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

3）節(jié)能設(shè)計：能量消耗主要是無線通信的消耗，其有4種消耗形式，發(fā)射狀態(tài)、接收狀態(tài)、空閑狀態(tài)和休眠狀態(tài)。將節(jié)點在4 種工作狀態(tài)下的功耗分別表示為：Ptr,Prcv,Pidle和Psleep, 則存在關(guān)系式：Ptr>Prcv>Pidle>Psleep.用TD表示節(jié)點發(fā)射數(shù)據(jù)分組D 所需要的時間， 則發(fā)送和接收數(shù)據(jù)分組D 所需要消耗的能量可以線性表示為：

當(dāng)節(jié)點i 向其下一跳節(jié)點單播發(fā)送數(shù)據(jù)分組D 時，由于無線信道的共享特性， 如果該節(jié)點的鄰居節(jié)點處于空閑狀態(tài)，則會接收到該數(shù)據(jù)分組；如果處于休眠狀態(tài)則不接收該分組。結(jié)合式（1）和式（2）可以得到節(jié)點i 向其鄰居節(jié)點單播發(fā)送數(shù)據(jù)分組時網(wǎng)絡(luò)中的能耗，簡單表示為：

式中：COST （i） 表示節(jié)點i 向鄰居節(jié)點單播發(fā)送數(shù)據(jù)分組時網(wǎng)絡(luò)中的能耗；N（i）表示節(jié)點i 的鄰居節(jié)點集合；γj=1 表示鄰居節(jié)點j 此時的工作狀態(tài)，γj =1 表示節(jié)點處于空閑狀態(tài)，γj=0 表示節(jié)點處于休眠狀態(tài)。由式（3）可以看出，當(dāng)節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，網(wǎng)絡(luò)中的能耗與節(jié)點的發(fā)射功率、鄰居節(jié)點的工作狀態(tài)、鄰居節(jié)點的數(shù)量以及數(shù)據(jù)分組的長度有關(guān)；ZigBee 設(shè)備搜索時延為30 ms,休眠激活時間為15 ms,活動設(shè)備信道接入時延為15 ms, 假設(shè)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(fā)射一次，每次100 字節(jié)，發(fā)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(yīng)設(shè)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(yōu)，但必須考慮網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、發(fā)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(shè)計：無線發(fā)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(shè)計：終端節(jié)點處于包裝箱中，應(yīng)盡量縮小占用空間，而傳感器、協(xié)議芯片等是國外產(chǎn)品在體積與性能上占優(yōu)勢，如果充分考慮小型化設(shè)計，則終端設(shè)計的國產(chǎn)化率不高，預(yù)計不會超過50%.

2.3 監(jiān)控中繼設(shè)計

目前來說，在高速行駛過程中，中繼節(jié)點組成MANET,即使控制它們的行動速度、行動路線，采用表驅(qū)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(nèi)整體水平不高，缺乏可借鑒的成功案例?？刹榈降男畔⒋蠖嗍钦n題名稱，如十五期間的基于3G 技術(shù)的移動自組織網(wǎng)絡(luò)研究；其后的未來無線通信通用環(huán)境研究項目等。但這些都沒有形成可查閱到的正規(guī)的報告、文獻(xiàn)、或者可用及可展示的設(shè)備系統(tǒng)等，因此也無法從中汲取經(jīng)驗和方法。

為了保證整個監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的順利進(jìn)行，在中繼節(jié)點將采用MANET 與傳統(tǒng)通信技術(shù)相結(jié)合的方式， 硬件設(shè)計最終以一機多卡形式展現(xiàn)，如圖3 所示。無線發(fā)送模塊與監(jiān)控終端復(fù)用，負(fù)責(zé)WSN 通信，主控制器采用ARM 系列，用于實現(xiàn)MANET 及多種遠(yuǎn)程通信協(xié)議的處理和消息響應(yīng)， 正常情況下，運用MANET 及北斗系統(tǒng)，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(wǎng)傳送信息。

圖3 監(jiān)控中繼方案

根據(jù)研究，監(jiān)控中繼設(shè)計需考慮以下問題：

1）電磁兼容設(shè)計：WSN 與MANET、北斗或傳統(tǒng)通信時間不可避免地會重合，在其中一種通信網(wǎng)絡(luò)工作時，必然產(chǎn)生電磁干擾，如向北斗發(fā)送信息時，發(fā)送功率達(dá)40 W,如何采取措施保證其它通信不受干擾是設(shè)計難點；

2）時鐘同步設(shè)計：給各網(wǎng)絡(luò)提供同一主時鐘信號，各分時鐘信號經(jīng)過時間積累后產(chǎn)生時間誤差， 需進(jìn)行時間同步，由主芯片發(fā)出時間同步信號；

3）數(shù)據(jù)融合設(shè)計：采用去冗余設(shè)計算法，減小數(shù)據(jù)量，在合格范圍內(nèi)的相同指標(biāo)保留一個再進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸；

4）數(shù)據(jù)加密設(shè)計：中繼信息進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸時必須加密，硬件加密、MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層加密；

5）電源供應(yīng)設(shè)計：監(jiān)控中繼使用車載或室內(nèi)供電，若供電出現(xiàn)問題，則需使用備用電源以支持短期內(nèi)的通信。

2.4 監(jiān)控中心設(shè)計

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

3 結(jié)論

該系統(tǒng)處于方案設(shè)想階段， 其涉及到微弱信號檢測、MANET 協(xié)議、時間同步技術(shù)、安全技術(shù)、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)管理、電磁兼容設(shè)計等多方面研究，如果研制成功，將形成國內(nèi)首套基于無線自組網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，并推動無線自組網(wǎng)技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展。