3）節能設計：能量消耗主要是無線通信的消耗，其有4種消耗形式，發射狀態、接收狀態、空閑狀態和休眠狀態。將節點在4 種工作狀態下的功耗分別表示為：Ptr,Prcv,Pidle和Psleep, 則存在關系式：Ptr>Prcv>Pidle>Psleep.用TD表示節點發射數據分組D 所需要的時間， 則發送和接收數據分組D 所需要消耗的能量可以線性表示為：

當節點i 向其下一跳節點單播發送數據分組D 時，由于無線信道的共享特性， 如果該節點的鄰居節點處于空閑狀態，則會接收到該數據分組；如果處于休眠狀態則不接收該分組。結合式（1）和式（2）可以得到節點i 向其鄰居節點單播發送數據分組時網絡中的能耗，簡單表示為：

式中：COST （i） 表示節點i 向鄰居節點單播發送數據分組時網絡中的能耗；N（i）表示節點i 的鄰居節點集合；γj=1 表示鄰居節點j 此時的工作狀態，γj =1 表示節點處于空閑狀態，γj=0 表示節點處于休眠狀態。由式（3）可以看出，當節點在發送數據分組時，網絡中的能耗與節點的發射功率、鄰居節點的工作狀態、鄰居節點的數量以及數據分組的長度有關；ZigBee 設備搜索時延為30 ms,休眠激活時間為15 ms,活動設備信道接入時延為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 分鐘發射一次，每次100 字節，發射電流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，但必須考慮網絡規模、發射功率、工作與待機時間比例等因素來確定電池使用型號；

5）抗擁堵設計：無線發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：終端節點處于包裝箱中，應盡量縮小占用空間，而傳感器、協議芯片等是國外產品在體積與性能上占優勢，如果充分考慮小型化設計，則終端設計的國產化率不高，預計不會超過50%.

2.3 監控中繼設計

目前來說，在高速行駛過程中，中繼節點組成MANET,即使控制它們的行動速度、行動路線，采用表驅動方式，其傳輸延時、傳輸可靠性、路由選擇等問題依然存在。國內整體水平不高，缺乏可借鑒的成功案例。可查到的信息大多是課題名稱，如十五期間的基于3G 技術的移動自組織網絡研究；其后的未來無線通信通用環境研究項目等。但這些都沒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，因此也無法從中汲取經驗和方法。

為了保證整個監控系統設計的順利進行，在中繼節點將采用MANET 與傳統通信技術相結合的方式， 硬件設計最終以一機多卡形式展現，如圖3 所示。無線發送模塊與監控終端復用，負責WSN 通信，主控制器采用ARM 系列，用于實現MANET 及多種遠程通信協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足需求時利用GPS 定位并采用手機網傳送信息。

圖3 監控中繼方案

根據研究，監控中繼設計需考慮以下問題：

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

2）時鐘同步設計：給各網絡提供同一主時鐘信號，各分時鐘信號經過時間積累后產生時間誤差， 需進行時間同步，由主芯片發出時間同步信號；

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再進行遠距離傳輸；

4）數據加密設計：中繼信息進行遠距離傳輸時必須加密，硬件加密、MAC 層、網絡層加密；

5）電源供應設計：監控中繼使用車載或室內供電，若供電出現問題，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、中繼節點方案確定的前提下，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 協議、時間同步技術、安全技術、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線自組網技術的監控系統，并推動無線自組網技術在國內的應用與發展。