基于無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要： 設(shè)計(jì)一套基于無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，旨在對(duì)運(yùn)輸及庫(kù)存中的重要產(chǎn)品進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控，避免繁瑣的人工管理過(guò)程。從通信組網(wǎng)、硬件設(shè)計(jì)方面介紹了初步方案設(shè)計(jì)，擬利用短距離、低耗的WSN 實(shí)現(xiàn)相對(duì)靜止空間內(nèi)的組網(wǎng)，利用MANET 實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的組網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)的，信息傳遞時(shí)間小于5 分鐘的動(dòng)態(tài)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN） 和移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（MANET）是無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中由于應(yīng)用場(chǎng)合、移動(dòng)特性、尋址方式等的不同而產(chǎn)生兩個(gè)分支，它們的網(wǎng)絡(luò)均由不需要任何基礎(chǔ)設(shè)施的一組具有動(dòng)態(tài)組網(wǎng)能力的節(jié)點(diǎn)組成[1].這些網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)了應(yīng)用中對(duì)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備移動(dòng)性的要求， 從而引起關(guān)注，并在20 世紀(jì)90 年代以后獲得廣泛的認(rèn)可和研究。歷經(jīng)十幾年，WSN 和MANET 在國(guó)外軍事通信和民事通信領(lǐng)域發(fā)展迅速， 已展現(xiàn)出作為未來(lái)Internet 重要組成部分的不可阻擋的趨勢(shì)。

筆者提出基于無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)某些重要產(chǎn)品在全國(guó)范圍內(nèi)的庫(kù)存、運(yùn)輸過(guò)程中的數(shù)量、位置以及各種狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)地監(jiān)控，避免繁瑣的人工管理過(guò)程，提高管理效率。

良好的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)關(guān)鍵，其涉及地面運(yùn)輸和庫(kù)存，在運(yùn)輸車(chē)廂內(nèi)及庫(kù)房時(shí)產(chǎn)品活動(dòng)空間不大，位置相對(duì)靜止，信息傳遞需要短距離、低耗方式，而在運(yùn)輸過(guò)程中，需要遠(yuǎn)距離傳輸將信息傳送至監(jiān)控中心，并且當(dāng)多種產(chǎn)品處于不同的運(yùn)輸工具中時(shí)，各運(yùn)輸工具之間的信息交互需要?jiǎng)討B(tài)聯(lián)網(wǎng)方式，以提高在屏蔽地點(diǎn)信號(hào)傳輸能力。因此提出WSN、MANET 及傳統(tǒng)通信技術(shù)相結(jié)合的方式作為本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信手段。

1 理論分析

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

本系統(tǒng)需監(jiān)控產(chǎn)品在全國(guó)范圍內(nèi)的車(chē)載和庫(kù)存狀況。車(chē)載時(shí)，車(chē)廂內(nèi)的節(jié)點(diǎn)相對(duì)于車(chē)靜止，各車(chē)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)；庫(kù)存時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間，庫(kù)房之間均是相對(duì)靜止。筆者主要針對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中的監(jiān)控進(jìn)行探討。為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間大范圍內(nèi)持續(xù)監(jiān)控，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(biāo)：

1）位置：處于產(chǎn)品相同空間內(nèi)；

2）電池工作時(shí)間：1 年或更長(zhǎng)時(shí)間；

3）通訊接口：無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)；

4）監(jiān)測(cè)內(nèi)容：溫度、移動(dòng)、開(kāi)箱、電池電壓、距離等。

主要功能：平時(shí)處于低功耗休眠狀態(tài)，監(jiān)測(cè)到異常信號(hào)或定時(shí)時(shí)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(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心裝置，其低功耗、小型化、健壯性設(shè)計(jì)是關(guān)鍵點(diǎn)。由于產(chǎn)品位置是動(dòng)態(tài)變化的，不適合有線(xiàn)傳輸，并且為了避免經(jīng)常性地更換電池，必須保證低功耗工作，因此終端節(jié)點(diǎn)之間采用短距離、低耗無(wú)線(xiàn)通信方式，而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)作為未來(lái)改變世界的十大技術(shù)之一、全球未來(lái)四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，有顯著的低功耗特點(diǎn)，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(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，中繼指標(biāo)如下：

1）位置：庫(kù)房或運(yùn)輸車(chē)上；

2）電源：220 V 交流或12 V 直流；

3）與終端通訊接口：無(wú)線(xiàn)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(cè)數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控中心；

2）接收監(jiān)控中心命令并轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控中心對(duì)監(jiān)控終端的命令；

3）由于監(jiān)控終端損壞或電池?cái)嚯姷?，?dǎo)致中斷基站在設(shè)定時(shí)間內(nèi)不能與其聯(lián)系，則向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信號(hào)；

4）某監(jiān)控中心離中繼基站太遠(yuǎn)（如超過(guò)1 km），則向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信號(hào)；

5）運(yùn)輸過(guò)程中的定位；

6）運(yùn)輸過(guò)程中在信號(hào)屏蔽地點(diǎn)，利用MANET 進(jìn)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)正常情況下的發(fā)送，當(dāng)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(jìn)行信息傳遞再發(fā)送， 此時(shí)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(diǎn)完成最終的信息發(fā)送。

綜上，本系統(tǒng)中終端節(jié)點(diǎn)間采用WSN,運(yùn)輸正常情況下各車(chē)直接采用傳統(tǒng)通信方式，緊急時(shí)車(chē)之間采用MANET,再與傳統(tǒng)通信方式相結(jié)合。監(jiān)控中心的設(shè)計(jì)取決于終端與中繼的特點(diǎn)，在此不贅述。

1.2 WSN 與MANET 的特點(diǎn)

WSN 是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。MANET 是由具有移動(dòng)特性的節(jié)點(diǎn)組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化的網(wǎng)絡(luò)。從通信角度看，WSN 與MANET 有許多共同點(diǎn)，都采用無(wú)中心、分布式協(xié)作、自組織、多跳無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)形式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，但兩者擁有的獨(dú)特之處使它們可在不同場(chǎng)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(cuò)性等特點(diǎn)，MANET 主要面向"人與人"之間的移動(dòng)通信，其具有網(wǎng)絡(luò)快速展開(kāi)與組織、抗毀性強(qiáng)、移動(dòng)中通信、通信距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，如表1 所示。本系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)將充分利用兩者優(yōu)勢(shì)進(jìn)行不同場(chǎng)合、不同時(shí)間、不同頻段的信息傳輸。

表1 WSN與MANET的特點(diǎn)

1.3 WSN 技術(shù)分析

廣義地說(shuō)，低功耗、無(wú)線(xiàn)近距離通信都屬于WSN,而目前市場(chǎng)上無(wú)線(xiàn)近距離通信產(chǎn)品層出不窮，主要有藍(lán)牙、紅外、無(wú)線(xiàn)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(diǎn)，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(kuò)充性；或符合某些單一應(yīng)用的特殊要求；或建立競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的差異優(yōu)化等。主要特性如表2所示。

表2 近距離通信產(chǎn)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(chǎn)品在傳輸速度、通信距離等方面滿(mǎn)足要求，但有不適應(yīng)本系統(tǒng)的弱點(diǎn)。根據(jù)藍(lán)牙技術(shù)協(xié)議，一個(gè)主設(shè)備最多與7 個(gè)處于激活狀態(tài)的從設(shè)備通信，而本系統(tǒng)需同時(shí)監(jiān)控的節(jié)點(diǎn)不止7 個(gè)，并且不會(huì)刻意指定主節(jié)點(diǎn)；紅外是一種視距傳輸，兩個(gè)相互通信的設(shè)備之間必須對(duì)準(zhǔn)，中間不能被其他物體阻隔， 不滿(mǎn)足系統(tǒng)要求；Wi-Fi 的發(fā)展主要受技術(shù)本身的限制，如QoS、安全性、有效性等；制約UWB 發(fā)展的主要問(wèn)題是其標(biāo)準(zhǔn)化工作還沒(méi)有完成，一些技術(shù)問(wèn)題需要不斷完善。而ZigBee 與這幾款產(chǎn)品相比性能全面，應(yīng)用在本系統(tǒng)中沒(méi)有明顯弱點(diǎn)。首先，ZigBee 的PHY、MAC 層有明確協(xié)議規(guī)范-IEEE 802.15.4,網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee 聯(lián)盟制定，其次具有無(wú)中心和自組網(wǎng)特性，單一網(wǎng)絡(luò)可容納65 535 個(gè)節(jié)點(diǎn)，再次節(jié)點(diǎn)的擺放位置不會(huì)對(duì)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(shù)分析

MANET 具有傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)，也存在一些缺點(diǎn)和問(wèn)題。由于競(jìng)爭(zhēng)共享無(wú)線(xiàn)信道產(chǎn)生的沖突、干擾等因素，移動(dòng)終端得到的實(shí)際帶寬遠(yuǎn)小于理論上的最大值。另外，傳統(tǒng)的路由協(xié)議是為相對(duì)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)的，它們無(wú)法滿(mǎn)足拓?fù)淇焖僮兓W(wǎng)絡(luò)的需要。因此，要使MANET 技術(shù)切實(shí)可行，必須提出合乎實(shí)際的路由技術(shù)。

目前，已經(jīng)提出許多MANET 協(xié)議，但沒(méi)有一種方法能夠兼顧協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)、整體復(fù)雜度、耗電、路由獲取延時(shí)、控制負(fù)載等問(wèn)題。按需路由協(xié)議中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由表內(nèi)容是按需建立的，它可能僅僅是整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的一部分，其優(yōu)點(diǎn)是不需要周期性的路由信息廣播， 節(jié)省了一定的網(wǎng)絡(luò)資源；缺點(diǎn)是發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，如果沒(méi)有去往目的節(jié)點(diǎn)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(shí)。表驅(qū)動(dòng)（主動(dòng)）路由協(xié)議中節(jié)點(diǎn)通過(guò)周期性地廣播路由信息分組， 交換路由信息，同時(shí)節(jié)點(diǎn)必須維護(hù)去往全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的路由，其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)， 只要去往目的節(jié)點(diǎn)的路由存在，則所需的延時(shí)很??；缺點(diǎn)是需要較大開(kāi)銷(xiāo)以盡可能使得路由更新緊隨當(dāng)前拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。根據(jù)應(yīng)用研究，在拓?fù)渥兓l繁的Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，應(yīng)采用按需路由協(xié)議；而在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中，如果對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，則應(yīng)采用表驅(qū)動(dòng)方式的路由協(xié)議。

國(guó)外已提出許多MANET 路由協(xié)議草案， 國(guó)內(nèi)的研究也大多基于這些草案，但針對(duì)草案具體實(shí)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(biāo)為10 個(gè)節(jié)點(diǎn)，通信距離不超過(guò)50 m,相對(duì)速度不超過(guò)20 km,2 min 內(nèi)可重新組網(wǎng)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)概況

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(lái)最大化網(wǎng)絡(luò)生命期是主要挑戰(zhàn)，將采用"瘦"節(jié)點(diǎn)方式，以節(jié)約能量，縮小電池體積；監(jiān)控中繼會(huì)放在駕駛室處或庫(kù)房中，不受體積、功耗等的限制，因此會(huì)留夠功能備份，在組成MANET 時(shí)，如何適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)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(bào)警等。運(yùn)輸過(guò)程中監(jiān)控系統(tǒng)硬件配合關(guān)系如圖1 所示，庫(kù)房中類(lèi)似。如果考慮到隱蔽性，則庫(kù)房?jī)?nèi)采用WSN 網(wǎng)絡(luò)，庫(kù)房之間采用有線(xiàn)通信。

圖1 運(yùn)輸過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)圖

MANET 信息通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)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(wú)通信數(shù)據(jù)鏈作為定位時(shí)的備份手段。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)研發(fā)的導(dǎo)航系統(tǒng)，包括北斗一號(hào)和北斗二號(hào)系統(tǒng)，一號(hào)系統(tǒng)已投入使用，在建的二號(hào)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(shí)精度10 ns,測(cè)速精度0.2 m/s,實(shí)現(xiàn)全球通信與定位。作為主要用于軍事用途的國(guó)內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展?jié)摿?，因此，本系統(tǒng)中首選其為遠(yuǎn)距離通信手段。

2.2 監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

平時(shí)處于休眠狀態(tài)，定時(shí)時(shí)間到或監(jiān)測(cè)到異常信號(hào)則發(fā)射狀態(tài)信息到監(jiān)控中繼。采用ZigBee 技術(shù)，搭建星型或樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)，由傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊、電源管理模塊、時(shí)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(shè)計(jì)需考慮以下問(wèn)題：

1）設(shè)計(jì)復(fù)雜度：本系統(tǒng)的作用主要是信息管理，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)不會(huì)太復(fù)雜，主要采集溫度、濕度等常規(guī)信息，加上被監(jiān)控對(duì)象數(shù)量、種類(lèi)、位置等信息，終端發(fā)送的數(shù)據(jù)不超過(guò)100 字節(jié)；

2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂疲阂话闱闆r下，在開(kāi)放環(huán)境中第一層中繼控制之前會(huì)采用星型拓?fù)浠驑?shù)狀拓?fù)?，且?jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)不超過(guò)30 個(gè)，但本系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)是處于包裹中的，根據(jù)測(cè)試，發(fā)射功率-10 dBm 時(shí)，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(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)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(luò)，需驗(yàn)證；

3）節(jié)能設(shè)計(jì)：能量消耗主要是無(wú)線(xiàn)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(diǎn)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(guān)系式：Ptr>Prcv>Pidle>Psleep.用TD表示節(jié)點(diǎn)發(fā)射數(shù)據(jù)分組D 所需要的時(shí)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(xiàn)性表示為：

當(dāng)節(jié)點(diǎn)i 向其下一跳節(jié)點(diǎn)單播發(fā)送數(shù)據(jù)分組D 時(shí)，由于無(wú)線(xiàn)信道的共享特性， 如果該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)，則會(huì)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(jié)合式（1）和式（2）可以得到節(jié)點(diǎn)i 向其鄰居節(jié)點(diǎn)單播發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的能耗，簡(jiǎn)單表示為：

式中：COST （i） 表示節(jié)點(diǎn)i 向鄰居節(jié)點(diǎn)單播發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的能耗；N（i）表示節(jié)點(diǎn)i 的鄰居節(jié)點(diǎn)集合；γj=1 表示鄰居節(jié)點(diǎn)j 此時(shí)的工作狀態(tài)，γj =1 表示節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)，γj=0 表示節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)。由式（3）可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的能耗與節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率、鄰居節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)量以及數(shù)據(jù)分組的長(zhǎng)度有關(guān)；ZigBee 設(shè)備搜索時(shí)延為30 ms,休眠激活時(shí)間為15 ms,活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15 ms, 假設(shè)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(jī)電流3 mA,休眠電流1 mA,則可工作389 天；

4）能量供應(yīng)設(shè)計(jì)：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(luò)規(guī)模、發(fā)射功率、工作與待機(jī)時(shí)間比例等因素來(lái)確定電池使用型號(hào)；

5）抗擁堵設(shè)計(jì)：無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊支持多頻率選擇， 包括2.4 GHz、868 MHz,以增強(qiáng)抗惡意擁堵的能力；

6）小型化設(shè)計(jì)：終端節(jié)點(diǎn)處于包裝箱中，應(yīng)盡量縮小占用空間，而傳感器、協(xié)議芯片等是國(guó)外產(chǎn)品在體積與性能上占優(yōu)勢(shì)，如果充分考慮小型化設(shè)計(jì)，則終端設(shè)計(jì)的國(guó)產(chǎn)化率不高，預(yù)計(jì)不會(huì)超過(guò)50%.

2.3 監(jiān)控中繼設(shè)計(jì)

目前來(lái)說(shuō)，在高速行駛過(guò)程中，中繼節(jié)點(diǎn)組成MANET,即使控制它們的行動(dòng)速度、行動(dòng)路線(xiàn)，采用表驅(qū)動(dòng)方式，其傳輸延時(shí)、傳輸可靠性、路由選擇等問(wèn)題依然存在。國(guó)內(nèi)整體水平不高，缺乏可借鑒的成功案例?？刹榈降男畔⒋蠖嗍钦n題名稱(chēng)，如"十五"期間的基于3G 技術(shù)的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)研究；其后的未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信通用環(huán)境研究項(xiàng)目等。但這些都沒(méi)有形成可查閱到的正規(guī)的報(bào)告、文獻(xiàn)、或者可用及可展示的設(shè)備系統(tǒng)等，因此也無(wú)法從中汲取經(jīng)驗(yàn)和方法。

為了保證整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行，在中繼節(jié)點(diǎn)將采用MANET 與傳統(tǒng)通信技術(shù)相結(jié)合的方式， 硬件設(shè)計(jì)最終以"一機(jī)多卡"形式展現(xiàn)，如圖3 所示。無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊與監(jiān)控終端復(fù)用，負(fù)責(zé)WSN 通信，主控制器采用ARM 系列，用于實(shí)現(xiàn)MANET 及多種遠(yuǎn)程通信協(xié)議的處理和消息響應(yīng)， 正常情況下，運(yùn)用MANET 及北斗系統(tǒng)，北斗失效或定位精度不滿(mǎn)足需求時(shí)利用GPS 定位并采用手機(jī)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(shè)計(jì)需考慮以下問(wèn)題：

1）電磁兼容設(shè)計(jì)：WSN 與MANET、北斗或傳統(tǒng)通信時(shí)間不可避免地會(huì)重合，在其中一種通信網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)，必然產(chǎn)生電磁干擾，如向北斗發(fā)送信息時(shí)，發(fā)送功率達(dá)40 W,如何采取措施保證其它通信不受干擾是設(shè)計(jì)難點(diǎn)；

2）時(shí)鐘同步設(shè)計(jì)：給各網(wǎng)絡(luò)提供同一主時(shí)鐘信號(hào)，各分時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)間積累后產(chǎn)生時(shí)間誤差， 需進(jìn)行時(shí)間同步，由主芯片發(fā)出時(shí)間同步信號(hào)；

3）數(shù)據(jù)融合設(shè)計(jì)：采用去冗余設(shè)計(jì)算法，減小數(shù)據(jù)量，在合格范圍內(nèi)的相同指標(biāo)保留一個(gè)再進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸；

4）數(shù)據(jù)加密設(shè)計(jì)：中繼信息進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)必須加密，硬件加密、MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層加密；

5）電源供應(yīng)設(shè)計(jì)：監(jiān)控中繼使用車(chē)載或室內(nèi)供電，若供電出現(xiàn)問(wèn)題，則需使用備用電源以支持短期內(nèi)的通信。

2.4 監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

不受體積、功耗的限制，在監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)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(jī)友好等問(wèn)題。在此不贅述。

3 結(jié)論

該系統(tǒng)處于方案設(shè)想階段， 其涉及到微弱信號(hào)檢測(cè)、MANET 協(xié)議、時(shí)間同步技術(shù)、安全技術(shù)、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)管理、電磁兼容設(shè)計(jì)等多方面研究，如果研制成功，將形成國(guó)內(nèi)首套基于無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，并推動(dòng)無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展。