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　　具有感知能力、計算能力和通信能力的無線傳感器網絡（WSN, wireless sensor networks）綜合了傳感器技術、嵌人式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，能夠協作地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，并對這些信息進行處理，獲得詳盡而準確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。

　　由于WSN的巨大應用價值，它已經引起了世界許多國家的軍事部門、工業界和學術界的廣泛關注，被廣泛地應用于軍事，工業過程控制、國家安全、環境監測等領域。

　　美國國防部和各軍事部門都對WSN給予了高度重視，在C4ISR的基礎上提出了C4KISR計劃，強調戰場情報的感知能力、信息的綜合能力和信息的利用能力，把WSN作為一個重要研究領域，設立了一系列的，軍事傳感器網絡研究項目，如美國陸軍2001年提出了“靈巧傳感器網絡通信”計劃，已被批準為2001財政年度的一項科學技術研究計劃，并在2001～2005財政年度期間實施；美國海軍最近開展的網狀傳感器系統（CEC，cooperative engagement capability），即使是今天最先進的反艦巡航導彈也會被實時地監測到并被擊中。在民用領域，2002年，Intel公司發布了“基于WSN的新型計算發展規劃”。Intel將致力于WSN在預防醫學、環境監測、森林滅火乃至海底板塊調查、行星探查等領域的應用。

　　美國自然科學基金委員會（NSF）2003年制定了WSN的研究計劃，投資3400萬美元，支持相關基礎理論的研究。在NSF的推動下，美國的加州大學伯克利分校、麻省理工學院、洛克維爾研究中心、加州大學洛杉磯分校等機構開始了WSN的基礎理論和關鍵技術的研究。英國、日本、意大利等國家的一些大學和研究機構也紛紛開展了該領域的研究工作。學術界的研究主要集中在傳感器網絡技術和通信協議的研究上，也開展了一些感知數據查詢處理技術的研究，取得了一些初步研究結果。

　　國內研究機構如中科院、清華大學、國防科技大學、電子科技大學、哈爾濱工業大學以及浙江大學等學術團體對WSN進行了跟蹤研究。中國下一代互聯網示范工程（CNGI）2006年研究開發、產業化及應用試驗項目中就包含了無線傳感器網絡節點的研究項目。

　　毋庸置疑，跟蹤國外WSN技術的發展，并做出開創性的研究工作，對我國國防現代化的發展具有重要的意義。

　　1 WSN的定義和特點

　　無線傳感器網絡操作系統Tiny0S141的研制者，Jason Hill博士把WSN定義為：

　　Sensing＋CPU＋Radio＝Thousands of potential application

　　哈爾濱工業大學的李建中教授將WSN定義為：WSN是由一組傳感器節點以自組織的方式構成的有線或無線網絡，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并發布給觀察者。如圖1所示，從硬件上看，WSN節點主要由數據采集單元、數據處理單元、無線數據收發單元以及小型電池單元組成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特點；從軟件上看，它借助于節點中內置傳感器有效探測所處區域的溫度、濕度、光強度、壓力等環境參數以及待測對象的電壓、電流等物理參數，并通過無線網絡將探測信息傳送到數據匯聚中心進行處理、分析和轉發。

　　WSN與傳統傳感器和測控系統相比具有明顯的優勢。它采用點對點或點對多點的無線連接，大大減少了電纜成本，在傳感器節點端即合并了模擬信號／數字信號轉換、數字信號處理和網絡通信功能，節點具有自檢功能，系統性能與可靠性明顯提升而成本明顯縮減。

　　WSN具有以下特點：

　　①硬件資源有限。WSN節點采用嵌入式處理器和存儲器，計算能力和存儲能力十分有限。所以，需要解決如何在有限計算能力的條件下進行協作分布式信息處理的難題。

　　②電源容量有限。WSN節點通過自身攜帶的電他來提供電源，當電池的能量耗盡，往往被廢棄，甚至造成網絡的中斷。所以，任何WSN技術和協議的研究都要以節能為前提。

　　③無中心。WSN沒有嚴格的控制中心，所有節點地位平等，是一個對等式網絡。節點可以隨時加入或離開網絡，任何節點的故障不會影響整個網絡的運行，具有很強的抗毀性。

　　④自組織。網絡的布設和展開無需依賴于任何預設的網絡設施，節點通過分層協議和分布式算法協調各自的行為，節點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網絡。

　　⑤多跳（Multi-hop）路由。WSN節點通信能力有限，覆蓋范圍只有幾十到幾百米，節點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節點進行通信，則需要通過中間節點進行路由。WSN中的多跳路由是由普通網絡節點完成的。

　　⑥動態拓撲。WSN是一個動態的網絡，節點可以隨處移動；一個節點可能會因為電池能量耗盡或其他故障，退出網絡運行；也可能由于工作的需要而被添加到網絡中。這些都會使網絡的拓撲結構隨時發生變化，因此網絡應該具有動態拓撲組織功能。

　　⑦節點數量眾多，分布密集。WSN節點數量大、分布范圍廣，難于維護甚至不可維護。所以，需要解決如何提高傳感器網絡的軟、硬件健壯性和容錯性。

　　2 風洞測控WSN的主要關鍵技術

　　針對WSN的特點和在風洞測控中應用需求，WSN研究領域還有很多具有開創性和挑戰性的難題需要解決，主要包括以下的研究內容。

　　2.1 WSN節能技術

　　能源是WSN最重要的資源，如何有效地節約能源是WSN必須考慮的關鍵技術。WSN節點工作時按功率消耗由小到大的順序有4種模式：睡眠模式（sleep）、空閑模式（idle）、接收模式（receive）以及發送模式（transmit），有效地進入睡眠模式與空閑模式以及減少數據的發送量將大大地節約能源。采用合理的路由算法與信道接入方式也是節能的關鍵。

　　2.2 WSN節點微型化技術

　　WSN節點微型化技術在現階段還集中在硬件電路的設計上，通過采用體積小、功耗低的芯片與器件和采用模塊化的設計與分層布線的方法會使體積盡量減小，然而隨著MEMS（微電子機械系統）技術的日趨成熟，在不久的將來，WSN節點體積將會越來越小。

　　2.3 WSN組網技術

　　WSN其本質是基于Ad hoc技術的自組織網絡，在WSN的布設區域（比如野外的高壓儲氣罐群）沒有網絡基礎設施，必須通過WSN節點的自組織來形成一個無線的傳輸網絡環境，并通過相關數據的匯聚和融合，從而把相應的測試對象的參數傳遞到監控中心。傳統無線網絡的首要目標是提供高的服務質量和高效利用網絡帶寬，其次才考慮節約能量，而WSN的首要目標是高效使用能量，延長網絡系統的生存期。因此，已有網絡路由協議不能用于WSN。所以，必須設計和研究新的面向數據的低功耗、自組織的信息傳輸路徑的建立機制和網絡管理方案，并且滿足如下的技術要求：

　　①高效性：節點采集的數據要經過Multi-hop才能到達Sink節點進行匯聚，所以，要求網絡路由／組網協議必須是高效的，簡單易實現，與數據融合技術相結合，減少傳輸和計算開銷，使用盡量少的能量，以滿足WSN的能量約束和時間約束。

　　②魯棒性：WSN在實驗流體力學中應用時，必須適應野外環境中WSN節點容易失效以及風洞環境中由于電磁干擾等因素造成無線信道不穩定性的特點，建立穩健、冗余的路由通道，避免因個別節點的失效或無線信道的突然中斷，而造成感知盲區。

　　③擴展性：WSN節點的數目經常變化，可以是幾百甚至幾千，路由／組網協議和傳感器網絡管理系統必須能夠適應WSN拓撲結構變化的特點。

　　④收斂性：即WSN路由／組網和網絡管理方案既要能覆蓋所有的網絡節點，同時要能迅速形成全網的穩定的拓撲結構。

　　2.4 WSN數據匯聚技術

　　在WSN的風洞測控應用環境中，WSN節點需要采集溫度、濕度、光、壓力等多種環境參數，單個節點往往不能完成對環境目標的側量和識別，單一傳感器獲得的僅是風洞環境特征的局部、片面的信息，它的信息量是非常有限的。而且每個WSN節點還受到自身品質、性能及風洞噪聲的影響，采集到的信息往往是不完善的，帶有較大的不確定性，甚至是錯誤的。這就需要研究和開發一定的算法，使具有一定屬性的多個WSN節點采用通過交換信息，對所獲得的數據進行了加工、匯總和過濾，以事件的形式得到最終結果，這就是WSN數據的匯聚。多傳感器數據融合是一個多學科交叉的新技術，對信息融合方法的基本要求是具有魯棒性和并行處理能力。一般情況下，基于非線性的數學方法，如果它具有容錯性、自適應性、聯想記憶和并行處理能力，則都可以用來作為融合方法，目前常用的數據融合方法基本上可概括為隨機和人工智能兩大類，隨機類方法有加權平均法、卡爾曼濾波法、多貝葉斯估計法、D-S證據推理等；而人工智能類則有模糊邏輯、神經網絡等。

　　3 WSN在風洞測控中的應用

　　在風洞測控這個特定的場景下，需要對、一些關鍵部件和設備的技術參數進行監測與跟蹤，以監控設備的運行情況，合理調度設備運行，預報關鍵部件的失效概率，制定關鍵部件的維護或更換計劃，并避免出現大的系統故障或風洞長期的停轉，降低工作強度和人為誤差發生概率，提高風洞試驗效率，保障風洞安全運行。在不便于安裝有線傳感器的情況下，均可考慮無線傳感器網絡。WSN的具體應用需求包括：

　　①旋轉機構的監測：包括軸流風扇、攻角機構、滾珠絲桿等旋轉機構振動特性的監測與跟蹤，以及模型姿態檢測與跟蹤等。

　　②氣源系統監測：包括監測位于野外的高／中壓儲氣罐群、高／中壓壓縮機組、吸附干燥站、冷卻循環水系統等，具體監測溫度、壓力、有毒氣體濃度等參數。

　　③風洞運行監測：對風洞運行狀態進行監測，包括試驗時的壓力狀態、引射器的位置狀態、試驗段的溫度狀態、風洞安全聯鎖狀態等，具體監測溫度、壓力、位置、電流、電壓等物理參數。

　　④其他沒有基礎網絡設施，而有線傳感器系統安裝又不方便或不安全的應用環境。

　　3.1 WSN應用系統的體系結構

　　根據風洞測控的布設區域結構復雜、待測參數數量多、范圍廣等實際需求，采用分層的WSN網絡拓撲結構，如圖2所示。

　　在圖2所示的分層WSN中，具有某種關聯的網絡節點組成簇（cluster）。在一個簇內，通常有一個按一定規則選舉產生的、被稱為簇首（也稱為匯點Sink）的節點。普通節點將采集并壓縮的監測數據傳到Sink節點；然后由Sink節點和網關節點（Gateway）通過多跳中繼（Multi-hop）方式完成多個WSN節點數據的匯集并傳發；最后在監控服務器（Control Center）將整個監測區域內的數據進行集中處理。

　　3.2 WSN系統的實現

　　WSN的性能很大程度上依賴于WSN節點的特性。圖3顯示的是一種商業化的WSN節點o Mica2dot節點采用4 MHz的Atmel ATmega 128L微處理器，具有868/916 MHz多通道射頻收發器，512 KB的片上存儲，并集成多種傳感器，直徑僅為25mm。基于TinyOS操作系統來完成節點數據采集、數據處理和通信。

　　TinyOS作為一個面向WSN應用的操作系統，能夠利用有限的資源來進行高效率、低能耗的并行操作，程序核心很小，能夠有效地運行在WSN上并執行相應的管理工作，自動發現和組成網絡，提供可重用的組件，并幾能提供簡單的調度機制。

　　TinyOS定義一系列非常簡單的組件（component）模型，具有高度的模塊化特征。每個組件都完成一個特定的任務，整個操作系統基本上就是由一系列的組件模型組成。當系統要完成某個任務時，就會調用事件調度器，事件調度器再有順序地調用各種組件，從而高效、有序地完成各種功能。工作在該操作系統上的應用程序基于事件（event）驅動模式，采用事件觸發去喚醒傳感器工作。TinyOS采用類似C的結構化編程語言NESC編寫應用程序。

　　3.3 初步結果分析

　　在1.2mx1.2m風洞進行了WSN風洞監測應用的初步嘗試，實現了WSN的拓撲結構管理（見圖4），并開發研制了1.2mx1.2m風洞WSN無線傳感器網絡測量系統（見圖5），實現了對風洞試驗段內溫度的測量。

　　圖4中，節點0作為基站，節點1、節點2為測量節點分別部署在風洞試驗段和超擴段。節點1、節點2上的采集系統完成本地溫度參數的采集，節點3為中繼節點，節點1、節點2的溫度測量數據按照多跳路由（Multi-hop routing）的方式，經過節點3的中繼，最終匯集到節點0，并由基站完成測量數據的匯聚融合和結果顯示。從圖5中可以觀察到在1.2m×1.2 m風洞試驗過程中風洞試驗段溫度的變化。這樣采用WSN的溫度測量數據，就能對流體力學風洞試驗的測量結果進行有效的修正。

　　4 結束語

　　無線傳感器網絡（WSN）被認為是影響人類未來生活的重要技術之一，這一新興技術為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。由于WSN本身的特點，使得它與現有的傳統網絡技術之間存在較大的區別，給人們提出了很多新的挑戰。由于WSN對國家和社會意義重大，國內外對于WSN的研究正熱烈開展，希望本研究能夠引起測控領域對這一新興技術的重視，推動對這一具有國家戰略意義的新技術的研究、應用和發展。(end)