无线自组网技术的监控系统设计

【Word版本下载可任意编辑】无线自组网技术的监控系统设计无线传感器网络（WSN）和移动自组织网络（MANET）是无线自组织网络技术中由于应用场合、移动特性、寻址方式等的不同而产生两个分支，它们的网络均由不需要任何根底设施的一组具有动态组网能力的节点组成.这些网络适应了应用中对网络和设备移动性的要求，从而引起关注，并在20世纪90年代以后获得广泛的认可和研究。历经十几年，WSN和MANET在国外军事通信和民事通信领域发展迅速，已展现出作为未来Internet重要组成部分的不可阻挡的趋势。

笔者提出基于无线自组网技术的监控系统的设计，旨在实现对某些重要产品在全国范围内的库存、运输过程中的数量、位置以及各种状态开展持续地监控，防止繁琐的人工管理过程，提高管理效率。

良好的通信系统设计是本系统关键，其涉及地面运输和库存，在运输车厢内及库房时产品活动空间不大，位置相对静止，信息传递需要短距离、低耗方式，而在运输过程中，需要远距离传输将信息传送至监控中心，并且当多种产品处于不同的运输工具中时，各运输工具之间的信息交互需要动态联网方式，以提高在屏蔽地点信号传输能力。因此提出WSN、MANET及传统通信技术相结合的方式作为本系统网络通信手段。

1理论分析

1.1系统目标

本系统需监控产品在全国范围内的车载和库存状况。车载时，车厢内的节点相对于车静止，各车之间相对运动；库存时，节点之间，库房之间均是相对静止。笔者主要针对运输过程中的监控开展探讨。为了实现长时间大范围内持续监控，系统硬件设计分为3部分，包括监控终端、监控中继及监控中心。

其中监控终端的指标：

1）位置：处于产品相同空间内；

2）电池工作时间：1年或更长时间；

3）通讯接口：无线网络；

4）监测内容：温度、移动、开箱、电池电压、距离等。

主要功能：平时处于低功耗休眠状态，监测到异常信号或定时时间到则退出休眠状态，发射状态信息到中继基站。

监控终端是整个监控系统的装置，其低功耗、小型化、健壮性设计是关键点。由于产品位置是动态变化的，不适合有线传输，并且为了防止经常性地更换电池，必须保证低功耗工作，因此终端节点之间采用短距离、低耗无线通信方式，而无线传感器网络作为未来改变世界的十大技术之一、未来四大高技术产业之一，有显着的低功耗特点，并且布署灵活，成本低廉，因此监控终端组成WSN.

由于WSN是短距离通信，因此需中继基站将终端信息开展转发，中继指标如下：

1）位置：库房或运输车上；

2）电源：220V交流或12V直流；

3）与终端通讯接口：无线接口；

4）与监控中心通讯接口：以太网、GPRS、卫星通讯；

5）自组网：MANET.

主要功能：

1）接收终端监测数据，并转发到监控中心；

2）接收监控中心命令并转发监控中心对监控终端的命令；

3）由于监控终端损坏或电池断电等，导致中断基站在设定时间内不能与其联系，则向监控中心发送报警信号；

4）某监控中心离中继基站太远（如超过1km），则向监控中心发送报警信号；

5）运输过程中的定位；

6）运输过程中在信号屏蔽地点，利用MANET开展信息传递与发送。

中继重要的功能是信息发送或转发，利用传统的方式如卫星、公共信息网、军网等可实现正常情况下的发送，当遇到紧急情况，如穿越山洞、山体遮掩、传输障碍等，则需限度地开展信息传递再发送，此时需各中继之间自组网，由易与传统通信相连接的中继节点完成终的信息发送。

综上，本系统中终端节点间采用WSN,运输正常情况下各车直接采用传统通信方式，紧急时车之间采用MANET,再与传统通信方式相结合。监控中心的设计取决于终端与中继的特点，在此不赘述。

1.2WSN与MANET的特点

WSN是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。MANET是由具有移动特性的节点组成的拓扑构造随时发生变化的网络。从通信角度看，WSN与MANET有许多共同点，都采用无中心、分布式协作、自组织、多跳无线组网形式，每个节点都具有路由转发功能，但两者拥有的独特之处使它们可在不同场合发挥作用，WSN主要面向"物与物、人与物"之间的信息交互，其具有快速部署、自组织、高容错性等特点，MANET主要面向"人与人"之间的移动通信，其具有网络快速展开与组织、抗毁性强、移动中通信、通信距离远等特点，如下表1所示。本系统通信网络将充分利用两者优势开展不同场合、不同时间、不同频段的信息传输。

表1WSN与MANET的特点

1.3WSN技术分析

广义地说，低功耗、无线近距离通信都属于WSN,而目前市场上无线近距离通信产品层出不穷，主要有蓝牙、红外、无线局域网（Wi-Fi）、ZigBee、超宽频（UWB）、短距离通信（NFC）等。它们有各自立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求；或着眼于距离的扩大性；或符合某些单一应用的特殊要求；或建立竞争技术的差异优化等。主要特性如下表2所示。

表2近距离通信产品特性

从上表可以看出，NFC通信距离太短，不适合本系统；其余产品在传输速度、通信距离等方面满足要求，但有不适应本系统的弱点。根据蓝牙技术协议，一个主设备多与7个处于激活状态的从设备通信，而本系统需同时监控的节点不止7个，并且不会刻意指定主节点；红外是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，不满足系统要求；Wi-Fi的发展主要受技术本身的限制，如QoS、安全性、有效性等；制约UWB发展的主要问题是其标准化工作还没有完成，一些技术问题需要不断完善。而ZigBee与这几款产品相比性能全面，应用在本系统中没有明显弱点。首先，ZigBee的PHY、MAC层有明确协议规范-IEEE802.15.4,网络层以上协议由ZigBee联盟制定，其次具有无中心和自组网特性，单一网络可容纳65535个节点，再次节点的摆放位置不会对布网造成困扰。因此，监控终端组网方式采用ZigBee.

1.4MANET技术分析

MANET具有传统无线网络无法比较的优点，但同时，也存在一些缺点和问题。由于竞争共享无线信道产生的冲突、干扰等因素，移动终端得到的实际带宽远小于理论上的值。另外，传统的路由协议是为相对稳定的网络拓扑设计的，它们无法满足拓扑快速变化网络的需要。因此，要使MANET技术切实可行，必须提出符合实际的路由技术。

目前，已经提出许多MANET协议，但没有一种方法能够兼顾协议开销、整体复杂度、耗电、路由获取延时、控制负载等问题。按需路由协议中拓扑构造和路由表内容是按需建立的，它可能仅仅是整个拓扑构造信息的一部分，其优点是不需要周期性的路由信息广播，节省了一定的网络资源；缺点是发送数据分组时，如果没有去往目的节点的路由，数据分组需要等待因路由发现引起的延时。表驱动（主动）路由协议中节点通过周期性地广播路由信息分组，交换路由信息，同时节点必须维护去往全网所有节点的路由，其优点是当节点需要发送数据分组时，只要去往目的节点的路由存在，则所需的延时很小；缺点是需要较大开销以尽可能使得路由更新紧随当前拓扑构造的变化。根据应用研究，在拓扑变化频繁的AdHoc网络环境中，应采用按需路由协议；而在网络拓扑构造相对稳定的环境中，如果对实时性要求比较高，则应采用表驱动方式的路由协议。

国外已提出许多MANET路由协议草案，国内的研究也大多基于这些草案，但针对草案具体实现的很少。本系统中将定制按需路由协议，初步指标为10个节点，通信距离不超过50m,相对速度不超过20km,2min内可重新组网。

2方案设计

2.1系统概况

本系统硬件设计为3部分，分别是监控终端、监控中继及监控中心。其中监控终端组成WSN,在WSN中如何高效使用能量来化网络生命期是主要挑战，将采用"瘦"节点方式，以节约能量，缩小电池体积；监控中继会放在驾驶室处或库房中，不受体积、功耗等的限制，因此会留够功能备份，在组成MANET时，如何适应网络拓扑动态变化是主要挑战；监控中心处理全系统数据，显示定位信息，发送控制命令，报警等。运输过程中监控系统硬件配合关系如图1所示，库房中类似。如果考虑到隐蔽性，则库房内采用WSN网络，库房之间采用有线通信。

图1运输过程监控系统图

MANET信息通过北斗卫星导航系统或公共信息网GPRS或军网传送至监控中心，GPS无通信数据链作为定位时的备份手段。北斗卫星导航系统是中国研发的导航系统，包括北斗一号和北斗二号系统，一号系统已投入使用，在建的二号系统已发射8颗卫星，到20**年将有35颗卫星，定位精度10m,授时精度10ns,测速精度0.2m/s,实现通信与定位。作为主要用于军事用途的国内导航系统，北斗系统具有相当的发展潜力，因此，本系统中其为远距离通信手段。

2.2监控终端设计

平时处于休眠状态，定时时间到或监测到异常信号则发射状态信息到监控中继。采用ZigBee技术，搭建星型或树型网络，由传感器网络、无线发送模块、电源管理模块、时钟模块组成，如图2所示。

图2监控终端方案

根据研究，监控终端设计需考虑以下问题：

1）设计复杂度：本系统的作用主要是信息管理，因此传感器网络不会太复杂，主要采集温度、湿度等常规信息，加上被监控对象数量、种类、位置等信息，终端发送的数据不超过100字节；

2）网络拓扑控制：一般情况下，在开放环境中层中继控制之前会采用星型拓扑或树状拓扑，且节点个数不超过30个，但本系统终端节点是处于包裹中的，根据测试，发射功率-10dBm时，空旷环境传输距离为22m,集装箱屏蔽环境传输距离约5m,而不同材料的包装箱对无线信号传输的影响还不明确，因此终端发射多大功率，可以组成多大规模的网络，需验证；

3）节能设计：能量消耗主要是无线通信的消耗，其有4种消耗形式，发射状态、接收状态、空闲状态和休眠状态。将节点在4种工作状态下的功耗分别表示为：Ptr,Prcv,Pidle和Psleep,则存在关系式：Ptr>Prcv>Pidle>Psleep.用TD表示节点发射数据分组D所需要的时间，则发送和接收数据分组D所需要消耗的能量可以线性表示为：

当节点i向其下一跳节点单播发送数据分组D时，由于无线信道的共享特性，如果该节点的邻居节点处于空闲状态，则会接收到该数据分组；如果处于休眠状态则不接收该分组。结合式（1）和式（2）可以得到节点i向其邻居节点单播发送数据分组时网络中的能耗，简单表示为：

式中：COST（i）表示节点i向邻居节点单播发送数据分组时网络中的能耗；N（i）表示节点i的邻居节点集合；γj=1表示邻居节点j此时的工作状态，γj=1表示节点处于空闲状态，γj=0表示节点处于休眠状态。由式（3）可以看出，当节点在发送数据分组时，网络中的能耗与节点的发射功率、邻居节点的工作状态、邻居节点的数量以及数据分组的长度有关；ZigBee设备搜索时延为30ms,休眠激活时间为15ms,活动设备信道接入时延为15ms,假设使用2500mAH电池，工作在2.4GHz频段，传输速度250kb/s,2分钟发射，每次100字节，发射电流15mA,待机电流3mA,休眠电流1mA,则可工作389天；

4）能量供给设计：日本东芝锂-亚硫酰氯电池，其能量-体积比在性电池中，但必须考虑网络规模、发射功率、工作与待机时间比例等因素来确定电池使用型号；

5）抗拥堵设计：无线发送模块支持多频率选择，包括2.4GHz、868MHz,以增强抗恶意拥堵的能力；

6）小型化设计：终端节点处于包装箱中，应尽量缩小占用空间，而传感器、协议芯片等是国外产品在体积与性能上占优势，如果充分考虑小型化设计，则终端设计的国产化率不高，预计不会超过50%.

2.3监控中继设计

目前来说，在高速行驶过程中，中继节点组成MANET,即使控制它们的行动速度、行动路线，采用表驱动方式，其传输延时、传输可靠性、路由选择等问题依然存在。国内整体水平不高，缺乏可借鉴的成功。可查到的信息大多是课题名称，如"十五"期间的基于3G技术的移动自组织网络研究；其后的未来无线通信通用环境研究项目等。但这些都没有形成可查阅到的正规的、文献、或者可用及可展示的设备系统等，因此也无法从中汲取经验和方法。

为了保证整个监控系统设计的顺利开展，在中继节点将采用MANET与传统通信技术相结合的方式，硬件设计终以"一机多卡"形式展现，如图3所示。无线发送模块与监控终端复用，负责WSN通信，主控制器采用ARM系列，用于实现MANET及多种远程通信协议的处理和消息响应，正常情况下，运用MANET及北斗系统，北斗失效或定位