wsn背景+現(xiàn)狀+指標

1、一、項目的背景及立項的必要性1. 項目所屬產(chǎn)業(yè)在我省經(jīng)濟發(fā)展中的地位、技術(shù)瓶頸以及亟待解決的技術(shù)問題；我國陸地邊界線約22 000多公里，分別與14個國家接壤，其中有2/3的邊境線是高山大漠。邊界自然環(huán)境異常惡劣：西部白雪冰川，高寒缺氧；北部荒漠戈壁，沙塵彌漫；南部莽莽叢林，濕熱多雨；東南部珊瑚島嶼，臺風頻發(fā)。因此之故，我國藏南地區(qū)部分邊境線和南海無人島礁，長期處于無人值守的狀態(tài)。此外，我國公安特警和武警部隊的反恐緝毒任務(wù)艱巨繁重，非常人可以想象。為此，研發(fā)實用化“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無人值守系統(tǒng)”，以實現(xiàn)長期、連續(xù)、實時監(jiān)測邊境線和無人海島上的異常狀態(tài)，或者作為公安特警和武警部隊的裝備，根據(jù)需要隨

2、時部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無人值守系統(tǒng)，以監(jiān)測敏感區(qū)域恐怖分子或毒品走私分子的活動狀態(tài)，這對于維護國家主權(quán)、維護國家海洋權(quán)益、提升公安特警和武警部隊的戰(zhàn)斗力，都具有重大的現(xiàn)實意義。本世紀初，美國商業(yè)周刊和麻省理工學院（MIT）技術(shù)評論在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的報告中，分別將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）列21世紀最有影響力的21項技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、塑料電子和仿生人體器官又被列為全球未來的三大高科技產(chǎn)業(yè)。近年來WSN技術(shù)的研究與開發(fā)幾乎呈爆炸式的增長，然而，WSN廣泛且復(fù)雜的應(yīng)用場景軍事與安全救災(zāi)、環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施、智能交通、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、地下采礦和醫(yī)療保健等等，也使得WSN應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計

3、、開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化面臨著極為嚴峻的挑戰(zhàn)，這是因為WSN技術(shù)所需的知識包括了傳感器、電子、通信、計算機工程和計算機科學以及高功率密度電池領(lǐng)域的幾乎所有研究方向。從技術(shù)特征上看，WSN技術(shù)應(yīng)屬于信息技術(shù)，而信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)當也必將是福建省未來經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一。但從目前國內(nèi)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體水平來看，福建省信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)仍處于相對落后的狀況。當前亟待解決的技術(shù)問題是：如何創(chuàng)新產(chǎn)、學、研合作和軍民融合體制，在政府資助下建立WSN技術(shù)研發(fā)和培訓中心，以研發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與北斗通信（BD-2，用于傳輸遠程數(shù)據(jù)報文）相結(jié)合的工程應(yīng)用示范系統(tǒng)為切入點，利用國際上商品化芯片開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的WSN節(jié)點和W

4、SN信息匯聚節(jié)點板卡，同時引進和消化國際上最新、最先進的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)編程和仿真器。目前技術(shù)上的主要瓶頸有： 1）能量。能量是制約傳感器節(jié)點工作時限的最大因素，大容量的能量供應(yīng)、外部能量的汲取、高效率的能量利用、低功耗傳感器等，這些都是優(yōu)先考慮的問題；2）成本問題。在一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面，需要使用數(shù)量龐大的微型傳感器，這樣的話成本會制約其發(fā)展；3）設(shè)計限制。傳感器節(jié)點的小型化與低能耗，對于一些部件的集成產(chǎn)生了障礙；這些限制和要求也影響到軟件設(shè)計的各個層次，如操作系統(tǒng)所占內(nèi)存小并且必須有效的管理資源。亟待解決的技術(shù)問題：1）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)正常通信聯(lián)系中

5、，信號可能被一些障礙物或其他電子信號干擾而受到影響，怎么安全有效的進行通信是個有待研究的問題；2）系統(tǒng)能量供應(yīng)問題。目前主要的解決方案有：使用高能電池；降低傳感功率；此外還有傳感器網(wǎng)絡(luò)的自我能量收集技術(shù)和電池無線充電技術(shù)；3）高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是組織無線傳感器的成網(wǎng)技術(shù)，有多種形態(tài)和方式，合理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以最大限度的利用資源；4）網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議問題。傳感器節(jié)點的遠距離和無人值守增加了它們遭到惡意入侵和破壞的機會，而且無線通信很容易讓敵人竊聽到傳感器所傳輸?shù)男畔ⅲ?）大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點自我管理。Wsn通常工作在偏遠地區(qū)和惡劣環(huán)境中，這就要求傳感器節(jié)點必須

6、具有自我管理能力，在沒有人工干預(yù)下動態(tài)適應(yīng)環(huán)境的變化。2. 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（1）國外研究與應(yīng)用情況無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的研究肇始于20世紀90年代末期。WSN技術(shù)涉及傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、微電子制造技術(shù)、軟件編程技術(shù)和能源技術(shù)等多學科交叉研究領(lǐng)域。從21世紀開始，WSN技術(shù)引起了學術(shù)界、軍事部門和工業(yè)界的極大關(guān)注，美國、歐洲和日本相繼啟動了許多關(guān)于WSN的研究計劃。尤其是美國通過國家自然科學基金委、國防部高級研究計劃局等多種渠道投入了巨額資金支持WSN技術(shù)研究與應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。軍事應(yīng)用領(lǐng)域：美國陸軍2001年就

7、提出了“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信”計劃，在2001-2005財政年度期間批準實施。其基本思想是：在戰(zhàn)場上布設(shè)大量的WSN節(jié)點和少量WSN信息匯聚節(jié)點，以收集、傳輸、匯聚戰(zhàn)場環(huán)境和戰(zhàn)場目標信息，從而大大提高參戰(zhàn)人員對戰(zhàn)場態(tài)勢的感知能力。與此相關(guān)的項目有：“沙地直線”系統(tǒng)用于偵察和定位敵軍坦克及車輛；“無人值守地面?zhèn)鞲衅鳎║nattended Ground Sensors）；“遠程戰(zhàn)場監(jiān)視傳感器系統(tǒng)”（Remotely Monitored Battlefield Sensors System，REMBASS）。美國海軍最近確立了“傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)”研究項目，其核心是一套實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，利用現(xiàn)有的通信機

8、制對從戰(zhàn)術(shù)級到戰(zhàn)略級的WSN信息進行管理，把高性能WSN與高性能交戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)有機地結(jié)合起來，以提高美軍的協(xié)同交戰(zhàn)能力（Cooperative Engagement Capability，CEC）。此外，美國Sandia國家實驗室與美國能源部合作，共同研發(fā)能夠盡早發(fā)現(xiàn)以地鐵、車站等場所為目標的生化武器襲擊并及時采取防范的系統(tǒng)。該系統(tǒng)集化學生物傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體，既能夠在專用的WSN管理中心對敏感場所進行監(jiān)控，又能夠通過Internet進行遠程監(jiān)視。迄今為止，在軍事和安防領(lǐng)域已經(jīng)實際應(yīng)用的WSN無人值守系統(tǒng)主要有：美國霍尼韋爾公司研制的便攜式邊界無人值守地面?zhèn)鞲衅?；美國L3通信公司研制的REMBA

9、SS無人值守傳感器網(wǎng)絡(luò)系列產(chǎn)品和戰(zhàn)場反入侵系統(tǒng)/排級早期預(yù)警設(shè)備（BAIS）；美國達信防務(wù)系統(tǒng)公司生產(chǎn)的戰(zhàn)術(shù)無人值守地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)（T-UGS）和城區(qū)無人值守地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)（U-UGS）；美國Crossbow公司生產(chǎn)的槍聲定位系統(tǒng)；美國MIT開發(fā)的Mica系列WSN移動目標探測與定位系統(tǒng)；以色列飛機工業(yè)公司下屬的/埃爾塔公司生產(chǎn)的EL/I-6001無人值守傳感器網(wǎng)絡(luò)；澳大利亞研制的先進傳感器網(wǎng)絡(luò)目標探測系統(tǒng)。民用領(lǐng)域：美國Intel公司在2002年發(fā)布了“基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計算發(fā)展規(guī)劃”。該計劃宣稱：Intel公司在未來將致力于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)在預(yù)防醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測、森林滅火乃至海底板塊、星

10、星探測等領(lǐng)域的應(yīng)用。實現(xiàn)該計劃需要三個階段：包括物理階段、實現(xiàn)階段和應(yīng)用階段。物理階段主要開發(fā)集成感知、計算和通信功能的超微型傳感器（即WSN節(jié)點）。實現(xiàn)階段將在實際業(yè)務(wù)中收集WSN節(jié)點的感知數(shù)據(jù)。應(yīng)用階段是將WSN應(yīng)用于各類實時監(jiān)測系統(tǒng)。近年來，美國南加州大學開發(fā)了WSN大樓結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控系統(tǒng)；美國加州大學伯克利分校開發(fā)了舊金山大橋WNS監(jiān)測系統(tǒng)和大鴨島生態(tài)環(huán)境WSN監(jiān)測系統(tǒng)；美國MIT開發(fā)了WSN城市交通監(jiān)測系統(tǒng)；美國哈弗大學開發(fā)了微光WSN醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)；英國倫敦帝國大學、美國Intel研究院和MIT共同研發(fā)了城市供水管道WSN監(jiān)測系統(tǒng)和活火山WSN監(jiān)測系統(tǒng)。此外，西班牙、美國、加拿大、荷蘭

11、、意大利、澳大利亞、日本和印度等國家也相繼開發(fā)了應(yīng)用于精細農(nóng)業(yè)的WSN監(jiān)控系統(tǒng)；美國、日本和歐洲的許多國家也相繼開發(fā)基于WSN技術(shù)的智能交通系統(tǒng)。值得一提的是：2004年，韓國提出了建設(shè)無處不在的網(wǎng)絡(luò)社會（e-Society）目標采用智能網(wǎng)絡(luò)、最新計算機技術(shù)以及其他先進的基礎(chǔ)設(shè)施形成的網(wǎng)絡(luò)社會，比較有代表性的系統(tǒng)是韓國濟州島u-Fishfarm示范漁場。u-Fishfarm系統(tǒng)主要包含兩個部分：基于射頻標簽（RFID）的漁場飼料管理子系統(tǒng)和基于WSN的漁場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該示范漁場的建設(shè)經(jīng)費（2億韓元）完全由政府資助，于2006年12月完成產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀：目前國際上最著名生產(chǎn)WSN節(jié)點芯片和WSN節(jié)點

12、板卡的主要公司有：Crossbow公司、Silion Lab公司、Grape Networks公司、Chipon公司、Ember公司、Atmel公司、Microchip公司、AeroComm公司、Freescale公司、Renesas公司、RFM公司、Intel公司、NI公司、TI公司、Nordic公司；開發(fā)WSN操作系統(tǒng)的著名大學和研究機構(gòu)主要有美國加州大學伯克利分校（TinyOS）、加州大學洛杉磯分校（SOS）、康奈爾大學（Magnet OS）科羅拉多大學的（MOS）、韓國漢城大學（SenOS）；此外，一些學者新近開發(fā)的WSN操作系統(tǒng)Contiki、LiteOS和WSN仿真器等也引起了國內(nèi)

13、外學者的廣泛關(guān)注。（2）國內(nèi)研究與應(yīng)用情況國內(nèi)在WSN領(lǐng)域的研究基本與國外同步，中科院上海微系統(tǒng)研究所、沈陽自動化所、軟件所、電子所、自動化所和合肥智能技術(shù)研究所等科研機構(gòu)，清華大學、國防科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京郵電大學、西北工業(yè)大學、天津大學、電子科技大學等院校在國內(nèi)較早開展了WSN技術(shù)研究，已經(jīng)取得了一些初步成果。但是這些成果大都采用國外商品化WSN節(jié)點和無線傳感器技術(shù)（GSM/GPRS/CDMA、藍牙、Wi-Fi等）構(gòu)成簡單應(yīng)用系統(tǒng)樣機，不是真正意義上的WSN應(yīng)用系統(tǒng)，沒有體現(xiàn)出WSN的優(yōu)點，但這些研究為WSN的應(yīng)用起到了示范作用。例如，國防科技大學和深圳富華光電技術(shù)有限公司合作研

14、發(fā)了邊防WSN無人值守系統(tǒng)工程樣機，國防科技大學還研發(fā)了WSN戰(zhàn)場感知試驗平臺；中國科學院研發(fā)了基于WSN技術(shù)的智能交通系統(tǒng)和沈陽玫瑰園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；中國農(nóng)業(yè)科學研究院研制了基于GPRS/WEB技術(shù)的遠程數(shù)據(jù)采集和信息發(fā)布系統(tǒng)；中國農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心研制了溫室、禽舍遠程監(jiān)控系統(tǒng)，華南農(nóng)業(yè)大學、江蘇大學和浙江大學也有類似的WSN解決方案；寧波中科無線通信事業(yè)部（深聯(lián)科技公司）在慈溪市蔬菜大棚項目中構(gòu)建了WSN數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；中國海洋大學承擔了國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863）項目“水下傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議關(guān)鍵技術(shù)研究”；四川雅安建設(shè)了WSN雨量和地質(zhì)災(zāi)害多參數(shù)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)；中國臺灣大學和試方科技有限公司

15、聯(lián)合研發(fā)了WSN森林微環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要集中在以下領(lǐng)域：1）環(huán)境監(jiān)測和保護。隨著人們對于環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。2）醫(yī)療護理?？梢允褂梦⑿蛡鞲衅鱽頊y量患者的重要征兆 （血壓、脈搏和呼吸）、睡覺姿勢以及每天24小時的活動狀況，從而方便接受護理和治療。3）軍事領(lǐng)域。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等

16、多方面用途。4）空間探索。借助于航天器布撒的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實現(xiàn)對星球表面長時間的監(jiān)測，應(yīng)該是一種經(jīng)濟可行的方案。5）火山、地震監(jiān)測。通過使用地震和聲學傳感器采集地震和次聲信號來獲取和研究活火山的自然特性。6）建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。任何建筑物都有一定的使用周期，建筑物的安全性會隨著使用時間的增加逐漸惡化。周期性的監(jiān)測能都提供建筑物的健康程度信息，對險情及時報警，從而減少一些不必要的人員、財產(chǎn)損失。7）精細農(nóng)業(yè)?？梢岳脗鞲衅鞅O(jiān)測各種自然條件的變化，如光照、溫度和濕度等，從而為農(nóng)作物的生長提供依據(jù)。8）其他商業(yè)化用途。比如一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，以及城市車輛監(jiān)測和跟蹤系統(tǒng)、災(zāi)難拯救、倉庫管

17、理、交互式博物館、交互式玩具、工廠自動化生產(chǎn)線等眾多領(lǐng)域。3. 省內(nèi)相關(guān)單位研發(fā)進展及產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀；近年來，福建省的一些大學也開展了WSN相關(guān)技術(shù)研究，取得一些應(yīng)用成果。例如，福州大學研發(fā)了基于WSN技術(shù)的配電開關(guān)柜無線測溫系統(tǒng)；廈門大學和中國計量科學研究院聯(lián)合研發(fā)了基于WSN技術(shù)的茶園土壤信息監(jiān)測系統(tǒng)；福建新大陸電腦股份有限公司研發(fā)了基于移動平臺的路燈無線智能控制系統(tǒng)。就總體而言，省內(nèi)相關(guān)單位的研究進展不大，仍停留在WSN技術(shù)研究與應(yīng)用的初級階段，更談不上進入產(chǎn)業(yè)化的階段4. 項目對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支撐作用由于歷史原因，福建省的工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，這既是本省的弱項，但也是有利因素（污染源相對較少）。福建產(chǎn)

18、業(yè)的發(fā)展方向應(yīng)當以發(fā)展綠色工業(yè)為主體，并采取跨越式發(fā)展途徑發(fā)展21世紀三大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）。具體實施步驟是：以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍事與海島邊防無人值守領(lǐng)域、反恐與安防領(lǐng)域、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、現(xiàn)代交通領(lǐng)域、環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域、智能家居領(lǐng)域、醫(yī)療保健領(lǐng)域、礦井安全救災(zāi)領(lǐng)域和地質(zhì)勘探領(lǐng)域的需求為牽引，采用產(chǎn)、學、研合作和軍民融合的方式，引進本省在外地和海外工作學習的相關(guān)技術(shù)人才，以福建省閩保信息技術(shù)股份有限公司和國防科技大學機電工程與自動化學院的合作為基礎(chǔ)，建立省級WSN技術(shù)研發(fā)中心和WSN應(yīng)用示范基地，以達成創(chuàng)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)產(chǎn)業(yè)以及WSN應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)業(yè)，從而占據(jù)未來新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)

19、的制高點。1、項目產(chǎn)品說明在東南沿海某島嶼或海岸線建立“海島WSN無人值守示范系統(tǒng)”，用于實時監(jiān)測邊防周圍狀況。本系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）節(jié)點簇、遠程加密通訊裝置和海島海岸態(tài)勢分析與顯示終端構(gòu)成的。其中，無線傳感器節(jié)點用于檢測環(huán)境噪聲、地面與空氣震動以及環(huán)境磁異信號，經(jīng)三元數(shù)據(jù)融合后，可粗略判斷距離節(jié)點半徑為500m范圍內(nèi)是否存在入侵目標（預(yù)先設(shè)定）。一旦目標特征值超過閾值，節(jié)點數(shù)據(jù)將傳輸至匯聚節(jié)點，并經(jīng)遠程無線電加密傳輸至終端進行后續(xù)信息處理。除通用WSN的基本功能外，還具有：可根據(jù)地形地貌部署無線傳感器節(jié)點（各節(jié)點地理位置坐標和節(jié)點編碼一一對應(yīng)）；可根據(jù)不同的應(yīng)用需求，注入不同的應(yīng)用程序，而無須改變傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)；無線傳感器節(jié)點的作用距離大等實用化特征。用于探測指定區(qū)域內(nèi)由艦船、低空飛機、蛙人或武裝人員所引起的震動、噪聲和磁異信號，一旦發(fā)現(xiàn)入侵者（艦船、無人機、蛙人等），該系統(tǒng)將自動通過BD-2短文信息服務(wù)把監(jiān)測數(shù)據(jù)（時間、地點、目標特征值）傳遞到“海島邊防監(jiān)控指揮中心”。2、主要技術(shù)指標及應(yīng)用前景由WSN節(jié)點和WSN信息匯聚節(jié)點構(gòu)成的節(jié)點簇，可用于檢測布設(shè)周圍的車輛、坦克、低空飛行器、艦艇和武裝人員等機動目標引起的地面震動、環(huán)境磁場強度和噪聲級變化量。通過人為模擬目標的入侵形態(tài)，在遠程監(jiān)控屏幕上可顯示各個節(jié)點和信息匯聚節(jié)點的采樣數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)融