基于无线自组网技术的监控系统的设计

1.2 WSN 与MANET 的特点

WSN 是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。MANET 是由具有移动特性的节点组成的拓扑结构随时发生变化的网络。从通信角度看，WSN 与MANET 有许多共同点，都采用无中心、分布式协作、自组织、多跳无线组网形式，每个节点都具有路由转发功能，但两者拥有的独特之处使它们可在不同场合发挥最佳作用，WSN 主要面向物与物、人与物之间的信息交互，其具有快速部署、自组织、高容错性等特点，MANET 主要面向人与人之间的移动通信，其具有网络快速展开与组织、抗毁性强、移动中通信、通信距离远等特点，如表1 所示。本系统通信网络将充分利用两者优势进行不同场合、不同时间、不同频段的信息传输。

表1 WSN与MANET的特点

1.3 WSN 技术分析

广义地说，低功耗、无线近距离通信都属于WSN,而目前市场上无线近距离通信产品层出不穷，主要有蓝牙、红外、无线局域网（Wi-Fi）、ZigBee、超宽频（UWB）、短距离通信（NFC）等。它们有各自立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求；或着眼于距离的扩充性；或符合某些单一应用的特殊要求；或建立竞争技术的差异优化等。主要特性如表2所示。

表2 近距离通信产品特性

从上表可以看出，NFC 通信距离太短，不适合本系统；其余产品在传输速度、通信距离等方面满足要求，但有不适应本系统的弱点。根据蓝牙技术协议，一个主设备最多与7 个处于激活状态的从设备通信，而本系统需同时监控的节点不止7 个，并且不会刻意指定主节点；红外是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔， 不满足系统要求；Wi-Fi 的发展主要受技术本身的限制，如QoS、安全性、有效性等；制约UWB 发展的主要问题是其标准化工作还没有完成，一些技术问题需要不断完善。而ZigBee 与这几款产品相比性能全面，应用在本系统中没有明显弱点。首先，ZigBee 的PHY、MAC 层有明确协议规范-IEEE 802.15.4,网络层以上协议由ZigBee 联盟制定，其次具有无中心和自组网特性，单一网络可容纳65 535 个节点，再次节点的摆放位置不会对布网造成困扰。因此，监控终端组网方式采用ZigBee.

1.4 MANET 技术分析

MANET 具有传统无线网络无法比拟的优点，但同时，也存在一些缺点和问题。由于竞争共享无线信道产生的冲突、干扰等因素，移动终端得到的实际带宽远小于理论上的最大值。另外，传统的路由协议是为相对稳定的网络拓扑设计的，它们无法满足拓扑快速变化网络的需要。因此，要使MANET 技术切实可行，必须提出合乎实际的路由技术。

目前，已经提出许多MANET 协议，但没有一种方法能够兼顾协议开销、整体复杂度、耗电、路由获取延时、控制负载等问题。按需路由协议中拓扑结构和路由表内容是按需建立的，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分，其优点是不需要周期性的路由信息广播， 节省了一定的网络资源；缺点是发送数据分组时，如果没有去往目的节点的路由，数据分组需要等待因路由发现引起的延时。表驱动（主动）路由协议中节点通过周期性地广播路由信息分组， 交换路由信息，同时节点必须维护去往全网所有节点的路由，其优点是当节点需要发送数据分组时， 只要去往目的节点的路由存在，则所需的延时很小；缺点是需要较大开销以尽可能使得路由更新紧随当前拓扑结构的变化。根据应用研究，在拓扑变化频繁的Ad Hoc 网络环境中，应采用按需路由协议；而在网络拓扑结构相对稳定的环境中，如果对实时性要求比较高，则应采用表驱动方式的路由协议。

国外已提出许多MANET 路由协议草案， 国内的研究也大多基于这些草案，但针对草案具体实现的案例很少。本系统中将定制按需路由协议，初步指标为10 个节点，通信距离不超过50 m,相对速度不超过20 km,2 min 内可重新组网。