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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)品在全國范圍內(nèi)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(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(chǎn)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(jié)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(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(nèi)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(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；

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、健壯性設計是關鍵點。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(chǎn)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(zhuǎn)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(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，導致中斷基站在設定時間內(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（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(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(jié)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(chǎn)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(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(chǎn)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(chǎn)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(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(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撲結(jié)構(gòu)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(qū)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??；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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的環(huán)境中，如果對實時性要求比較高，則應采用表驅(qū)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(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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(jié)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(chǎn)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(chǎn)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(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。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(jīng)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(jié)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(chǎn)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(jīng)過時間積累后產(chǎn)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(nèi)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(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(jié)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(nèi)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(nèi)的應用與發(fā)展。