基于無線自組網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要： 設(shè)計(jì)一套基于無線自組網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，旨在對運(yùn)輸及庫存中的重要產(chǎn)品進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控，避免繁瑣的人工管理過程。從通信組網(wǎng)、硬件設(shè)計(jì)方面介紹了初步方案設(shè)計(jì)，擬利用短距離、低耗的WSN 實(shí)現(xiàn)相對靜止空間內(nèi)的組網(wǎng)，利用MANET 實(shí)現(xiàn)相對運(yùn)動時的組網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)全國范圍內(nèi)的，信息傳遞時間小于5 分鐘的動態(tài)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN） 和移動自組織網(wǎng)絡(luò)（MANET）是無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中由于應(yīng)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(luò)均由不需要任何基礎(chǔ)設(shè)施的一組具有動態(tài)組網(wǎng)能力的節(jié)點(diǎn)組成[1].這些網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)了應(yīng)用中對網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備移動性的要求， 從而引起關(guān)注，并在20 世紀(jì)90 年代以后獲得廣泛的認(rèn)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(lǐng)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(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)對某些重要產(chǎn)品在全國范圍內(nèi)的庫存、運(yùn)輸過程中的數(shù)量、位置以及各種狀態(tài)進(jìn)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(shè)計(jì)是本系統(tǒng)關(guān)鍵，其涉及地面運(yùn)輸和庫存，在運(yùn)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(yùn)輸過程中，需要遠(yuǎn)距離傳輸將信息傳送至監(jiān)控中心，并且當(dāng)多種產(chǎn)品處于不同的運(yùn)輸工具中時，各運(yùn)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(diǎn)信號傳輸能力。因此提出WSN、MANET 及傳統(tǒng)通信技術(shù)相結(jié)合的方式作為本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信手段。

1 理論分析

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

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(diǎn)相對于車靜止，各車之間相對運(yùn)動；庫存時，節(jié)點(diǎn)之間，庫房之間均是相對靜止。筆者主要針對運(yùn)輸過程中的監(jiān)控進(jìn)行探討。為了實(shí)現(xiàn)長時間大范圍內(nèi)持續(xù)監(jiān)控，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(biāo)：

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(luò)；

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(shè)計(jì)是關(guān)鍵點(diǎn)。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(diǎn)之間采用短距離、低耗無線通信方式，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為未來改變世界的十大技術(shù)之一、全球未來四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，有顯著的低功耗特點(diǎn)，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(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，中繼指標(biāo)如下：

1）位置：庫房或運(yùn)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(dǎo)致中斷基站在設(shè)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(yuǎn)（如超過1 km），則向監(jiān)控中心發(fā)送報警信號；

5）運(yùn)輸過程中的定位；

6）運(yùn)輸過程中在信號屏蔽地點(diǎn)，利用MANET 進(jìn)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(shí)現(xiàn)正常情況下的發(fā)送，當(dāng)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(jìn)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(diǎn)完成最終的信息發(fā)送。

綜上，本系統(tǒng)中終端節(jié)點(diǎn)間采用WSN,運(yùn)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(shè)計(jì)取決于終端與中繼的特點(diǎn)，在此不贅述。