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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于UAV的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)Sink數(shù)據(jù)收集平臺(tái)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 針對(duì)固定Sink無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在野外生態(tài)、災(zāi)難監(jiān)測(cè)等應(yīng)用中出現(xiàn)Sink節(jié)點(diǎn)部署困難，主干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與感知節(jié)點(diǎn)能耗不均衡，感知區(qū)域之間不連通等問(wèn)題，本作品在四旋翼飛行器的基礎(chǔ)上增加自主飛行控制模塊、IEEE802.15.4無(wú)線通信模塊、后臺(tái)控制監(jiān)測(cè)模塊形成移動(dòng)Sink數(shù)據(jù)收集平臺(tái)。
- 詳細(xì)介紹：
- 鄱陽(yáng)湖是我國(guó)最大的淡水湖。國(guó)務(wù)院于2009年12月12日正式批復(fù)《鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)規(guī)劃》，建設(shè)鄱陽(yáng)湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)正式上升為國(guó)家戰(zhàn)略，監(jiān)測(cè)、保護(hù)鄱陽(yáng)湖生態(tài)是非常重要的課題之一。目前鄱陽(yáng)湖的生態(tài)監(jiān)測(cè)工作正在嘗試使用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)( Wireless Sensor Network, WSN) 綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信、分布式信息處理等技術(shù), 可以使人們?cè)谌魏螘r(shí)間、地點(diǎn)和任何環(huán)境下獲取大量詳實(shí)可靠的信息, 從而真正實(shí)現(xiàn)“無(wú)處不在”的計(jì)算理念。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是一個(gè)由傳感器節(jié)點(diǎn)（sensor node）、匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink node)和管理節(jié)點(diǎn)（management node）構(gòu)成的三級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。一般而言,傳感器網(wǎng)絡(luò)的目的為收集與向外界傳輸數(shù)據(jù),在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,這種角色節(jié)點(diǎn)被稱為數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)完整的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)常常被劃分為多個(gè)小的網(wǎng)絡(luò)（子網(wǎng)），各個(gè)子網(wǎng)之間由匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink節(jié)點(diǎn)）組成主干網(wǎng)絡(luò)彼此連接，網(wǎng)絡(luò)中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)Sink節(jié)點(diǎn)傳回基站或因特網(wǎng)。 固定部署的Sink節(jié)點(diǎn)相較于移動(dòng)Sink存在以下問(wèn)題：①受到能源、地理?xiàng)l件等因素的制約或者在戰(zhàn)爭(zhēng)或?yàn)?zāi)難發(fā)生情況下，Sink節(jié)點(diǎn)部署較感知節(jié)點(diǎn)部署方法困難，出現(xiàn)故障或能量提前耗盡不便于更換；②感知數(shù)據(jù)無(wú)法一跳到達(dá)Sink，多跳機(jī)制及主干路由的建立帶來(lái)整網(wǎng)能耗不平衡,產(chǎn)生空洞及Hotspots問(wèn)題。③網(wǎng)絡(luò)部署必須考慮通信覆蓋，造成感知過(guò)冗余覆蓋、感知無(wú)意義覆蓋。這些問(wèn)題給整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)嚴(yán)重的危機(jī)。例如，固定的Sink節(jié)點(diǎn)對(duì)部署位置要求苛刻，然而對(duì)于鄱陽(yáng)湖這樣的湖泊、濕地環(huán)境很難找到合適的部署地點(diǎn)，在湖泊、濕地中人工制造部署環(huán)境成本無(wú)法控制；又如，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)被部署在空氣受到嚴(yán)重污染的區(qū)域用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，人無(wú)法靠近網(wǎng)絡(luò)區(qū)，一旦匯聚節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或網(wǎng)絡(luò)受阻，傳統(tǒng)的匯聚節(jié)點(diǎn)將無(wú)法更換，主干網(wǎng)通訊被破壞，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)異于毀滅；再如，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)子網(wǎng)分別被部署在一座山的兩側(cè)，由于通訊信號(hào)不可達(dá)，兩個(gè)子網(wǎng)將無(wú)法連通。在這些情況下如果沒(méi)有更好的解決方案，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)必將癱瘓。 基于以上原因，本作品將微型無(wú)人機(jī)技術(shù)與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行融合，在四旋翼飛行器的基礎(chǔ)上增加自主飛行控制模塊、IEEE802.15.4無(wú)線通信模塊以及后臺(tái)控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成移動(dòng)Sink數(shù)據(jù)收集平臺(tái)。該平臺(tái)具備無(wú)人機(jī)自主移動(dòng)能力、遠(yuǎn)距離無(wú)線通信能力、大容量存儲(chǔ)能力以及基于GIS的后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鏈路質(zhì)量評(píng)估技術(shù)、節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境感知網(wǎng)絡(luò)所采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的全覆蓋收集，并在保證對(duì)網(wǎng)絡(luò)收集覆蓋的前提下提高收集效率。 本作品主要做了如下幾方面研究： 一、設(shè)計(jì)了小型四旋翼飛行器的自主飛行控制系統(tǒng)，使其具備飛行姿態(tài)控制能力。硬件系統(tǒng)包括由陀螺儀傳感器、加速度傳感器、電子羅盤(pán)組成的姿態(tài)傳感器，GPS定位模塊、氣壓傳感器以及超聲波傳感器，使用基于Arm7的主板控制飛行器飛行；軟件系統(tǒng)為自主設(shè)計(jì)的基于慣性導(dǎo)航的飛行姿態(tài)控制算法。 二、為無(wú)人機(jī)增加Sink模塊使其構(gòu)成移動(dòng)Sink平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了移動(dòng)Sink自主移動(dòng)收集算法。該算法能夠在執(zhí)行數(shù)據(jù)收集任務(wù)時(shí)控制移動(dòng)Sink飛行軌跡，還能夠使移動(dòng)Sink自主調(diào)整收集懸停點(diǎn)的位置。根據(jù)該算法，移動(dòng)Sink在接收到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的GPS信息后自主進(jìn)行航跡規(guī)劃，并能夠在數(shù)據(jù)收集過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鏈路質(zhì)量較差時(shí)自動(dòng)調(diào)整懸停收集點(diǎn)，保證通信鏈路質(zhì)量。 三、改進(jìn)了WSN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方式，采用航跡優(yōu)先自組織成簇策略及“融合—存儲(chǔ)—轉(zhuǎn)發(fā)”方式，使其適用于移動(dòng)Sink數(shù)據(jù)收集。 四、設(shè)計(jì)了用于環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的后臺(tái)軟件。該軟件具有服務(wù)器端和客戶端兩部分組成的C/S結(jié)構(gòu)。感知網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)Sink節(jié)點(diǎn)收集后傳回與終端相連接的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本后臺(tái)軟件通過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)的GPS信息定位后，將傳感器數(shù)據(jù)顯示到客戶端。該軟件采用實(shí)時(shí)的GIS地理位置信息系統(tǒng)，并且以圖形化的方式顯示傳感器數(shù)據(jù)信息。 本作品的研究作為WSN解決惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)收集的通用平臺(tái)，將極大的拓展WSN的應(yīng)用范圍；減少環(huán)境因素對(duì)網(wǎng)絡(luò)部署的制約；降低網(wǎng)絡(luò)維護(hù)復(fù)雜度，提高網(wǎng)絡(luò)能量效率和剩余能量平衡。是實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)收集調(diào)度策略的研究基礎(chǔ)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 一、設(shè)計(jì)目的 利用四旋翼無(wú)人機(jī)良好的自主懸停、自主移動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)Sink對(duì)感知區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，調(diào)度無(wú)人機(jī)采集覆蓋WSN網(wǎng)絡(luò)中的所有簇頭，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)智能移動(dòng)策略。延長(zhǎng)WSN網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，降低數(shù)據(jù)收集延遲。 二、基本思路 （1）為微型四旋翼無(wú)人飛行器增加自主飛行控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的算法可控性。 （2）為改進(jìn)的無(wú)人機(jī)增加Sink模塊，并設(shè)計(jì)移動(dòng)收集算法。移動(dòng)Sink能夠根據(jù)該移動(dòng)收集算法自主完成數(shù)據(jù)收集任務(wù)。 （3）根據(jù)設(shè)計(jì)的移動(dòng)收集算法改進(jìn)現(xiàn)有WSN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方式。方便于移動(dòng)Sink規(guī)劃航跡，提高收集效率。 （4）開(kāi)發(fā)用于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的后臺(tái)軟件。 三、技術(shù)創(chuàng)新 （1）無(wú)人機(jī)技術(shù)與WSN技術(shù)相融合的移動(dòng)Sink，解決了傳統(tǒng)WSN感知數(shù)據(jù)匯聚中Sink節(jié)點(diǎn)部署困難、感知區(qū)域不連通、區(qū)域內(nèi)易剩余能量不平衡等問(wèn)題。 （2）本作品提供感知數(shù)據(jù)收集平臺(tái)，能夠支持現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、數(shù)據(jù)分析，提高WSN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集平臺(tái)適用范圍和數(shù)據(jù)收集效率。 （3）本作品為鄱陽(yáng)湖環(huán)境分區(qū)監(jiān)測(cè)、森林火警感知網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急部署、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景提供了簡(jiǎn)單易行的解決方案。 四、關(guān)鍵技術(shù) （1）無(wú)人機(jī)自主飛行模塊的設(shè)計(jì)，包括硬件選用和飛行姿態(tài)控制算法設(shè)計(jì)。 （2）鏈路質(zhì)量實(shí)時(shí)評(píng)估策略。 （3）簇頭列表的分類管理。 （4）UAV移動(dòng)策略（正交嗅探算法）。 （5）后臺(tái)監(jiān)控軟件的GIS信息導(dǎo)入、WSN數(shù)據(jù)包的解析、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)及維護(hù)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- （1）實(shí)現(xiàn)了小型四旋翼飛行器的自主飛行控制，不需要遙控器，解決了遙控距離限制的問(wèn)題，使得飛行器可以獨(dú)立于操作者單獨(dú)前往無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)區(qū)，因此大大增加了網(wǎng)絡(luò)控制的安全性，擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍。 （2）實(shí)現(xiàn)了可懸停式的移動(dòng)Sink平臺(tái)，在解決了固定Sink部署困難、主干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與感知節(jié)點(diǎn)能耗不均衡、感知區(qū)域之間不連通等問(wèn)題的同時(shí)，保證了數(shù)據(jù)收集時(shí)的鏈路質(zhì)量，提高了收集效率。 （3）平臺(tái)具有通用性，無(wú)需修改傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、數(shù)據(jù)分析等協(xié)議，通用于鄱陽(yáng)湖環(huán)境監(jiān)測(cè)、重污染區(qū)域監(jiān)測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)等各種特殊條件下的WSN監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 1、技術(shù)特點(diǎn) （1）無(wú)人機(jī)技術(shù)與WSN技術(shù)相結(jié)合的Mobile Sink，解決了傳統(tǒng)WSN感知數(shù)據(jù)匯聚中，Sink節(jié)點(diǎn)部署困難、感知區(qū)域不連通、區(qū)域內(nèi)易剩余能量不平衡等問(wèn)題。 （2）提供感知數(shù)據(jù)收集平臺(tái)，借助于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂?、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)分析等協(xié)議，提高WSN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集平臺(tái)適用范圍和數(shù)據(jù)收集效率。 2、適用范圍及推廣前景 本產(chǎn)品具有較廣的應(yīng)用范圍，在災(zāi)難和環(huán)境監(jiān)測(cè)、野生動(dòng)物習(xí)性監(jiān)測(cè)，入侵檢測(cè)、安全監(jiān)視等方面具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
同類課題研究水平概述
- 由于移動(dòng)Sink模型在WSN數(shù)據(jù)收集領(lǐng)域能較好的延長(zhǎng)感知網(wǎng)絡(luò)生存期，國(guó)內(nèi)外對(duì)移動(dòng)Sink模型及其移動(dòng)策略進(jìn)行了大量的研究。 2010年，于海征，建立移動(dòng)Sink模型，具有多個(gè)移動(dòng)Sink以DTN的形式，并將收集到的數(shù)據(jù)采用Epidemic routing多拷貝消息路由方法在Sink之間傳遞。 M. Lucchi提出一種使用UAV收集WSN數(shù)據(jù)的移動(dòng)Sink平臺(tái)，該平臺(tái)通過(guò)分析并利用spotlight-mode SAR采集方式，較好的解決了移動(dòng)Sink與傳感節(jié)點(diǎn)之間無(wú)線信號(hào)的衰減與噪聲的影響，采用Raker Receiver收集微弱噪聲干擾的無(wú)線通信，獲得較大網(wǎng)絡(luò)吞吐量和網(wǎng)絡(luò)能量效率等性能。 Ioannis Chatzigiannakis 提出3種移動(dòng)模式：隨機(jī)移動(dòng)、可預(yù)測(cè)移動(dòng)、控制移動(dòng)。不同的移動(dòng)模式具有不同的自由度，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、監(jiān)測(cè)情況對(duì)數(shù)據(jù)收集性能影響不同。 Tracy Camp、Jeff Boleng 、Vanessa Davies將個(gè)體移動(dòng)模型歸納為以下7種：隨機(jī)行走移動(dòng)模型；隨機(jī)航標(biāo)移動(dòng)模型；隨機(jī)航向移動(dòng)模型；無(wú)邊界仿真移動(dòng)模型；高斯-馬爾科夫移動(dòng)模型；基于概率隨機(jī)行走移動(dòng)模型；城市區(qū)域移動(dòng)模型。 2008.E.M. Saad等受到蜜蜂覓食啟發(fā)，提出Bees算法，得到Sink移動(dòng)最優(yōu)路徑。 Ke Tian提出自適應(yīng)Voronoi圖轄域(AVRP)動(dòng)態(tài)選擇錨節(jié)點(diǎn)控制Sink移動(dòng)、 包跟蹤(TRAIL)算法控制Sink移動(dòng)兩種模型。分別適用于大規(guī)模通信和輕量級(jí)通信WSN。 2010. Khodashahi, M. H.等根據(jù)監(jiān)測(cè)簇頭節(jié)點(diǎn)之間的能效、優(yōu)化數(shù)據(jù)通信決定Sink節(jié)點(diǎn)的最佳位置，減少整網(wǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間。 2007. S. Basagni等對(duì)比控制移動(dòng)Sink與非控制移動(dòng)Sink的不同以及它們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)性能表現(xiàn)上的差異，發(fā)現(xiàn)MULEs的隨機(jī)非控制移動(dòng)適用于延遲容忍的WSN，能在網(wǎng)絡(luò)延遲與網(wǎng)絡(luò)生命期得到較好的平衡
