处理终端的研究领域，近些年来诞生了一批研究成果，例如，曹学自等人[7]针对目前机械式播种机性能的不足，设计了一款智能精密播种机及其监控系统；万玉龙等人[8]研究了冷链物流车辆状态远程监控终端的功能需求；武风波等人[9]设计了一种井下环境监测系统并实现对于井下工作环境状况的实时监测；雷文静等人[10]针对市场对小型化、嵌入式、大场景视频监控的需求，设计一种基于FPGA的多路视频网络监控系统；马景祥等人[11]研究开发了一个基于Android系统的远程多人监控智能家居系统；袁练等人[12]研发了以一种形成状态、数据、监控、管理于一体的手机端远程监控系统，有效地实现了现场控制状态数据的远距离实时查看；金秀如等人[13]研究了一种多分量地震监测系统AETA；王大鹏等人[14]设计并实现一种数值预报业务系统移动监控平台；石怡[15]设计了一种采用B/S模式应用于.NET平台的小区雨水收集监控系统；刘升护等人[16]通过分析实时遥测数据处理系统的原理和结构，设计了一套新型的多冗余遥测数据处理系统。

上述成果在一定程度上提高了监控数据处理的效率和准确性，然而并没有从根本上解决前文所述通信频段自动切换的问题。

1.1 总体框架

所设计的监控数据处理终端，其硬件部分主要包括：中央处理器、内存储器、外存储器、网络接口、音频接口、USB接口、串行接口、显示控制模块、双频控制模块、操作面板、电源模块、5G双频模块等。软件部分包括：系统架构、硬件驱动、应用层软件及服务。

图1给出了系统原理框图。电力子系统主要由聚合物电池、充电电路及电源管理模块组成。驱动模块、显示面板及电容触摸屏组成显示子系统，并通过综合数据线与显示控制模块相连。主板包含CPU、存储器、网络接口、USB接口、音频接口及双频控制模块，双频控制模块的控制对象是5G双频模块，包含一根2.4 GHz 5 dB增益天线和一根5 GHz 5 dB增益天线。

图1 监控数据处理终端原理框图

1.2 系统工作原理

双频控制模块主要实现5G及2.4G切换的逻辑控制功能，并实现接口转换电路的初始化、控制接口电路的状态转化、MCU芯片的上电、调整5G双频模块通信参数等。在该终端中，双频控制模块的MCU芯片为EFM32G222F128-QFP48单片机，主要是控制5G双频模块进行频率自适应选择。此外，单片机将所接收的信号传输至主机，协助相应软件实现功能。

当主机启动后，单片机能够自动搜索覆盖范围内最强的信号，如果接入已有网络，则需要软件发送入网许可信息，如果通过其他终端入网，则与附近信号最强的终端建立连接，首先使用5 GHz频率。当传输误码率大于所设定门限时，双频控制模块立刻切断5 GHz通路，并将频率改为2.4 GHz，重新建立连接。设备在发送数据时，选择最优化的链路方案进行通信。图2描述了系统数据传输流程。

图2 系统数据传输流程

通信过程：1）发起过程：通信发起终端首先搜索附近可用信号，并对信道强度进行测试，选择信号最强的进行接入。如果接入已有的无线网络，由使用人利用软件输送接入许可信息完成接入。如果最强信号是另一台终端，则自动建立连接。2）转接过程：如通信发起终端想要进行超物理传输距离的通信，则选择覆盖范围内信号最强的终端建立连接。通信时，终端先与最近的终端通信，再通过其转发至目的终端，最终达到超物理传输距离通信。

2 软硬件实现方案

在监控数据处理终端总体架构的基础上，分别进行硬件及软件设计[17]。硬件方面，对中央处理器、内存储器、外存储器、双频控制模块等关键部分进行了元器件选型方案论证；软件方面，对系统架构、硬件驱动、应用层软件和服务等分别进行了说明。

2.1 硬件方案

中央处理器：

方案一：处理终端的中央处理器采用Intel赛扬G4900，双核主频3.1 GHz。该CPU集成了Intel HD Graphics显示核心，具有功耗低、性能稳定的特点。

方案二：处理终端的中央处理器采用AMD A8-9 600，四核主频3.1 GHz，该CPU集成了AMD R7显示核心，采用第七代加速处理器，兼容DDR4内存，性价比高。

方案三：处理终端的中央处理器采用AMD速龙X4 860K，四核主频3.7 GHz。该CPU兼容FM2+主板，但本身不含显示核心，需要独立的GPU支持。

表1给出了3种方案的比较。由于系统需要自带核心显示功能的CPU，所以最终选择方案二作为中央处理器。

表1 中央处理器方案比较

内存储器及接口：

方案一：内存储器采用金士顿品牌，容量为4 GB，DDR3代，主频为1 600 MHz的内存。

方案二：内存储器采用威刚品牌，容量为4 GB，DDR4代，主频为2 666 MHz的内存。

方案三：内存储器采用金士顿品牌，容量为8 GB，DDR4代，主频为2 666 MHz的内存。

表2给出了3种方案的比较。最终，考虑到容量4 G已经可以满足需要，并且通过选用DDR4代内存提高主频及内存与CPU之间的通信速率，故选择方案二作为内存。

表2 内存方案比较

外存储器及接口：

方案一：外存储器采用西部数据品牌，容量为1 TB，机械硬盘，SATA接口，数据传输速率为100 MB/s。

方案二：外存储器采用金士顿品牌，容量为120 GB，固态硬盘，SATA接口，数据传输速率为500 MB/s。

方案三：外存储器采用金士顿品牌，容量为240 GB，固态硬盘，SATA接口，数据传输速率为500 MB/s。

表3给出了3种方案的比较。最终，考虑到固态硬盘在体积、数据传输速率等方面的优势，容量120 G已经可以满足需要，选择方案二作为外存。主要用于存储离线数据及相应的软件环境。

表3 外存方案比较

网络接口采用瑞昱RTL8111F芯片方案，固定型设备可实现千兆有线网络接入。图3给出了终端各个组成部分之间的接口关系。

图3 终端各个组成部分之间的接口关系

双频控制模块：该模块采用EFM32G222F128-QFP48单片机、多个74LS系列芯片及外围电路，实现5G双频模块自适应频率切换，实现自动选择高质量信道入网。

电源模块及操作面板：电源模块由12 V 20 Ah聚合物电池、充电电路、电压转换电路和保护电路组成。操作面板由各类复位按钮、开关按钮、电台状态指示灯、电量显示屏及各类外设接口组成。

显示器及数据线：显示器为触屏类型，采用8寸液晶面板和电容触屏，支持多点触控，通过综合数据线与主机连接。数据线是主机和触屏显示器的连接部件，采用KVVRP双层屏蔽16芯控制线。图4给出了数据线连接线序。

5G双频模块：该模块采用深圳天工测控技术有限公司的WG211双频WIFI模块，符合IEEE 802.11a/b/g/n/ac无线标准，可工作在2.4 GHz和5 GHz频段，具有传输速率高，抗干扰能力强的优点，模块的适应性较强，传输距离能够达到150 m以上。

天线：天线包括一根2.4 GHz天线和一根5 GHz天线，接口为SMA。

图4 数据线线序图

2.2 软件方案

文中所设计数据处理终端软件的主要功能是智能选择最优工作频率接入监控数据网络，并读取网络内各种硬件设备数据，进行处理及显示，以实现对网络设备的监控，对设备参数进行设置，应用扩展等各类功能。图5给出了终端软件组成，主要包括系统架构、硬件驱动、应用层软件和服务。

图5 监控数据处理终端软件组成示意图

系统架构：根据实际使用环境要求，终端设备采用Windows7 32位操作系统。

硬件驱动：软件中驱动功能包含天线控制模块、触屏多点触控驱动、显示器驱动、网卡、音频、USB设备、智能卡读卡设备，均使用现有平台已有的成熟驱动程序[18]。MCU的驱动是根据实际使用情况，对通信协议进行定制开发，主要对数据拆封包、字节定义、时序控制、传输校验、差错处理和加密方式进行设计。

应用层软件和服务：包含短消息通信、文件传送、音视频通信、在线终端管理及参数设置。其中，短消息通信可以用点对点方式、广播方式发送短消息，消息内容为文本格式，终端在收到其他设备发送的消息后进行状态提醒和声音提醒，其操作方法类似于现有聊天软件；音视频通信软件打开后自动加载音视频服务进程，通过软件主界面的音视频功能发起通信请求，被叫用户同意后，建立音视频通话线路。

文件传送可以用点对点方式、广播方式发文件，文件格式为任意格式，收到文件后自动保存到指定目录并提醒；在线终端管理软件平台打开后会显示无线局域网内所有可连接设备的ID、名称和坐标信息；参数设置软件还允许设置显示风格、窗口大小、配置文件导入与导出、工作模式设置、终端名称设置等。

3 结 论

系统测试表明，所设计可变频率监控数据处理终端利用5G双频模块实现不同通信网络之间的按需切换，具有根据实际网络环境切换接入频率的能力。与现有技术相比，该终端具有如下特点：

各个终端节点之间具有对等性，并且既可以加入已有的无线网络，也可以通过点对点传输，借助其他终端入网，从而达到超过传输距离入网通信，延伸性强。网络中所有节点既是终端，也是路由器，当某个节点有超过物理通信距离的通信要求时，需要通过中间节点进行一跳或多跳转发。

便携式终端能够动态适应网络的变化，实时检测各个信道质量，自适应选择高质量信道进行切换。该信道可以是已有网络，也可以是其他终端提供的远程接入的网络。通信的路由信息由软件进行广播发送，实时更新，可以在任意时刻任意地点快速展开。