無線傳感器網絡（WSN）和移動自組織網絡（MANET）是無線自組織網絡技術中由于應用場合、移動特性、尋址方式等的不同而產生兩個分支，它們的網絡均由不需要任何基礎設施的一組具有動態組網能力的節點組成[1].這些網絡適應了應用中對網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。歷經十幾年，WSN 和MANET 在國外軍事通信和民事通信領域發展迅速， 已展現出作為未來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技術的監控系統的設計，旨在實現對某些重要產品在全國范圍內的庫存、運輸過程中的數量、位置以及各種狀態進行持續地監控，避免繁瑣的人工管理過程，提高管理效率。

良好的通信系統設計是本系統關鍵，其涉及地面運輸和庫存，在運輸車廂內及庫房時產品活動空間不大，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控中心，并且當多種產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聯網方式，以提高在屏蔽地點信號傳輸能力。因此提出WSN、MANET 及傳統通信技術相結合的方式作為本系統網絡通信手段。

1 理論分析

1.1 系統目標

本系統需監控產品在全國范圍內的車載和庫存狀況。車載時，車廂內的節點相對于車靜止，各車之間相對運動；庫存時，節點之間，庫房之間均是相對靜止。筆者主要針對運輸過程中的監控進行探討。為了實現長時間大范圍內持續監控，系統硬件設計分為3 部分，包括監控終端、監控中繼及監控中心。

其中監控終端的指標：

1）位置：處于產品相同空間內；

2）電池工作時間：1 年或更長時間；

3）通訊接口：無線網絡；

4）監測內容：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，監測到異常信號或定時時間到則退出休眠狀態， 發射狀態信息到中繼基站。

監控終端是整個監控系統的核心裝置，其低功耗、小型化、健壯性設計是關鍵點。由于產品位置是動態變化的，不適合有線傳輸，并且為了避免經常性地更換電池，必須保證低功耗工作，因此終端節點之間采用短距離、低耗無線通信方式，而無線傳感器網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業之一，有顯著的低功耗特點，并且布署靈活，成本低廉，因此監控終端組成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發，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）與監控中心通訊接口：以太網、GPRS、衛星通訊；

5）自組網：MANET.

主要功能：

1）接收終端監測數據，并轉發到監控中心；

2）接收監控中心命令并轉發監控中心對監控終端的命令；

3）由于監控終端損壞或電池斷電等，導致中斷基站在設定時間內不能與其聯系，則向監控中心發送報警信號；

4）某監控中心離中繼基站太遠（如超過1 km），則向監控中心發送報警信號；

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 進行信息傳遞與發送。

中繼最重要的功能是信息發送或轉發，利用傳統的方式如衛星、公共信息網、軍網等可實現正常情況下的發送，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送， 此時需各中繼之間自組網，由最易與傳統通信相連接的中繼節點完成最終的信息發送。

綜上，本系統中終端節點間采用WSN,運輸正常情況下各車直接采用傳統通信方式，緊急時車之間采用MANET,再與傳統通信方式相結合。監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 是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。MANET 是由具有移動特性的節點組成的拓撲結構隨時發生變化的網絡。從通信角度看，WSN 與MANET 有許多共同點，都采用無中心、分布式協作、自組織、多跳無線組網形式，每個節點都具有路由轉發功能，但兩者擁有的獨特之處使它們可在不同場合發揮最佳作用，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。本系統通信網絡將充分利用兩者優勢進行不同場合、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品層出不窮，主要有藍牙、紅外、無線局域網（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化等。主要特性如表2所示。

表2 近距離通信產品特性


從上表可以看出，NFC 通信距離太短，不適合本系統；其余產品在傳輸速度、通信距離等方面滿足要求，但有不適應本系統的弱點。根據藍牙技術協議，一個主設備最多與7 個處于激活狀態的從設備通信，而本系統需同時監控的節點不止7 個，并且不會刻意指定主節點；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， 不滿足系統要求；Wi-Fi 的發展主要受技術本身的限制，如QoS、安全性、有效性等；制約UWB 發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 與這幾款產品相比性能全面，應用在本系統中沒有明顯弱點。首先，ZigBee 的PHY、MAC 層有明確協議規范-IEEE 802.15.4,網絡層以上協議由ZigBee 聯盟制定，其次具有無中心和自組網特性，單一網絡可容納65 535 個節點，再次節點的擺放位置不會對布網造成困擾。因此，監控終端組網方式采用ZigBee.

1.4 MANET 技術分析

MANET 具有傳統無線網絡無法比擬的優點，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，傳統的路由協議是為相對穩定的網絡拓撲設計的，它們無法滿足拓撲快速變化網絡的需要。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，已經提出許多MANET 協議，但沒有一種方法能夠兼顧協議開銷、整體復雜度、耗電、路由獲取延時、控制負載等問題。按需路由協議中拓撲結構和路由表內容是按需建立的，它可能僅僅是整個拓撲結構信息的一部分，其優點是不需要周期性的路由信息廣播， 節省了一定的網絡資源；缺點是發送數據分組時，如果沒有去往目的節點的路由，數據分組需要等待因路由發現引起的延時。表驅動（主動）路由協議中節點通過周期性地廣播路由信息分組， 交換路由信息，同時節點必須維護去往全網所有節點的路由，其優點是當節點需要發送數據分組時， 只要去往目的節點的路由存在，則所需的延時很小；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構的變化。根據應用研究，在拓撲變化頻繁的Ad Hoc 網絡環境中，應采用按需路由協議；而在網絡拓撲結構相對穩定的環境中，如果對實時性要求比較高，則應采用表驅動方式的路由協議。

國外已提出許多MANET 路由協議草案， 國內的研究也大多基于這些草案，但針對草案具體實現的案例很少。本系統中將定制按需路由協議，初步指標為10 個節點，通信距離不超過50 m,相對速度不超過20 km,2 min 內可重新組網。

2 方案設計

2.1 系統概況

本系統硬件設計為3 部分，分別是監控終端、監控中繼及監控中心。其中監控終端組成WSN,在WSN 中如何高效使用能量來最大化網絡生命期是主要挑戰，將采用"瘦"節點方式，以節約能量，縮小電池體積；監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，如何適應網絡拓撲動態變化是主要挑戰；監控中心處理全系統數據，顯示定位信息，發送控制命令，報警等。運輸過程中監控系統硬件配合關系如圖1 所示，庫房中類似。如果考慮到隱蔽性，則庫房內采用WSN 網絡，庫房之間采用有線通信。


圖1 運輸過程監控系統圖

MANET 信息通過北斗衛星導航系統或公共信息網GPRS 或軍網傳送至監控中心，GPS 無通信數據鏈作為定位時的備份手段。北斗衛星導航系統是中國研發的導航系統，包括北斗一號和北斗二號系統，一號系統已投入使用，在建的二號系統已發射8 顆衛星， 到2020 年將有35 顆衛星，定位精度10 m,授時精度10 ns,測速精度0.2 m/s,實現全球通信與定位。作為主要用于軍事用途的國內導航系統，北斗系統具有相當的發展潛力，因此，本系統中首選其為遠距離通信手段。

2.2 監控終端設計

平時處于休眠狀態，定時時間到或監測到異常信號則發射狀態信息到監控中繼。采用ZigBee 技術，搭建星型或樹型網絡，由傳感器網絡、無線發送模塊、電源管理模塊、時鐘模塊組成，如圖2 所示。


圖2 監控終端方案

根據研究，監控終端設計需考慮以下問題：

1）設計復雜度：本系統的作用主要是信息管理，因此傳感器網絡不會太復雜，主要采集溫度、濕度等常規信息，加上被監控對象數量、種類、位置等信息，終端發送的數據不超過100 字節；

2）網絡拓撲控制：一般情況下，在開放環境中第一層中繼控制之前會采用星型拓撲或樹狀拓撲，且節點個數不超過30 個，但本系統終端節點是處于包裹中的，根據測試，發射功率-10 dBm 時，空曠環境傳輸距離為22 m,集裝箱屏蔽環境傳輸距離約5 m, 而不同材料的包裝箱對無線信號傳輸的影響還不明確，因此終端發射多大功率，可以組成多大規模的網絡，需驗證；

3）節能設計：能量消耗主要是無線通信的消耗，其有4種消耗形式，發射狀態、接收狀態、空閑狀態和休眠狀態。將節點在4 種工作狀態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表示節點發射數據分組D 所需要的時間， 則發送和接收數據分組D 所需要消耗的能量可以線性表示為：



當節點i 向其下一跳節點單播發送數據分組D 時，由于無線信道的共享特性， 如果該節點的鄰居節點處于空閑狀態，則會接收到該數據分組；如果處于休眠狀態則不接收該分組。結合式（1）和式（2）可以得到節點i 向其鄰居節點單播發送數據分組時網絡中的能耗，簡單表示為：



式中：COST （i） 表示節點i 向鄰居節點單播發送數據分組時網絡中的能耗；N（i）表示節點i 的鄰居節點集合；γj=1 表示鄰居節點j 此時的工作狀態，γj =1 表示節點處于空閑狀態，γj=0 表示節點處于休眠狀態。由式（3）可以看出，當節點在發送數據分組時，網絡中的能耗與節點的發射功率、鄰居節點的工作狀態、鄰居節點的數量以及數據分組的長度有關；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 分鐘發射一次，每次100 字節，發射電流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，但必須考慮網絡規模、發射功率、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：終端節點處于包裝箱中，應盡量縮小占用空間，而傳感器、協議芯片等是國外產品在體積與性能上占優勢，如果充分考慮小型化設計，則終端設計的國產化率不高，預計不會超過50%.

2.3 監控中繼設計

目前來說，在高速行駛過程中，中繼節點組成MANET,即使控制它們的行動速度、行動路線，采用表驅動方式，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絡研究；其后的未來無線通信通用環境研究項目等。但這些都沒有形成可查閱到的正規的報告、文獻、或者可用及可展示的設備系統等，因此也無法從中汲取經驗和方法。

為了保證整個監控系統設計的順利進行，在中繼節點將采用MANET 與傳統通信技術相結合的方式， 硬件設計最終以"一機多卡"形式展現，如圖3 所示。無線發送模塊與監控終端復用，負責WSN 通信，主控制器采用ARM 系列，用于實現MANET 及多種遠程通信協議的處理和消息響應， 正常情況下，運用MANET 及北斗系統，北斗失效或定位精度不滿足需求時利用GPS 定位并采用手機網傳送信息。


圖3 監控中繼方案

根據研究，監控中繼設計需考慮以下問題：

1）電磁兼容設計：WSN 與MANET、北斗或傳統通信時間不可避免地會重合，在其中一種通信網絡工作時，必然產生電磁干擾，如向北斗發送信息時，發送功率達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：給各網絡提供同一主時鐘信號，各分時鐘信號經過時間積累后產生時間誤差， 需進行時間同步，由主芯片發出時間同步信號；

3）數據融合設計：采用去冗余設計算法，減小數據量，在合格范圍內的相同指標保留一個再進行遠距離傳輸；

4）數據加密設計：中繼信息進行遠距離傳輸時必須加密，硬件加密、MAC 層、網絡層加密；

5）電源供應設計：監控中繼使用車載或室內供電，若供電出現問題，則需使用備用電源以支持短期內的通信。

2.4 監控中心設計

不受體積、功耗的限制，在監控節點、中繼節點方案確定的前提下，主要考慮資源配備、性能穩健、信息備份、人機友好等問題。在此不贅述。

3 結論

該系統處于方案設想階段， 其涉及到微弱信號檢測、MANET 協議、時間同步技術、安全技術、數據融合、數據管理、電磁兼容設計等多方面研究，如果研制成功，將形成國內首套基于無線自組網技術的監控系統，并推動無線自組網技術在國內的應用與發展。