无线传感网络的基础理论及关键技术研究重点.docx
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无线传感网络的基础理论及关键技术研究重点
无线传感网络的基础理论及关键技术研究
◆倪明选 刘云浩 朱燕民
本文作者:
倪明选、刘云浩、朱燕民,香港科技大学和上海交通大学研究资助:
国家重点基础研究发展计划项目（2006CB303000
摘 要 中国在经济持续高速发展的同时,
也面临着一系列严重的社会及环境问题,比如煤矿安全、环境污染以及交通阻塞等。
低成本无线传感器网络（wirelesssensornetwork,WSN的出现针对这些问题和挑战提供了良好的解决方案。
国家重点基础研究发展计划项目“无线传感网络的基础理论及关键技术研究”已于2006年9月正式启动。
该项目立足实际应用,采用系统化的研究方法,试图解决中国社会所面临的现实问题。
虽然是一项基础研究,但该研究的长远目标是解决实际问题并挖掘其中的商业应用价值。
可以预见,该研究的成功将极大地促进中国经济和社会的持续发展。
一、引 言
中国作为世界上人口最多的发展中国家,其经济实力在过去二十年的飞速发展以及人民生活水平的显著提高得到了全世界的认可。
然而,在取得巨大成功的同时,中国也必须面对一系列严重的社会及环境问题,其中有三个突出的问题直接关系到中国的可持续发展。
（1煤矿安全问题。
受经济快速发展的刺激,
中国对石油和煤炭等能源的需求以前所未有的速度增长,煤矿开采业也因此得到了快速发展。
如今的中国遍布着大大小小的煤矿,而许多煤矿（尤其是私人开采的煤矿安全状况极其恶劣。
瓦斯爆炸和透水造成的重大伤亡事故时有发生,粉尘造成的矽肺病也严重威胁工人的健康。
（2环境污染问题。
空气、土壤及水资源的污
染已经成为中国许多地方的严重问题。
尤其是淡水河流和湖泊普遍受到城市生活垃圾、工业废水、农药
残留物以及矿藏开采用水的污染。
水资源污染势必会对环境和人民生活健康造成长期的危害。
2005年底,中石油吉林石化一车间发生爆炸,导致有毒化学物质泄露,引发松花江流域大面积污染,迫使拥有九百万人口的哈尔滨市暂停从松花江取水长达十余天,并造成沿岸数百万居民饮水困难。
（3交通拥塞问题。
随着汽车拥有量的增多,
城市道路变得越来越拥挤,特别是一些大都市在上下班高峰期交通阻塞状况尤其严重。
虽然基础设施建设从未停止,城市居民仍然每天都受到交通阻塞的困扰。
在北京,即使从住所到办公室的距离不超过20km,在高峰期开车也经常需要1小时以上。
近几年来,电子技术、嵌入式系统及无线通信领域快速发展,使得人们可以开发出低成本、低能耗的无线传感器网络,并用于对环境进行实时监控。
由于无线传感器网络技术在解决许多现实问题中具有性价比优势,已经吸引了学术界、工业界及政府部门的广泛关注。
人们可以将无线传感器网络部署在任何感兴趣的区域自动采集信息,藉此解决许多富有
挑战性的重大问题。
与传统有线计算机网络相比,无线传感器网络具有许多新的特征。
首先,传感器节点的体积非常小,因此配备的资源很有限,比如内存较小、能量不足和带宽较低等。
其次,由于获取全局身份标识开销过大,传感器节点通常没有唯一的全局身份标识。
第三,传感器节点通常采用电池供电,因此其生命周期相对较短。
第四,传感器网络一般由大量节点组成,部署在远距离和无人看管的区域,节点失效的情况时有发生。
最后,在节点随机部署的情况下（比如采用飞机散播方式,形成的网络拓扑极不规则。
以上特征使得无线传感器网络与传统的网络截然不同,传统的网络技术不再适用于传感器网络的设计。
目前开展的很多研究工作都致力于解决无线传感器网络中的巨大挑战。
我国和世界其他国家在该领域都有很多研究项目,其中的研究热点包括:
节点定位[1]、时间同步[2]、网内信息处理[3]、事件侦测[4]及路由算法[5]等。
同时,中国无线传感器网络年会
（2007年9月第一届大会在哈尔滨召开,参见:
ht2tp:
//www.sensornet.org.cn/cwsn/2007/default.htm
也提高了中国学术界和工业界对这一新兴领域的
关注。
虽然现有的传感器网络技术为解决上述重大问题提供了良好的借鉴,但这远远不能满足我们关注的应用需求。
首先,典型的应用场所（例如城市市区范围广大,需要部署大规模的传感器节点。
如果传感器网络成本过高,将会限制其部署和应用。
因此,这种应用要求节点平台不仅要节能,而且成本要低。
第二,在煤矿监控和化学污染检测等应用中,检测结果直接关系到人民的生命财产安全,系统的异常行为有可能引发灾难性后果。
因此,在这样的应用中,可靠性、鲁棒性和安全性在系统设计和实现过程中至关重要。
最后,社会经济的各个部门几乎都受到了这些挑战性问题的影响,这意味着应该尽快提出并实现新的解决方案。
同时,在真实环境中对传感器网络进行试验和验证也很有必要。
总之,这种以产品为驱动的独特理念对解决方案提出了严格的要求。
国内外已有的相关项目存在以下不足。
一方面,它们缺少对传感器网络的系统化研究,仅局限于部分领域,所提出的方案也只与某一类具体问题相关。
显然,通过拼凑多个孤立方案形成的系统并不是最优的。
更糟的是,它们之间有可能相互冲突。
另一方面,目前大多数项目都不太关注现实问题,所设计的系统往往采用小规模的试验平台或者是简化的模拟器,而很少在真实环境下经过长时间的运行测试,这对于大规模或者商业系统来说是不够的。
为了突破已有项目的局限,适应当前中国所面临的迫切需求,我们提出了无线传感器网络的创新性研究计划。
中国10所知名的大学和研究所参加了这个计划,分别是:
上海交通大学、香港科技大学、中国科学技术大学、南京大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、清华大学、国防科技大学、中科院计算所和中科院软件所。
该计划的目标包括:
（1开发一个低成本、低能耗,适用于多种应用环境的通用传感器网络平台。
（2设计一系列能量有效的网络协议。
通过整合这些协议可以为多种应用提供优化的解决方案,协议源代码将会对外开放。
（3搭建一个大规模测试平台,并在上面集成高效的评估方法。
基于这个平台,研究人员能够更加精确地分析用于各种物理环境的协议和系统。
（4采用低成本的传感器节点解决国家面临的几个关键性问题。
我们致力于将其中先进的解决方案推广到商业化应用。
该研究计划得到了国家重点基础研究发展计划
（973计划的支持（项目名称:
无线传感网络的基础理论及关键技术研究;项目编号:
2006CB303000。
二、项目概况
根据预期达到的总体目标,该项目分成三个组成部分:
原型系统研发、基础研究和测试平台搭建。
该项目研究以应用为驱动,聚焦中国社会的现实需求。
此外,项目采用系统化的研究方法,综合运用了各种相关技术,针对三个关键的应用提出了有效的解决方案。
（1煤矿监控系统。
在矿井中,煤矿工人面临的主要安全威胁包括火灾、爆炸、透水和塌方等。
因此,实时监控各种关键的环境参数是十分重要的,如瓦斯、粉尘、水和氧气浓度。
我们设计了一套综合监控系统来解决煤矿中这些突出的安全技术问题。
（2水污染监测系统。
该项目将开发一套检测水污染的传感器网络系统。
该系统能够提高中国预防水污染的技术水平。
通常污染源分布区域较广,很难通过巡检员来发现所有的污染源,尤其是隐蔽的排污口。
此外,当发生严重的水污染事故时,实时监测和报告水质的变化情况显得十分重要。
（3城市交通监控系统。
该项目还将开发一套城市道路交通信息的传感器监控系统。
该系统可以帮助交通管理部门更准确地做出决策,对交通进行有效疏导。
在缺乏高效的自动化交通监控系统的今天,这个即将开发的系统将会提供低成本的实时交通监控信息。
以上述三个关键应用为中心,该项目分解为7个课题。
课题一:
开发节点平台。
参考伯克利Mica2等现有节点平台,我们将尝试多种平台设计方案,在其中加入内存管理、事件调度等先进特性,同时采用低能耗的无线通信技术（如IEEE802.15.4。
课题二:
开发自组织与自配置的核心协议,这些协议主要包括分布式定位协议、时间同步协议、拓扑控制协议以及能量管理协议等。
在协议的设计过程中将特别关注不同协议之间的兼容与优化,使不同协议可以融合在一起协同工作。
课题三:
设计能量有效的通信协议,如MAC协议、路由协议等。
由于在不同的应用场景中,数据流模式区别非常大,例如:
在查询分发以及网络重编程应用中,数据由基站流向各个传感器节点;在数据采集应用中,绝大部分数据由各个传感器节点流向基站;在某些情况下,数据还可能从一个节点流向另一
个或多个传感器节点。
因此,有必要开发多种不同的路由算法。
课题四:
传感器网络与Internet互联技术研究。
互联技术可以满足用户从多个基站获得传感器网络中的数据,极大提高传感器网络中的数据获取性,建立及增强传感器网络系统与其他应用系统之间的联系。
课题五:
开发传感器网络数据管理系统。
由于单个节点的资源非常有限,把所有传感器感知的原始数据传送回基站是非常不明智的。
因此数据融合与数据聚集等网内处理技术对节省传感器网络的能量消耗显得非常重要。
我们也将开发传感器网络数据库管理系统,允许用户采用传统数据库的查询方式获取传感器网络的数据。
课题六:
应用示范系统研究。
基于上述三个主要应用系统的解决方案,本课题将进一步开发多种不同类型的示范系统。
这些示范系统可以促进各项技术与解决方案的商业化。
为了实现将这些技术的商业化,示范系统需要充分展现无线传感器网络系统在解决上述问题中的全部优点。
课题七:
建立大规模的实验平台。
本课题将部署一个超过2000个传感器节点的实验平台,同时开发与实验平台相关的评估与诊断技术。
三、研究进展
项目启动以来,我们成功地开展了许多研究工作。
我们设计了一种新的节点平台。
该平台能耗较低,并携带大量的传感设备。
此外,我们还努力降低节点的开发成本以适应项目的需要,并开发出了用于移动目标侦测的高灵敏度超声及红外传感器。
这些传感器能够广泛地运用在目标感知应用中（采用该节点平台,我们在2007年IPSN“极限感知竞赛”中获得了第二名的优异成绩。
在设计用于监测水污染的微型化学传感器方面我们也取得了进展。
我们设计了丰富的集成核心协议用于满足多种应用需求。
如果应用需要某项协议的功能,用户可以通过模块化的方式方便地把协议添加进来。
在核心协议的设计过程中,我们特别注意各种协议之间的兼容性。
当把多个协议集成到同一应用时,系统能够良好地运行,并能降低能量的消耗。
我们为基于802.15.4标准的传感器网络设计了一种有效的拓扑控制算法[6]。
在保证网络连通性的同时,让尽可能多的节点处于节能工作模式,最大限度地降低网络的能量消耗。
我们还提出了一个完全分布式的节点标识分配算法———自组织标识分配算法（SIDA。
通过自动标识分配及针对不同通信场景下的各种优化,SIDA极大地提高了网络的可扩展性、灵活性以及能量有效性[7]。
在大多数传感器网络应用中,节点定位问题非常重要,距离无关定位算法在降低成本和提高系统可用性方面均优于距离相关的定位算法。
同时,在缺乏足够锚节点的情况下,现有的距离无关算法不能解决各向异性网络的定位问题。
我们首次提出了在各向异性网络中仅使用三个锚节点就能实现距离无关的节点精确定位算法[8]。
这为我们在矿井恶劣的通信环境中实现系统的跟踪定位以及自我调整提供了技术基础。
无收发器目标跟踪技术[9]使得煤矿工人在几乎不用携带任何无线设备的情况下仍能够被精确定位。
分簇在传感器网络的许多技术中都至关重要,例如MAC、路由以及数据融合。
我们根据给定的成员节点到簇首节点的最大单跳距离,设计了一种分布式分簇算法[10]。
该算法在均匀分布各簇的同时能够最小化簇首节点个数和平衡传输负载。
我们已经搭建了一个200多个节点的中型实验平台,并且开发了一种能够对传感器网络应用进行实时评估的仿真机制。
对由大量传感器节点构成的实验平台进行性能评估容易受到高成本、低维护性和有限可操控性等因素的限制。
为了完善该实验平台,我们开发出了一种基于PC的仿真环境,在该环境中能够直接对应用进行调试、测试以及性能评估。
此外,对底层（硬件驱动、操作系统以及组网配置以及跨层技术的研究也能通过在该平台中添加相应目标模块来完成。
因为该项研究是高度应用驱动的,所以我们一直致力于中国发展过程中迫切需要解决的几个关键的支撑性应用问题,并针对几个重要的现实问题初步开发出了满足需要的传感器系统。
在煤矿开采中,长达数公里的矿道通常延伸到地下几百米深。
我们与内蒙古神华矿业有限公司进行了深入合作,通过对矿道的现场调查发现矿工的安全主要受到井下矿层垮塌的威胁,大多数矿难是由塌方造成的。
我们设计出了SASA———结构感知自适应无线传感器网络系统[11]。
该系统能够迅速探测到塌方区域并为控制中心及附近矿工提供准确的塌方定位、救援导航信息,并在传感器网络结构遭受破坏的情况下自组织维持网络的有效工作。
这对于在紧急时刻及时准确地撤离矿工,保证他们的生命安全有着极为重要的意义。
中国有很多湖泊被周边诸多工厂企业严重污
染。
因此研究湖泊的污染区域,采取相应对策就非常必要。
等高图被认为是获取信息分布的有效手段。
一种获得等高图的简单办法是由基站根据散布在监控区域内的传感器传回的感知数据进行绘制。
但是,向基站回传大量数据会增加网络的通讯量,导致节点能量迅速耗尽。
为了解决现有方法的局限性,我们借鉴了在矿道中使用的等高图技术,提出了湖泊污染探测方法来监控复杂事件（在时空范围内[12]。
我们提出的Iso2Map[13]通过选择少量节点产生和回传数据,能够在显著降低网络传输数据量和平衡计算负载的同时构造出高保真的等值线监控图。
我们已经把科研成果推广到海洋污染监测应用中,研究了在海面部署传感器网络的可行性。
在该项实验中,我们用锚将传感器固定在海面使其只在有限区域内漂浮,形成受限漂浮传感器（RFS。
我们也开始着手研究海面上传感器节点的定位问题。
显然,现有移动网络中的方法不能直接适用于RFS所在的特殊环境。
针对这种独特的网络,我们设计了一种特别的网络模型并且提出了有效的节点动态定位算法[14]。
在海面上的实验取得了令人满意的结果,证明我们的方法是有效的。
上海作为中国最大的都市正面临着日益严重的交通压力,为此上海市政府启动了上海交通网格计划。
该计划的长远目标是采用先进的信息采集技术（如传感器及RFID等,建立一个覆盖全市范围的交通信息采集系统。
提供实时准确的车辆位置信息是该系统的一个基本服务。
虽然全网范围的位置更新可以快速响应用户请求,但同是也将会导致难以承受的网络流量负担。
我们提出了一种新的基于RFID技术和大规模网格系统的车辆实时追踪协议HERO[15]。
对于任意车辆,在它的行驶过程中系统将自动与该车辆周围节点组成并动态维护一个具有优良特性的分级覆盖网络。
该系统可以在维持低网络流量负担的同时完成对任意车辆的实时追踪。
另外,我们也设计了许多适用于各种不同应用的算法,例如目标追踪、地理信息广播和事件探测等。
它们同样适用于该项研究拟解决的三大典型应用（相应的文献和研究动态,参见:
http:
//wsn.973program.org/。
四、未来的工作
该项研究为期五年,我们将按照计划制定的目标进行广泛深入的研究。
下面简要阐述一下未来的研究方向。
在基础研究方面,我们将继续努力搭建低能耗、高效率的节点平台,在大量测试和实践的基础上改进和完善节点的设计。
另外,我们将对当前通用的传感器节点操作系统TinyOS的局限性进行深入的研究,并添加更先进的特性（如更好的事件调度算法等,使之能更方便地解决现实问题。
在实验平台的搭建方面,我们将逐渐增加节点数量并设计一系列有效的方法来测试和评估各种算法及协议,使它可以方便地部署并能很好地模拟各种不同的物理环境。
进而,用户可以很容易地采集到各种需要的实验数据,用于研究协议的性能。
最后,我们将在实验平台上设计功能强大的数据采集器。
解决现实问题是本计划的核心目标,特别是上述三大应用仍将是本计划关注的焦点。
在开发新的方案解决这些问题的过程中,我们将与所有潜在的投资者（如工厂、志愿组织和地方政府进行密切合作。
在煤矿监控应用中,为了做到精确监测,传感器网络向三维发展成为必然。
此前的一些研究宣称二维环境下的设计方案可以轻易地拓展到三维环境,但我们的实验表明三维环境具有更加复杂的动态性,这为有效地处理感知数据带来了很大难度。
我们将致力于三维环境中分布式协议的开发,例如路由算法和数据融合技术等。
对于水污染防治,我们将重点研究河流水质的监测。
河流跨越的地区范围广大,地理特征多样,不易对污染源的分布进行预测。
同时,在整个流域密集地部署传感器节点也是难以实现的。
我们需要为这种独特的应用环境设计有效的自组织分布式算法。
对于城市的交通监控,我们将重点关注交通信息的分布式采集与处理技术,为行车路线的选择和交通规则的制定等应用提供决策支持。
对于海量数据流,将所有的数据都收集到一个中央处理单元进行分析处理是不可能实现的,因此局部数据的分布式协作处理技术就显得极为重要。
要从海量数据中提取有价值的信息,数据挖掘技术也是必须的。
五、结束语
随着中国经济的飞速发展,出现了各种严重的社会和环境问题。
无线传感器网络技术非常有希望为许多现实问题提供低成本的解决方案。
我们提出
了一个创新性传感器网络研究计划,并且获得了国家重点基础研究发展计划的支持。
我们坚信该计划的成功必将为中国经济和社会的发展发挥巨大的作用。
参考文献
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ResearchonFundamentalTheoriesandCriticalTech2nologiesforWirelessSensorNetworks
NiMingxuan,LiuYunhao,ZhuYanmin
HongKongUniversityofScience&Technology,HongKong;
ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240
科学人
谭仁祥获英国皇家化学会NaturalProductReports报告奖
南京大学谭仁祥教授荣获2007年度英国皇家化学会NaturalProductReports期刊报告奖。
NaturalProductReports是英国皇家化学会主办的天然产物研究领域的学术刊物。
英国皇家化学会自2004年起设立了“NaturalProductReports报告奖”,每年授予1位杰出的天然产物科学家。
谭仁祥教授是目前第3位受奖者。
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