wsn背景+现状+指标.doc

一、项目的背景及立项的必要性1. 项目所属产业在我省经济发展中的地位、技术瓶颈以及亟待解决的技术问题；我国陆地边界线约22 000多公里，分别与14个国家接壤，其中有2/3的边境线是高山大漠。边界自然环境异常恶劣：西部白雪冰川，高寒缺氧；北部荒漠戈壁，沙尘弥漫；南部莽莽丛林，湿热多雨；东南部珊瑚岛屿，台风频发。因此之故，我国藏南地区部分边境线和南海无人岛礁，长期处于无人值守的状态。此外，我国公安特警和武警部队的反恐缉毒任务艰巨繁重，非常人可以想象。为此，研发实用化“无线传感器网络无人值守系统”，以实现长期、连续、实时监测边境线和无人海岛上的异常状态，或者作为公安特警和武警部队的装备，根据需要随时部署无线传感器网络无人值守系统，以监测敏感区域恐怖分子或毒品走私分子的活动状态，这对于维护国家主权、维护国家海洋权益、提升公安特警和武警部队的战斗力，都具有重大的现实意义。本世纪初，美国商业周刊和麻省理工学院（MIT）技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络（WSN）列21世纪最有影响力的21项技术和改变世界的10大技术之一。无线传感器网络、塑料电子和仿生人体器官又被列为全球未来的三大高科技产业。近年来WSN技术的研究与开发几乎呈爆炸式的增长，然而，WSN广泛且复杂的应用场景军事与安全救灾、环境和基础设施、智能交通、现代农业、地下采矿和医疗保健等等，也使得WSN应用系统的设计、开发与产业化面临着极为严峻的挑战，这是因为WSN技术所需的知识包括了传感器、电子、通信、计算机工程和计算机科学以及高功率密度电池领域的几乎所有研究方向。从技术特征上看，WSN技术应属于信息技术，而信息技术产业应当也必将是福建省未来经济发展的支柱产业之一。但从目前国内信息技术产业发展的总体水平来看，福建省信息技术产业仍处于相对落后的状况。当前亟待解决的技术问题是：如何创新产、学、研合作和军民融合体制，在政府资助下建立WSN技术研发和培训中心，以研发无线传感器网络与北斗通信（BD-2，用于传输远程数据报文）相结合的工程应用示范系统为切入点，利用国际上商品化芯片开发具有自主知识产权的WSN节点和WSN信息汇聚节点板卡，同时引进和消化国际上最新、最先进的无线传感器网络操作系统、无线传感器网络编程和仿真器。目前技术上的主要瓶颈有： 1）能量。能量是制约传感器节点工作时限的最大因素，大容量的能量供应、外部能量的汲取、高效率的能量利用、低功耗传感器等，这些都是优先考虑的问题；2）成本问题。在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展；3）设计限制。传感器节点的小型化与低能耗，对于一些部件的集成产生了障碍；这些限制和要求也影响到软件设计的各个层次，如操作系统所占内存小并且必须有效的管理资源。亟待解决的技术问题：1）网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题；2）系统能量供应问题。目前主要的解决方案有：使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术；3）高效的无线传感器网络结构。无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源；4）网络安全协议问题。传感器节点的远距离和无人值守增加了它们遭到恶意入侵和破坏的机会，而且无线通信很容易让敌人窃听到传感器所传输的信息；5）大规模传感器网络中的节点自我管理。Wsn通常工作在偏远地区和恶劣环境中，这就要求传感器节点必须具有自我管理能力，在没有人工干预下动态适应环境的变化。2. 国内外相关技术研究开发、产业化现状和发展趋势（1）国外研究与应用情况无线传感器网络（WSN）的研究肇始于20世纪90年代末期。WSN技术涉及传感技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、软件编程技术和能源技术等多学科交叉研究领域。从21世纪开始，WSN技术引起了学术界、军事部门和工业界的极大关注，美国、欧洲和日本相继启动了许多关于WSN的研究计划。尤其是美国通过国家自然科学基金委、国防部高级研究计划局等多种渠道投入了巨额资金支持WSN技术研究与应用系统开发。军事应用领域：美国陆军2001年就提出了“灵巧传感器网络通信”计划，在2001-2005财政年度期间批准实施。其基本思想是：在战场上布设大量的WSN节点和少量WSN信息汇聚节点，以收集、传输、汇聚战场环境和战场目标信息，从而大大提高参战人员对战场态势的感知能力。与此相关的项目有：“沙地直线”系统用于侦察和定位敌军坦克及车辆；“无人值守地面传感器（Unattended Ground Sensors）；“远程战场监视传感器系统”（Remotely Monitored Battlefield Sensors System，REMBASS）。美国海军最近确立了“传感器组网系统”研究项目，其核心是一套实时数据库管理系统，利用现有的通信机制对从战术级到战略级的WSN信息进行管理，把高性能WSN与高性能交战网络有机地结合起来，以提高美军的协同交战能力（Cooperative Engagement Capability，CEC）。此外，美国Sandia国家实验室与美国能源部合作，共同研发能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击并及时采取防范的系统。该系统集化学生物传感器和网络技术于一体，既能够在专用的WSN管理中心对敏感场所进行监控，又能够通过Internet进行远程监视。迄今为止，在军事和安防领域已经实际应用的WSN无人值守系统主要有：美国霍尼韦尔公司研制的便携式边界无人值守地面传感器；美国L3通信公司研制的REMBASS无人值守传感器网络系列产品和战场反入侵系统/排级早期预警设备（BAIS）；美国达信防务系统公司生产的战术无人值守地面传感器网络（T-UGS）和城区无人值守地面传感器网络（U-UGS）；美国Crossbow公司生产的枪声定位系统；美国MIT开发的Mica系列WSN移动目标探测与定位系统；以色列飞机工业公司下属的/埃尔塔公司生产的EL/I-6001无人值守传感器网络；澳大利亚研制的先进传感器网络目标探测系统。民用领域：美国Intel公司在2002年发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。该计划宣称：Intel公司在未来将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块、星星探测等领域的应用。实现该计划需要三个阶段：包括物理阶段、实现阶段和应用阶段。物理阶段主要开发集成感知、计算和通信功能的超微型传感器（即WSN节点）。实现阶段将在实际业务中收集WSN节点的感知数据。应用阶段是将WSN应用于各类实时监测系统。近年来，美国南加州大学开发了WSN大楼结构安全监控系统；美国加州大学伯克利分校开发了旧金山大桥WNS监测系统和大鸭岛生态环境WSN监测系统；美国MIT开发了WSN城市交通监测系统；美国哈弗大学开发了微光WSN医疗监护系统；英国伦敦帝国大学、美国Intel研究院和MIT共同研发了城市供水管道WSN监测系统和活火山WSN监测系统。此外，西班牙、美国、加拿大、荷兰、意大利、澳大利亚、日本和印度等国家也相继开发了应用于精细农业的WSN监控系统；美国、日本和欧洲的许多国家也相继开发基于WSN技术的智能交通系统。值得一提的是：2004年，韩国提出了建设无处不在的网络社会（e-Society）目标采用智能网络、最新计算机技术以及其他先进的基础设施形成的网络社会，比较有代表性的系统是韩国济州岛u-Fishfarm示范渔场。u-Fishfarm系统主要包含两个部分：基于射频标签（RFID）的渔场饲料管理子系统和基于WSN的渔场环境监控系统。该示范渔场的建设经费（2亿韩元）完全由政府资助，于2006年12月完成产业现状：目前国际上最著名生产WSN节点芯片和WSN节点板卡的主要公司有：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；开发WSN操作系统的著名大学和研究机构主要有美国加州大学伯克利分校（TinyOS）、加州大学洛杉矶分校（SOS）、康奈尔大学（Magnet OS）科罗拉多大学的（MOS）、韩国汉城大学（SenOS）；此外，一些学者新近开发的WSN操作系统Contiki、LiteOS和WSN仿真器等也引起了国内外学者的广泛关注。（2）国内研究与应用情况国内在WSN领域的研究基本与国外同步，中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件所、电子所、自动化所和合肥智能技术研究所等科研机构，清华大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、西北工业大学、天津大学、电子科技大学等院校在国内较早开展了WSN技术研究，已经取得了一些初步成果。但是这些成果大都采用国外商品化WSN节点和无线传感器技术（GSM/GPRS/CDMA、蓝牙、Wi-Fi等）构成简单应用系统样机，不是真正意义上的WSN应用系统，没有体现出WSN的优点，但这些研究为WSN的应用起到了示范作用。例如，国防科技大学和深圳富华光电技术有限公司合作研发了边防WSN无人值守系统工程样机，国防科技大学还研发了WSN战场感知试验平台；中国科学院研发了基于WSN技术的智能交通系统和沈阳玫瑰园环境监测系统；中国农业科学研究院研制了基于GPRS/WEB技术的远程数据采集和信息发布系统；中国农业信息技术研究中心研制了温室、禽舍远程监控系统，华南农业大学、江苏大学和浙江大学也有类似的WSN解决方案；宁波中科无线通信事业部（深联科技公司）在慈溪市蔬菜大棚项目中构建了WSN数据采集系统；中国海洋大学承担了国家高技术研究发展计划（863）项目“水下传感器网络协议关键技术研究”；四川雅安建设了WSN雨量和地质灾害多参数监测预警系统；中国台湾大学和试方科技有限公司联合研发了WSN森林微环境监测系统。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：1）环境监测和保护。随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。2）医疗护理。可以使用微型传感器来测量患者的重要征兆 （血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况，从而方便接受护理和治疗。3）军事领域。由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。4）空间探索。借助于航天器布撒的传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。5）火山、地震监测。通过使用地震和声学传感器采集地震和次声信号来获取和研究活火山的自然特性。6）建筑结构健康监测。任何建筑物都有一定的使用周期，建筑物的安全性会随着使用时间的增加逐渐恶化。周期性的监测能都提供建筑物的健康程度信息，对险情及时报警，从而减少一些不必要的人员、财产损失。7）精细农业。可以利用传感器监测各种自然条件的变化，如光照、温度和湿度等，从而为农作物的生长提供依据。8）其他商业化用途。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，以及城市车辆监测和跟踪系统、灾难拯救、仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具、工厂自动化生产线等众多领域。3. 省内相关单位研发进展及产业化现状；近年来，福建省的一些大学也开展了WSN相关技术研究，取得一些应用成果。例如，福州大学研发了基于WSN技术的配电开关柜无线测温系统；厦门大学和中国计量科学研究院联合研发了基于WSN技术的茶园土壤信息监测系统；福建新大陆电脑股份有限公司研发了基于移动平台的路灯无线智能控制系统。就总体而言，省内相关单位的研究进展不大，仍停留在WSN技术研究与应用的初级阶段，更谈不上进入产业化的阶段4. 项目对产业发展的支撑作用由于历史原因，福建省的工业基础薄弱，这既是本省的弱项，但也是有利因素（污染源相对较少）。福建产业的发展方向应当以发展绿色工业为主体，并采取跨越式发展途径发展21世纪三大高技术产业之一（无线传感器网络）。具体实施步骤是：以无线传感器网络技术在军事与海岛边防无人值守领域、反恐与安防领域、现代农业领域、现代交通领域、环境监测领域、智能家居领域、医疗保健领域、矿井安全救灾领域和地质勘探领域的需求为牵引，采用产、学、研合作和军民融合的方式，引进本省在外地和海外工作学习的相关技术人才，以福建省闽保信息技术股份有限公司和国防科技大学机电工程与自动化学院的合作为基础，建立省级WSN技术研发中心和WSN应用示范基地，以达成创建无线传感器网络技术产业以及WSN应用领域的相关产业，从而占据未来新兴高技术产业的制高点。1、项目产品说明在东南沿海某岛屿或海岸线建立“海岛WSN无人值守示范系统”，用于实时监测边防周围状况。本系统由无线传感器网络（WSN）节点簇、远程加密通讯装置和海岛海岸态势分析与显示终端构成的。其中，无线传感器节点用于检测环境噪声、地面与空气震动以及环境磁异信号，经三元数据融合后，可粗略判断距离节点半径为500m范围内是否存在入侵目标（预先设定）。一旦目标特征值超过阈值，节点数据将传输至汇聚节点，并经远程无线电加密传输至终端进行后续信息处理。除通用WSN的基本功能外，还具有：可根据地形地貌部署无线传感器节点（各节点地理位置坐标和节点编码一一对应）；可根据不同的应用需求，注入不同的应用程序，而无须改变传感器节点的硬件结构；无线传感器节点的作用距离大等实用化特征。用于探测指定区域内由舰船、低空飞机、蛙人或武装人员所引起的震动、噪声和磁异信号，一旦发现入侵者（舰船、无人机、蛙人等），该系统将自动通过BD-2短文信息服务把监测数据（时间、地点、目标特征值）传递到“海岛边防监控指挥中心”。2、主要技术指标及应用前景由WSN节点和WSN信息汇聚节点构成的节点簇，可用于检测布设周围的车辆、坦克、低空飞行器、舰艇和武装人员等机动目标引起的地面震动、环境磁场强度和噪声级变化量。通过人为模拟目标的入侵形态，在远程监控屏幕上可显示各个节点和信息汇聚