基于無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)的監控系統的設計

3）節能設計：能量消耗主要是無(wú)線(xiàn)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)。將節點(diǎn)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表示節點(diǎn)發(fā)射數據分組D 所需要的時(shí)間， 則發(fā)送和接收數據分組D 所需要消耗的能量可以線(xiàn)性表示為：

當節點(diǎn)i 向其下一跳節點(diǎn)單播發(fā)送數據分組D 時(shí)，由于無(wú)線(xiàn)信道的共享特性， 如果該節點(diǎn)的鄰居節點(diǎn)處于空閑狀態(tài)，則會(huì )接收到該數據分組；如果處于休眠狀態(tài)則不接收該分組。結合式（1）和式（2）可以得到節點(diǎn)i 向其鄰居節點(diǎn)單播發(fā)送數據分組時(shí)網(wǎng)絡(luò )中的能耗，簡(jiǎn)單表示為：

式中：COST （i） 表示節點(diǎn)i 向鄰居節點(diǎn)單播發(fā)送數據分組時(shí)網(wǎng)絡(luò )中的能耗；N（i）表示節點(diǎn)i 的鄰居節點(diǎn)集合；γj=1 表示鄰居節點(diǎn)j 此時(shí)的工作狀態(tài)，γj =1 表示節點(diǎn)處于空閑狀態(tài)，γj=0 表示節點(diǎn)處于休眠狀態(tài)。由式（3）可以看出，當節點(diǎn)在發(fā)送數據分組時(shí)，網(wǎng)絡(luò )中的能耗與節點(diǎn)的發(fā)射功率、鄰居節點(diǎn)的工作狀態(tài)、鄰居節點(diǎn)的數量以及數據分組的長(cháng)度有關(guān)；ZigBee 設備搜索時(shí)延為30 ms,休眠激活時(shí)間為15 ms,活動(dòng)設備信道接入時(shí)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(fā)射一次，每次100 字節，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(yōu)，但必須考慮網(wǎng)絡(luò )規模、發(fā)射功率、工作與待機時(shí)間比例等因素來(lái)確定電池使用型號；

5）抗擁堵設計：無(wú)線(xiàn)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）小型化設計：終端節點(diǎn)處于包裝箱中，應盡量縮小占用空間，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計，則終端設計的國產(chǎn)化率不高，預計不會(huì )超過(guò)50%.

2.3 監控中繼設計

目前來(lái)說(shuō)，在高速行駛過(guò)程中，中繼節點(diǎn)組成MANET,即使控制它們的行動(dòng)速度、行動(dòng)路線(xiàn)，采用表驅動(dòng)方式，其傳輸延時(shí)、傳輸可靠性、路由選擇等問(wèn)題依然存在。國內整體水平不高，缺乏可借鑒的成功案例?？刹榈降男畔⒋蠖嗍钦n題名稱(chēng)，如十五期間的基于3G 技術(shù)的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò )研究；其后的未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信通用環(huán)境研究項目等。但這些都沒(méi)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(wú)法從中汲取經(jīng)驗和方法。

為了保證整個(gè)監控系統設計的順利進(jìn)行，在中繼節點(diǎn)將采用MANET 與傳統通信技術(shù)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(wú)線(xiàn)發(fā)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(shí)現MANET 及多種遠程通信協(xié)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(mǎn)足需求時(shí)利用GPS 定位并采用手機網(wǎng)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(wèn)題：

1）電磁兼容設計：WSN 與MANET、北斗或傳統通信時(shí)間不可避免地會(huì )重合，在其中一種通信網(wǎng)絡(luò )工作時(shí)，必然產(chǎn)生電磁干擾，如向北斗發(fā)送信息時(shí)，發(fā)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(diǎn)；

2）時(shí)鐘同步設計：給各網(wǎng)絡(luò )提供同一主時(shí)鐘信號，各分時(shí)鐘信號經(jīng)過(guò)時(shí)間積累后產(chǎn)生時(shí)間誤差， 需進(jìn)行時(shí)間同步，由主芯片發(fā)出時(shí)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(gè)再進(jìn)行遠距離傳輸；

4）數據加密設計：中繼信息進(jìn)行遠距離傳輸時(shí)必須加密，硬件加密、MAC 層、網(wǎng)絡(luò )層加密；

5）電源供應設計：監控中繼使用車(chē)載或室內供電，若供電出現問(wèn)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(diǎn)、中繼節點(diǎn)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(wèn)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(xié)議、時(shí)間同步技術(shù)、安全技術(shù)、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(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)的監控系統，并推動(dòng)無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)技術(shù)在國內的應用與發(fā)展。