鄭力明，田曉波

（中國人民武裝警察部隊警官學(xué)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(jiān)控技術(shù)經(jīng)歷了模擬監(jiān)控、數(shù)字監(jiān)控及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控3個主要階段[1]。隨著計算機技術(shù)與通信技術(shù)的不斷發(fā)展，監(jiān)控技術(shù)逐漸廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。監(jiān)控過程中產(chǎn)生海量監(jiān)控數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要進行實時采集、傳輸、存儲、分析及顯示等操作?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)處理過程中，監(jiān)控數(shù)據(jù)處理終端的通信頻段一經(jīng)選擇不可再次更改，即當通信情況發(fā)生改變時系統(tǒng)無法自動切換使用頻段。上述問題的存在阻礙了數(shù)據(jù)傳輸帶寬的優(yōu)化，從而影響監(jiān)控數(shù)據(jù)的快速傳輸及處理。

針對上述存在的問題，設(shè)計了一種基于5G的監(jiān)控數(shù)據(jù)處理終端，為監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸提供穩(wěn)定高質(zhì)量的通信環(huán)境，利用5G雙頻模塊優(yōu)勢，自適應(yīng)選擇高質(zhì)量通信頻段，確保終端能夠隨時接入和處理監(jiān)控數(shù)據(jù)，解決當前存在的數(shù)據(jù)傳輸帶寬優(yōu)化及數(shù)據(jù)快速處理問題。

1 總體技術(shù)方案

WIFI全稱是Wireless Fidelity，是一種能夠?qū)⑹謾C、手持設(shè)備、個人電腦等終端以無線的方式連接至互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，其核心是無線保真技術(shù)，主要用于移動設(shè)備接入無線局域網(wǎng)。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(jù)WIFI技術(shù)制定的一個標準集合，包括介質(zhì)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(diào)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(shù)據(jù)傳輸速率是2 Mb/s。經(jīng)過無線技術(shù)的不斷發(fā)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(fā)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(fā)布，通過該技術(shù)實現(xiàn)了無線局域網(wǎng)性能向以太網(wǎng)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(fā)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(shè)備使用頻段是由國家無線電頻譜管理中心規(guī)定的。2.4 GHz及5 GHz是目前無線局域網(wǎng)內(nèi)常用的通信頻段。2.4 GHz頻段優(yōu)點是頻段室內(nèi)環(huán)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(shè)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(yōu)點是抗干擾能力強，能夠提供更大的通信帶寬，數(shù)據(jù)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(chǎn)生的衰減比2.4 GHz信號更大。

5G雙頻模塊結(jié)合了兩種頻段的優(yōu)點，確保同一設(shè)備可同時使用5 GHz和2.4 GHz兩個頻段，可實現(xiàn)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(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸對速率和吞吐量的要求較高時，普通設(shè)備難以滿足要求。

在監(jiān)控數(shù)據(jù)處理終端的研究領(lǐng)域，近些年來誕生了一批研究成果，例如，曹學(xué)自等人[7]針對目前機械式播種機性能的不足，設(shè)計了一款智能精密播種機及其監(jiān)控系統(tǒng)；萬玉龍等人[8]研究了冷鏈物流車輛狀態(tài)遠程監(jiān)控終端的功能需求；武風波等人[9]設(shè)計了一種井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)并實現(xiàn)對于井下工作環(huán)境狀況的實時監(jiān)測；雷文靜等人[10]針對市場對小型化、嵌入式、大場景視頻監(jiān)控的需求，設(shè)計一種基于FPGA的多路視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)；馬景祥等人[11]研究開發(fā)了一個基于Android系統(tǒng)的遠程多人監(jiān)控智能家居系統(tǒng)；袁練等人[12]研發(fā)了以一種形成狀態(tài)、數(shù)據(jù)、監(jiān)控、管理于一體的手機端遠程監(jiān)控系統(tǒng)，有效地實現(xiàn)了現(xiàn)場控制狀態(tài)數(shù)據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)AETA；王大鵬等人[14]設(shè)計并實現(xiàn)一種數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)移動監(jiān)控平臺；石怡[15]設(shè)計了一種采用B/S模式應(yīng)用于.NET平臺的小區(qū)雨水收集監(jiān)控系統(tǒng)；劉升護等人[16]通過分析實時遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一套新型的多冗余遙測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

上述成果在一定程度上提高了監(jiān)控數(shù)據(jù)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(shè)計的監(jiān)控數(shù)據(jù)處理終端，其硬件部分主要包括：中央處理器、內(nèi)存儲器、外存儲器、網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)架構(gòu)、硬件驅(qū)動、應(yīng)用層軟件及服務(wù)。

圖1給出了系統(tǒng)原理框圖。電力子系統(tǒng)主要由聚合物電池、充電電路及電源管理模塊組成。驅(qū)動模塊、顯示面板及電容觸摸屏組成顯示子系統(tǒng)，并通過綜合數(shù)據(jù)線與顯示控制模塊相連。主板包含CPU、存儲器、網(wǎng)絡(luò)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(jiān)控數(shù)據(jù)處理終端原理框圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

雙頻控制模塊主要實現(xiàn)5G及2.4G切換的邏輯控制功能，并實現(xiàn)接口轉(zhuǎn)換電路的初始化、控制接口電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)化、MCU芯片的上電、調(diào)整5G雙頻模塊通信參數(shù)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(yīng)選擇。此外，單片機將所接收的信號傳輸至主機，協(xié)助相應(yīng)軟件實現(xiàn)功能。

當主機啟動后，單片機能夠自動搜索覆蓋范圍內(nèi)最強的信號，如果接入已有網(wǎng)絡(luò)，則需要軟件發(fā)送入網(wǎng)許可信息，如果通過其他終端入網(wǎng)，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(shè)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(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)時，選擇最優(yōu)化的鏈路方案進行通信。圖2描述了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程

通信過程：1）發(fā)起過程：通信發(fā)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(wǎng)絡(luò)，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(zhuǎn)接過程：如通信發(fā)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(nèi)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(zhuǎn)發(fā)至目的終端，最終達到超物理傳輸距離通信。

2 軟硬件實現(xiàn)方案

在監(jiān)控數(shù)據(jù)處理終端總體架構(gòu)的基礎(chǔ)上，分別進行硬件及軟件設(shè)計[17]。硬件方面，對中央處理器、內(nèi)存儲器、外存儲器、雙頻控制模塊等關(guān)鍵部分進行了元器件選型方案論證；軟件方面，對系統(tǒng)架構(gòu)、硬件驅(qū)動、應(yīng)用層軟件和服務(wù)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(wěn)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(nèi)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(tǒng)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(nèi)存儲器及接口：

方案一：內(nèi)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(nèi)存。

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

方案三：內(nèi)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(nèi)存。

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

表2 內(nèi)存方案比較

外存儲器及接口：

方案一：外存儲器采用西部數(shù)據(jù)品牌，容量為1 TB，機械硬盤，SATA接口，數(shù)據(jù)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(tài)硬盤，SATA接口，數(shù)據(jù)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(tài)硬盤，SATA接口，數(shù)據(jù)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(tài)硬盤在體積、數(shù)據(jù)傳輸速率等方面的優(yōu)勢，容量120 G已經(jīng)可以滿足需要，選擇方案二作為外存。主要用于存儲離線數(shù)據(jù)及相應(yīng)的軟件環(huán)境。

表3 外存方案比較

網(wǎng)絡(luò)接口采用瑞昱RTL8111F芯片方案，固定型設(shè)備可實現(xiàn)千兆有線網(wǎng)絡(luò)接入。圖3給出了終端各個組成部分之間的接口關(guān)系。

圖3 終端各個組成部分之間的接口關(guān)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(xiàn)5G雙頻模塊自適應(yīng)頻率切換，實現(xiàn)自動選擇高質(zhì)量信道入網(wǎng)。

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(zhuǎn)換電路和保護電路組成。操作面板由各類復(fù)位按鈕、開關(guān)按鈕、電臺狀態(tài)指示燈、電量顯示屏及各類外設(shè)接口組成。

顯示器及數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)線與主機連接。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)線連接線序。

5G雙頻模塊：該模塊采用深圳天工測控技術(shù)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(yōu)點，模塊的適應(yīng)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(shù)據(jù)線線序圖

2.2 軟件方案

文中所設(shè)計數(shù)據(jù)處理終端軟件的主要功能是智能選擇最優(yōu)工作頻率接入監(jiān)控數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，并讀取網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各種硬件設(shè)備數(shù)據(jù)，進行處理及顯示，以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的監(jiān)控，對設(shè)備參數(shù)進行設(shè)置，應(yīng)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(tǒng)架構(gòu)、硬件驅(qū)動、應(yīng)用層軟件和服務(wù)。

圖5 監(jiān)控數(shù)據(jù)處理終端軟件組成示意圖

系統(tǒng)架構(gòu)：根據(jù)實際使用環(huán)境要求，終端設(shè)備采用Windows7 32位操作系統(tǒng)。

硬件驅(qū)動：軟件中驅(qū)動功能包含天線控制模塊、觸屏多點觸控驅(qū)動、顯示器驅(qū)動、網(wǎng)卡、音頻、USB設(shè)備、智能卡讀卡設(shè)備，均使用現(xiàn)有平臺已有的成熟驅(qū)動程序[18]。MCU的驅(qū)動是根據(jù)實際使用情況，對通信協(xié)議進行定制開發(fā)，主要對數(shù)據(jù)拆封包、字節(jié)定義、時序控制、傳輸校驗、差錯處理和加密方式進行設(shè)計。

應(yīng)用層軟件和服務(wù)：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(shù)設(shè)置。其中，短消息通信可以用點對點方式、廣播方式發(fā)送短消息，消息內(nèi)容為文本格式，終端在收到其他設(shè)備發(fā)送的消息后進行狀態(tài)提醒和聲音提醒，其操作方法類似于現(xiàn)有聊天軟件；音視頻通信軟件打開后自動加載音視頻服務(wù)進程，通過軟件主界面的音視頻功能發(fā)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(fā)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(wǎng)內(nèi)所有可連接設(shè)備的ID、名稱和坐標信息；參數(shù)設(shè)置軟件還允許設(shè)置顯示風格、窗口大小、配置文件導(dǎo)入與導(dǎo)出、工作模式設(shè)置、終端名稱設(shè)置等。

3 結(jié) 論

系統(tǒng)測試表明，所設(shè)計可變頻率監(jiān)控數(shù)據(jù)處理終端利用5G雙頻模塊實現(xiàn)不同通信網(wǎng)絡(luò)之間的按需切換，具有根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境切換接入頻率的能力。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該終端具有如下特點：

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

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