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針對固定Sink無線傳感網(wǎng)絡(luò)在野外生態(tài)、災難監(jiān)測等應(yīng)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(chǔ)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。

鄱陽湖是我國最大的淡水湖。國務(wù)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(shè)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(luò)技術(shù)。
無線傳感網(wǎng)絡(luò)( Wireless Sensor Network, WSN) 綜合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信、分布式信息處理等技術(shù), 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(luò)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(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)點被稱為數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點。在實際應(yīng)用中，一個完整的無線傳感網(wǎng)絡(luò)常常被劃分為多個小的網(wǎng)絡(luò)（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(luò)彼此連接，網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(luò)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(luò)區(qū)，一旦匯聚節(jié)點出現(xiàn)故障或網(wǎng)絡(luò)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(luò)無異于毀滅；再如，無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(luò)必將癱瘓。
基于以上原因，本作品將微型無人機技術(shù)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行融合，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(luò)的鏈路質(zhì)量評估技術(shù)、節(jié)點定位技術(shù)，可實現(xiàn)對環(huán)境感知網(wǎng)絡(luò)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(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(shè)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(shè)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(wù)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(luò)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(shè)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(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)通過移動Sink節(jié)點收集后傳回與終端相連接的網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點與服務(wù)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(yīng)用范圍；減少環(huán)境因素對網(wǎng)絡(luò)部署的制約；降低網(wǎng)絡(luò)維護復雜度，提高網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)。

第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品 二等獎
無