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

1.2 WSN 與MANET 的特點(diǎn)

WSN 是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)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(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。MANET 是由具有移動(dòng)特性的節(jié)點(diǎn)組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)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(diǎn)，都采用無(wú)中心、分布式協(xié)作、自組織、多跳無(wú)線組網(wǎng)形式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，但兩者擁有的獨(dú)特之處使它們可在不同場(chǎng)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(cuò)性等特點(diǎn)，MANET 主要面向人與人之間的移動(dòng)通信，其具有網(wǎng)絡(luò)快速展開(kāi)與組織、抗毀性強(qiáng)、移動(dòng)中通信、通信距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，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(shì)進(jìn)行不同場(chǎng)合、不同時(shí)間、不同頻段的信息傳輸。

表1 WSN與MANET的特點(diǎn)

1.3 WSN 技術(shù)分析

廣義地說(shuō)，低功耗、無(wú)線近距離通信都屬于WSN,而目前市場(chǎng)上無(wú)線近距離通信產(chǎn)品層出不窮，主要有藍(lán)牙、紅外、無(wú)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(diǎn)，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(kuò)充性；或符合某些單一應(yīng)用的特殊要求；或建立競(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)。根據(jù)藍(lán)牙技術(shù)協(xié)議，一個(gè)主設(shè)備最多與7 個(gè)處于激活狀態(tài)的從設(shè)備通信，而本系統(tǒng)需同時(shí)監(jiān)控的節(jié)點(diǎn)不止7 個(gè)，并且不會(huì)刻意指定主節(jié)點(diǎn)；紅外是一種視距傳輸，兩個(gè)相互通信的設(shè)備之間必須對(duì)準(zhǔn)，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(wèn)題是其標(biāo)準(zhǔn)化工作還沒(méi)有完成，一些技術(shù)問(wèn)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(méi)有明顯弱點(diǎn)。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(wú)中心和自組網(wǎng)特性，單一網(wǎng)絡(luò)可容納65 535 個(gè)節(jié)點(diǎn)，再次節(jié)點(diǎn)的擺放位置不會(huì)對(duì)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)，也存在一些缺點(diǎn)和問(wèn)題。由于競(jìng)爭(zhēng)共享無(wú)線信道產(chǎn)生的沖突、干擾等因素，移動(dòng)終端得到的實(shí)際帶寬遠(yuǎn)小于理論上的最大值。另外，傳統(tǒng)的路由協(xié)議是為相對(duì)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/設(shè)計(jì)">設(shè)計(jì)的，它們無(wú)法滿足拓?fù)淇焖僮兓W(wǎng)絡(luò)的需要。因此，要使MANET 技術(shù)切實(shí)可行，必須提出合乎實(shí)際的路由技術(shù)。

目前，已經(jīng)提出許多MANET 協(xié)議，但沒(méi)有一種方法能夠兼顧協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)、整體復(fù)雜度、耗電、路由獲取延時(shí)、控制負(fù)載等問(wèn)題。按需路由協(xié)議中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由表內(nèi)容是按需建立的，它可能僅僅是整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的一部分，其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，如果沒(méi)有去往目的節(jié)點(diǎn)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(shí)。表驅(qū)動(dòng)（主動(dòng)）路由協(xié)議中節(jié)點(diǎn)通過(guò)周期性地廣播路由信息分組， 交換路由信息，同時(shí)節(jié)點(diǎn)必須維護(hù)去往全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的路由，其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)， 只要去往目的節(jié)點(diǎn)的路由存在，則所需的延時(shí)很??；缺點(diǎn)是需要較大開(kāi)銷(xiāo)以盡可能使得路由更新緊隨當(dāng)前拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。根據(jù)應(yīng)用研究，在拓?fù)渥兓l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?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中，如果對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，則應(yīng)采用表驅(qū)動(dòng)方式的路由協(xié)議。

國(guó)外已提出許多MANET 路由協(xié)議草案， 國(guó)內(nèi)的研究也大多基于這些草案，但針對(duì)草案具體實(shí)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(biāo)為10 個(gè)節(jié)點(diǎn)，通信距離不超過(guò)50 m,相對(duì)速度不超過(guò)20 km,2 min 內(nèi)可重新組網(wǎng)。