基于无线自组网技术的监控系统设计

中心议题：
    *  基于无线自组网技术的监控系统理论分析
    *  基于无线自组网技术的监控系统方案设计
解决方案：
    *  采用"瘦"节点方式
    *  监控终端方案
    *  监控中继方案

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基础设施的一组具有动态组网能力的节点组成[1].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、位置以及各种状态进行持续地监控，避免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进行探讨。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核心装置，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，并且为了避免经常性地更换电池，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、全球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进行转发，中继指标如下：
　　
1）位置：库房或运输车上；
　　
2）电源：220 V 交流或12 V 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1 km），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 进行信息传递与发送。
　　
中继最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，则需最大限度地进行信息传递再发送， 此时需各中继之间自组网，由最易与传统通信相连接的中继节点完成最终的信息发送。
　　
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。
　　
1.2 WSN 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结构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最佳作用，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，如表1 所示。本系统通信网络将充分利用两者优势进行不同场合、不同时间、不同频段的信息传输。

表1 WSN与MANET的特点

1.3 WSN 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；或着眼于距离的扩充性；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，一个主设备最多与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-IEEE 802.15.4,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65 535 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.

1.4 MANET 技术分析

MANET 具有传统无线网络无法比拟的优点，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最大值。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，必须提出合乎实际的路由技术。
　　
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结构和路由表内容是按需建立的，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分，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结构的变化。根据应用研究，在拓扑变化频繁的Ad Hoc 网络环境中，应采用按需路由协议；而在网络拓扑结构相对稳定的环境中，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案例很少。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50 m,相对速度不超过20 km,2 min 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最大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2020 年将有35 颗卫星，定位精度10 m,授时精度10 ns,测速精度0.2 m/s,实现全球通信与定位。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，本系统中首选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，在开放环境中第一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-10 dBm 时，空旷环境传输距离为22 m,集装箱屏蔽环境传输距离约5 m, 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30 ms,休眠激活时间为15 ms,活动设备信道接入时延为15 ms, 假设使用2 500 mAH 电池，工作在2.4 GHz 频段，传输速度250 kb/s,2 分钟发射一次，每次100 字节，发射电流15 mA,待机电流3 mA,休眠电流1 mA,则可工作389 天；
　　
4）能量供应设计：日本东芝锂-亚硫酰氯电池，其能量-体积比在一次性电池中最优，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2.4 GHz、868 MHz,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，缺乏可借鉴的成功案例。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报告、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进行，在中继节点将采用MANET 与传统通信技术相结合的方式， 硬件设计最终以"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，北斗失效或定位精度不满足需求时利用GPS 定位并采用手机网传送信息。

图3 监控中继方案
　

根据研究，监控中继设计需考虑以下问题：
　　
1）电磁兼容设计：WSN 与MANET、北斗或传统通信时间不可避免地会重合，在其中一种通信网络工作时，必然产生电磁干扰，如向北斗发送信息时，发送功率达40 W,如何采取措施保证其它通信不受干扰是设计难点；
　　
2）时钟同步设计：给各网络提供同一主时钟信号，各分时钟信号经过时间积累后产生时间误差， 需进行时间同步，由主芯片发出时间同步信号；
　　
3）数据融合设计：采用去冗余设计算法，减小数据量，在合格范围内的相同指标保留一个再进行远距离传输；
　　
4）数据加密设计：中继信息进行远距离传输时必须加密，硬件加密、MAC 层、网络层加密；
　　
5）电源供应设计：监控中继使用车载或室内供电，若供电出现问题，则需使用备用电源以支持短期内的通信。
　　
2.4 监控中心设计
　　
不受体积、功耗的限制，在监控节点、中继节点方案确定的前提下，主要考虑资源配备、性能稳健、信息备份、人机友好等问题。在此不赘述。
　　
3 结论
　　
该系统处于方案设想阶段， 其涉及到微弱信号检测、MANET 协议、时间同步技术、安全技术、数据融合、数据管理、电磁兼容设计等多方面研究，如果研制成功，将形成国内首套基于无线自组网技术的监控系统，并推动无线自组网技术在国内的应用与发展。