基于無線自組網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

劉 旻，何曉英

（1.中國工程物理研究院 電子工程研究所，四川 綿陽 621900；2.中國電子科技集團(tuán)公司 第29研究所，四川 成都 610036）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）和移動自組織網(wǎng)絡(luò)（MANET）是無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中由于應(yīng)用場合、移動特性、尋址方式等的不同而產(chǎn)生兩個分支，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)用中對網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備移動性的要求，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[1]。歷經(jīng)十幾年，WSN和MANET在國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(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，旨在實現(xiàn)對某些重要產(chǎn)品在全國范圍內(nèi)的庫存、運(yùn)輸過程中的數(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程，提高管理效率。

良好的通信系統(tǒng)設(shè)計是本系統(tǒng)關(guān)鍵，其涉及地面運(yùn)輸和庫存，在運(yùn)輸車廂內(nèi)及庫房時產(chǎn)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(yùn)輸過程中，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，各運(yùn)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(diǎn)信號傳輸能力。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)品在全國范圍內(nèi)的車載和庫存狀況。車載時，車廂內(nèi)的節(jié)點(diǎn)相對于車靜止，各車之間相對運(yùn)動；庫存時，節(jié)點(diǎn)之間，庫房之間均是相對靜止。筆者主要針對運(yùn)輸過程中的監(jiān)控進(jìn)行探討。為了實現(xiàn)長時間大范圍內(nèi)持續(xù)監(jiān)控，系統(tǒng)硬件設(shè)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(biāo)：

1）位置：處于產(chǎn)品相同空間內(nèi)；2）電池工作時間：1年或更長時間；3）通訊接口：無線網(wǎng)絡(luò)；4）監(jiān)測內(nèi)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(shè)計是關(guān)鍵點(diǎn)。由于產(chǎn)品位置是動態(tài)變化的，不適合有線傳輸，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、低耗無線通信方式，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為未來改變世界的十大技術(shù)之一、全球未來四大高技術(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：庫房或運(yùn)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(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(dǎo)致中斷基站在設(shè)定時間內(nèi)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(yuǎn)（如超過1 km），則向監(jiān)控中心發(fā)送報警信號；

5）運(yùn)輸過程中的定位；

6）運(yùn)輸過程中在信號屏蔽地點(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(jié)合。監(jiān)控中心的設(shè)計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)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)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(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(diǎn)組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時發(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(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(diǎn)，MANET主要面向“人與人”之間的移動通信，其具有網(wǎng)絡(luò)快速展開與組織、抗毀性強(qiáng)、移動中通信、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)勢進(jìn)行不同場合、不同時間、不同頻段的信息傳輸。

1.3 WSN技術(shù)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(chǎn)品層出不窮，主要有藍(lán)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(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；或建立競爭技術(shù)的差異優(yōu)化等。主要特性如表2所示。

表1 WSN與MANET的特點(diǎn)Tab.1 Characteristics of WSN and MANET

表2 近距離通信產(chǎn)品特性Tab.2 Characteristics of short distance communication manufactures

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，一個主設(shè)備最多與7個處于激活狀態(tài)的從設(shè)備通信[2]，而本系統(tǒng)需同時監(jiān)控的節(jié)點(diǎn)不止7個，并且不會刻意指定主節(jié)點(diǎn)；紅外是一種視距傳輸，兩個相互通信的設(shè)備之間必須對準(zhǔn)，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(shù)本身的限制，如QoS、安全性、有效性等[3]；制約UWB發(fā)展的主要問題是其標(biāo)準(zhǔn)化工作還沒有完成，一些技術(shù)問題需要不斷完善[4]。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[5]，其次具有無中心和自組網(wǎng)特性，單一網(wǎng)絡(luò)可容納65 535個節(jié)點(diǎn)[6]，再次節(jié)點(diǎn)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(shù)分析

MANET具有傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但同時，也存在一些缺點(diǎn)和問題。由于競爭共享無線信道產(chǎn)生的沖突、干擾等因素，移動終端得到的實際帶寬遠(yuǎn)小于理論上的最大值[7]。另外，傳統(tǒng)的路由協(xié)議是為相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計的，它們無法滿足拓?fù)淇焖僮兓W(wǎng)絡(luò)的需要[7]。因此，要使MANET技術(shù)切實可行，必須提出合乎實際的路由技術(shù)。

目前，已經(jīng)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(fù)雜度、耗電、路由獲取延時、控制負(fù)載等問題[7]。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，如果沒有去往目的節(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。表驅(qū)動（主動）路由協(xié)議中節(jié)點(diǎn)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(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，只要去往目的節(jié)點(diǎn)的路由存在，則所需的延時很??；缺點(diǎn)是需要較大開銷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)相對穩(wěn)定的環(huán)境中，如果對實時性要求比較高，則應(yīng)采用表驅(qū)動方式的路由協(xié)議[7]。

國外已提出許多MANET路由協(xié)議草案，國內(nèi)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(biāo)為10個節(jié)點(diǎn)，通信距離不超過50 m，相對速度不超過20 km，2 min內(nèi)可重新組網(wǎng)。

2 方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)概況

本系統(tǒng)硬件設(shè)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(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(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(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(yùn)輸過程中監(jiān)控系統(tǒng)硬件配合關(guān)系如圖1所示，庫房中類似。如果考慮到隱蔽性，則庫房內(nèi)采用WSN網(wǎng)絡(luò)，庫房之間采用有線通信。

圖1 運(yùn)輸過程監(jiān)控系統(tǒng)圖Fig.1 Monitor system in transport process

MANET信息通過北斗衛(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無通信數(shù)據(jù)鏈作為定位時的備份手段。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國研發(fā)的導(dǎo)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(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

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(shù)，搭建星型或樹型網(wǎng)絡(luò)，由傳感器網(wǎng)絡(luò)、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Fig.2 Monitormg terminal scheme

根據(jù)研究，監(jiān)控終端設(shè)計需考慮以下問題：

1）設(shè)計復(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(luò)拓?fù)淇刂疲阂话闱闆r下，在開放環(huán)境中第一層中繼控制之前會采用星型拓?fù)浠驑錉钔負(fù)?，且?jié)點(diǎn)個數(shù)不超過30個，但本系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)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(luò)，需驗證；

3）節(jié)能設(shè)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)[8]。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[8]：

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，由于無線信道的共享特性，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)分組時網(wǎng)絡(luò)中的能耗，簡單表示為：

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，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)分組的長度有關(guān)；ZigBee設(shè)備搜索時延為30 ms，休眠激活時間為15 ms，活動設(shè)備信道接入時延為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：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)時間比例等因素來確定電池使用型號；

5）抗擁堵設(shè)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(qiáng)抗惡意擁堵的能力；

6）小型化設(shè)計：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)議芯片等是國外產(chǎn)品在體積與性能上占優(yōu)勢，如果充分考慮小型化設(shè)計，則終端設(shè)計的國產(chǎn)化率不高，預(yù)計不會超過50%。

2.3 監(jiān)控中繼設(shè)計

目前來說，在高速行駛過程中，中繼節(jié)點(diǎn)組成MANET，即使控制它們的行動速度、行動路線，采用表驅(qū)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(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，如“十五”期間的基于3G技術(shù)的移動自組織網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)、或者可用及可展示的設(shè)備系統(tǒng)等 ，因此也無法從中汲取經(jīng)驗和方法。

為了保證整個監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的順利進(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)計最終以“一機(jī)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(fù)用，負(fù)責(zé)WSN通信，主控制器采用ARM系列，用于實現(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足需求時利用GPS定位并采用手機(jī)網(wǎng)傳送信息。

圖3 監(jiān)控中繼方案Fig.3 Monitorimg relay scheme

根據(jù)研究，監(jiān)控中繼設(shè)計需考慮以下問題：

1）電磁兼容設(shè)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(luò)工作時，必然產(chǎn)生電磁干擾，如向北斗發(fā)送信息時，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)計難點(diǎn)；

2）時鐘同步設(shè)計：給各網(wǎng)絡(luò)提供同一主時鐘信號，各分時鐘信號經(jīng)過時間積累后產(chǎn)生時間誤差，需進(jìn)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(shè)計：采用去冗余設(shè)計算法，減小數(shù)據(jù)量，在合格范圍內(nèi)的相同指標(biāo)保留一個再進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸；

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

5）電源供應(yīng)設(shè)計：監(jiān)控中繼使用車載或室內(nèi)供電，若供電出現(xiàn)問題，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

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，其涉及到微弱信號檢測、MANET協(xié)議、時間同步技術(shù)、安全技術(shù)、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)管理、電磁兼容設(shè)計等多方面研究，如果研制成功，將形成國內(nèi)首套基于無線自組網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，并推動無線自組網(wǎng)技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展。

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