基于無線自組網(wǎng)技術的監(jiān)控系統(tǒng)設計

中心議題：
    *  基于無線自組網(wǎng)技術的監(jiān)控系統(tǒng)理論分析
    *  基于無線自組網(wǎng)技術的監(jiān)控系統(tǒng)方案設計
解決方案：
    *  采用"瘦"節(jié)點方式
    *  監(jiān)控終端方案
    *  監(jiān)控中繼方案

無線傳感器網(wǎng)絡（WSN） 和移動自組織網(wǎng)絡（MANET）是無線自組織網(wǎng)絡技術中由于應用場合、移動特性、尋址方式等的不同而產生兩個分支，它們的網(wǎng)絡均由不需要任何基礎設施的一組具有動態(tài)組網(wǎng)能力的節(jié)點組成[1].這些網(wǎng)絡適應了應用中對網(wǎng)絡和設備移動性的要求， 從而引起關注，并在20 世紀90 年代以后獲得廣泛的認可和研究。歷經十幾年，WSN 和MANET 在國外軍事通信和民事通信領域發(fā)展迅速， 已展現(xiàn)出作為未來Internet 重要組成部分的不可阻擋的趨勢。
　　
筆者提出基于無線自組網(wǎng)技術的監(jiān)控系統(tǒng)的設計，旨在實現(xiàn)對某些重要產品在全國范圍內的庫存、運輸過程中的數(shù)量、位置以及各種狀態(tài)進行持續(xù)地監(jiān)控，避免繁瑣的人工管理過程，提高管理效率。
　　
良好的通信系統(tǒng)設計是本系統(tǒng)關鍵，其涉及地面運輸和庫存，在運輸車廂內及庫房時產品活動空間不大，位置相對靜止，信息傳遞需要短距離、低耗方式，而在運輸過程中，需要遠距離傳輸將信息傳送至監(jiān)控中心，并且當多種產品處于不同的運輸工具中時，各運輸工具之間的信息交互需要動態(tài)聯(lián)網(wǎng)方式，以提高在屏蔽地點信號傳輸能力。因此提出WSN、MANET 及傳統(tǒng)通信技術相結合的方式作為本系統(tǒng)網(wǎng)絡通信手段。
　　
1 理論分析
　　
1.1 系統(tǒng)目標
　　
本系統(tǒng)需監(jiān)控產品在全國范圍內的車載和庫存狀況。車載時，車廂內的節(jié)點相對于車靜止，各車之間相對運動；庫存時，節(jié)點之間，庫房之間均是相對靜止。筆者主要針對運輸過程中的監(jiān)控進行探討。為了實現(xiàn)長時間大范圍內持續(xù)監(jiān)控，系統(tǒng)硬件設計分為3 部分，包括監(jiān)控終端、監(jiān)控中繼及監(jiān)控中心。
　　
其中監(jiān)控終端的指標：
　　
1）位置：處于產品相同空間內；
　　
2）電池工作時間：1 年或更長時間；
　　
3）通訊接口：無線網(wǎng)絡；
　　
4）監(jiān)測內容：溫度、移動、開箱、電池電壓、距離等。
　　
主要功能：平時處于低功耗休眠狀態(tài)，監(jiān)測到異常信號或定時時間到則退出休眠狀態(tài)， 發(fā)射狀態(tài)信息到中繼基站。
　　
監(jiān)控終端是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心裝置，其低功耗、小型化、健壯性設計是關鍵點。由于產品位置是動態(tài)變化的，不適合有線傳輸，并且為了避免經常性地更換電池，必須保證低功耗工作，因此終端節(jié)點之間采用短距離、低耗無線通信方式，而無線傳感器網(wǎng)絡作為未來改變世界的十大技術之一、全球未來四大高技術產業(yè)之一，有顯著的低功耗特點，并且布署靈活，成本低廉，因此監(jiān)控終端組成WSN.
　　
由于WSN 是短距離通信， 因此需中繼基站將終端信息進行轉發(fā)，中繼指標如下：
　　
1）位置：庫房或運輸車上；
　　
2）電源：220 V 交流或12 V 直流；
　　
3）與終端通訊接口：無線接口；
　　
4）與監(jiān)控中心通訊接口：以太網(wǎng)、GPRS、衛(wèi)星通訊；
　　
5）自組網(wǎng)：MANET.
　

主要功能：
　　
1）接收終端監(jiān)測數(shù)據(jù)，并轉發(fā)到監(jiān)控中心；
　　
2）接收監(jiān)控中心命令并轉發(fā)監(jiān)控中心對監(jiān)控終端的命令；
　　
3）由于監(jiān)控終端損壞或電池斷電等，導致中斷基站在設定時間內不能與其聯(lián)系，則向監(jiān)控中心發(fā)送報警信號；
　　
4）某監(jiān)控中心離中繼基站太遠（如超過1 km），則向監(jiān)控中心發(fā)送報警信號；
　　
5）運輸過程中的定位；
　　
6）運輸過程中在信號屏蔽地點，利用MANET 進行信息傳遞與發(fā)送。
　　
中繼最重要的功能是信息發(fā)送或轉發(fā)，利用傳統(tǒng)的方式如衛(wèi)星、公共信息網(wǎng)、軍網(wǎng)等可實現(xiàn)正常情況下的發(fā)送，當遇到緊急情況，如穿越山洞、山體遮掩、傳輸障礙等，則需最大限度地進行信息傳遞再發(fā)送， 此時需各中繼之間自組網(wǎng)，由最易與傳統(tǒng)通信相連接的中繼節(jié)點完成最終的信息發(fā)送。
　　
綜上，本系統(tǒng)中終端節(jié)點間采用WSN,運輸正常情況下各車直接采用傳統(tǒng)通信方式，緊急時車之間采用MANET,再與傳統(tǒng)通信方式相結合。監(jiān)控中心的設計取決于終端與中繼的特點，在此不贅述。
　　
1.2 WSN 與MANET 的特點
　　
WSN 是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。MANET 是由具有移動特性的節(jié)點組成的拓撲結構隨時發(fā)生變化的網(wǎng)絡。從通信角度看，WSN 與MANET 有許多共同點，都采用無中心、分布式協(xié)作、自組織、多跳無線組網(wǎng)形式，每個節(jié)點都具有路由轉發(fā)功能，但兩者擁有的獨特之處使它們可在不同場合發(fā)揮最佳作用，WSN 主要面向"物與物、人與物"之間的信息交互，其具有快速部署、自組織、高容錯性等特點，MANET 主要面向"人與人"之間的移動通信，其具有網(wǎng)絡快速展開與組織、抗毀性強、移動中通信、通信距離遠等特點，如表1 所示。本系統(tǒng)通信網(wǎng)絡將充分利用兩者優(yōu)勢進行不同場合、不同時間、不同頻段的信息傳輸。

表1 WSN與MANET的特點

1.3 WSN 技術分析
　　
廣義地說，低功耗、無線近距離通信都屬于WSN,而目前市場上無線近距離通信產品層出不窮，主要有藍牙、紅外、無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）、ZigBee、超寬頻（UWB）、短距離通信（NFC）等。它們有各自立足的特點，或基于傳輸速度、距離、耗電量的特殊要求；或著眼于距離的擴充性；或符合某些單一應用的特殊要求；或建立競爭技術的差異優(yōu)化等。主要特性如表2所示。

表2 近距離通信產品特性
　　
從上表可以看出，NFC 通信距離太短，不適合本系統(tǒng)；其余產品在傳輸速度、通信距離等方面滿足要求，但有不適應本系統(tǒng)的弱點。根據(jù)藍牙技術協(xié)議，一個主設備最多與7 個處于激活狀態(tài)的從設備通信，而本系統(tǒng)需同時監(jiān)控的節(jié)點不止7 個，并且不會刻意指定主節(jié)點；紅外是一種視距傳輸，兩個相互通信的設備之間必須對準，中間不能被其他物體阻隔， 不滿足系統(tǒng)要求；Wi-Fi 的發(fā)展主要受技術本身的限制，如QoS、安全性、有效性等；制約UWB 發(fā)展的主要問題是其標準化工作還沒有完成，一些技術問題需要不斷完善。而ZigBee 與這幾款產品相比性能全面，應用在本系統(tǒng)中沒有明顯弱點。首先，ZigBee 的PHY、MAC 層有明確協(xié)議規(guī)范-IEEE 802.15.4,網(wǎng)絡層以上協(xié)議由ZigBee 聯(lián)盟制定，其次具有無中心和自組網(wǎng)特性，單一網(wǎng)絡可容納65 535 個節(jié)點，再次節(jié)點的擺放位置不會對布網(wǎng)造成困擾。因此，監(jiān)控終端組網(wǎng)方式采用ZigBee.

1.4 MANET 技術分析

MANET 具有傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡無法比擬的優(yōu)點，但同時，也存在一些缺點和問題。由于競爭共享無線信道產生的沖突、干擾等因素，移動終端得到的實際帶寬遠小于理論上的最大值。另外，傳統(tǒng)的路由協(xié)議是為相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡拓撲設計的，它們無法滿足拓撲快速變化網(wǎng)絡的需要。因此，要使MANET 技術切實可行，必須提出合乎實際的路由技術。
　　
目前，已經提出許多MANET 協(xié)議，但沒有一種方法能夠兼顧協(xié)議開銷、整體復雜度、耗電、路由獲取延時、控制負載等問題。按需路由協(xié)議中拓撲結構和路由表內容是按需建立的，它可能僅僅是整個拓撲結構信息的一部分，其優(yōu)點是不需要周期性的路由信息廣播， 節(jié)省了一定的網(wǎng)絡資源；缺點是發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，如果沒有去往目的節(jié)點的路由，數(shù)據(jù)分組需要等待因路由發(fā)現(xiàn)引起的延時。表驅動（主動）路由協(xié)議中節(jié)點通過周期性地廣播路由信息分組， 交換路由信息，同時節(jié)點必須維護去往全網(wǎng)所有節(jié)點的路由，其優(yōu)點是當節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)分組時， 只要去往目的節(jié)點的路由存在，則所需的延時很小；缺點是需要較大開銷以盡可能使得路由更新緊隨當前拓撲結構的變化。根據(jù)應用研究，在拓撲變化頻繁的Ad Hoc 網(wǎng)絡環(huán)境中，應采用按需路由協(xié)議；而在網(wǎng)絡拓撲結構相對穩(wěn)定的環(huán)境中，如果對實時性要求比較高，則應采用表驅動方式的路由協(xié)議。
　　
國外已提出許多MANET 路由協(xié)議草案， 國內的研究也大多基于這些草案，但針對草案具體實現(xiàn)的案例很少。本系統(tǒng)中將定制按需路由協(xié)議，初步指標為10 個節(jié)點，通信距離不超過50 m,相對速度不超過20 km,2 min 內可重新組網(wǎng)。
　　
2 方案設計
　　
2.1 系統(tǒng)概況
　　
本系統(tǒng)硬件設計為3 部分，分別是監(jiān)控終端、監(jiān)控中繼及監(jiān)控中心。其中監(jiān)控終端組成WSN,在WSN 中如何高效使用能量來最大化網(wǎng)絡生命期是主要挑戰(zhàn)，將采用"瘦"節(jié)點方式，以節(jié)約能量，縮小電池體積；監(jiān)控中繼會放在駕駛室處或庫房中，不受體積、功耗等的限制，因此會留夠功能備份，在組成MANET 時，如何適應網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化是主要挑戰(zhàn)；監(jiān)控中心處理全系統(tǒng)數(shù)據(jù)，顯示定位信息，發(fā)送控制命令，報警等。運輸過程中監(jiān)控系統(tǒng)硬件配合關系如圖1 所示，庫房中類似。如果考慮到隱蔽性，則庫房內采用WSN 網(wǎng)絡，庫房之間采用有線通信。

圖1 運輸過程監(jiān)控系統(tǒng)圖
　　
MANET 信息通過北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)或公共信息網(wǎng)GPRS 或軍網(wǎng)傳送至監(jiān)控中心，GPS 無通信數(shù)據(jù)鏈作為定位時的備份手段。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是中國研發(fā)的導航系統(tǒng)，包括北斗一號和北斗二號系統(tǒng)，一號系統(tǒng)已投入使用，在建的二號系統(tǒng)已發(fā)射8 顆衛(wèi)星， 到2020 年將有35 顆衛(wèi)星，定位精度10 m,授時精度10 ns,測速精度0.2 m/s,實現(xiàn)全球通信與定位。作為主要用于軍事用途的國內導航系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)具有相當?shù)陌l(fā)展?jié)摿?，因此，本系統(tǒng)中首選其為遠距離通信手段。

2.2 監(jiān)控終端設計
　　
平時處于休眠狀態(tài)，定時時間到或監(jiān)測到異常信號則發(fā)射狀態(tài)信息到監(jiān)控中繼。采用ZigBee 技術，搭建星型或樹型網(wǎng)絡，由傳感器網(wǎng)絡、無線發(fā)送模塊、電源管理模塊、時鐘模塊組成，如圖2 所示。

圖2 監(jiān)控終端方案
　
　
根據(jù)研究，監(jiān)控終端設計需考慮以下問題：
　　
1）設計復雜度：本系統(tǒng)的作用主要是信息管理，因此傳感器網(wǎng)絡不會太復雜，主要采集溫度、濕度等常規(guī)信息，加上被監(jiān)控對象數(shù)量、種類、位置等信息，終端發(fā)送的數(shù)據(jù)不超過100 字節(jié)；
　　
2）網(wǎng)絡拓撲控制：一般情況下，在開放環(huán)境中第一層中繼控制之前會采用星型拓撲或樹狀拓撲，且節(jié)點個數(shù)不超過30 個，但本系統(tǒng)終端節(jié)點是處于包裹中的，根據(jù)測試，發(fā)射功率-10 dBm 時，空曠環(huán)境傳輸距離為22 m,集裝箱屏蔽環(huán)境傳輸距離約5 m, 而不同材料的包裝箱對無線信號傳輸?shù)挠绊戇€不明確，因此終端發(fā)射多大功率，可以組成多大規(guī)模的網(wǎng)絡，需驗證；
　　
3）節(jié)能設計：能量消耗主要是無線通信的消耗，其有4種消耗形式，發(fā)射狀態(tài)、接收狀態(tài)、空閑狀態(tài)和休眠狀態(tài)。將節(jié)點在4 種工作狀態(tài)下的功耗分別表示為：Ptr,Prcv,Pidle和Psleep, 則存在關系式：Ptr>Prcv>Pidle>Psleep.用TD表示節(jié)點發(fā)射數(shù)據(jù)分組D 所需要的時間， 則發(fā)送和接收數(shù)據(jù)分組D 所需要消耗的能量可以線性表示為：

　　
當節(jié)點i 向其下一跳節(jié)點單播發(fā)送數(shù)據(jù)分組D 時，由于無線信道的共享特性， 如果該節(jié)點的鄰居節(jié)點處于空閑狀態(tài)，則會接收到該數(shù)據(jù)分組；如果處于休眠狀態(tài)則不接收該分組。結合式（1）和式（2）可以得到節(jié)點i 向其鄰居節(jié)點單播發(fā)送數(shù)據(jù)分組時網(wǎng)絡中的能耗，簡單表示為：
　　
式中：COST （i） 表示節(jié)點i 向鄰居節(jié)點單播發(fā)送數(shù)據(jù)分組時網(wǎng)絡中的能耗；N（i）表示節(jié)點i 的鄰居節(jié)點集合；γj=1 表示鄰居節(jié)點j 此時的工作狀態(tài)，γj =1 表示節(jié)點處于空閑狀態(tài)，γj=0 表示節(jié)點處于休眠狀態(tài)。由式（3）可以看出，當節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，網(wǎng)絡中的能耗與節(jié)點的發(fā)射功率、鄰居節(jié)點的工作狀態(tài)、鄰居節(jié)點的數(shù)量以及數(shù)據(jù)分組的長度有關；ZigBee 設備搜索時延為30 ms,休眠激活時間為15 ms,活動設備信道接入時延為15 ms, 假設使用2 500 mAH 電池，工作在2.4 GHz 頻段，傳輸速度250 kb/s,2 分鐘發(fā)射一次，每次100 字節(jié)，發(fā)射電流15 mA,待機電流3 mA,休眠電流1 mA,則可工作389 天；
　　
4）能量供應設計：日本東芝鋰-亞硫酰氯電池，其能量-體積比在一次性電池中最優(yōu)，但必須考慮網(wǎng)絡規(guī)模、發(fā)射功率、工作與待機時間比例等因素來確定電池使用型號；
　　
5）抗擁堵設計：無線發(fā)送模塊支持多頻率選擇， 包括2.4 GHz、868 MHz,以增強抗惡意擁堵的能力；
　　
6）小型化設計：終端節(jié)點處于包裝箱中，應盡量縮小占用空間，而傳感器、協(xié)議芯片等是國外產品在體積與性能上占優(yōu)勢，如果充分考慮小型化設計，則終端設計的國產化率不高，預計不會超過50%.
　　
2.3 監(jiān)控中繼設計
　　
目前來說，在高速行駛過程中，中繼節(jié)點組成MANET,即使控制它們的行動速度、行動路線，采用表驅動方式，其傳輸延時、傳輸可靠性、路由選擇等問題依然存在。國內整體水平不高，缺乏可借鑒的成功案例。可查到的信息大多是課題名稱，如"十五"期間的基于3G 技術的移動自組織網(wǎng)絡研究；其后的未來無線通信通用環(huán)境研究項目等。但這些都沒有形成可查閱到的正規(guī)的報告、文獻、或者可用及可展示的設備系統(tǒng)等，因此也無法從中汲取經驗和方法。
　　
為了保證整個監(jiān)控系統(tǒng)設計的順利進行，在中繼節(jié)點將采用MANET 與傳統(tǒng)通信技術相結合的方式， 硬件設計最終以"一機多卡"形式展現(xiàn)，如圖3 所示。無線發(fā)送模塊與監(jiān)控終端復用，負責WSN 通信，主控制器采用ARM 系列，用于實現(xiàn)MANET 及多種遠程通信協(xié)議的處理和消息響應， 正常情況下，運用MANET 及北斗系統(tǒng)，北斗失效或定位精度不滿足需求時利用GPS 定位并采用手機網(wǎng)傳送信息。

圖3 監(jiān)控中繼方案
　

根據(jù)研究，監(jiān)控中繼設計需考慮以下問題：
　　
1）電磁兼容設計：WSN 與MANET、北斗或傳統(tǒng)通信時間不可避免地會重合，在其中一種通信網(wǎng)絡工作時，必然產生電磁干擾，如向北斗發(fā)送信息時，發(fā)送功率達40 W,如何采取措施保證其它通信不受干擾是設計難點；
　　
2）時鐘同步設計：給各網(wǎng)絡提供同一主時鐘信號，各分時鐘信號經過時間積累后產生時間誤差， 需進行時間同步，由主芯片發(fā)出時間同步信號；
　　
3）數(shù)據(jù)融合設計：采用去冗余設計算法，減小數(shù)據(jù)量，在合格范圍內的相同指標保留一個再進行遠距離傳輸；
　　
4）數(shù)據(jù)加密設計：中繼信息進行遠距離傳輸時必須加密，硬件加密、MAC 層、網(wǎng)絡層加密；
　　
5）電源供應設計：監(jiān)控中繼使用車載或室內供電，若供電出現(xiàn)問題，則需使用備用電源以支持短期內的通信。
　　
2.4 監(jiān)控中心設計
　　
不受體積、功耗的限制，在監(jiān)控節(jié)點、中繼節(jié)點方案確定的前提下，主要考慮資源配備、性能穩(wěn)健、信息備份、人機友好等問題。在此不贅述。
　　
3 結論
　　
該系統(tǒng)處于方案設想階段， 其涉及到微弱信號檢測、MANET 協(xié)議、時間同步技術、安全技術、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)管理、電磁兼容設計等多方面研究，如果研制成功，將形成國內首套基于無線自組網(wǎng)技術的監(jiān)控系統(tǒng)，并推動無線自組網(wǎng)技術在國內的應用與發(fā)展。