具有感知能力、計算能力和通信能力的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN, wireless sensor networks）綜合了傳感器技術(shù)、嵌人式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。

　　由于WSN的巨大應(yīng)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(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，被廣泛地應(yīng)用于軍事，工業(yè)過程控制、國家安全、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)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(chǔ)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(lǐng)域，設(shè)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(zhǔn)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(jìn)的反艦巡航導(dǎo)彈也會被實時地監(jiān)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(guī)劃”。Intel將致力于WSN在預(yù)防醫(yī)學(xué)、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(lǐng)域的應(yīng)用。

　　美國自然科學(xué)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(guān)基礎(chǔ)理論的研究。在NSF的推動下，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(gòu)開始了WSN的基礎(chǔ)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(gòu)也紛紛開展了該領(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，也開展了一些感知數(shù)據(jù)查詢處理技術(shù)的研究，取得了一些初步研究結(jié)果。

　　國內(nèi)研究機構(gòu)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年研究開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用試驗項目中就包含了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的研究項目。

　　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(luò)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(xué)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(gòu)成的有線或無線網(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(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(luò)將探測信息傳送到數(shù)據(jù)匯聚中心進(jìn)行處理、分析和轉(zhuǎn)發(fā)。

　　WSN與傳統(tǒng)傳感器和測控系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢。它采用點對點或點對多點的無線連接，大大減少了電纜成本，在傳感器節(jié)點端即合并了模擬信號／數(shù)字信號轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理和網(wǎng)絡(luò)通信功能，節(jié)點具有自檢功能，系統(tǒng)性能與可靠性明顯提升而成本明顯縮減。

　　WSN具有以下特點：

　�、儆布�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(jìn)行協(xié)作分布式信息處理的難題。

　�、陔娫慈萘坑邢�。WSN節(jié)點通過自身攜帶的電他來提供電源，當(dāng)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(jié)能為前提。

　　③無中心。WSN沒有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點地位平等，是一個對等式網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點可以隨時加入或離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點的故障不會影響整個網(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(shè)和展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(luò)。

　�、荻嗵�（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(jìn)行通信，則需要通過中間節(jié)點進(jìn)行路由。WSN中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點完成的。

　　⑥動態(tài)拓?fù)�。WSN是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，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(luò)運行；也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。這些都會使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動態(tài)拓?fù)浣M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(hù)甚至不可維護(hù)。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的特點和在風(fēng)洞測控中應(yīng)用需求，WSN研究領(lǐng)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(shù)

　　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(guān)鍵技術(shù)。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(jìn)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(guān)鍵。

　　2.2 WSN節(jié)點微型化技術(shù)

　　WSN節(jié)點微型化技術(shù)在現(xiàn)階段還集中在硬件電路的設(shè)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(shè)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(shù)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(shù)

　　WSN其本質(zhì)是基于Ad hoc技術(shù)的自組織網(wǎng)絡(luò)，在WSN的布設(shè)區(qū)域（比如野外的高壓儲氣罐群）沒有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)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(luò)環(huán)境，并通過相關(guān)數(shù)據(jù)的匯聚和融合，從而把相應(yīng)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(luò)的首要目標(biāo)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(jié)約能量，而WSN的首要目標(biāo)是高效使用能量，延長網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)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(shè)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(luò)管理方案，并且滿足如下的技術(shù)要求：

　�、俑咝�性：節(jié)點采集的數(shù)據(jù)要經(jīng)過Multi-hop才能到達(dá)Sink節(jié)點進(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，簡單易實現(xiàn)，與數(shù)據(jù)融合技術(shù)相結(jié)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(xué)中應(yīng)用時，必須適應(yīng)野外環(huán)境中WSN節(jié)點容易失效以及風(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)。

　�、蹟U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(luò)管理系統(tǒng)必須能夠適應(yīng)WSN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的特點。

　�、苁諗啃裕杭碬SN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(jié)點，同時要能迅速形成全網(wǎng)的穩(wěn)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　2.4 WSN數(shù)據(jù)匯聚技術(shù)

　　在WSN的風(fēng)洞測控應(yīng)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(biāo)的側(cè)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WSN節(jié)點還受到自身品質(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(jìn)行了加工、匯總和過濾，以事件的形式得到最終結(jié)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(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并行處理能力。一般情況下，基于非線性的數(shù)學(xué)方法，如果它具有容錯性、自適應(yīng)性、聯(lián)想記憶和并行處理能力，則都可以用來作為融合方法，目前常用的數(shù)據(jù)融合方法基本上可概括為隨機和人工智能兩大類，隨機類方法有加權(quán)平均法、卡爾曼濾波法、多貝葉斯估計法、D-S證據(jù)推理等；而人工智能類則有模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

　　3 WSN在風(fēng)洞測控中的應(yīng)用

　　在風(fēng)洞測控這個特定的場景下，需要對、一些關(guān)鍵部件和設(shè)備的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與跟蹤，以監(jiān)控設(shè)備的運行情況，合理調(diào)度設(shè)備運行，預(yù)報關(guān)鍵部件的失效概率，制定關(guān)鍵部件的維護(hù)或更換計劃，并避免出現(xiàn)大的系統(tǒng)故障或風(fēng)洞長期的停轉(zhuǎn)，降低工作強度和人為誤差發(fā)生概率，提高風(fēng)洞試驗效率，保障風(fēng)洞安全運行。在不便于安裝有線傳感器的情況下，均可考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。WSN的具體應(yīng)用需求包括：

　�、傩�轉(zhuǎn)機構(gòu)的監(jiān)測：包括軸流風(fēng)扇、攻角機構(gòu)、滾珠絲桿等旋轉(zhuǎn)機構(gòu)振動特性的監(jiān)測與跟蹤，以及模型姿態(tài)檢測與跟蹤等。

　�、跉庠聪到y(tǒng)監(jiān)測：包括監(jiān)測位于野外的高／中壓儲氣罐群、高／中壓壓縮機組、吸附干燥站、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)等，具體監(jiān)測溫度、壓力、有毒氣體濃度等參數(shù)。

　�、埏L(fēng)洞運行監(jiān)測：對風(fēng)洞運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，包括試驗時的壓力狀態(tài)、引射器的位置狀態(tài)、試驗段的溫度狀態(tài)、風(fēng)洞安全聯(lián)鎖狀態(tài)等，具體監(jiān)測溫度、壓力、位置、電流、電壓等物理參數(shù)。

　　④其他沒有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，而有線傳感器系統(tǒng)安裝又不方便或不安全的應(yīng)用環(huán)境。

　　3.1 WSN應(yīng)用系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)風(fēng)洞測控的布設(shè)區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜、待測參數(shù)數(shù)量多、范圍廣等實際需求，采用分層的WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

　　在圖2所示的分層WSN中，具有某種關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成簇（cluster）。在一個簇內(nèi)，通常有一個按一定規(guī)則選舉產(chǎn)生的、被稱為簇首（也稱為匯點Sink）的節(jié)點。普通節(jié)點將采集并壓縮的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到Sink節(jié)點；然后由Sink節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點（Gateway）通過多跳中繼（Multi-hop）方式完成多個WSN節(jié)點數(shù)據(jù)的匯集并傳發(fā)；最后在監(jiān)控服務(wù)器（Control Center）將整個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理。

　　3.2 WSN系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　WSN的性能很大程度上依賴于WSN節(jié)點的特性。圖3顯示的是一種商業(yè)化的WSN節(jié)點o Mica2dot節(jié)點采用4 MHz的Atmel ATmega 128L微處理器，具有868/916 MHz多通道射頻收發(fā)器，512 KB的片上存儲，并集成多種傳感器，直徑僅為25mm�；�于TinyOS操作系統(tǒng)來完成節(jié)點數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和通信。

　　TinyOS作為一個面向WSN應(yīng)用的操作系統(tǒng)，能夠利用有限的資源來進(jìn)行高效率、低能耗的并行操作，程序核心很小，能夠有效地運行在WSN上并執(zhí)行相應(yīng)的管理工作，自動發(fā)現(xiàn)和組成網(wǎng)絡(luò)，提供可重用的組件，并幾能提供簡單的調(diào)度機制。

　　TinyOS定義一系列非常簡單的組件（component）模型，具有高度的模塊化特征。每個組件都完成一個特定的任務(wù)，整個操作系統(tǒng)基本上就是由一系列的組件模型組成。當(dāng)系統(tǒng)要完成某個任務(wù)時，就會調(diào)用事件調(diào)度器，事件調(diào)度器再有順序地調(diào)用各種組件，從而高效、有序地完成各種功能。工作在該操作系統(tǒng)上的應(yīng)用程序基于事件（event）驅(qū)動模式，采用事件觸發(fā)去喚醒傳感器工作。TinyOS采用類似C的結(jié)構(gòu)化編程語言NESC編寫應(yīng)用程序。

　　3.3 初步結(jié)果分析

　　在1.2mx1.2m風(fēng)洞進(jìn)行了WSN風(fēng)洞監(jiān)測應(yīng)用的初步嘗試，實現(xiàn)了WSN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)管理（見圖4），并開發(fā)研制了1.2mx1.2m風(fēng)洞WSN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)（見圖5），實現(xiàn)了對風(fēng)洞試驗段內(nèi)溫度的測量。

　　圖4中，節(jié)點0作為基站，節(jié)點1、節(jié)點2為測量節(jié)點分別部署在風(fēng)洞試驗段和超擴段。節(jié)點1、節(jié)點2上的采集系統(tǒng)完成本地溫度參數(shù)的采集，節(jié)點3為中繼節(jié)點，節(jié)點1、節(jié)點2的溫度測量數(shù)據(jù)按照多跳路由（Multi-hop routing）的方式，經(jīng)過節(jié)點3的中繼，最終匯集到節(jié)點0，并由基站完成測量數(shù)據(jù)的匯聚融合和結(jié)果顯示。從圖5中可以觀察到在1.2m×1.2 m風(fēng)洞試驗過程中風(fēng)洞試驗段溫度的變化。這樣采用WSN的溫度測量數(shù)據(jù)，就能對流體力學(xué)風(fēng)洞試驗的測量結(jié)果進(jìn)行有效的修正。

　　4 結(jié)束語

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）被認(rèn)為是影響人類未來生活的重要技術(shù)之一，這一新興技術(shù)為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。由于WSN本身的特點，使得它與現(xiàn)有的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之間存在較大的區(qū)別，給人們提出了很多新的挑戰(zhàn)。由于WSN對國家和社會意義重大，國內(nèi)外對于WSN的研究正熱烈開展，希望本研究能夠引起測控領(lǐng)域?qū)�這一新興技術(shù)的重視，推動對這一具有國家戰(zhàn)略意義的新技術(shù)的研究、應(yīng)用和發(fā)展。(end)

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