工业大学科学研究项目.docx
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工业大学科学研究项目
项目类别
编号
基金
内蒙古工业大学科学研究项目
申请书
项目名称:
无线传感器网络在煤矿环境监测中的应用研究
申请人:
所在单位:
联系电话:
申请日期:
2009-3-19
内蒙古工业大学
二○○九年制
填报说明
一、填写申请书前，请先查阅《内蒙古工业大学科学研究基金项目管理条例》。
申请书各项内容，要实事求是，逐条认真填写。
表达要明确、严谨。
二、申请书为A4幅面，复印时请使用A4纸或用A3纸进行双面复印。
第二页起各栏空格不够时，请自行加页。
一式两份（至少一份为原件），由所在单位审查并签署意见后，统一报科学技术处。
三、封面右上角项目类别由申请者填写，并与第一页中“项目基本信息”中相一致；编号由科学技术处填写。
四、经费预算的支出范围：
1．科研业务费；
2．实验材料及图书资料费；
3．版面费；
4．其它费用等。
申请者信息
姓名
赵婵婵
性别
女
出生年月
1982.07
民族
汉
职称
助教
学位
A.博士
B.硕士
C.学士
B
主要
研究领域
人工智能、无线传感器网络
是否硕导
否
项目基本信息
名称
无线传感器网络在煤矿环境监测中的应用研究
项目类别
A.重点
B.基金
B
研究
属性
A.基础研究
B.应用基础研究
B
申报
年度
2009
申请金额
0.5
万元
实施年限
2009年4月—2011年4月
结题形式
A
A、论文B、著作C、报告D、成果E、软件F、其他
项目组
总人数
高级
中级
初级
博士后
博士生
硕士生
5
1
3
1
3
主要成员（不含申请者）
姓名
性别
年龄
职称
学位
所在单位
项目分工
签字
杨国林
男
53
教授
本科
信息学院校计算中心
方案设计
杨传颖
男
36
讲师
硕士
信息学院校计算中心
算法实现
刘一峰
男
54
工程师
本科
信息学院校计算中心
协议研究
萨智海
男
35
讲师
硕士
信息学院校计算中心
数据存储
在研项目情况
主要研究人员
无
研究内容和意义
（限400字）
摘要
矿难事故的频繁发生给国民经济的高速发展带来恶劣影响，煤矿整体安全监测成为一个亟待解决的问题。
无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，简称WSN）能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息。
本课题预建立一个能够采集测量环境参数、信息无线传递、数据汇聚存储、远程监测统计的实用性强，功能完备的无线煤矿环境监测平台。
本课题拟采用免费的操作系统TinyOS来仿真，该系统可以在专用的传感器硬件或者pc机上模拟运行，其中TOSSIM组件是建立在TinyOS系统上的一种仿真工具，其特点是建立了TinyOS的底层部分硬件的软件抽象，并增加了仿真必须的事件模型和外部通信机制。
该课题的研究对煤矿的安全生产和保证矿工的生命安全有着极其重要的意义。
主题词
1、主题词数量不多于5个；2、主题词用逗号分开
无线传感网络，信息融合，TinyOS
一、立论依据（包括项目的研究意义，国内外研究现状分析，并附主要参考文献及出处）
项目的研究意义：
传统的传感器系统监测煤矿环境，存在一定弊端，如当某个传感器出现故障，则无法监测到该位置环境参数数据，导致出现不报警或者误报警现象；另外，对监测到的环境参数信息处理综合简单，进而对煤矿环境的实时安全状况评估不准确，不能及时采取相应的有效措施，则可能造成煤矿塌方、火灾等事故的发生，这些都会给煤矿的安全生产带来很大的隐患。
本课题致力于从整体上提高煤矿监测统性能，以减少或避免瓦斯灾害事故发生。
国内外研究现状：
无线传感器网络[1]的研究起步于20世纪90年代末期。
美国的加州大学伯克力分校、麻省理工学院、康奈尔大学，加州大学洛杉矶分校等最早开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究。
对无线传感器网络来说，其网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络，分层的网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。
其中，逻辑链路控制子层负责向网络提供统一的服务接口。
网络层的主要功能包括分组路由[2]、网络互联、拥塞控制等。
传输层负责数据流的传输控制，提供可靠的、开销合理的数据传输服务。
文献[3]提出无线传感器网络中的信息融合受几个因素的影响，如：
融合点位置，融合函数，网络中节点的密度等。
中科院计算所“IPv6无线传感器网络节点”项目的研制工作已取得了丰硕的研究成果，其中包括面向无线传感器网络的低功耗专用处理器芯片、面向行业应用的高可靠性无线传感器网络节点、多种应用软件及支持平台、无线传感器网络开发芯片及应用开发平台。
该项目组与中科院计算所宁波分部合作，成功研制了基于专用低功耗处理器芯片的IPv6无线传感器网络节点软硬件平台，给出了短距离通信及个人局域网解决方案，已被全国十几所大学采用。
并成功应用于宁波招宝山大桥的斜拉索震动监控和慈溪蔬菜开发公司大棚温湿度土壤酸碱度的远程控制检测等项目中。
2006年2月18日，国家自然科学基金重点项目《煤矿瓦斯传感技术和预警系统基础理论与关键技术研究》在合肥正式启动。
该项目是中科院合肥智能所、中国矿业大学、中科院安徽光学机械研究所、淮南矿业集团瓦斯研究院等单位联合申请的2005年度国家自然科学基金重点资助项目，系统研究瓦斯信息的采集、处理、传输和智能化预警四大环节。
包括：
将纳米技术和微机械及电子集成技术（MEMS）技术引入瓦斯传感器的性能改进研究，可望尽快提高催化传感器性能指标；提出一种适合于我国煤矿安全生产实际特点的高性能、低成本的分布式光纤瓦斯传感系统；将无线传感器网络技术引入煤矿井下，构建以无线传感器网络为核心的井下动态、实时、全方位、多变量的环境监测系统等。
[1]YWang,XLiu,JYin.Requirementofqualityofserviceinwirelesssensornetworks[C].In:
ProcofInt’lConfonNetworking,Int’lConferenceonSystemsandInt’lConferenceonMobileCommunicationsandLearningTechnologies（ICNICONSMCL’06）.LosAlamitos,CA:
IEEEComputerSocietyPress,2006.116-124
[2]Q.F.Jiang，D.Manivann.Routingprotocolsforsensorsnetworks.ThelstIEEEConsumerCommunicationsandNetworkingConf.，LasVegasNV，USA，2004
[3]Al-KarakiJN,Ul-MustafaR,KamalAE,DataAggregationinWirelessSensorNetworks-exactandApproximateAlgorithms.In:
WorkshoponHighPerformanceSwitchingandRouting,2004,241-245
二、研究目标（研究结果的质与量）
1.在TinyOS中模拟出矿井无线传感器网络环境。
分析用户需求，根据矿井环境空间大小，安全需要等分配合理的传感器节点密度和数目。
2.数据融合处理。
无线传感器网络不同于传统的分布式多传感器系统,其通讯资源、计算资源和能源受到严格约束。
因此,有必要对节点的感知信息进行适当的预处理,以减小数据传输量。
本课题拟构建一个通用的数据融合模型。
3.构建节能的无线通信协议。
网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。
在矿井中需要良好的通信机制，本课题拟研究可降低能量消耗的最小代价路由协议。
4.分析矿井主要参数。
在煤矿环境中，待测的环境参数有瓦斯浓度、一氧化碳浓度、风速、粉尘和温度等。
布设无线传感器网络于矿井中的优势在于：
①煤矿环境中有些物理位置情况复杂，有线网络无法进行布线组网，在不便于安装有线网络的情况下，无线传感器网络就可以作为一个积极的通信方式，它的布设和展开不需要依赖于任何预设的网络设施。
②当监测某一环境参数时在指定位置安装多个传感器节点，即多个信息源，这将比单一的感知节点获得更准确、更全面、更可靠的环境信息。
③某一区域内多个传感器节点的布设可增加系统的可靠性，如当一个或几个传感器节点死亡时，传感器节点会动态地重新组网，系统仍可正常工作。
④对单个参数分析处理后，还可对多种参数信息进行整体的融合，得到煤矿环境的准确实时状况估计，从而及时采取相应的措施，预防煤矿事故的发生。
构建一个符合要求的、合理的无线传感器网络数据融合模型。
5.构建一个合理的无线传感器网络数据存储体系
感知网数据管理和处理技术是确定感知网可用性和有效性的关键技术。
无线传感器网络的数据不同于传统的数据库数据，需要有一个合理的数据存储体系来实现传感器数据的合理存储。
6.利用模拟器产生数据，并利用上述构建模型进行试验。
提交成果的方式：
发表1-2篇高质量的学术论文。
三、研究内容
对用户的需求做出分析，建立系统模型。
并依据模型对系统的整体架构进行设计，进而对传感器节点和汇聚节点的模块做出选型分析。
力求建立一个能够采集测量环境参数、信息无线传递、数据汇聚存储、远程监测统计的实用性强，功能完备的无线煤矿环境监测平台。
1.无线传感器网络的特殊性以及无线传感器网络数据模型的抽取
无线传感器网络的多样性和用户需求的多样性使得无线传感器网络的应用开发变得十分的复杂，为了能够使多无线传感器网络的数据使用简单化，需要考虑各种无线传感器网络的特殊性进行研究，并将其通用型通过构建模型进行提取，方便监测平台的构建。
2.数据融合算法的实现
无线传感器网络节点众多，而且网络节点实现数据采集、计算或传输功能，都需要消耗能量，所需消耗的能量和产生的数据量、采样频率、传感器类型以及应用需求等有关，并且很多研究者都已证实传感器传输信息要比执行计算更消耗电能。
如传感器传输1位信息需要的电能足以执行3000条计算指令。
同时，在短时间内产生的大数据量如果不加处理直接传输会造成网络拥塞，导致网络寿命缩短。
本课题考虑采用高效的数据融合处理策略来解决传输量大且能量消耗高的问题。
3.无线通信协议的分析研究
无线传感器网络体系结构由分层的网络通信协议、无线传感器网络管理以及应用支撑技术三部分组成。
在这三大部分中，目前的发展主要集中在几个方面，在协议通信层主要研究重点是数据链路层MAC协议及网络层路由协议的研究；在网络管理技术层，主要研究方向是收集数据的管理、节能问题的解决以及网络通信安全的实现；在网络支撑技术层，主要研究点是节点定位问题的解决、时间同步技术的实现以及用户应用接口的实现．这其中，协议的研究与节能的实现又是相辅相成的。
本课题拟研究可降低能量消耗的最小代价路由协议。
4.数据存储的特殊性及其实施模型
为了能够在融合过程中使用历史的融合结果，平台需要一种存储机制来实现无线传感器网络数据的存储。
但是，无线传感器网络的数据不同于传统的数据，基于传感器网络的任何应用系统都离不开感知数据的管理和处理技术。
如何能够构建一个适合于无线传感器网络数据的存储模型也是一个十分重要的问题。
5.分析面向传感器网络的操作系统TinyOS
对于无线传感器网络，在实验条件不具备的情况下，采用计算机来模拟仿真就变成无线传感器网络性能评价的重要手段。
高效准确的仿真工具对推动网络技术的发展作用很大。
本课题拟采用免费的操作系统TinyOS来仿真，它可以在专用的传感器硬件或者pc机上模拟运行。
研究TinyOS的设计思路、组件模型和通信模型；从上层应用程序到下层硬件实现以及下层中断处理到上层响应两个方面，深入分析TinyOS的实现。
其中TOSSIM是建立在TinyOS系统上的一种仿真工具，其特点是建立了TinyOS的底层部分硬件的软件抽象，并增加了仿真必须的事件模型和外部通信机制。
四、拟采取的研究、技术路线（包括研究工作的总体安排，实验方法和步骤，预计遇到的问题与解决办法）
工作总体安排：
1.2009年4月至2009年7月熟悉TinyOS系统和传感器网络数据的提取。
2.2009年8月至2009年11月构建详细数据融合算法。
3.2009年12月至2010年2月分析研究信息无线传输协议
4.2010年3月至2010年5月构建数据融合模型，验证实验数据。
5.2010年6月至2010年10月研究数据存储。
6.2010年11月至2011年1月构建数据后续处理模型的和实施方案。
7.2011年2月至2011年4月完成论文撰写工作。
实验方法和步骤：
1.熟练使用模拟仿真工具，模拟煤矿无线传感器网络环境。
2.选择适合整体状态评估的数据融合算法。
3.研究节能的无线路由协议。
4.分析数据特点以及存储数据。
5.构建功能完备的无线煤矿环境监测平台。
预计遇到的问题与解决办法：
1.构建通用的数据融合模型。
无线传感器网络是基于应用的网络，采用一定的分类方法，将应用归类，然后建立通用的数据融合模型。
2.数据存储。
无线传感器网络节点量大，数据冗余度很大，应分析不同时刻的数据特点，此外存储数据时要考虑到数据空间的占用。
五、对完成本项目的已有基础与现有条件：
1.整理了前期对无线传感器网络调研的需求，分析数据融合理论与技术发展状况，了解目前国内外的研究水平，明确多传感器数据融合系统的任务。
2.对数据融合的常用方法进行分析对比。
由于神经网络方法是模仿人类的推理和模仿能力，譬如，人和动物的大脑就是信息融合系统的一个很好的例子，大脑可以综合感知信息，比如声音、触摸、气味、味道等，达到对周围环境和危险的更准确的判断，因此数据融合和神经网络能够很好地联系在一起。
确定将要采用的方法是神经网络聚合算法。
3.为进行本课题研究，已对本课题的需求作了详细了解，资料整理，并绘制出相应的UML用例图，顺序图和类图，对传感器网络TinyOS工具作了熟悉。
4.已发表两篇相关论文
（1）ZhaoChanchan,WangYuxing.ANewClassificationMethodonInformationFusionofWirelessSensorNetworks.The2008InternationalConferenceonEmbeddedSoftwareandSystemsSymposia.2008.P231-236（EI收录）
（2）Duan,Fu;Wang,Yuxing;Zhao,Chanchan;Zhang,Yueqin.ResearchandImplementationonMiddlewareofDatabaseWorkloadAutonomicAdaptation.InternationalConferenceonIntelligentInformationHidingandMultimediaSignalProcessing.2008,P1478-1481（EI收录）
六、申请经费预算科目
金额
理由及用途
1．科研业务费
1500元
调研、专家咨询
2．版面费
3000元
论文打印、复印、评审、发表等
3．图书资料费
500元
学术刊物订阅费
4．
5．
合计
5000元
七、网上查新结果：
（关键词不多于5个，用逗号分开）
关键词
数据库事务，流数据，嵌入式
无线传感器网络是新兴的研究领域，国际上和国内在这方面的研究方兴未艾。
针对多个查询间存在的查询冗余问题,文献[1]详细分析了广域传感器数据库中的查询处理技术,提出了一种多查询处理体系结构,并对体系结构中各模块的功能和实现算法进行了分析说明。
该方法不仅可以有效地缩短用户访问的延迟时间,加快用户查询的速度,而且可以显著地减少传感器网络内部消息传递的数量,提高网络带宽的利用率。
针对传统传感器，文献[2]利用嵌入式平台为其建立一个传感器网络接入模块，完成传感器数据的采集与网络共享。
文献[3]提出了一种基于无线传感器网络和嵌入式平台的监测预警系统,通过传感器,对环境中CO、CH_4、温度、湿度、光强等值进行监测。
该系统采用了IEEE802.11MAC协议CSMA/CA,以及DCF模式。
同时采用了MESH无线传感器网络分析与管理平台,利用此平台收集每一个节点的信息,进行数据汇聚与进一步数据分析,根据所收集的各节点数据自动生成相应图表和做出超限报警提示。
[1]广域传感器数据库中多查询处理的研究.张永平,张淑芝,刘国华等.小型微型计算机系统.2007年10月第10期，P1807-1812
[2]利用嵌人式技术实现传感器数据网络共享.刘文涛，杨建华，赵忠等.测控技术.2007年第26卷第4期.P87-89
[3]基于无线传感器网络的煤矿监测预警系统.王溪筠;卢选民;邵舒渊;现代科学仪器.2008年第5期 P20-24
八、所在单位意见（对申请者完成本课题的能力、项目的必要性与可能性、经费预算等提出意见）
负责人签章单位公章
年月日
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