無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)研究
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由于WSN的巨大應用價(jià)值，它已經(jīng)引起了世界許多國家的軍事部門(mén)、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，被廣泛地應用于軍事，工業(yè)過(guò)程控制、國家安全、環(huán)境監測等領(lǐng)域。
美國國防部和各軍事部門(mén)都對WSN給予了高度重視，在C4ISR的基礎上提出了C4KISR計劃，強調戰場(chǎng)情報的感知能力、信息的綜合能力和信息的利用能力，把WSN作為一個(gè)重要研究領(lǐng)域，設立了一系列的，軍事傳感器網(wǎng)絡(luò )研究項目，如美國陸軍2001年提出了“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò )通信”計劃，已被批準為2001財政年度的一項科學(xué)技術(shù)研究計劃，并在2001～2005財政年度期間實(shí)施；美國海軍最近開(kāi)展的網(wǎng)狀傳感器系統（CEC，cooperative engagement capability），即使是今天最先進(jìn)的反艦巡航導彈也會(huì )被實(shí)時(shí)地監測到并被擊中。在民用領(lǐng)域，2002年，Intel公司發(fā)布了“基于WSN的新型計算發(fā)展規劃”。Intel將致力于WSN在預防醫學(xué)、環(huán)境監測、森林滅火乃至海底板塊調查、行星探查等領(lǐng)域的應用。
美國自然科學(xué)基金委員會(huì )（NSF）2003年制定了WSN的研究計劃，投資3400萬(wàn)美元，支持相關(guān)基礎理論的研究。在NSF的推動(dòng)下，美國的加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、洛克維爾研究中心、加州大學(xué)洛杉磯分校等機構開(kāi)始了WSN的基礎理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。英國、日本、意大利等國家的一些大學(xué)和研究機構也紛紛開(kāi)展了該領(lǐng)域的研究工作。學(xué)術(shù)界的研究主要集中在傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和通信協(xié)議的研究上，也開(kāi)展了一些感知數據查詢(xún)處理技術(shù)的研究，取得了一些初步研究結果。
國內研究機構如中科院、清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及浙江大學(xué)等學(xué)術(shù)團體對WSN進(jìn)行了跟蹤研究。中國下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程（CNGI）2006年研究開(kāi)發(fā)、產(chǎn)業(yè)化及應用試驗項目中就包含了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的研究項目。
毋庸置疑，跟蹤國外WSN技術(shù)的發(fā)展，并做出開(kāi)創(chuàng )性的研究工作，對我國國防現代化的發(fā)展具有重要的意義。
1 WSN的定義和特點(diǎn)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )操作系統Tiny0S141的研制者，Jason Hill博士把WSN定義為：
Sensing＋CPU＋Radio＝Thousands of potential application
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李建中教授將WSN定義為：WSN是由一組傳感器節點(diǎn)以自組織的方式構成的有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀(guān)察者。如圖1所示，從硬件上看，WSN節點(diǎn)主要由數據采集單元、數據處理單元、無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)單元以及小型電池單元組成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特點(diǎn)；從軟件上看，它借助于節點(diǎn)中內置傳感器有效探測所處區域的溫度、濕度、光強度、壓力等環(huán)境參數以及待測對象的電壓、電流等物理參數，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將探測信息傳送到數據匯聚中心進(jìn)行處理、分析和轉發(fā)。
WSN具有以下特點(diǎn)：
①硬件資源有限。WSN節點(diǎn)采用嵌入式處理器和存儲器，計算能力和存儲能力十分有限。所以，需要解決如何在有限計算能力的條件下進(jìn)行協(xié)作分布式信息處理的難題。
②電源容量有限。WSN節點(diǎn)通過(guò)自身攜帶的電他來(lái)提供電源，當電池的能量耗盡，往往被廢棄，甚至造成網(wǎng)絡(luò )的中斷。所以，任何WSN技術(shù)和協(xié)議的研究都要以節能為前提。
③無(wú)中心。WSN沒(méi)有嚴格的控制中心，所有節點(diǎn)地位平等，是一個(gè)對等式網(wǎng)絡(luò )。節點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )，任何節點(diǎn)的故障不會(huì )影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的運行，具有很強的抗毀性。
④自組織。網(wǎng)絡(luò )的布設和展開(kāi)無(wú)需依賴(lài)于任何預設的網(wǎng)絡(luò )設施，節點(diǎn)通過(guò)分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調各自的行為，節點(diǎn)開(kāi)機后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨立的網(wǎng)絡(luò )。
⑤多跳（Multi-hop）路由。WSN節點(diǎn)通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十到幾百米，節點(diǎn)只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要通過(guò)中間節點(diǎn)進(jìn)行路由。WSN中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)完成的。
⑥動(dòng)態(tài)拓撲。WSN是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò )，節點(diǎn)可以隨處移動(dòng)；一個(gè)節點(diǎn)可能會(huì )因為電池能量耗盡或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò )運行；也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò )中。這些都會(huì )使網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構隨時(shí)發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò )應該具有動(dòng)態(tài)拓撲組織功能。
⑦節點(diǎn)數量眾多，分布密集。WSN節點(diǎn)數量大、分布范圍廣，難于維護甚至不可維護。所以，需要解決如何提高傳感器網(wǎng)絡(luò )的軟、硬件健壯性和容錯性。
2 風(fēng)洞測控WSN的主要關(guān)鍵技術(shù)
針對WSN的特點(diǎn)和在風(fēng)洞測控中應用需求，WSN研究領(lǐng)域還有很多具有開(kāi)創(chuàng )性和挑戰性的難題需要解決，主要包括以下的研究?jì)热荨?
2.1 WSN節能技術(shù)
能源是WSN最重要的資源，如何有效地節約能源是WSN必須考慮的關(guān)鍵技術(shù)。WSN節點(diǎn)工作時(shí)按功率消耗由小到大的順序有4種模式：睡眠模式（sleep）、空閑模式（idle）、接收模式（receive）以及發(fā)送模式（transmit），有效地進(jìn)入睡眠模式與空閑模式以及減少數據的發(fā)送量將大大地節約能源。采用合理的路由算法與信道接入方式也是節能的關(guān)鍵。
2.2 WSN節點(diǎn)微型化技術(shù)
WSN節點(diǎn)微型化技術(shù)在現階段還集中在硬件電路的設計上，通過(guò)采用體積小、功耗低的芯片與器件和采用模塊化的設計與分層布線(xiàn)的方法會(huì )使體積盡量減小，然而隨著(zhù)MEMS（微電子機械系統）技術(shù)的日趨成熟，在不久的將來(lái)，WSN節點(diǎn)體積將會(huì )越來(lái)越小。
2.3 WSN組網(wǎng)技術(shù)
WSN其本質(zhì)是基于A(yíng)d hoc技術(shù)的自組織網(wǎng)絡(luò )，在WSN的布設區域（比如野外的高壓儲氣罐群）沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )基礎設施，必須通過(guò)WSN節點(diǎn)的自組織來(lái)形成一個(gè)無(wú)線(xiàn)的傳輸網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，并通過(guò)相關(guān)數據的匯聚和融合，從而把相應的測試對象的參數傳遞到監控中心。傳統無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的首要目標是提供高的服務(wù)質(zhì)量和高效利用網(wǎng)絡(luò )帶寬，其次才考慮節約能量，而WSN的首要目標是高效使用能量，延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )系統的生存期。因此，已有網(wǎng)絡(luò )路由協(xié)議不能用于WSN。所以，必須設計和研究新的面向數據的低功耗、自組織的信息傳輸路徑的建立機制和網(wǎng)絡(luò )管理方案，并且滿(mǎn)足如下的技術(shù)要求：
①高效性：節點(diǎn)采集的數據要經(jīng)過(guò)Multi-hop才能到達Sink節點(diǎn)進(jìn)行匯聚，所以，要求網(wǎng)絡(luò )路由／組網(wǎng)協(xié)議必須是高效的，簡(jiǎn)單易實(shí)現，與數據融合技術(shù)相結合，減少傳輸和計算開(kāi)銷(xiāo)，使用盡量少的能量，以滿(mǎn)足WSN的能量約束和時(shí)間約束。
②魯棒性：WSN在實(shí)驗流體力學(xué)中應用時(shí)，必須適應野外環(huán)境中WSN節點(diǎn)容易失效以及風(fēng)洞環(huán)境中由于電磁干擾等因素造成無(wú)線(xiàn)信道不穩定性的特點(diǎn)，建立穩健、冗余的路由通道，避免因個(gè)別節點(diǎn)的失效或無(wú)線(xiàn)信道的突然中斷，而造成感知盲區。
③擴展性：WSN節點(diǎn)的數目經(jīng)常變化，可以是幾百甚至幾千，路由／組網(wǎng)協(xié)議和傳感器網(wǎng)絡(luò )管理系統必須能夠適應WSN拓撲結構變化的特點(diǎn)。
④收斂性：即WSN路由／組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò )管理方案既要能覆蓋所有的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，同時(shí)要能迅速形成全網(wǎng)的穩定的拓撲結構。
2.4 WSN數據匯聚技術(shù)
在WSN的風(fēng)洞測控應用環(huán)境中，WSN節點(diǎn)需要采集溫度、濕度、光、壓力等多種環(huán)境參數，單個(gè)節點(diǎn)往往不能完成對環(huán)境目標的側量和識別，單一傳感器獲得的僅是風(fēng)洞環(huán)境特征的局部、片面的信息，它的信息量是非常有限的。而且每個(gè)WSN節點(diǎn)還受到自身品質(zhì)、性能及風(fēng)洞噪聲的影響，采集到的信息往往是不完善的，帶有較大的不確定性，甚至是錯誤的。這就需要研究和開(kāi)發(fā)一定的算法，使具有一定屬性的多個(gè)WSN節點(diǎn)采用通過(guò)交換信息，對所獲得的數據進(jìn)行了加工、匯總和過(guò)濾，以事件的形式得到最終結果，這就是WSN數據的匯聚。多傳感器數據融合是一個(gè)多學(xué)科交叉的新技術(shù)，對信息融合方法的基本要求是具有魯棒性和
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