PAMA_530计划书

第一部分概述一、创业项目概述创业项目概述（500字之内）：对项目总体情况的描述，包括采用的关键技术、技术的创新点、权威部门的技术鉴定情况、环保评价等内容。本项目建议书提出的方案是以伪随机预约机制多址协议——PAMA（Pseudo-randomAppointment-basedMultipleAccess）为原理，开发自组（Ad-Hoc）无线传感器网络，通过对温度、湿度、可燃物湿度、以及火焰特征光谱等指标的长期监测，实现对森林火灾的预防和早期发现，将成为现有森林防火措施的有力补充，同时也填补了国际上使用无线传感器网络进行大规模森林防火监测应用的空白。PAMA是一种MAC层的网络通信协议，是以2003年美国北亚利桑那大学的PaulG.Flikkema教授提出的一种专门针对无线传感器网络设计的网络通信协议[1]为基础，经过长期实践不断完善和改进后总结得出的。相比于其他的无线传感器网络协议来说，其主要特点是大大降低了系统能耗，延长了电池寿命，同时具有良好的可扩展性和自发性，从而使得大规模布置无线传感器网络成为现实。在美国国家科学基金会（NSF）的资助下，该项技术被应用于北加州红木森林、北卡罗莱纳州杜克大学实验林的环境监控，北亚利桑那州的森林防火监控以及科罗拉多河水位监控等多种应用。PAMA的基本原理就是PAMA网络的节点（终端）都只与当地节点通信，形成一个个小组，数据经过多跳中继最终传输到基站。网络时间被分割成为固定的帧和槽。每组即每对网络节点之间都有一个独特的伪随机种子，这样每对网络节点可以根据实际需求在未来一个固定时间段内随机计划下一次通信的信号频率以及发生的时间帧和时间槽，即计划一次预约，并且只有这对节点知道预约的具体时间和信号频率，其他的节点无法得知预约内容，既保证了小组内各节点间的通信能够达到同步，又使得不同小组之间的预约互相独立。这样在下一次约会时间到来之前可以保持深度休眠的状态，在减少了能耗的同时也大大降低了网络传输冲突带来的不必要的损耗。各节点之间的时间同步在每次通信后即可得到矫正，这也避免了使用高成本的稳定晶振作为时间基准，大大降低了终端产品的成本。相比于无线传感器网络常用的ZigBee/IEEE802.15.4和蓝牙等通信协议，PAMA的优点主要体现在以下几个方面。1、能耗低同时能量利用效率高——大大提高了电池的使用寿命2、自发性和可扩展性强——使得网络的安装和维护更加方便3、安全性高——保证了数据的私密性和安全度二、创业机会概述创业机会概述（300字之内）：要从项目产品的先进性及应用发展前景、进入市场机会（如：市场现实需求处于萌芽、起步、成长、成熟、饱和、衰退阶段）及市场发展空间、团队实施项目的现有能力和发展潜力等方面描述创业机会。森林防火的重要性和紧迫性毋庸置疑，现有的几种常用的森林防火的措施主要包括地面巡护、了望台监测、航空巡护观测、卫星遥感监测等，它们都有着各自的不足，难以实现对森林火灾的全面预防和控制。这种情况下，无线传感器网络在森林防火中的应用可以很好的作为现有其他方式的补充，对森林火灾的预防工作起到指导作用。无线传感器网络通过在森林中以一定的密度布置各种传感器，用来测量如温度、湿度、光强、可燃物湿度等指标，可以很好的掌握整个森林的环境情况，从而找出火灾高危地段，通过加强对该地段的地面巡护和了望台监测，可以很好的起到预防作用和火灾的早期发现。目前国内外对于无线传感器网络在森林防火中的应用都处于试点阶段，一些关键技术都需要在实践中得到进一步的完善和发展，例如节能技术、网络容量、拓扑结构的可扩展性和路由算法等，尽早进行试点试验对于实现未来全面应用的意义重大，也有助于我国在这个领域取得国际领先的地位。本项目的实施可以实现对国际上使用无线传感器网络进行大规模森林防火监测应用的空白的填补。根据第六次森林资源清查（1999–2003年）的结果，我国的森林面积为1.75亿公顷，如果在10年内将所有的森林都使用无线传感器网络进行监测，按照每年每公顷的监测成本为10元人民币计算，10年的市场总额将达到175亿元人民币，市场容量巨大，而且具有可持续发展性。另外本项目的应用不仅仅限于森林防火，还可以在煤矿安全、水质监测、环境监测、智能电网、边防安全等多个领域有着广泛的应用，项目的外延广阔，可以不断的发现并拓展新的市场，可持续发展性很高。第二部分创业团队一、申报人申报人介绍（300字之内）：介绍申报人的创新意识、开拓能力、经营理念以及在科技、经济、管理领域取得的主要业绩。项目的申报人是杨子江。杨子江于2004年从美国北亚利桑那大学毕业并获得电子工程硕士学位，是美国国家科学基金（theNationalScienceFoundation）资助的无线传感器网络项目（基金号码BDEI-0131691和EF-0308498）的三个核心设计人之一，参与并领导了从网络协议的制定到最终产品的设计、研发与生产以及网络的现场安装和维护的全部过程，对无线传感器网络有着丰富的经验和深刻的理解。并在第二次传感器网络国际会议（the2ndInternationalWorkshoponNetworkedSensingSystems(INSS2005)inSanDiego,June2005）以第一作者身份发表并演讲学术论文“WiSARDNET:ASYSTEMSOLUTIONFORHIGHPERFORMANCEINSITUENVIRONMENTALMONITORING”[2]，在美国同行业内有着丰富的资源和人际关系网。他在团队中主要负责技术方案的设计与实施，以及公司的日常管理等工作。二、创业团队其他成员团队其他成员介绍（1000字之内）：核心团队包括拟任总经理、分管技术、市场、财务等方面的副总经理和同类职务的人员，介绍每一成员的受教育背景、能力与专长、工作业绩等。三、团队创业能力开发能力（200字之内）：介绍团队的研发队伍和资金投入以及项目已取得的研究开发成果。本项目在美国国家科学基金提供的150万美元的资助下（基金号码BDEI-0131691和EF-0308498）已经完成了实验室原型设计和小规模中试阶段，并取得了满意的结果通过了美国国家科学基金的验收。2003年第一代网络节点设计完成后在北加州的红木森林建立了第一个试点网络，2005年第二代网络节点设计完成并在北卡罗来纳州的杜克森林建立了第二个试点网络。其中杜克森林的网络一直到现在都保持良好的运行，并经过不断补充新的节点，自动加入现有网络，网络规模已经扩展到了近60个节点。下一步的计划是在已经取得的成果上对网络节点进一步优化，在无线信号传输距离、节能性、传感器接口设计以及降低成本等方面做出突破。图1.红木森林试点网络PAR传感器网络节点热电偶架图2.杜克森林试点网络营销能力（200字之内）：介绍团队的经营模式和市场策划能力、销售渠道等。我们的经营模式是首先与某个林业部门或林场合作，由林业部门提供场地，由我们负责资金与人力建立一个试点网络，覆盖1500到3000公顷的森林。验收合格后作为样本，在林业系统中大力推广，同时兼顾国际市场，尤其是在美国、澳大利亚等深受森林火灾危害的地区。我们还将提供一个通用的开发平台和标准的PAMA协议栈，有设计能力的客户可以在这个基础上自行设计需要的产品，也可以作为学校教学演示项目的开发平台。在条件成熟时免费向高校提供通用开发平台和标准的PAMA协议栈作为实验课设备，这有利于PAMA协议的推广和普及。标准PAMA协议栈在经过实践的检验，得到适当的补充和完善后还可以申请作为物联网相关的行业标准。在森林防火系统的市场逐渐成熟后，我们将扩大产品的应用范围，如煤矿瓦斯浓度安全监测、太湖水质和蓝绿藻监测、智能电表水表城市网络以及边防安全监测等多个市场领域。融资能力（200字之内）：介绍团队的融资策划能力、融资渠道等。其他特殊能力（100字之内）：介绍创业项目已获得的特殊资格认证或证明等。美国专利正在申请中。四、拟办（已创办）企业企业名称创办企业拟办企业□已办企业已办企业注册时间企业注册地申报人担任企业法定代表人是否团队人数博士硕士本科企业性质内资外资□中外合资注册资本万元股东构成内容货币无形资产有形资产股权比例出资作价作价申报人团队其他成员风险投资其他资金合计申报人不担任或未担任企业法定代表人的相关说明：说明申报人不担任或未担任企业法定代表人的原因，介绍拟任企业法人代表的身份信息以及与其关系。第三部分项目技术与产品（服务）实现第一章项目技术方案一、项目总体技术概述（一）总体技术方案项目所依据的技术原理（1000字之内）：无线传感器网络是多跳自组网络的一种，其节点（即终端设备）通常采用电池供电，能源有限，这就决定了无线传感器网络的设计以节能作为首要的目标，这也是其与传统网络的最大区别。传统网络的MAC层协议为实现提高吞吐量、减小延时和提高带宽效率等目标做了大量的优化，但是几乎没有考虑过节能的性能。无线传感器网络经常会为了实现节能的目标而牺牲部分网络性能，如吞吐量和延时等。无线传感器网络的MAC层协议的设计通常应该满足以下一些要求：低能耗高能量利用率兼顾网络性能，提供足够的网络延时和吞吐量网络大小可扩展可以实现基于能耗的智能路由对网络节点的故障和网络拓扑结构的变化具有鲁棒性可以适应不同的PHY层特点充分利用时间、频率、角度等的多样性对PHY层的干扰具有鲁棒性对节点资源的利用可以扩展无线传感器网络MAC层协议的一个常用分类根据是对信道的分配方式，可分为：随机竞争方式：节点在发送数据时通过竞争的方式取得对信道的使用权，如CSMA、CSMA/CA、S-MAC等协议；固定分配方式：给每个节点分配固定的无线信道，互不干扰，如TDMA协议；结合了固定分配和随机竞争方式的MAC协议，如我们的PAMA协议。目前在无线传感器网络中逐渐成为主流的ZigBee/IEEE802.15.4协议主要采用的就是CSMA/CA作为MAC层协议。其工作原理简单说来就是节点在发送数据之前先进行信道监听，如果信道空闲则开始发送数据，否则就要延时一段随机时间后再次进行信道监听。可以想见在网络拥挤时信号冲突和空闲侦听会带来较大的浪费，降低了对能量的利用率。伪随机预约机制多址协议——PAMA（Pseudo-randomAppointment-basedMultipleAccess）是一种针对无线传感器网络的MAC层协议。该协议结合了对信道的固定分配和随机竞争方式，很好的平衡了对信道分配的事先计划和临时反应，在最大限度的避免了冲突的同时又保持了优秀的网络可扩展性和对拓扑结构变化的鲁棒性。PAMA的基本原理就是PAMA网络的节点都只与当地节点通信，形成一个个小组，数据经过多跳中继最终传输到基站。网络时间被分割成为固定的帧和槽。每组即每对网络节点之间都有一个独特的伪随机种子，这样每对网络节点可以根据实际需求在未来一个固定时间段内随机计划下一次通信的信号频率以及发生的时间帧和时间槽，即计划一次预约。并且只有这对节点知道预约的具体时间和信号频率，其他的节点无法得知预约内容，既保证了小组内各节点间的通信能够达到同步，又使得不同小组之间的预约互相独立。这样在下一次约会时间到来之前可以保持深度休眠的状态，在减少了能耗的同时也大大降低了网络传输冲突带来的不必要的损耗。各节点之间的网络时间同步在每次通信后即可得到矫正，这也解决了采用固定方式分配的协议如TDMA中实现网络时间同步的问题。主要技术与性能指标（500字之内）：测量无线传感器网络最主要的一个性能指标就是能耗。在简化模型下，PAMA网络的节点主要有两个工作状态：深度休眠和无线通信。其中深度休眠的功耗用Pi来指代，无线通信的功耗用Pr来指代。假设平均通信周期为T，每次通信的时间为Tr，则PAMA网络节点的平均功率为TTPPrri，不考虑网络冲突导致的重发。ZigBee网络节点由于空闲监听需要一直打开无线接收机，其平均功率就是Pr。如果Pi=1μW，Pr=10mW，T=120sec，Tr=1sec，则PAMA网络节点的平均功率约为84.3μW，仅仅是ZigBee