针对固定Sink无线传感网络在野外生态、灾难监测等应用中出现Sink节点部署困难，主干网节点与感知节点能耗不均衡，感知区域之间不连通等问题，本作品在四旋翼飞行器的基础上增加自主飞行控制模块、IEEE802.15.4无线通信模块、后台控制监测模块形成移动Sink数据收集平台。

鄱阳湖是我国最大的淡水湖。国务院于2009年12月12日正式批复《鄱阳湖生态经济区规划》，建设鄱阳湖生态经济区正式上升为国家战略，监测、保护鄱阳湖生态是非常重要的课题之一。目前鄱阳湖的生态监测工作正在尝试使用无线传感网络技术。
无线传感网络( Wireless Sensor Network, WSN) 综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等技术, 可以使人们在任何时间、地点和任何环境下获取大量详实可靠的信息, 从而真正实现“无处不在”的计算理念。无线传感器网络通常是一个由传感器节点（sensor node）、汇聚节点(Sink node)和管理节点（management node）构成的三级网络系统。一般而言,传感器网络的目的为收集与向外界传输数据,在传感器网络中,这种角色节点被称为数据汇聚节点。在实际应用中，一个完整的无线传感网络常常被划分为多个小的网络（子网），各个子网之间由汇聚节点（Sink节点）组成主干网络彼此连接，网络中的监测数据通过Sink节点传回基站或因特网。
固定部署的Sink节点相较于移动Sink存在以下问题：①受到能源、地理条件等因素的制约或者在战争或灾难发生情况下，Sink节点部署较感知节点部署方法困难，出现故障或能量提前耗尽不便于更换；②感知数据无法一跳到达Sink，多跳机制及主干路由的建立带来整网能耗不平衡,产生空洞及Hotspots问题。③网络部署必须考虑通信覆盖，造成感知过冗余覆盖、感知无意义覆盖。这些问题给整个无线传感网络带来严重的危机。例如，固定的Sink节点对部署位置要求苛刻，然而对于鄱阳湖这样的湖泊、湿地环境很难找到合适的部署地点，在湖泊、湿地中人工制造部署环境成本无法控制；又如，无线传感网络被部署在空气受到严重污染的区域用于环境监测，人无法靠近网络区，一旦汇聚节点出现故障或网络受阻，传统的汇聚节点将无法更换，主干网通讯被破坏，整个网络无异于毁灭；再如，无线传感网络的两个子网分别被部署在一座山的两侧，由于通讯信号不可达，两个子网将无法连通。在这些情况下如果没有更好的解决方案，整个网络必将瘫痪。
基于以上原因，本作品将微型无人机技术与无线传感网络技术进行融合，在四旋翼飞行器的基础上增加自主飞行控制模块、IEEE802.15.4无线通信模块以及后台控制监测系统构成移动Sink数据收集平台。该平台具备无人机自主移动能力、远距离无线通信能力、大容量存储能力以及基于GIS的后台监控系统，结合无线传感器网络的链路质量评估技术、节点定位技术，可实现对环境感知网络所采集的监测数据进行有效的全覆盖收集，并在保证对网络收集覆盖的前提下提高收集效率。
本作品主要做了如下几方面研究：
一、设计了小型四旋翼飞行器的自主飞行控制系统，使其具备飞行姿态控制能力。硬件系统包括由陀螺仪传感器、加速度传感器、电子罗盘组成的姿态传感器，GPS定位模块、气压传感器以及超声波传感器，使用基于Arm7的主板控制飞行器飞行；软件系统为自主设计的基于惯性导航的飞行姿态控制算法。
二、为无人机增加Sink模块使其构成移动Sink平台，并设计了移动Sink自主移动收集算法。该算法能够在执行数据收集任务时控制移动Sink飞行轨迹，还能够使移动Sink自主调整收集悬停点的位置。根据该算法，移动Sink在接收到目标网络的GPS信息后自主进行航迹规划，并能够在数据收集过程中发现链路质量较差时自动调整悬停收集点，保证通信链路质量。
三、改进了WSN的拓扑结构和数据传输方式，采用航迹优先自组织成簇策略及“融合—存储—转发”方式，使其适用于移动Sink数据收集。
四、设计了用于环境数据监测的后台软件。该软件具有服务器端和客户端两部分组成的C/S结构。感知网络中的数据通过移动Sink节点收集后传回与终端相连接的网关节点，网关节点与服务器相连，进行数据交换。本后台软件通过簇头节点的GPS信息定位后，将传感器数据显示到客户端。该软件采用实时的GIS地理位置信息系统，并且以图形化的方式显示传感器数据信息。
本作品的研究作为WSN解决恶劣环境下数据收集的通用平台，将极大的拓展WSN的应用范围；减少环境因素对网络部署的制约；降低网络维护复杂度，提高网络能量效率和剩余能量平衡。是实现感知数据收集调度策略的研究基础。

第十二届“挑战杯”作品 二等奖
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