基于无线自组网技术的监控系统设计

基于无线自组网技术的监控系统设计

摘要：设计一套基于无线自组网技术的监控系统，旨在对运输及库存中的重要产品进行远距离监控，避免繁琐的人工管理过程。从通信组网、硬件设计方面介绍了初步方案设计，拟利用短距离、低耗的WSN 实现相对静止空间内的组网，利用MANET 实现相对运动时的组网，以实现全国范围内的，信息传递时间小于5 分钟的动态监控网络。

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。

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