基于无线自组网技术的监控系统设计

　　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。