基本信息
- 項目名稱：
- 基于UAV的無線傳感網(wǎng)絡移動Sink數(shù)據(jù)收集平臺
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 針對固定Sink無線傳感網(wǎng)絡在野外生態(tài)、災難監(jiān)測等應用中出現(xiàn)Sink節(jié)點部署困難，主干網(wǎng)節(jié)點與感知節(jié)點能耗不均衡，感知區(qū)域之間不連通等問題，本作品在四旋翼飛行器的基礎上增加自主飛行控制模塊、IEEE802.15.4無線通信模塊、后臺控制監(jiān)測模塊形成移動Sink數(shù)據(jù)收集平臺。
- 詳細介紹：
- 鄱陽湖是我國最大的淡水湖。國務院于2009年12月12日正式批復《鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)規(guī)劃》，建設鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)正式上升為國家戰(zhàn)略，監(jiān)測、保護鄱陽湖生態(tài)是非常重要的課題之一。目前鄱陽湖的生態(tài)監(jiān)測工作正在嘗試使用無線傳感網(wǎng)絡技術。 無線傳感網(wǎng)絡( Wireless Sensor Network, WSN) 綜合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信、分布式信息處理等技術, 可以使人們在任何時間、地點和任何環(huán)境下獲取大量詳實可靠的信息, 從而真正實現(xiàn)“無處不在”的計算理念。無線傳感器網(wǎng)絡通常是一個由傳感器節(jié)點（sensor node）、匯聚節(jié)點(Sink node)和管理節(jié)點（management node）構(gòu)成的三級網(wǎng)絡系統(tǒng)。一般而言,傳感器網(wǎng)絡的目的為收集與向外界傳輸數(shù)據(jù),在傳感器網(wǎng)絡中,這種角色節(jié)點被稱為數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點。在實際應用中，一個完整的無線傳感網(wǎng)絡常常被劃分為多個小的網(wǎng)絡（子網(wǎng)），各個子網(wǎng)之間由匯聚節(jié)點（Sink節(jié)點）組成主干網(wǎng)絡彼此連接，網(wǎng)絡中的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過Sink節(jié)點傳回基站或因特網(wǎng)。 固定部署的Sink節(jié)點相較于移動Sink存在以下問題：①受到能源、地理條件等因素的制約或者在戰(zhàn)爭或災難發(fā)生情況下，Sink節(jié)點部署較感知節(jié)點部署方法困難，出現(xiàn)故障或能量提前耗盡不便于更換；②感知數(shù)據(jù)無法一跳到達Sink，多跳機制及主干路由的建立帶來整網(wǎng)能耗不平衡,產(chǎn)生空洞及Hotspots問題。③網(wǎng)絡部署必須考慮通信覆蓋，造成感知過冗余覆蓋、感知無意義覆蓋。這些問題給整個無線傳感網(wǎng)絡帶來嚴重的危機。例如，固定的Sink節(jié)點對部署位置要求苛刻，然而對于鄱陽湖這樣的湖泊、濕地環(huán)境很難找到合適的部署地點，在湖泊、濕地中人工制造部署環(huán)境成本無法控制；又如，無線傳感網(wǎng)絡被部署在空氣受到嚴重污染的區(qū)域用于環(huán)境監(jiān)測，人無法靠近網(wǎng)絡區(qū)，一旦匯聚節(jié)點出現(xiàn)故障或網(wǎng)絡受阻，傳統(tǒng)的匯聚節(jié)點將無法更換，主干網(wǎng)通訊被破壞，整個網(wǎng)絡無異于毀滅；再如，無線傳感網(wǎng)絡的兩個子網(wǎng)分別被部署在一座山的兩側(cè)，由于通訊信號不可達，兩個子網(wǎng)將無法連通。在這些情況下如果沒有更好的解決方案，整個網(wǎng)絡必將癱瘓。 基于以上原因，本作品將微型無人機技術與無線傳感網(wǎng)絡技術進行融合，在四旋翼飛行器的基礎上增加自主飛行控制模塊、IEEE802.15.4無線通信模塊以及后臺控制監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成移動Sink數(shù)據(jù)收集平臺。該平臺具備無人機自主移動能力、遠距離無線通信能力、大容量存儲能力以及基于GIS的后臺監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡的鏈路質(zhì)量評估技術、節(jié)點定位技術，可實現(xiàn)對環(huán)境感知網(wǎng)絡所采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行有效的全覆蓋收集，并在保證對網(wǎng)絡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、設計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)為自主設計的基于慣性導航的飛行姿態(tài)控制算法。 二、為無人機增加Sink模塊使其構(gòu)成移動Sink平臺，并設計了移動Sink自主移動收集算法。該算法能夠在執(zhí)行數(shù)據(jù)收集任務時控制移動Sink飛行軌跡，還能夠使移動Sink自主調(diào)整收集懸停點的位置。根據(jù)該算法，移動Sink在接收到目標網(wǎng)絡的GPS信息后自主進行航跡規(guī)劃，并能夠在數(shù)據(jù)收集過程中發(fā)現(xiàn)鏈路質(zhì)量較差時自動調(diào)整懸停收集點，保證通信鏈路質(zhì)量。 三、改進了WSN的拓撲結(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—轉(zhuǎn)發(fā)”方式，使其適用于移動Sink數(shù)據(jù)收集。 四、設計了用于環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測的后臺軟件。該軟件具有服務器端和客戶端兩部分組成的C/S結(jié)構(gòu)。感知網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)通過移動Sink節(jié)點收集后傳回與終端相連接的網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點與服務器相連，進行數(shù)據(jù)交換。本后臺軟件通過簇頭節(jié)點的GPS信息定位后，將傳感器數(shù)據(jù)顯示到客戶端。該軟件采用實時的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，將極大的拓展WSN的應用范圍；減少環(huán)境因素對網(wǎng)絡部署的制約；降低網(wǎng)絡維護復雜度，提高網(wǎng)絡能量效率和剩余能量平衡。是實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)收集調(diào)度策略的研究基礎。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 一、設計目的 利用四旋翼無人機良好的自主懸停、自主移動性能，實現(xiàn)移動Sink對感知區(qū)域進行數(shù)據(jù)收集，調(diào)度無人機采集覆蓋WSN網(wǎng)絡中的所有簇頭，實現(xiàn)無人機智能移動策略。延長WSN網(wǎng)絡生存時間，降低數(shù)據(jù)收集延遲。 二、基本思路 （1）為微型四旋翼無人飛行器增加自主飛行控制系統(tǒng)。實現(xiàn)無人機飛行姿態(tài)的算法可控性。 （2）為改進的無人機增加Sink模塊，并設計移動收集算法。移動Sink能夠根據(jù)該移動收集算法自主完成數(shù)據(jù)收集任務。 （3）根據(jù)設計的移動收集算法改進現(xiàn)有WSN的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方式。方便于移動Sink規(guī)劃航跡，提高收集效率。 （4）開發(fā)用于實時網(wǎng)絡數(shù)據(jù)監(jiān)測的后臺軟件。 三、技術創(chuàng)新 （1）無人機技術與WSN技術相融合的移動Sink，解決了傳統(tǒng)WSN感知數(shù)據(jù)匯聚中Sink節(jié)點部署困難、感知區(qū)域不連通、區(qū)域內(nèi)易剩余能量不平衡等問題。 （2）本作品提供感知數(shù)據(jù)收集平臺，能夠支持現(xiàn)有網(wǎng)絡通信協(xié)議、數(shù)據(jù)分析，提高WSN網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收集平臺適用范圍和數(shù)據(jù)收集效率。 （3）本作品為鄱陽湖環(huán)境分區(qū)監(jiān)測、森林火警感知網(wǎng)絡應急部署、戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測等應用場景提供了簡單易行的解決方案。 四、關鍵技術 （1）無人機自主飛行模塊的設計，包括硬件選用和飛行姿態(tài)控制算法設計。 （2）鏈路質(zhì)量實時評估策略。 （3）簇頭列表的分類管理。 （4）UAV移動策略（正交嗅探算法）。 （5）后臺監(jiān)控軟件的GIS信息導入、WSN數(shù)據(jù)包的解析、數(shù)據(jù)庫設計及維護。
科學性、先進性
- （1）實現(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題，使得飛行器可以獨立于操作者單獨前往無線傳感網(wǎng)絡區(qū)，因此大大增加了網(wǎng)絡控制的安全性，擴大了網(wǎng)絡的應用范圍。 （2）實現(xiàn)了可懸停式的移動Sink平臺，在解決了固定Sink部署困難、主干網(wǎng)節(jié)點與感知節(jié)點能耗不均衡、感知區(qū)域之間不連通等問題的同時，保證了數(shù)據(jù)收集時的鏈路質(zhì)量，提高了收集效率。 （3）平臺具有通用性，無需修改傳統(tǒng)網(wǎng)絡通信協(xié)議、數(shù)據(jù)分析等協(xié)議，通用于鄱陽湖環(huán)境監(jiān)測、重污染區(qū)域監(jiān)測、戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測等各種特殊條件下的WSN監(jiān)測領域。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 1、技術特點 （1）無人機技術與WSN技術相結(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題。 （2）提供感知數(shù)據(jù)收集平臺，借助于現(xiàn)有網(wǎng)絡拓撲控制、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)分析等協(xié)議，提高WSN網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收集平臺適用范圍和數(shù)據(jù)收集效率。 2、適用范圍及推廣前景 本產(chǎn)品具有較廣的應用范圍，在災難和環(huán)境監(jiān)測、野生動物習性監(jiān)測，入侵檢測、安全監(jiān)視等方面具有應用優(yōu)勢。
同類課題研究水平概述
- 由于移動Sink模型在WSN數(shù)據(jù)收集領域能較好的延長感知網(wǎng)絡生存期，國內(nèi)外對移動Sink模型及其移動策略進行了大量的研究。 2010年，于海征，建立移動Sink模型，具有多個移動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Sink平臺，該平臺通過分析并利用spotlight-mode SAR采集方式，較好的解決了移動Sink與傳感節(jié)點之間無線信號的衰減與噪聲的影響，采用Raker Receiver收集微弱噪聲干擾的無線通信，獲得較大網(wǎng)絡吞吐量和網(wǎng)絡能量效率等性能。 Ioannis Chatzigiannakis 提出3種移動模式：隨機移動、可預測移動、控制移動。不同的移動模式具有不同的自由度，在不同的應用場景、網(wǎng)絡規(guī)模、監(jiān)測情況對數(shù)據(jù)收集性能影響不同。 Tracy Camp、Jeff Boleng 、Vanessa Davies將個體移動模型歸納為以下7種：隨機行走移動模型；隨機航標移動模型；隨機航向移動模型；無邊界仿真移動模型；高斯-馬爾科夫移動模型；基于概率隨機行走移動模型；城市區(qū)域移動模型。 2008.E.M. Saad等受到蜜蜂覓食啟發(fā)，提出Bees算法，得到Sink移動最優(yōu)路徑。 Ke Tian提出自適應Voronoi圖轄域(AVRP)動態(tài)選擇錨節(jié)點控制Sink移動、 包跟蹤(TRAIL)算法控制Sink移動兩種模型。分別適用于大規(guī)模通信和輕量級通信WSN。 2010. Khodashahi, M. H.等根據(jù)監(jiān)測簇頭節(jié)點之間的能效、優(yōu)化數(shù)據(jù)通信決定Sink節(jié)點的最佳位置，減少整網(wǎng)數(shù)據(jù)采集時間。 2007. S. Basagni等對比控制移動Sink與非控制移動Sink的不同以及它們在網(wǎng)絡性能表現(xiàn)上的差異，發(fā)現(xiàn)MULEs的隨機非控制移動適用于延遲容忍的WSN，能在網(wǎng)絡延遲與網(wǎng)絡生命期得到較好的平衡
