目的:生物恐怖活动、生物战剂攻击具有危害程度大、影响范围广等特点,能够对国家安全、社会稳定、人民生活造成巨大影响,同时还严重威胁到军队安全及战争局势。如何应对、防范生物恐怖,并对生物恐怖袭击、生物战剂攻击进行有效的监测和预警,是21世纪以来世界各国广泛研究的问题。生物战剂通常以液滴或粉末状态使用,以生物战剂气溶胶的形式在空气中传播,具有释放难度低、危害效率高、杀伤范围广的特点;同时,由于生物战剂气溶胶无色无味、颗粒极小,很难被人体感官或普通侦检仪器侦察和发现,这极大的增加了检测和预警的难度。因此,在发生生物恐怖袭击或面临生物战剂威胁时,早期的快速识别、鉴定处置能够极大降低人员伤亡及生物战剂的传播;生物气溶胶检测技术对国家和军队都具有十分重要的战略意义。长期以来,国内外检测生物战剂气溶胶所采用的培养、计数与免疫学、基因学相结合的方法,虽然能够进行定性定量分析,具有稳定、可靠等优点,但检验周期较长,需要比较复杂的人力劳动,在生物战剂现场实时检测方面受到很大限制。随着光学技术、电子技术的快速发展,生物气溶胶检测技术的水平也极大提高,通过激光诱导击穿光谱法、激光诱导荧光光谱法等一系列技术,能够分析生物气溶胶的生物特性,实现快速实时检测功能。目前的生物气溶胶检测技术,已具有检测速度快、灵敏度高、经济成本低等优点,在此基础上研制的检测装置和检测设备,也已在军事、民用等多个领域投入实际使用。但是,以单台设备的形式对生物气溶胶进行检测,由于单台控制范围有限,在大型监测应用中效率较低。当需要多台设备同时运行以实现对大范围区域的连续监测时,各台设备需要统一调度、集中运行,才能得到有意义的监测结果;为了降低运行管理成本,还应当避免对每台设备均单独操作控制,以实现对突发性危害事件进行快速有效的预警。因此,生物气溶胶监测中需要一种网络化集中管理、智能化信息处理的技术,以实现多台检测设备的联合运行、协作感知、数据分享、快速报警。综上所述,在生物气溶胶的大范围现场实时监测中,需要一种高精度、低功耗、快速预警的智能化监测系统,同时该网络系统还应具有多跳通信、自组织网络等特点,内部所有节点能够以相互协作的方式,对网络覆盖区域进行信息感知和数据采集,并将信息和数据发送给观察人员。方法与内容:本课题基于集群式监测技术和无线传感器网络技术,以生物气溶胶现场实时检测和大范围监测为应用背景,按照网络层次的结构,逐层分模块对无线传感器网络的相关协议和特定算法进行了探索和研究,按照网络架构由底层到高层的顺序,分五个阶段对关键技术开展了详细研究,最终实现集群式生物气溶胶监测无线传感器网络的所有系统功能,主要包括:(1)网络构建及路由算法的研究:针对以生物气溶胶监测为应用的无线传感器网络,提出一种长路径连通聚集群的非均匀拓扑结构,该拓扑结构能够较好描述实际应用的网络形式。通过对该网络结构中传感器节点分布不均衡、热点区域节点能量消耗过快从而造成节点孤立等问题进行分析和讨论,提出一种群间路径连通、群内分段混合多跳的路由算法,将网络划分为聚集群和长路径两种类型,每种类型内同时采用平面多跳路由与分簇多跳路由。通过详细的数学分析,模拟出能量消耗模型,对最佳分段位置的选取进行判定,并对算法从多方面进行优化。在计算机仿真软件中进行性能模拟实验,实验结果证明,本算法相比于其它传统算法在网络连通性、能量消耗、节点生存时间等方面的性能得到显著提高。(2)复杂监测网络中的MAC协议研究:无线传感器网络构建拓扑网络后,通过路由路径实现大量采集数据的传输,由于无线传感器网络的运行环境是具有复杂背景的实际环境,若没有传输控制层的相关控制和调度,即使路由层性能较高,也无法形成有效的网络系统。为了有效应对网络运行时能量消耗、通信数据量的频繁变化,减轻背景环境中无处不在的无线干扰及无线阻塞攻击对网络造成的严重影响,避免极端情况下系统出现彻底瘫痪,针对集群式生物气溶胶监测的具体要求,提出一种多信道动态预测的节能MAC协议,通过接收节点发起的自适应多信道汇合及唤醒预测机制,提高无线信道的利用率和传输效率。运行过程中,每个节点都动态优化所利用的无线信道并进行选择,有效限制无线干扰和阻塞攻击,同时该优化基于节点感知的信道状况进行,不需使用控制信道。计算机仿真实验证明,与其它协议相比,本协议在各方面均具有较高性能。(3)网络数据的压缩感知和故障检测研究:无线传感器网络在进行集群式监测过程中,会产生数据量巨大的采集信息,为了降低其中的重复信息、数据控制指令信息、冗余信息,本课题在数据处理过程中对数据进行了相关优化,在多跳无线网络中利用压缩感知,将路由与汇聚相结合,通过数据压缩减少网络通信量并降低系统能量消耗。另一方面,针对无线传感器网络中的传感器节点故障检测问题,提出一种基于支持向量机及自适应遗传算法的故障检测方法,将传感器节点的实际输出值与标准输出值之间的输出残差作为诊断参数,再利用相关特征值及相应的故障训练分类器构建故障诊断模型,从而实现大规模传感器网络的高效率、智能化动态故障检测。仿真结果证明了压缩感知和故障检测的高效性能,不仅能够有效减少网络中的通信数据量、明显降低无线传感器网络的能量效耗,同时还对各种传感器节点的故障状态具有较强的诊断能力。(4)集群式无线传感器网络监测系统的硬件及软件设计:本课题研究的无线传感器网络,用于集群式生物气溶胶监测,根据功能和用途的不同,分别对系统中的传感器节点、中继及汇聚节点、监控终端节点进行设计。同时,在传感器节点中,实现供电模块、处理器模块、通信模块及数据采集模块的各自功能,在监控终端实现人机交互、数据库管理的相关功能。按照层次划分的流程步骤,采用模块封装的设计思想,每种模块均在内部实现各种功能,对外仅保留较少的关键接口,将每种功能节点的不同部分单独设计并实现后,再统一结合成为系统整体。整体设计过程包括硬件设计、软件设计、结构设计等。(5)性能测试及实验论证:为验证本课题研究中各网络层协议及算法性能,并实际检测系统的整体性能,利用已设计出的传感器节点、汇聚节点、监控终端等传感器网络组成部分,以及网络分析仪、计算机终端等设备,共同搭建无线传感器网络系统及其检测平台。在多个层面对网络性能进行详细检测,并对实验中的相关结果进行分析和讨论,主要包括基本通信性能实验、组网性能及路由性能实验、MAC协议性能测试以及集群式无线传感器网络监测系统的整体运行实验。结果:为了验证集群式生物气溶胶监测无线传感器网络的自组网性能、数据传输性能、能量高效性能,本课题针对计算机仿真模型和实验平台搭建的实际网络系统进行了一系列实验验证。(1)计算机仿真实验:对路由算法的仿真实验中,本课题提出的协议和算法,在成功构建网络拓扑结构的基础上,不仅在能量消耗、网络连通性方面明显提高,延长了无线传感器网络中节点的生存时间,同时还有效减少了节点孤立问题,避免了网络中热点区域带来的影响。通过不同MAC协议之间的性能比较实验,本课题使用的MAC协议方法,能够达到100%的数据传输率,同时工作周期占空比、数据传输延迟均相对较低。课题中还对基于动态更新贪婪算法的混合压缩感知、基于支持向量机和自适应遗传算法的故障检测进行了计算机仿真,不仅证明了这些方法的高效性,同时还证明了在能量效率方面的巨大提高。(2)实际网络系统性能实验:按照课题要求设计出网络系统中的各个组成部分,搭建实际监测网络系统,多项性能实验的结果均与仿真实验相同。通信性能实验对无线射频模块的通信能力进行了测试,确定集群式监测网络的物理层功能;网络构建和路由性能实验在仿真结果基础上,实际检测了无线传感器网络的自组网能力和通信数据通过路由传输的能力;MAC协议实验不仅证明本课题提出的方法相比于其它MAC协议的基本性能优势,还通过无线干扰、阻塞攻击等测试,充分证明该方法对复杂环境的鲁棒性;最后通过网络整体实验,验证了集群式无线传感器网络在生物气溶胶监测方面的稳定性能。综上所述,计算机仿真实验和实际网络系统性能实验均表明,本课题在各个网络层所提出的方法或技术,均能够充分适用于具体需求,相比于其它方法具有较大优势;同时网络整体在多方面的系统性能均稳定可靠,能够以较高效率实现集群式监测功能。结论:在生物气溶胶现场实时检测及生物恐怖预警方面,本课题的集群式无线传感器监测网络能够在多种复杂情况下完成可靠的采集、分析、无线传输等监测任务,相比于传统的单台检测设备,在检测范围、协同工作、预警速度、能量效率方面有了巨大提高;同时,本课题在各个网络层都针对生物气溶胶检测的具体需求进行详细研究和设计,考虑到使用环境复杂、影响因素偏多等特点,对各网络层的协议、算法都进行了一定优化。无线传感器网络技术为大范围复杂区域的生物气溶胶检测和监控提供了智能化、信息化的解决方案,在服务器数据库的支持下,还可通过数据挖掘、模式识别等系统对传感器网络的大数据进行深入分析、处理和评估。集群式生物气溶胶监测无线传感器网络,在发生生物恐怖突发事件和生物战剂攻击时,能够有效进行现场检测、快速评估和危害预警,不仅对国家安全、社会稳定具有重要意义,在保障部队安全、监控战场环境方面也发挥重要作用。