無線傳感器網(wǎng)絡技術研究
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由于WSN的巨大應用價值，它已經(jīng)引起了世界許多國家的軍事部門、工業(yè)界和學術界的廣泛關注，被廣泛地應用于軍事，工業(yè)過程控制、國家安全、環(huán)境監(jiān)測等領域。
美國國防部和各軍事部門都對WSN給予了高度重視，在C4ISR的基礎上提出了C4KISR計劃，強調(diào)戰(zhàn)場情報的感知能力、信息的綜合能力和信息的利用能力，把WSN作為一個重要研究領域，設立了一系列的，軍事傳感器網(wǎng)絡研究項目，如美國陸軍2001年提出了“靈巧傳感器網(wǎng)絡通信”計劃，已被批準為2001財政年度的一項科學技術研究計劃，并在2001～2005財政年度期間實施；美國海軍最近開展的網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)（CEC，cooperative engagement capability），即使是今天最先進的反艦巡航導彈也會被實時地監(jiān)測到并被擊中。在民用領域，2002年，Intel公司發(fā)布了“基于WSN的新型計算發(fā)展規(guī)劃”。Intel將致力于WSN在預防醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測、森林滅火乃至海底板塊調(diào)查、行星探查等領域的應用。
美國自然科學基金委員會（NSF）2003年制定了WSN的研究計劃，投資3400萬美元，支持相關基礎理論的研究。在NSF的推動下，美國的加州大學伯克利分校、麻省理工學院、洛克維爾研究中心、加州大學洛杉磯分校等機構開始了WSN的基礎理論和關鍵技術的研究。英國、日本、意大利等國家的一些大學和研究機構也紛紛開展了該領域的研究工作。學術界的研究主要集中在傳感器網(wǎng)絡技術和通信協(xié)議的研究上，也開展了一些感知數(shù)據(jù)查詢處理技術的研究，取得了一些初步研究結果。
國內(nèi)研究機構如中科院、清華大學、國防科技大學、電子科技大學、哈爾濱工業(yè)大學以及浙江大學等學術團體對WSN進行了跟蹤研究。中國下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程（CNGI）2006年研究開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化及應用試驗項目中就包含了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的研究項目。
毋庸置疑，跟蹤國外WSN技術的發(fā)展，并做出開創(chuàng)性的研究工作，對我國國防現(xiàn)代化的發(fā)展具有重要的意義。
1 WSN的定義和特點
無線傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng)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)大學的李建中教授將WSN定義為：WSN是由一組傳感器節(jié)點以自組織的方式構成的有線或無線網(wǎng)絡，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。如圖1所示，從硬件上看，WSN節(jié)點主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線數(shù)據(jù)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；從軟件上看，它借助于節(jié)點中內(nèi)置傳感器有效探測所處區(qū)域的溫度、濕度、光強度、壓力等環(huán)境參數(shù)以及待測對象的電壓、電流等物理參數(shù)，并通過無線網(wǎng)絡將探測信息傳送到數(shù)據(jù)匯聚中心進行處理、分析和轉發(fā)。
WSN具有以下特點：
①硬件資源有限。WSN節(jié)點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行協(xié)作分布式信息處理的難題。
②電源容量有限。WSN節(jié)點通過自身攜帶的電他來提供電源，當電池的能量耗盡，往往被廢棄，甚至造成網(wǎng)絡的中斷。所以，任何WSN技術和協(xié)議的研究都要以節(jié)能為前提。
③無中心。WSN沒有嚴格的控制中心，所有節(jié)點地位平等，是一個對等式網(wǎng)絡。節(jié)點可以隨時加入或離開網(wǎng)絡，任何節(jié)點的故障不會影響整個網(wǎng)絡的運行，具有很強的抗毀性。
④自組織。網(wǎng)絡的布設和展開無需依賴于任何預設的網(wǎng)絡設施，節(jié)點通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網(wǎng)絡。
⑤多跳（Multi-hop）路由。WSN節(jié)點通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十到幾百米，節(jié)點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(jié)點進行通信，則需要通過中間節(jié)點進行路由。WSN中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡節(jié)點完成的。
⑥動態(tài)拓撲。WSN是一個動態(tài)的網(wǎng)絡，節(jié)點可以隨處移動；一個節(jié)點可能會因為電池能量耗盡或其他故障，退出網(wǎng)絡運行；也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡中。這些都會使網(wǎng)絡的拓撲結構隨時發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡應該具有動態(tài)拓撲組織功能。
⑦節(jié)點數(shù)量眾多，分布密集。WSN節(jié)點數(shù)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)絡的軟、硬件健壯性和容錯性。
2 風洞測控WSN的主要關鍵技術
針對WSN的特點和在風洞測控中應用需求，WSN研究領域還有很多具有開創(chuàng)性和挑戰(zhàn)性的難題需要解決，主要包括以下的研究內(nèi)容。
2.1 WSN節(jié)能技術
能源是WSN最重要的資源，如何有效地節(jié)約能源是WSN必須考慮的關鍵技術。WSN節(jié)點工作時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），有效地進入睡眠模式與空閑模式以及減少數(shù)據(jù)的發(fā)送量將大大地節(jié)約能源。采用合理的路由算法與信道接入方式也是節(jié)能的關鍵。
2.2 WSN節(jié)點微型化技術
WSN節(jié)點微型化技術在現(xiàn)階段還集中在硬件電路的設計上，通過采用體積小、功耗低的芯片與器件和采用模塊化的設計與分層布線的方法會使體積盡量減小，然而隨著MEMS（微電子機械系統(tǒng)）技術的日趨成熟，在不久的將來，WSN節(jié)點體積將會越來越小。
2.3 WSN組網(wǎng)技術
WSN其本質(zhì)是基于Ad hoc技術的自組織網(wǎng)絡，在WSN的布設區(qū)域（比如野外的高壓儲氣罐群）沒有網(wǎng)絡基礎設施，必須通過WSN節(jié)點的自組織來形成一個無線的傳輸網(wǎng)絡環(huán)境，并通過相關數(shù)據(jù)的匯聚和融合，從而把相應的測試對象的參數(shù)傳遞到監(jiān)控中心。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的首要目標是提供高的服務質(zhì)量和高效利用網(wǎng)絡帶寬，其次才考慮節(jié)約能量，而WSN的首要目標是高效使用能量，延長網(wǎng)絡系統(tǒng)的生存期。因此，已有網(wǎng)絡路由協(xié)議不能用于WSN。所以，必須設計和研究新的面向數(shù)據(jù)的低功耗、自組織的信息傳輸路徑的建立機制和網(wǎng)絡管理方案，并且滿足如下的技術要求：
①高效性：節(jié)點采集的數(shù)據(jù)要經(jīng)過Multi-hop才能到達Sink節(jié)點進行匯聚，所以，要求網(wǎng)絡路由／組網(wǎng)協(xié)議必須是高效的，簡單易實現(xiàn)，與數(shù)據(jù)融合技術相結合，減少傳輸和計算開銷，使用盡量少的能量，以滿足WSN的能量約束和時間約束。
②魯棒性：WSN在實驗流體力學中應用時，必須適應野外環(huán)境中WSN節(jié)點容易失效以及風洞環(huán)境中由于電磁干擾等因素造成無線信道不穩(wěn)定性的特點，建立穩(wěn)健、冗余的路由通道，避免因個別節(jié)點的失效或無線信道的突然中斷，而造成感知盲區(qū)。
③擴展性：WSN節(jié)點的數(shù)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)絡管理系統(tǒng)必須能夠適應WSN拓撲結構變化的特點。
④收斂性：即WSN路由／組網(wǎng)和網(wǎng)絡管理方案既要能覆蓋所有的網(wǎng)絡節(jié)點，同時要能迅速形成全網(wǎng)的穩(wěn)定的拓撲結構。
2.4 WSN數(shù)據(jù)匯聚技術
在WSN的風洞測控應用環(huán)境中，WSN節(jié)點需要采集溫度、濕度、光、壓力等多種環(huán)境參數(shù)，單個節(jié)點往往不能完成對環(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WSN節(jié)點還受到自身品質(zhì)、性能及風洞噪聲的影響，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。這就需要研究和開發(fā)一定的算法，使具有一定屬性的多個WSN節(jié)點采用通過交換信息，對所獲得的數(shù)據(jù)進行了加工、匯總和過濾，以事件的形式得到最終結果，這就是WSN數(shù)據(jù)的匯聚。多傳感器數(shù)據(jù)融合是一個多學科交叉的新技術，對信息融合方法的基本要求是具有魯棒性和
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