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

1.2 WSN 與MANET 的特點

WSN 是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。MANET 是由具有移動特性的節(jié)點組成的拓撲結(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化的網(wǎng)絡(luò)。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(xié)作、自組織、多跳無線組網(wǎng)形式，每個節(jié)點都具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，但兩者擁有的獨特之處使它們可在不同場合發(fā)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(wǎng)絡(luò)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(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)將充分利用兩者優(yōu)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(shù)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(chǎn)品層出不窮，主要有藍牙、紅外、無線局域網(wǎng)（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(yīng)用的特殊要求；或建立競爭技術(shù)的差異優(yōu)化等。主要特性如表2所示。

表2 近距離通信產(chǎn)品特性

從上表可以看出，NFC 通信距離太短，不適合本系統(tǒng)；其余產(chǎn)品在傳輸速度、通信距離等方面滿足要求，但有不適應(yīng)本系統(tǒng)的弱點。根據(jù)藍牙技術(shù)協(xié)議，一個主設(shè)備最多與7 個處于激活狀態(tài)的從設(shè)備通信，而本系統(tǒng)需同時監(jiān)控的節(jié)點不止7 個，并且不會刻意指定主節(jié)點；紅外是一種視距傳輸，兩個相互通信的設(shè)備之間必須對準，中間不能被其他物體阻隔， 不滿足系統(tǒng)要求；Wi-Fi 的發(fā)展主要受技術(shù)本身的限制，如QoS、安全性、有效性等；制約UWB 發(fā)展的主要問題是其標準化工作還沒有完成，一些技術(shù)問題需要不斷完善。而ZigBee 與這幾款產(chǎn)品相比性能全面，應(yīng)用在本系統(tǒng)中沒有明顯弱點。首先，ZigBee 的PHY、MAC 層有明確協(xié)議規(guī)范-IEEE 802.15.4,網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee 聯(lián)盟制定，其次具有無中心和自組網(wǎng)特性，單一網(wǎng)絡(luò)可容納65 535 個節(jié)點，再次節(jié)點的擺放位置不會對布網(wǎng)造成困擾。因此，監(jiān)控終端組網(wǎng)方式采用ZigBee.

1.4 MANET 技術(shù)分析

MANET 具有傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)無法比擬的優(yōu)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(chǎn)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(tǒng)的路由協(xié)議是為相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計的，它們無法滿足拓撲快速變化網(wǎng)絡(luò)的需要。因此，要使MANET 技術(shù)切實可行，必須提出合乎實際的路由技術(shù)。

目前，已經(jīng)提出許多MANET 協(xié)議，但沒有一種方法能夠兼顧協(xié)議開銷、整體復(fù)雜度、耗電、路由獲取延時、控制負載等問題。按需路由協(xié)議中拓撲結(jié)構(gòu)和路由表內(nèi)容是按需建立的，它可能僅僅是整個拓撲結(jié)構(gòu)信息的一部分，其優(yōu)點是不需要周期性的路由信息廣播， 節(jié)省了一定的網(wǎng)絡(luò)資源；缺點是發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，如果沒有去往目的節(jié)點的路由，數(shù)據(jù)分組需要等待因路由發(fā)現(xiàn)引起的延時。表驅(qū)動（主動）路由協(xié)議中節(jié)點通過周期性地廣播路由信息分組， 交換路由信息，同時節(jié)點必須維護去往全網(wǎng)所有節(jié)點的路由，其優(yōu)點是當(dāng)節(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)分組時， 只要去往目的節(jié)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(dāng)前拓撲結(jié)構(gòu)的變化。根據(jù)應(yīng)用研究，在拓撲變化頻繁的Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，應(yīng)采用按需路由協(xié)議；而在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的環(huán)境中，如果對實時性要求比較高，則應(yīng)采用表驅(qū)動方式的路由協(xié)議。

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