无线传感器网络十篇

无线传感器网络篇1

【关键词】无线传感器网络;特点;应用

0.引言

随着传感器技术、微电子技术、嵌入式计算技术和通信技术等几种技术的融合和汇聚，具有感知信息、数据处理、存储和通信能力的微型传感器被应用于国防军事、工业生产、环境监测等多个领域。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks ,WSN)是由一组稠密布置的微型传感器组成的无线自组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域内感知对象的信息，并给观察者。相对于有线传感器网络而言，无线传感器网络具有成本低、应用灵活、部署快速等优点，具有很大的应用空间。无线传感器网络已在军事、安全、环境、工业、交通、健康和家居等领域，有着广泛的应用。

1.无线传感器网络的体系结构及特点

1.1无线传感器网络的结构

无线传感器网络由大量集传感与驱动控制、计算存储、通信于一体的的嵌入式传感器节点构成。这些传感器节点通常包括传感器节点、网络协调器节点和应用管理器节点。应用时，传感器节点分布在不同的角落，采集节点周边的温度、湿度、光强度、噪声、压力、速度等物理信息，各传感器节点将采集到的信息发送给特定的对象。图1为无线传感器网络的结构。

图1 无线传感器网络结构

传感器节点具有信息采集和处理的能力，是由传感器模块、数据处理模块和无线通信模块组成的微系统。传感器模块负责采集外界环境的物理信息并将物理信号转换为数字信号；数据处理模块对数字信号进行编码等处理；无线通信模块负责将信息传送到网络中。传感器节点实质是以自组织的形式构成无线网络。网络协调器节点具有信息处理能力和网络管理能力，实现传感器节点与应用管理器节点之间信息的交换。应用管理器节点是用户于传感器网络的接口。用户通过应用管理器节点实现处理无线传感器网络采集到的信息和向无线传感器网络应用指令的交互。

1.2无线传感器的特点

无线传感器网络能够得到广泛的应用，因其具有以下特点：

1.2.1节点规模大、节点体积小

无线传感器网络中传感器节点密度高，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。体积小是无线传感器网络节点一个重要特点，也是实现大量部署的内在要求。

1.2.2自组织

无线传感器网络根据组网机制和网络协议自动对网络进行配置和管理，传感器节点有自组织能力，能够自动形成无线通信系统不需要固定的基础设施作为网络枢纽。

1.2.3能适应复杂环境

传感器网络主要分布在各种条件恶劣的环境，如军事边界或者一些人员难以进入地区。同时，节点容易受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响。

1.2.4部署容易且成本低

只需要在目标区域进行随机部署，不需要指定特定的位置。相对于有线网络传输，无线网络传输降低了各种成本。

1.2.5可靠性高

无线传感器节点资源有限，其生命周期主要取决于电池。对无线传感器节点进行维护、回收和替换的可能性很小。因此，无线传感器网络要具有信息传输的高度可靠性和对节点失效的高度容错性。

2.无线传感器网络的应用

2.1军事建设

无线传感器网络以其快速布署、自组织和容错等特点，成为军事通信控制系统的重要组成部分，可用于兵力、装备弹药和物资的监控，阵地和敌情的侦查，战场的监视，生物化学攻击的判断、目标的指示，战损的评估等。

2.2工农业生产

通过传感器监测设备的震动、和磨损情况，可以迅速得到设备的健康状态;通过在生产线上布署传感器网络，可以方便的实现在线质量控制。无线传感器网络为提高设备性能、提升产品质量、降低成本，提供了一种很好的技术方案。

我国是一个农业大国，深化现代技术在农业中的应用，对推进我国农业生产产业化和现代化进程具有重要作用。将无线传感器网络技术应用于现代农业，可实现农业信息采集以及远程传输，为科学决策提供可靠依据。

2.3环境监测

在环境科学研究中，无线传感器网络为大规模野外数据采集和气候气象监测提供了便利，可用于跟踪候鸟、小型动物和昆虫的迁徙地球探测，林火和洪水监测等。如美国Berkley等单位在美国缅因州的GreatDuck岛对海燕栖息地的生态环境监测；肯尼亚MPala研究中心对大规模野生动物(野马，斑马等)的栖息地进行考察研究；挪威对冰河观测以了解地球气候的变化。

2.4安全监控

通过在监控藏所部署无线传感器网络，利用场所附近的声音、震动、光、温度等物理信息的变化，了解被监控对象的状态，来防止非法入侵、安全事故等。目前应用较多的是煤矿、电站、通信枢纽、行政中心等。如实时监控煤矿井下环境来进行灾害预警，实时监控井下人员和设备的位置来对其进行资源调度，并为灾后的辅助救援提供支持。

2.5智能交通

将无线传感器网络应用到智能交通系统，作为它的一个信息采集和通信子系统。这个子系统充分利用了无线传感网络覆盖范围广、灵活性好和易于大规模部署等特点，来采集全路段的车辆和路面信息。相对于有线交通信息采集通信系统而言，大幅度地降低现有交通监控网络的成本。通过车载和道路传感器的配合，驾驶者和交通控制人员可以实时地了解路况和交通信息。布置于道路上的速度识别传感器，可以监测交通流量等信息，为出行者提供信息服务，并且在发现违章时能及时报警和记录。 （下转第143页）

（上接第131页）2.6医疗健康

利用无线传感器网络节点体积小、易于植入和便于携带等特点，其可以用于医院药品控制、病人生命体征不间断采集和监测等领域。

2.7教育教学

无线传感器网络作为计算机最前沿技术之一，是泛在学习的技术支撑。无线传感器网络的网络实时性、网络自组性等为我们未来的学习方式以及教学开辟了新的思路。如乒乓球训练田、足球裁判辅助系统等可以提高教学效果。

2.8家居生活

通过布置于房间内、家电中的无线传感器网络节点，实现自组织无线传感器网络系统，感知居室不同部分的温度、湿度、光照、空气成分等信息，从而对空调、门窗以及其他家电进行自动控制，同时可实现家电之间的交互和远程控制，提供给人们舒适的居住环境。

3.结语

无线传感器网络融合了微机电、传感器、嵌入式计算、网络技术、无线通信和信息处理等技术，知识高度集成，创新度高，是在国际上前沿热点研究领域之一，应用前景广阔，对国家安全、社会进步、经济发展意义重大。这种多学科交叉融合的研究给人们提出了不少新的挑战，无线传感器网络技术的发展还有许多要攻克的难题。

【参考文献】

［1］孟庆斌. 无线传感器网络应用研究[C]. 天津大学,2009.

［2］陈闻杰.无线传感器网络及其应用研究[C].复旦大学,2006.

［3］滑楠.无线传感器网络相关理论与应用研究[C].西北工业大学,2007.

无线传感器网络篇2

关键词：无线传感器网络；网络安全；攻击；防御

随着无线传感器网络技术的发展，其应用范围不断扩大，目前已有的许多应用涉及到了军事、检测等数据敏感领域。而很多情况下，传感器部署在开放的环境中，并且能源和处理能力等自身特点限制，无线传感器网络很容易受到攻击，所以其安全问题的解决成为了一个巨大的挑战。因此，研究无线传感器网络中的攻击方法和防御措施成为了一个热点。由于传统网络路由协议不适用于无线传感器网络，并且每个传感器节点都承担路由功能，因而研究网络层的攻击和防御是一个重点问题。

1、无线传感器网络的易受攻击性

无线传感器网络是很脆弱的，它有着许多不同于传统网络的特性，而这些特性使得它更容易受到各种威胁：

1.1 传感器节点资源有限

无线传感器网络节点在存储资源、计算能力、CPU、通信带宽、特别是电池寿命等方面受到了限制，使得单个传感器节点在进行加密解密和认证等方面也受到了限制，传统的通信协议无法直接应用于无线传感器网络，在单个的节点中采用诸如计算量较大的公钥密码系统也是不现实的。

1.2 脆弱的无线信道

无线传感器网络的无线信道与有线网络不同，它不需要建立物理连接或者通过防火墙网关等防护设备。无线信道在本质上是一个广播介质，攻击者可以很容易地实现偷听、截取、注入和改变网络中传输的数据。并且在通常情况下，攻击者资源不受限制，可以用功能强大的无线收发设备从远处访问并攻击网络。

1.3 网内数据处理

在无线传感器网络中，多个传感器节点通过中间节点向汇聚节点传送数据，传感器节点既有收发功能又具有路由功能，相邻节点采集到的数据可能相同或者相似，为了节省带宽和能量，无线传感器网络使用网内数据处理，实现数据融合和去除副本，在这种情况下，端到端的安全机制很难部署，因为中间节点可以直接访问、修改、甚至丢弃数据包。

1.4 部署的物理环境

部分传感器随机部署在野外或者是敌方区域，攻击者可轻易捕获单个节点，获取他们的加密数据，重写内存，或者用自己的传感器节点来代替捕获节点。攻击成功后，可以利用妥协节点发起一些恶意行为，比如广播虚假路由信息或着发起DoS攻击等。

2、无线传感器网络路由层面临的主要攻击

2.1 Sinkhole攻击

攻击节点为了吸引大量的邻居节点将其作为下一跳，假称自己有足够的能量、数据转发高效和可靠，而攻击节点在收到数据包后，可以采用部分转发或者更改数据包内容后转发的方式来达到攻击的目的。攻击者的目标是吸引网络中所有的数据包通过攻击者所控制的节点进行传送，形成一个以攻击节点为中心的黑洞。在Sinkhole攻击中，攻击者通常使用功能强大的处理器来代替受控节点，使其通信能力、传输功率和路由质量大大提高，从而使得通过它路由到基站的可能性大大提高，实现吸引其它节点选择通过它的路由的目的。

2.2 Wormhole攻击

Wormhole攻击最常见的攻击方式是两个相距较远的恶意节点相互串通，合谋进行攻击。通常情况下，一个恶意节点在基站附近，另一个恶意节点距基站较远，离基站较远的那个节点声称自己可以和基站附近的节点建立低延迟、高带宽的链路，从而吸引附近节点将其数据包发到它这里。在这种情况下，远离基站的那个恶意节点其实也是一个Sinkhole节点。Wormhole攻击通常和其它攻击方式结合使用，如选择转发、Sybil攻击等。

2.3 HELLO洪泛攻击

传感器网络中的许多协议要求节点通过广播HELLO数据包来发现其邻近节点，如果节点收到该包，那么它将认为自己在发送者的传输范围内，即两者在同一簇内。假如攻击者通过大功率无线设备广播路由或其他信息，它能够使网络中的部分甚至全部节点收到该信息，从而确信攻击者就是其邻近节点。这样，攻击者就可以与在其传输范围内的节点建立安全连接，网络中攻击节点覆盖区域内的每个节点都试图使用这条路由与基站进行通信，但由于一部分节点距离攻击者相当远，加上其传输能力有限，发送的消息根本不可能到达攻击者，造成了数据包的丢失，使网络陷入_种混乱状态。

2.4 Sybil女巫攻击

Sybil是由Douceur第一个提出来的，他指出这种攻击方式能够破坏分布式系统的冗余机制。Sybil攻击的主要方式是：位于某个位置的单个恶意节点通过不断的声明其有多重身份，使得它在其它节点面前表现出多个不同的身份，因此更容易成为其它节点的路由节点，从而吸引数据流经过该恶意节点。女巫攻击对基于位置信息的路由算法很有威胁。

2.5 虚假路由攻击

攻击者通过篡改、欺骗或者重发路由信息，来创建路由循环，引起或抵制网络传输，延长或缩短路径，形成虚假错误消息，实现分割网络，增加端到端的延迟等。

2.6 确认欺骗

一些传感器网络路由算法依赖于潜在的或者明确的链路层确认，在确认欺骗攻击中，针对这些路由算法，恶意节点窃听发往邻居的分组，并通过伪造链路层确认，使得发送节点相信一条差的链路是好的或者一个已死节点是活着的。而随后通过该链路传输的数据包将丢失。

2.7 选择性转发

如果恶意节点在网络中被当作正常的节点来使用，那么它可以概率性的转发或者丢弃特定消息，使数据包不能到达目的地，从而导致网络陷入混乱状态。当攻击者在数据传输路径上时，该攻击通常最为有效。

3、无线传感器网络中的主要防御措施

3.1 用随机密钥预分布抵御SybiI攻击

Eschenauer和Gligor提出了基本的随机密钥预分布模型，目的在于保证任意节点之间建立安全通道，并且尽量减少模型对节点资源的要求。随机密钥预分布的基本思想是：建立一个比较大的密钥池中，网络中的任意正常节点都拥有密钥池中的一部分密钥，如果节点之间拥有—对相同密钥，那么它们就可以建立安全通道。

如果把这些预存储的密钥信息和节点的身份信息关联起来，因为攻击者无法伪造和ID相对应的密钥信息，攻击者很难伪造正常节点。同时，攻击者有可能捕获一定量的传感器节点，但是由于密钥信息一般是随机分配的，致使攻击者很难利用捕获的密钥信息中推导出与ID相对应的密钥信息，当然如果捕获节点数目增加，攻击者获得对应密钥信息的概率也会随之增大。这种方法优点是不需要额外消耗节点过多的资源，缺点是增大了节点的存储空间。

3.2 Wormhole攻击的防御

检测wormhole攻击最好的方法是：仔细地设计路由选择协议，尽量避免路由选择竞争条件，使得虫洞“隧道”的建立不那么有意义。Hu等提出了一种检测和阻止无线传感器网络中wormhole攻击的方案。这种方案利用地理或临时约束条件来限制数据包的最大传输距离，并且提出了一种新的高效协议TIK，利用这种协议对接收到得数据包进行实时认证。Kwoklas提出一种利用有GPS节点和非GPS节点通力协作的方式来防Wormhole攻击的方法，并对这种方法进行了验证。Hu和Evans提出使用定向天线来防御。ormhole攻击的方案，这种方案需要设计出一种节点共享方向性信息的合作协议，防止Wormhole节点冒充邻近节点。

3.3 Sinkhole攻击的防御

可以利用信任管理机制来防御Sinkhole攻击，信任管理机制的主要设计思想是：记录节点的历史行为信息，按照信誉计算方法对节点进行信誉的评估，然后将节点的信誉信息的评估结果和预先设定的信任阀值进行比较，根据比较结果对节点采取相应的行为。下面是几种典型的信任管理机制。

CORE机制使用直接信誉和间接信誉来更新节点的信誉信息，它是分布式对称的信誉模型。在这种机制中，节点的信誉信息包括功能性信誉、直接信誉，间接信誉。在该机制的节点信誉值随着时间—直在变化，所以节点要尽可能合作，否则它们的信誉值将会降低，达到一定的阀值后被隔离出网络。

DRBTS机制是第一个使用信誉的概念在节点定位中排除恶意的簇头节点的，它是一个将信任系统应用于分布式无线传感器网络安全定位的具体实例。该机制使用间接信誉和直接信誉来维护节点的信誉信息，机制中有两种不同类型的节点，普通传感器节点和簇头节点，簇头节点的资源比普通传感器节点丰富，可以广播位置信息和信任等级信息等。

Chinni等提出了基于信任等级的证书撤销机制。这种机制以Bayesian原理为基础，通过节点间的相互合作来建立信任等级，假如节点间的历史信息不能够建立信任，要建立信任则需要通过第三方的推荐。

3.4 HELLO泛洪攻击的防御

防御HELLO泛洪攻击最简单的方法是：节点在接收到一个的消息时，首先验证是否是双向连接，确认是否超出通信范围。但是，如果一个入侵者有非常强大的接收器和发射器时，这个对策不那么有效。这样的入侵者能有效地给节点创造一个蠕虫洞，由于这些节点之间的连接是双向的，上述方法不太可能及时发现或抵制HELLO泛洪攻击。解决这种问题的一个办法是：通过一个可信任的基站利用身份鉴别协议为每个节点证实它的邻居。

3.5 选择性转发的防御

防御选择性转发的方法之·就是使用多路径路由。多路径可以增加数据传输的可靠性，即使恶意节点丢弃数据包，数据包仍然能够从其它路径传送到目标节点。也可以通过认证源路由来确定一个数据包是否是合法的。

无线传感器网络篇3

关键词：智能电网；无线传感器网络；应用

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.08.175

0 引言

随着我国社会及经济的迅猛提升，用户需求的多样化，电力系统受到了越来越多的挑战，不仅要满足用户对安全性要求越来越高的需要，还要满足用户对用电的时段需要，以及互动方面的需求。面对这些需求，过去的电网系统很难满足，而智能电网的出现，很好的适应了当前新形势下对电力的需求。智能电网与很多产业都有关联，例如通信产业、能源产业、传感器和检测产业以及新材料和IT产业等。其中，最为基础和关键的技术要输通信技术以及微传感器网络。从电力系统的分布来看，不论是在城市，孩子在乡村，每个角落都有配电网络和输出网络，因此，了解各个点力参数有助于对局部电网的运行状况及时有效的了解，进而对电力资源进行调整，合理的进行分配，从而更为有效的对电力资源进行利用。通过对各种物联网传感器进行利用，电力企业对电网里的配电、发电，以及输电和供电等设备时时进行检测，了解其运行状况，促进对远程设备监控能力的提升，进而可以对故障现象及时的发现，对故障区域迅速的做好定位，提升电网的质量。作为消费者和电力运营双方之间连接的平台，智能电网能够对两者的关系进行有效的协调。从电力企业方面来看，能够对用户的用电信息自动进行采集，同时进行相应的统计和分析，从而为其营销运行奠定基础，并为电力建设的决策提供参考，从而可以对需求真正的做到智能化管理。从消费者方面来看，能够通过传感器网络对自己家的用电情况更好的了解，还能够使智能电表与家用电器之间进行互联，进而使家居实现智能化，达到对电力使用的安全、可靠、经济和互动。

1 智能电网以及无线传感器网络的概况

1.1 智能电网介绍

所谓智能电网，是结合其所处在的实际环境的需要，同时将其具有的实际的物理电网作为基础而构建的（总体结构见图1），其把互联网通信技术和电网系统进行结合，并将其当做最为重要的核心，进而通过互联的方式实现电网的智能化。智能电网是聚集了很多前沿理论的技术，是对传统电网进行的更新和升级，能够实时的对电力系统进行保护、控制、测量和监测的一种电力设施，从而确保更加的经济、安全、环保和可靠，进而达到人们期待的智能电网的需求。传感技术、通信技术、状态检测以及测量和计算技术等都是智能电网的核心支撑技术。为了最大程度的使运营成本减少，使得智 能电网的运营与管理得到全面的优化，促进其可靠性的提升，设计者在智能电网中引入了传感器，利用传感器，有机的将各种物理设备进行结合，从而构建一个把电力消费者和各种服务，包括其他设备进行结合的一个规模较大的网络，进而能够更为智能、人性化的对信息数据进行采集和分析。

图 1表示智能电网总体的结构。

1.2 无线传感器网络概况

从当前来看，在社会科学研究当中，无线传感器网络成为大家探究的新热点，不仅和多个领域进行融合和相交，同时在很多方面使需要进一步进行研究和开发的一种应用型技术。随着电池技术、通信技术以及微制造行业的迅猛发展，传感器结点在发展性能等很多方面也越来越完善。从特征上来看，无线传感器网络具有以下几方面的特点：首先，无线传感器是将数据作为中心的一个对等性的网络；其次，在硬件资源上具有一定的局限性；再次具有动态性的网络拓扑；第四，在传输能力以及能源上具有一定的局限性能源的有限性；具有安全上的潜在威胁等。因此，在对无线传感器网络进行设计的时，相关人员一定要对各种基本的技术充分的给予考虑，这时确保网络功能可以正常运行，传感器网络可以实现任务的基础。

2 智能电网中无线传感器的应用

2.1 无线传感器在对设备进行状态检修中的应用

从当前来看，远程控制系统和监视是促进电力企业资产运作以及管理水平提升的关键，通过传感器对电力设备进行的检测，能够通过获取信息数据而实现在线监控设备的运行状态，再利用通信网络将获取的信息数据传送给状态监测中心，之后利用监测中心所做出的状态评估，结合其实际的情况而对设备是否要进行替换或进行修理进行确定。如果发现设备发生故障，状态监测中心要立刻向维修人员提示，协助维修人员进行操作和优化，进而使维修成本达到最小化，停电的时间最短。通常来看，因为要在设备的内部对状态传感器进行维护，所以从工作环境上来看，是十分复杂的。在这样的环境当中，过去的有线通信设备不够方便，也不够灵活，因此安装起来不是十分的方便。但无线传感器网络则是多变灵活、不用进行布线，所以能够在对设备状态进行检修时就可以更好的使作用得以发挥。

2.2 无线传感器在对分布式母线进行保护中的具体应用

为了能够保证用户的供电质量，可靠性的配电网非常的重要。随着对电力市场开拓的越来越深入，为确保配电网具有更高的可靠性，目很多电力用户都希望在配电网中装入母线保护装置。母线作为其中非常重要的构成部分，其是否具有稳定的工作状态对于整个电力系统是否具有可靠性具有直接的影响。然而处于成本的原因，电力企业通常不会单独的对母线保护进行设置，而是由发电机过流或是变压器来对隔离配电网的母线故障进行保护。从目前来看，通信网络中所采用的主要是有线进行传输的方式，但是因为布线的不灵活，使得组网比较困难，因此越来越多的研究人员开始在分布式母线保护当中引入无线传感器网络。如果母线在连接时很容易改变、出线较多，且距离较短时，这时就比较适宜将无线传感器网络作为前提而构建的分布式母线保护。

2.3 无线传感器在电网灾变里的应用

在电网灾变中，无线传感器具有许多的应用，例如，在对冰灾进行监测时，预警系统会结合目标，根据本地具体的地理状况和杆塔的类型，在让系统覆盖范围得以满足的基础上，挑选一个最为合适的地方作为传感器应用的节点。最先考虑的是成本的最优，其次是对传感器节点进行合理部署。而以无线传感器网络作为基础的冰灾监测预警系统，是利用无线网络多跳路由，将从系统各杆塔上获取的监测数据信息传递给监控中心，之后监控中心再进一步对数据进行处理和分析。

2.4 无线传感器网络在智能家居和计量里的具体应用

根据传统的思维概念，对电量进行统计就是要通过电表来进行，之后在结合电表中显示的数值计算电费。从电力企业和消费者双方而言，所获得的数据就是一个家庭或是一个用户的用电数量，因此从精细度上来看，明显不够，所包括的数据信息也显然不足，其中有很多隐藏的数据未能真实的获得。而将来的智能计量，会是对传统概念的颠覆，通过给用户安装智能电表，能够很好的避免窃电，能够获得比过去更为精准、全面和用电数据，同时还能够对负载情况有一个实时和细致的了解。而从电力消费者角度而言，智能计量管理系统的引入，会让电力用户具有较强的体验性，进而能够很好的调动其积极性，同时还可以使用户可以真实的了解用电情况，有针对性的调节自己的生活，关闭不必要的电子设备，进而实现能耗减低的目的。此外，无线传感器网络的应用还能够促使更多的设备制造企业对智能家居产品进行研发。例如，可以对远程监控系统进行开发，实现对家电设备的远程控制，将智能电表和电冰箱、热水器进行连接，这样用户就能够通过通信网络实现对家电设备的距离控制，例如 想一到家能够洗到热水澡，就可以在下班前对热水器进行设置等等，进而可以对电力进行更好的更有效的作用，从而构建舒适的智能家居环境。

3 结语

总之，智能电网是当前产业发展中受到较大关注的领域，伴随电力市场的迅猛发展，越来越成熟的无线传感器网络技术因为其所具有的优势，必然会具有更好的发展空间，受到更多的关注和应用。

参考文献：

[1]杜加根.无线传感器网络在智能电网中应用的研究[D].武汉理工大学，2011.

[2]董浩.无线长安其网络在智能电网中的应用研究[D].南京邮电大学，2014.

无线传感器网络篇4

关键字：无线传感器网络；安全技术；运用实践

无线传感器是一种符合无线纤细传输特点的设备，具有成本低廉、结构简单和体积小、无需展开总线安装结构，可以有效的应用到的数据信息的采集，具有较高的应用价值。针对无线传感器的有效应用，需要重视对无线传感器网络安全技术的分析，合理的对网络安全技术进行运用，尽可能的减少网络安全问题的发生，避免数据的丢失和错误，进而保障的无线传感器的功能。现阶段，无线传感器的网络安全技术种类较多，主要有安全路由技术、密钥管理技术和密码技术等，对于无线传感器网络安全具有积极的推动作用。

1无线传感器网络分析

1.1涵义

无线传感器网络与协作感知之间具有模切的联系，能在网络覆盖的区域内，完成对相关信息的采集和处理，并将这一结果发送到需求信息的区域。目前，无线传感器网络是现代常用的通讯类型，可以有效的完成信息的传递和交流。

1.2无线传感器网络结构

如下图1所示为无线传感器网络的具体节点结构图。由图可见，每一个传感器节点，均能够成为一个独立的小系统。除去节点之外，还由数据的汇聚和数据处理部分构成，保障数据的传输质量。

1.3无线传感器网络的特点

无线传感器网络的特点，是使其有效应用的基本条件。其具体的特点有：（1）规模大，通过合理的布置传感器节点，可以有效的完成对区域范围内的数据信息的采集和监控工作。（2）自行管理，无线传感器网络拥有良好的网络的配置功能，能够完成自行管理，保障信息的有效性。（3）以数据文中心，无线传感器网络是建立在数据信息的基础上，根据数据信息的基本情况，发现观察者主要是对无线传感器最终数据结果具有需求。（4）成本低廉，无线传感器网络的构建成本较低，主要是由于无线传感器的成本较低，符合具体的应用需求。

2无线传感器网络的安全问题分析

无线传感器在实际的应用中，网络安全问题对无线传感器的应具有十分不利的影响，故此，需要合理的对无线传感器网络的安全问题进行分析和解读，为无线传感器网络安全技术的合理应用提供基础。

2.1安全机制不够健全

安全机制是保障无线传感器网络合理应用的关键，由于无线传感器网络是由多个节点构成，如果节点的能量、通信方面等没有合理的展开安全机制的构建，物理安全保护效果不够理想，也就可能会导致安全隐患的影响扩大，再加上安全机制的不够健全，引起整个系统出现安全问题，影响系统的有效应用，致使信息的丢失和残缺的情况发生。

2.2能量限制

无线传感器网络构建过程中，需要合理的将各类微型传感器按照节点设计进行布置，布置完成后就不能轻易的对网络内部的传感器进行变动。而传感器在不通电的情况下，各个微型传感器就不能完成充电，而无线传感器网络应用中=传奇的没有足够的能量，也就导致传感器不能得到持续应用。另外，由于传感器网络中的部分设备具有高能耗的问题，也就会导致无线传感器网络出现能量限制问题，制约网络的安全性。

2.3通信问题

无线传感器网络需要具备稳定可靠的通信通道，但是在实际的应用中，路由的问题十分明显，主要是由于路由存在一定的延迟，而这部分延迟会导致路由出现安全问题。另外，数据传输的过程中，可能会出现数据出现被拦截的情况，也就会导致数据泄漏的情况。这类不安定的通信方式，对通信的质量具有明显的影响，制约无线传感器网络安全。

2.4节点管理问题

节点是传感器网络的中的重要部分，节点的管理内容对的无线传感器网络的安全具有直接的影响。但是，在实际的管理中，存在节点组织随机性强的问题，也就会导致，部分接电位置得不到确定，这一内容也就可能会导致相关保护工作不能得到有效的实施，严重影响无线传感器网络的安全。2.5节点量大和节点故障为了保障无线传感器网络具有较大的覆盖面积，就需要具有大量的节点，其中有部分节点处于的位置较为敏感，甚至可能布置在极端环境中，导致传感器容器容易受到外界因素的影响，这增加了节点受到恶意攻击的风险。此外，无线传感器网络，在实际的应用中，单个节点容易受到损坏，一旦单个节点受到损坏，就会导致整个无线传感器网络受到不利影响，导致安全隐患的发生。

3无线传感器网络安全技术分析

无线传感器网络安全技术对是保障网络安全的关键，而且这些技术能够对网络安全问题进行处理，避免数据丢失和损坏。

3.1路由器安全技术

路由器安全技术是保障路由器安全的重要部分。无线传感器网络构建时，路由器主要是达到节能能量的目的，保障无线传感器系统的最大化形式的体现。然而这种情况，也就会导致数据传输出现隐患，也就导致网络不能按照最初的方式进行展开。针对路由器安全技术，可以合理的对TESLA协议和SNEP协议进行应用，进而构成符合的无线传感器网络的SPINS协议，进而有效的避免信息出现的泄露的情况，进而增加系统的防御能力，保障网络的安全与稳定。

3.2密钥管理安全技术

管理密钥是提升无线传感器网络安全的重要网络安全技术。通过自动生成密钥的方式，完成对系统的加密。但是，在实际的无线传感器网络中，而这一周期中，可能会出现薄弱环节，也就会导致信息泄露的情况发生。现阶段，针对无线传感器网络的密钥管理安全技术主要有：（1）对称密钥管理，这类加密方式主要是建立在共同保护的基础上，并通过设定防止密钥丢失的程序，并根据公开密钥加密技术，提升密钥管理的有效性。（2）节点密钥共享技术，在实际传感器网络中，通过节点间的网络共享的方式，可以使得节点对基站的依赖性小，且复杂程度低，并保障两个节点受到威胁，也不会导致其他不会产生密钥泄漏的情况。（3）加密算法的有效应用，通常情况下加密算法和氛围加密算法、非对称加密算法。（4）概率性的分配模式，这类分配模式，根据一课可以计算的概率，完成对密钥的分配，属于中非常确定的方式。

3.3密码技术

密码技术主是完成对使无线传感器网络中一些不安定的特性进行控制，采用密码的方式，减少系统的安全问题。密码可以采用自定的形式和随机生成的形式，其中密码安全技术主要取决于密码的复杂程度，密码复杂程度越高，密码丢失的可能性越低。鉴于密码技术的功能性，密码技术可以广泛的应用到无线传感器网络安全问题的处理中。针对不同通信设备的基本情况，合理的展开的密码技术，如：节点设备的通信可靠性不能得到有效的应用，密码技术体现出较好的优势，而且由于密码技术的成本较低，且保密的效果较为理想，故此，可以广泛的应用到无线传感器网络中。

3.4安全数据的融合

安全数据的融合同样是无线传感器网络安全技术中的重要组成部分，这一技术主要应用于的数据传输的过程中。由于无线传感器网络主要是用到大量的数据。如果不能有效的对数据进行控制，也就可能会导致数据的流失和损坏的现象明显。故此，可以采用安全数据的融合技术，严格的控制数据的安全融合，进而使得数据在传输过程中，不会出现丢失和流失的现象，增加数据信息的安全性和真实性。

3.5无线传感器网络各层的安全技术的运用

针对无线传感器网络的物理层、网络层和应用层、传输层等部分合理的展开安全保护，物理层可以通过主动篡改保护和被动篡改保护两中，有效的避免物理层的攻击，网络层需要通过合理的对路由安全协议进行设计，网络层的安全。应用层，需要通过恶意节点检测和孤立、密码技术等。针对传输层，可以采用认证和客户端谜题、安全数据的融合等方式。通过对无线传感器网络各个层的安全技术进行应用，保障无线传感器的稳定运行，有效的规避网络安全问题。

4结语

无线传感器网络是现代人们生活中的重要问题，是便利人们生活的重要途径。无线传感器网络在实际的应用中，可能会出现一些安全问题，导致安全隐患的发生。为此，需要合理的对无线传感器网络安全技术进行分析，再合理的应用，保障无线传感器网络的安全性。（1）无线传感器网络在实际的应用中，具体的问题主要体现在安全机制不够健全、能量限制、通信问题、节点管理问题、节点量大和节点故障。（2）针对无线传感器网络安全问题，需要合理安全路由技术、安全认证技术、安全数据融合技术。另外，针对无线传感器网络的入侵，需要合理的对入侵检测技术进行应用，有效的发现网络中的安全问题。（3）无线传感器网络中的节点问题，需要重视对节点的管理工作，尽可能的控制节点的能量限制和物理损坏情况。

参考文献

[1]刘昌勇,米高扬,胡南生.无线传感器网络若干关键技术[J].通讯世界,2016,08:23

[2]朱锋.无线传感器网络安全技术及应用实践探微[J].无线互联科技,2016,14:30-31

[3]袁玉珠.无线传感器网络安全协议及运用实践[J].电子技术与软件工程,2016,16:215

无线传感器网络篇5

 

关键词:无线传感器网络；组成；应用；发展

科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器网络（WSN, wireless sensor networks）综合了传感器技术、嵌人式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。

由于WSN的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的广泛关注，被广泛地应用于军事，工业过程控制、国家安全、环境监测等领域。

无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域，是当前计算机网络研究的热点。

一、发展概述

早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。

无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展，IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学（Boston University）还于最近创办了传感器网络协会（Sensor Network Consortium），期望能促进传感器联网技术开发。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。

二、无线传感器网络的定义和特点

无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点,各节点通过协议自组成一个分布式网络,再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。 无线传感器网络操作系统Tiny0S141的研制者，Jason Hill博士把WSN定义为：

Sensing＋CPU＋Radio＝Thousands of potential application

哈尔滨工业大学的李建中教授将WSN定义为：WSN是由一组传感器节点以自组织的方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并给观察者。从硬件上看，WSN节 点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线数据收发单元以及小型电池单元组成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特点；从软件上看，它借助于节点中内置传感器有效探测所处区域的温度、湿度、光强度、压力等环境参数以及待测对象的电压、电流等物理参数，并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心 进行处理、分析和转发。

WSN与传统传感器和测控系统相比具有明显的优势。它采用点对点或点对多点的无线连接，大大减少了电缆成本，在传感器节点端即合并了模拟信号／数字信号转换、数字信号处理和网络通信功能，节点具有自检功能，系统性能与可靠性明显提升而成本明显缩减。

无线传感器网络具有以下特点：

1、硬件资源有限。WSN节点采用嵌入式处理器和存储器，计算能力和存储能力十分有限。所以，需要解决如何在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理的难题。

2、电源容量有限。为了测量真实世界的具体值,各个节点会密集地分布于待测区域内,人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量,或者自己从外汲取能量（太阳能）。当自身携带的电池的能量耗尽，往往被废弃，甚至造成网络的中断。所以，任何WSN技术和协议的研究都要以节能为前提。

3、无中心。在无线传感器网络中,所有节点的地位都是平等的,没有预先指定的中心, 是一个对等式网络。各节点通过分布式算法来相互协调,在无人值守的情况下,节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没有中心,网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。

4、自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。

5、多跳（Multi-hop）路由。WSN节点通信能力有限，覆盖范围只有几十到几百米，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。WSN中的多跳路由是由普通网络节点完成的。

6、动态拓扑。WSN是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。

7、节点数量众多，分布密集。WSN节点数量大、分布范围广，难于维护甚至不可维护。所以，需要解决如何提高传感器网络的软、硬件健壮性和容错性。

8、传输能力的有限性。无线传感器网络通过无线电波进行数据传输,虽然省去了布线的烦恼,但是相对于有线网络,低带宽则成为它的天生缺陷。同时,信号之间还存在相互干扰,信号自身也在不断地衰减,诸如此类。不过因为单个节点传输的数据量并不算大,这个缺点还是能忍受的。

9、安全性的问题。无线信道、有限的能量,分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此,安全性在网络的设计中至关重要。

无线传感器网络篇6

关键词 无线传感器网络 硬件节点 CC2420 MSP430

中图分类号：TP212 文献标识码：A

0 引言

物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。物联网是所有物品通过射频识别等信息传感设备实现任何时间、任何地点及任何物体的连结，达到智能化识别和管理；物联网整合了传感器技术、通信技术和信息处理等技术，主要通过无线传感、射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位、传感器等技术，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，从而给物体赋予智能，实现了物与物、人与物的互联，实现了物理世界与信息网络的无缝连接，物联网是传感网、通信网和应用系统的有机组合。无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）作为物联网的组成部分，综合了嵌入式技术、传感器技术、短程无线通信技术，是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。本文使用模块化设计思路，实现了一个无线传感器网络。

1 Zigbee无线网络协议

Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。

每个Zigbee 网络节点不仅本身可以对对象监控，例如连接传感器直接进行数据采集和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料；除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。

每个Zigbee网络节点（FFD和RFD）可以支持多到31个的传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备可以有8种不同的接口方式。可以采集和传输数字量和模拟量。

ZigBee协议在无线传感器网络应用中的具有以下特点和优势：

低功耗：由于ZigBee 的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。ZigBee设备仅靠两节5 号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。

成本低：ZigBee 模块的初始成本在6 美元左右，并且ZigBee 协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

网络容量大：一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，而且网络组成灵活。

可靠性高：采取了碰撞避免策略（CSMA-CA），同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

安全性高：ZigBee 提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

2 无线传感器网络

无线传感器网络是由大量的传感器节点组成的，它们能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理。传感器节点是组成无线传感器网络的基本单位，是构成无线传感器网络的基础。节点不仅完成采集信息、融合并传送数据的功能，节点中的电源模块还负责节点的驱动，是决定网络生存期的关键因素。

2.1 网络结构

一般来说，一个无线传感器网络包括传感器节点以及传感器网络网关节点，如图1所示。其中，传感器节点具有本地数据采集传输和转发邻节点数据的双重功能，可以在后台管理软件和传感器网络网关节点的控制下采集数据，并将数据经过多跳路由传输到传感器网络网关节点；传感器网络网关汇聚节点是网络的中心，具有协调器和网关的作用，负责网络的配置、管理和数据的汇集，并负责与用户PC机后台管理软件的通信。无线传感器网络通常具有两种应用模式：主动轮询模式、被动模式。主动模式要求网关节点对各个传感器节点进行主动的轮询以获得消息；而被动模式则要求在某个传感器节点事件发生时，网关节点能作出及时的响应。各个传感器节点得到的数据还能进行组合，这也很大地提高了传感器网络的效率。当然这也要求传感器节点要具有一定的计算能力。

2.2 系统硬件设计

在无线传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节点。网关节点往往个数有限，而且能量常常能够得到补充；网关通常使用多种方式（如Internet、卫星或移动通信网络等）与外界通信。而传感器节点数目非常庞大，通常采用不能补充的电池提供能量；传感器节点的能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。因此，传感器网络主要研究的是传感器网络节点。具体应用不同，传感器网络节点的设计也不尽相同，但是其基本结构是一样的。

传感器网络节点的硬件一般包括处理单元、无线传输单元、传感采集单元、电源供应单元和其他扩展单元，如图2所示。其中，处理单元负责控制传感器节点的操作以及数据的存储和处理；传感采集单元负责监测区域内信息的采集；无线传输单元负责节点间的无线通信；电源供应单元负责为节点供电。传感器网络网关节点功能更多，除包含上述功能单元以外，还包含与后台监控通信的接口单元。

Zigbee网络节点设计要求如下：

（1）可供选择的无线频段。无线频段的选择要兼具较高的传输速率和较好的绕射性能，同时要具备一定的抗干扰力。2.4GHZ频段是IEEE 502.15.4定义的工作在ISM频段的两个工作频段之一，有16个速率为250kb/s的信道。

（2）体积小，成本低，易于大规模布建。Zigbee技术较其它无线技术的优势在于自组网，这就需要布建大规模的网络节点，因此成本问题凸显出来，有资料显示：10$左右的Zigbee网络节点有较高的性价比。

（3）可靠性。与有线传输介质相比，无线信号传输更容易受到衰落、多径和干扰等问题，Zigbee网络是工作在2.4GHZ ISM频段，与其他无线信道之间干扰是不可避免的。为保证网络在有效范围内建立可靠的传输，网络节点应选择合理的信道接入方式，有效减少帧冲突，使用合理的扩频技术。

（4）通用性。布建Zigbee网络的最终目的是通过网络完成各类操作，主要是I/O操作和A/D操作，这就要求网络节点有一定的通用性，能满足各类传感器和终端设备的操作要求。

（5）低功耗，支持电池供电。低功耗是Zigbee的重要特征，支持休眠—唤醒模式和引入功率控制机制使设备更加省电。典型的Zigbee节点在使用普通电池供电的情况下工作12个月以上。

Zigbee网络节点的设计应按照上述的原则与规划进行硬件设计和软件设计。

2.2.1 芯片选型

Zigbee网络节点硬件设计的的核心是微处理器芯片。微处理器模块在无线收发模块的协作下完成Zigbee网络的建立与维护，数据采集与处理，无线数据收发以及Zigbee2007协议栈的正常运行。在网络节点的硬件设计中可以根据成本与操作可行性等因数选择不同的的设计方案，本设计选择集微处理器模块和无线收发模块于一体的单芯片解决方案。

设计选用TI公司最新Zigbee芯片CC2530F256，工作在2.4ghz频段，是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC），它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点，CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其它强大的功能。CC2530 有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

2.2.2 硬件整体设计

在网络节点硬件平台中，CC2530需要实现的功能以及模块主要有3个部分：通过A/D口控制传感器模块进行数据采集；控制无线rf模块完成数据收发；通过I/O口相应主机控制。传感器采集的数据也可通过I/O口与微处理器相连，通过RS232接口可实现网络节点与PC机的通信。

由于CC2530芯片内集成了许多特色功能模块，因此，其典型的电路也就非常简洁。其中，主时钟晶振采用32MHZ无源晶振以及32.768KHZ时钟晶振；无线RF模块电路采用无巴伦的阻抗匹配网络，天线使用50欧鞭状负极性天线。

2.2.3 PCB设计

CC2530的Zigbee网络节点PCB设计是硬件设计的关键，它同时具备数字电路与高频电路的特点。在元件布局尽量紧凑、美观；在数字信号线走线上做到自然、平滑；高频部分包括匹配电感、电容布局尽量独立、避免干扰，并符合天线特性；节点接口分布采用TI标准接口形式，结构稳固可靠。由于CC2530集无线收发和微处理器于一体，只需要极少的辅助电路，因此PCB的设计要完全适合无线传感器网络应用。PCB板的尺寸为长宽高25mm？1mm？.6mm，接口为11？双排插针，间距2.54mm。接口管脚定义为TI的标准接口。

经实地测量，在不加功率增益的情况下有效传输距离120米；最大输出功率10dbm；接收灵敏度-97dbm；功耗方面：接收模式24ma，发送模式29ma，低功耗模式0.4ua。该设备具有功能模块专一、接口稳固通用的特点，8路模拟量输入接口，4路数字量输入输出接口，2路数字量输出接口和1个RS232接口。

3 结束语

本文介绍了一个无线传感器网络的设计，具有低功耗，软件易开发等优点。随着社会和科学技术的日益发展，无线传感器网络将得到日益广泛的应用。目前无线传感器网络在能耗、节点规模方面还有不足，随着这些问题的解决，无线传感器网络在环境监测、智能建筑以及军事等领域必然会得到越来与广泛的应用。

参考文献

[1] 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2] 沈建华，杨艳琴.MSP430系列超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

无线传感器网络篇7

关键词无线传感器网络;发展;组成;特点;关键技术;应用

中图分类号tp212文献标识码a文章编号 1007-5739(2010)01-0016-02

随着微机电技术、无线通信技术和数字信息处理技术的发展,低成本、低功耗、多功能、小尺寸的传感节点变成现实,此类节点包含有传感、数据处理和通信功能,传感节点可以在短距离内进行通信。与传统传感器不同的是,此类传感器依赖于大量传感节点的协同工作,传感器网络是对传统传感器的一大革新[1]。传感器网络被美国的《商业周刊》评为影响21世纪的21个方面[2],被美国麻省理工学院《技术评论》评为即将改变世界的十大技术[3]。

1无线传感器网络的发展

无线传感器网络的构想最初由美国军方提出,美国国防部高级研究所计划署于1978年开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络的研究,这被看成是无线传感器网络的雏形。此后,类似的项目在全美高校间广泛展开,著名的有uc berkeley的smart dust项目、ucla的wins项目以及多所机构联合攻关的sensit计划[4]等。在这些项目取得进展的同时,其应用也从军用转向民用。在森林火灾、洪水监测等环境应用中,在人体生理数据监测、药品管理等医疗应用中,在家庭环境的智能化应用及商务应用中都已形成。

2无线传感器网络的组成

2.1无线传感器网络的节点结构

无线传感器的网络节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成(见图1)[5]。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。

2.2无线传感器网络的网络结构

传感器网络是由大量的传感节点组成,传感节点部署在检测区域的附件传感器网络结构如图2所示,传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,监测任务以及收集监测数据。

3无线传感器网络的特点

传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统,节点数目更为庞大(上千甚至上万),节点分布更为密集;由于环境影响和能量耗尽,节点更容易出现故障;环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化;另外,传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用,其次才考虑节约能源;而传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用,这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一[6]。因为无线传感器网络的节点数量巨大,每个传感节点的尺寸和成本的的限制,而且还处在随时变化的环境中,这就使它有着不同于普通传感器网络的独特“个性”。

3.1无中心和自组网特性

在无线传感器网络中,所有节点的地位都是平等的,没有预先指定的中心,各节点通过分布式算法来相互协调,在无人值守的情况下,节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没有中心,网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。

3.2网络拓扑的动态变化性

网络中的节点是处于不断变化的环境中,它的状态也在相应地发生变化,加之无线通信信道的不稳定性,网络拓扑因此也在不断地调整变化,而这种变化方式是无人能准确预测出来的。

3.3传输能力的有限性

无线传感器网络通过无线电波进行数据传输,虽然省去了布线的烦恼,但是相对于有线网络,低带宽则成为它的天生缺陷。同时,信号之间还存在相互干扰,信号自身也在不断地衰减。

3.4能量的限制

为了测量真实世界的具体值,各个节点会密集地分布于待测区域内,人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量,或者从自身以外汲取能量(如太阳能)。

3.5安全性的问题

无线信道、有限的能量,分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此,安全性在网络的设计中至关重要。

4无线传感器网络的关键技术

4.1物理层技术

无线传感器网络是一个开放系统互联,按照国际标准化组织(iso)的规定,为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做物理层。从这个定义可以看出,物理层需要承担为数据终端提供数据传输通路、传输数据和完成管理工作的职责。具体到无线传感器网络就是介质的选择、频段的选择、调制技术以及扩频技术[7]。由于是无线网络,传输介质自然要选电磁波。不过,源信号要依靠电磁波传输必须通过调制技术变成高频信号,当抵达接受端时,又通过解调技术还原成原始信号。

在物理层面上,无线传感器网络遵从的主要是ieee 802.15.4标准。依照此标准,其物理层主要进行如下工作:激活和去活无线收发器,检测当前信道的能量,发送指示,信道频率的选择,数据发送与接收。ieee 802.15.4标准规划了几个工作频段。其中,2.4ghz频段的物理层可提供250kb/s的数据传输率,适用于高吞吐量、低延时或低作业周期的场合;工作在869/915mhz频段的物理层则能提供20kb/s的数据传输率,适用于低速率、高灵敏度和大覆盖面积的场合。依据ieee 802.15.4标准的协议被称为zigee,其传输带宽虽然不及wi-fi和blue tooth,但是能耗较低,非常适合无线传感器网络[8]。图3为各无线协议工作的频段。

4.2mac层协议

信号的传输要靠信道,因此信道也就成为了一种宝贵的资源。如何合理有效地分配信道,是数据链路层中的mac子层要解决的问题。

无线传感器网络经常使用的有3种mac协议,即传感器协议(s-mac)、分布式能量意识协议(de-mac)和协调设备协议[9]。s-mac协议通过调配节点的休眠方式来有效地分配信道;de-mac则采用周期性监听和休眠机制,避免空闲监听和串音,其目的是减少能耗和增加网络的生存周期;md协议则能为大规模、低占空比运行的节点提供不需要高精度时钟的可靠通信。总体来说,无线传感器网络的mac协议在分配信道的同时还要保证系统的能耗最低。

4.3路由协议

在具备底层传输协议的保障后,信息如何快速地从源传输到目的地是由路由协议来解决的。路由要实现2个基本功能,即确定最佳路径和通过网络传输信息。数据传输的途径存于路由表,由路由算法初始化并负责维护[8]。无线传感器网络与普通的网络不同,它具有能量受限、通信方式以数 据为中心、相邻节点的数据具有相似性、拓扑结构也在不断变化等特点。与此对应,常规网络的路由并不一定能适应无线传感器网络。

4.4能量管理

能耗是无线传感器网络所面临的最大问题,因为节点长期处于无人值守的状况下,有效的能耗策略必不可少。目前最常使用的策略是休眠机制,即在节点空闲时,使其处于休眠状态,此时其能耗降到最低。但是休眠的节点在转回正常状态的时候,往往会消耗大量的能量,因此寻找合理的状态转换策略是确保休眠机制成功的关键[10]。数据融合是另一项节能技术。多个邻近节点经常会采集同样的信息,发送这些冗余信息就给系统增加了不必要的负担。因此,通过本地计算和筛选,确保发送出最有效的信息就是数据融合的任务。其他能量管理策略还有冲突避免和纠错以及多跳短距离通信等。

4.5软件支持

tinyos是uc berkeley针对其无线传感器网络节点开发的操作系统。该系统不同于传统意义上的操作系统,它更像一个编程构架,在此构架下,搭配一组必要的组件,就能方便地编译出面向特定应用的操作系统。tinyos由众多组件组成,包括了主组件、应用组件、执行组件、传感组件、通信组件和硬件抽象组件。每一个组件在其内部都封装了命令处理程序和事件处理程序,它们通过接口声明所调用的命令和将要触发的事件。调度器则负责根据任务的轻重缓急来安排系统的工作。crossbow公司生产的mica传感器平台上就使用了tinyos系统[11]。实践证明,其基本应用只占用很少的系统资源,能圆满的完成数据采集、处理和通信组网以及数据传输等任务。

5无线传感器网络的应用

商业化的无线传感器产品中最常见的就是智能节点。uc berkeley是无线传感器研究开展较早的美国高校。基于他们研发成果的无线传感器器件被称为mote,这也是目前最为通用的一种无线传感器网络产品,是由crossbow公司生产的。最基本的mote组件是mica系列处理器+无线模块,完全符合ieee 802.15.4标准。最新型的mica2可以工作在868/916、433、315mhz 3个频带,数据速率为40kb/s,通信范围可达304.8m。其配备了128kb的编程用闪存和512kb的测量用闪存,4kb的eeprom,串行通信接口为uart模式。著名的芯片公司ti也推出了基于其低功耗处理器msp430单片机的无线传感器网络的组件和模块。

从应用的情况来看,北美的状况最好,在楼宇自动化、环境监控等方面,无线传感器网络已经开始大范围应用。但对于整理

6参考文献

[1] akyildiz i f,su w,sankarasubramaniam y,et al. wireless sensor networks:a survey[j]. comput netw,2002,38(4):393-422.

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[3] 吴选忠,宋执环.无线传感器络在周界防范系统中的应用[j].低压电器,2008(6):29-32,44.

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[5] 孙利民,李建中,陈渝.无线传感器网络[m].北京:清华大学出版社,2005.

[6] 李晓延.浅谈无线传感器网络[j].今日电子,2006(9):57-59.

[7] 蒋峥峥,王汝传,孙力娟.基于移动agent无线传感器网络节点自定位算法[j].计算机技术与发展,2007,17(6):1-4,8.

[8] 田鹰.无线传感器网络路由协议关键技术的研究[d].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2009.

[9] 杨少军.无线传感器网络若干关键技术研究[d].西安:西北工业大学,2006.

无线传感器网络篇8

摘 要：滑坡是一种严重的地质灾害，对居住在山区的人们的生命和财产造成严重的威胁，滑坡监测系统可采用ZigBee无线传感器网络技术和北斗卫星相结合对滑坡的状态进行监测。文章介绍了基于ZigBee无线传感器技术的滑坡监测系统的实际应用方法，研制了包括普通节点和网关节点、面向滑坡监测的无线传感器网络节点，从而完成了滑坡参数的实时采集和传输。

 

关键词：ZigBee；CC2530；无线传感器网络；滑坡监测

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）05-0029-03

0 引 言

无线传感器网络诞生于20世纪70年代，经过30多年的发展，无线传感器网络的应用逐渐转向民用，在河流、森林的环境监测中，在建筑环境的智能化应用中，以及在一些无法放置有线传感器的工业环境中，都已经出现了它的身影。无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）系统在当前备受关注，综合了传感器技术、现代网络技术及无线通信技术、分布式信息处理技术等。它是一种全新的信息获取技术，可实时采集监测区域内各对象的检测参数，并将这些数据发送到协调器节点，实现复杂监测区的目标检测与跟踪，并能够快速组网，而且拥有很强的抗毁性，因此其应用前景非常广泛。

 

1 传输系统工作原理

1.1 无线传感器网络的网络节点

无线传感器网络中数以千计的传感器节点被散布到监测区域内，节点相互之间以自组织的方式构成庞大的无线传感器网络。各节点之间通过协同去冗余的工作方式负责监测区域内的数据采集任务，然后采用多跳、中继等方式将信息传送到汇聚节点处，再由汇聚节点将信息集中传送至用户，以进行数据处理或对节点进行实时的控制或操作。图1所示是一个无线传感器网络的体系结构。

 

图1 无线传感器网络体系结构

由于无线传感器网络所处环境的影响，节点一般都是采用能量有限的电池进行供电，所以其数据存储和处理能力以及通信能力就会受到制约。从整个网络来看，每个传感器节点都具有网络节点和路由的双重“身份”，除了能完成数据采集和处理任务外，还能够将其他节点转发过来的数据信息进行存储、融合等处理。

 

1.2 无线传感器的节点结构

作为网络基本组成单元的无线传感器节点结构如图2所示，该结构也叫测试节点结构，主要由数据采集、处理、无线传输和电源四个部分组成。数据采集单元由各种传感器对监测区域内待测对象的信息进行采集；数据处理单元实现数据的存储、处理分析等功能；无线传输模块负责节点间的通信和数据传输；能量模块负责对传感器节点进行能量供应。当然，根据需要还会有其他扩展的功能模块，如北斗传输模块等。

 

图2 测试节点结构

1.3 无线传感器网络的选择

ZigBee无线传感器网络是基于IEEE 802.15.4技术标准和ZigBee网络协议而设计的无线数据传输网络。 传输距离为中短距离；传输速率低；通信可靠，采用碰撞避免机制，节点之间具有自动组网功能；短的时延，只有15～30 ms；免收专利费的ZigBee协议大大降低了开发成本；自配置、自组网；大容量的网络，整个网络可达到64 000个节点；通过工作和休眠模式实现长时间的监测。

 

ZigBee无线传感器网络由监控机、网关、路由节点和传感器节点4部分组成，图3所示是ZigBee网络的组成。据此，用户可以很方便地实现传感器网络的无线化和网络化。

 

图3 ZigBee网络组成

2 无线传感器系统硬件设计

2.1 无线传感器核心控制器选择

本设计采用CC2530芯片作为数据采集模块的处理器。CC2530的优势在于其集成度高，可支持多种不同应用，价格低廉，支持多种协议，具有业界最佳的RF 共存性以及选择性，在最小化干扰源影响的同时最大化稳健通信范围。CC2530模块可视通信距离最远可达400 m（实测）。

 

CC2530芯片是一种集成度较高的芯片，其电路相对很简单，最小系统所需器件很少，所以用CC2530芯片进行无线传感器网络的设计就相对简单。

2.2 网络节点的硬件组成

2.2.1 传感器节点设计

每个传感器节点包含孔隙水压力传感器、土壤水分传感器与倾角传感器元件、检波器、CC2530无线传感器处理收发模块、接口处理采集板和电池组。

2.2.2 网关节点设计

网关节点的硬件结构示意图如图4所示，网关节点也是由CC2530芯片构成，通过RS232连接TSS-0-03嵌入式北斗模块。另外，一个雨量计与网关节点连接，采集本地区的降雨量。网关节点将ZigBee网络采集到的数据进行缓存，并且定期将数据通过北斗卫星上传到监测中心，实现远距离通信。

 

图4 网关节点结构示意图

2.2.3 路由节点设计

路由节点的硬件设计和传感器采集节点的结构差不多，只是没有接传感器，由电源、CC2530芯片和天线组成。在网关不能与所有的传感器节点通信时，它作为一种中介使网关和传感器节点通信，实现路由通信功能。路由节点将来自传感器节点的数据传输到网关节点。当路由节点由于电池耗尽或故障，或是有新节点加入时，路由节点将重新选择路由链路。

 

3 无线传感器系统软件设计

3.1 网关节点程序设计

网关节点上电启动后，首先进行初始化，并自动建立了一个新的网络，这样其他节点上电后就可以自动加入到这个网络中。节点加入后给节点分配网络地址，然后对连接的北斗模块进行初始化。当收集到ZigBee网络传来的数据时进行ZigBee协议数据解包放入缓存区，通过RS232传送数据到北斗模块，再由北斗模块发送至监测中心。图5所示是网关节点的程序流程。

 

图5 网关节点程序流程图

3.2 采集节点程序设计

传感器节点上电后，进行节点初始化并向网关节点发送入网请求，加入成功后，进入休眠状态。按设定的时间对滑坡参数进行采集，然后向网关发送采集数据。也可以接收来自网关的命令，按照命令进行相应的动作。图6为传感器节点的程序流程。

 

4 结 语

本文对滑坡监测系统的Zigbee无线传感器网络提出了设计方案，研究了面向滑坡监测的无线传感器网络节点，包括普通节点和网关节点，完成了滑坡参数的实时采集和传输，为推进我国滑坡监测工作的信息化、自动化与智能化提供了一种有效的新思路。

 

参 考 文 献

[1] 章伟聪，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用，2011，20（7）：184-187.

[2] 梁光胜，刘丹娟，郝福珍.基于CC2430的ZigBee无线网络节点设计[J].电子设计工程，2010，18（2）：16-18.

[3] 孙旭光，高方平，陈丹琪，等.基于无线传感器网络的防盗监测系统设计[J].传感器与微系统，2009，28（10）：67-69.

无线传感器网络篇9

关键词：无线传感器网络路由协议研究

1 无线传感器网络路由协议

1.1 无线传感器网络路由协议特点

无线传感器网络路由协议以处理网络内数据为主要目的，有其固有的特点。

①传感器节点数量庞大，不易建立全局地址。

②传感器网络感知数据量大，需要从多个源感知数据到基站。

③传感器每个节点的传输能力、处理能力和存储能力都十分有限。

④传感器网络根据不同应用场景有不同类型。

⑤在大部分应用场景中，传感器节点一般固定在配置后面。

⑥数据聚集基于节点定位，故节点定位很重要，需要重视。

1.2 无线传感器网络路由协议设计要求

①算法的节能性：降低能量消耗是保证网络周期长运行且具有较好的通信功能的决定因素。一个节能的算法可降低网络的能耗量，延长网络的生命周期。

②算法的扩展性：在无线路由传感器网络使用过程中，随着传感器节点数量的增加，网络会逐渐繁冗，如果路由协议扩展性较好，可有效地融合新增节点，提高处理能力，延长网络的使用寿命。

③算法的容错性：分层结构中的传感器节点容易失效，可能导致簇头的高负载，甚至使网络瘫痪。因此，需要算法有一定的容错能力，维持网络的正常运行。

④数据融合：无线传感器在采集数据和传递的过程中可能产生较多冗余信息，加强数据融合可增强系统的简洁性，提高信息的准确率。

1.3 与传统网络的比较

与传统网络相比，无线传感器网络具有以下不同点：

①无线传感器网络节点数目庞大，在网络中无法给每一个节点赋予一个唯一的标识符，以与其他节点区分。所以典型的基于IP 的协议在无线传感器网络中不适用。

②无线传感器网络是无中心节点控制的自组织网络，而传统网络是客户端服务器模式。

③在传送数据方式上，与典型通讯网络不同的是，无线传感器网络需要将数据从多个源节点向一个汇节点传送。

④从应用场合上看，传统无线网络侧重于通信功能，而无线传感器网络以数据采集和传输为目的，通信数据量小，通信数据率较低。

2 无线传感器网络路由协议分类

无线传感器网络路由协议有多种分类方法。根据传感器节点在网络中的地位，无线传感器网络可分为平面型网络和层次型网络。因此将众多的路由协议分成两类――平面路由协议和分层路由协议。

2.1 平面路由协议

2.1.1 DD协议（Directed Diffusion）

定向扩散协议是以数据为中心的路由协议，由兴趣、数据消息、梯度和加强4个元素组成。定向扩散路由机制一般包括兴趣扩散、梯度建立和路径加强三个周期性的阶段。定向扩散协议以数据为中心进行工作，每一个节点都能收集数据、融合数据及存储数据，并可对数据进行缓存，且对网络拓扑没有特殊要求，使无线传感器网络能够保存更多的能量。所以，定向扩散协议具有较好的节能性和扩展性。但是其缺点是，定向扩散协议为了实现数据聚集，要求时间同步技术，这种技术在传感器网络中不易实现。由于定向扩散算法是询问驱动的路由算法，并不适用于所有的传感器网络。

2.1.2 谣传路由协议（Rumor routing）

定向扩散协议使用洪泛查询整个网络，在只有少量的数据被请求时，定向扩散协议的开销太大。谣传路由协议是对定向扩散协议的改进，是一种特殊的定向扩散协议，它的数据传输量较小。谣传路由仅需维护一条源到目的的路径，可显著降低开销。但是，谣传路由也存在自身的问题。谣传路由算法遇到网络拓扑结构频繁变化时会显著下降。同时，由于谣传路由的传播路径是随机进行的，可能不是最优路径。

2.1.3 SPIN路由协议(Sensor Protocols for Information via Negotiation)

SPIN是一组基于信息协商并且能有效数据的协议簇，有很多协议，主要的两个协议是SPIN-1和SPIN-2。SPIN-1和SPIN-2是简单高效的协议，不需维护每个邻居的状态。该协议的基本思想是，节点使用元数据命名原始数据，邻居节点根据元数据中包含的信息决定是否传送原始数据，并通过协商消除冗余数据，减少数据的发送量。此外，节点还能根据特定的应用需求和资源类型判断是否通信，有效地传输数据。

SPIN通过协商机制除去冗余信息, 能够为无线传感器网络节约大量能量。其缺点是sink节点周围的节点的电池消耗过快，并且无法保证数据能够顺利到达感兴趣的目的节点，不具扩展性。

2.2 分层路由协议

2.2.1 LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)

LEACH是一种分簇结构的分等级路由协议，基本思想是根据节点接收的信号的强度进行分簇，将整个网络的能量负载平均分配，在簇内轮流选择簇头节点，利用簇头节点传输数据，节省数据传输量，降低网络能源消耗。

LEACH算法提高了网络的稳健性，利用簇头传递信息减少节点与sink之间的能量消耗，且簇头的选择机制为动态的，可避免簇头能量过快耗尽，延长网络的生存时间。其缺点是建立阶段需不断分簇和选择簇头，协议开销大；每个节点可以直接与簇头和sink节点通信，导致网络扩展性不强，不适用于大型网络。

2.2.2 TEEN路由协议(Threshold-Sensitive Energy Efficient Protocols)

TEEN协议是在被观测变量发生变化时才传输数据的路由协议。

TEEN算法的基本思想是，在TEEN协议中存在软、硬两个阈值。硬阀值是可以激活传感器节点发送数据的最小属性值，再调节软阀值，感知属性值的变化幅度，可平衡系统消耗与监测精度。通过合理设置硬、软阀值的大小，可大大减少数据传输的次数，降低网络能源消耗。该协议的缺点是若没有收到门限值，节点将无法通信，用户也得不到数据。由于阀值的设置使网络复杂化，增加了网络的开销。

2.2.3 PEGASIS路由协议(Power-Efficient Gathering in Sensor Information System)

该协议是基于链的能量有效协议，是对LEACH协议的改进。该算法的基本思想是传感器节点形成链，在传输数据时仅从链中选择一个节点作为簇头向sink点传送。每个节点从邻居节点接收和发送数据到另一个节点，并将数据聚集，最后传输到基站。

PEGASIS与LEACH相比，采用多跳路由方式，只用一个节点与基站通信，且利用数据融合，减少与基站的通信，避免了LEACH的动态分簇的开销，延长了网络的生存时间。PEGASIS的不足是链中远距离的节点会延迟信息传递，单一的簇头节点可能会成为数据传输的关卡。

3 结语

无线传感器网络是一种新型网络，目前已有很多各具优点的路由协议，可从某些方面提高网络性能，延长网络生存时间。但是这些算法一般存在自身局限性，实际应用时存在较多问题。所以，无线传感器网络路由协议的研究仍是个重大课题，对于无线传感器网络能否大规模应用有着决定性的意义。

参考文献：

[1]唐勇，周明天，张欣.无线传感器网络路由协议研究进展[J]. 软件学报.2006(03).

[2]周贤伟，刘宾，覃伯平.无线传感器网络的路由算法研究[J]. 传感技术学报.2006(02).

无线传感器网络篇10

关键词无线传感器网络;发展;组成;特点;关键技术;应用

中图分类号tp212文献标识码a文章编号 1007-5739(2010)01-0016-02

随着微机电技术、无线通信技术和数字信息处理技术的发展,低成本、低功耗、多功能、小尺寸的传感节点变成现实,此类节点包含有传感、数据处理和通信功能,传感节点可以在短距离内进行通信。与传统传感器不同的是,此类传感器依赖于大量传感节点的协同工作,传感器网络是对传统传感器的一大革新[1]。传感器网络被美国的《商业周刊》评为影响21世纪的21个方面[2],被美国麻省理工学院《技术评论》评为即将改变世界的十大技术[3]。

1无线传感器网络的发展

无线传感器网络的构想最初由美国军方提出,美国国防部高级研究所计划署于1978年开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络的研究,这被看成是无线传感器网络的雏形。此后,类似的项目在全美高校间广泛展开,著名的有uc berkeley的smart dust项目、ucla的wins项目以及多所机构联合攻关的sensit计划[4]等。在这些项目取得进展的同时,其应用也从军用转向民用。在森林火灾、洪水监测等环境应用中,在人体生理数据监测、药品管理等医疗应用中,在家庭环境的智能化应用及商务应用中都已形成。

2无线传感器网络的组成

2.1无线传感器网络的节点结构

无线传感器的网络节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成(见图1)[5]。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。

2.2无线传感器网络的网络结构

传感器网络是由大量的传感节点组成,传感节点部署在检测区域的附件传感器网络结构如图2所示,传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,监测任务以及收集监测数据。

3无线传感器网络的特点

传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统,节点数目更为庞大(上千甚至上万),节点分布更为密集;由于环境影响和能量耗尽,节点更容易出现故障;环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化;另外,传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用,其次才考虑节约能源;而传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用,这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一[6]。因为无线传感器网络的节点数量巨大,每个传感节点的尺寸和成本的的限制,而且还处在随时变化的环境中,这就使它有着不同于普通传感器网络的独特“个性”。

3.1无中心和自组网特性

在无线传感器网络中,所有节点的地位都是平等的,没有预先指定的中心,各节点通过分布式算法来相互协调,在无人值守的情况下,节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没有中心,网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。

3.2网络拓扑的动态变化性

网络中的节点是处于不断变化的环境中,它的状态也在相应地发生变化,加之无线通信信道的不稳定性,网络拓扑因此也在不断地调整变化,而这种变化方式是无人能准确预测出来的。

3.3传输能力的有限性

无线传感器网络通过无线电波进行数据传输,虽然省去了布线的烦恼,但是相对于有线网络,低带宽则成为它的天生缺陷。同时,信号之间还存在相互干扰,信号自身也在不断地衰减。

3.4能量的限制

为了测量真实世界的具体值,各个节点会密集地分布于待测区域内,人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量,或者从自身以外汲取能量(如太阳能)。

3.5安全性的问题

无线信道、有限的能量,分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此,安全性在网络的设计中至关重要。

4无线传感器网络的关键技术

4.1物理层技术

无线传感器网络是一个开放系统互联,按照国际标准化组织(iso)的规定,为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做物理层。从这个定义可以看出,物理层需要承担为数据终端提供数据传输通路、传输数据和完成管理工作的职责。具体到无线传感器网络就是介质的选择、频段的选择、调制技术以及扩频技术[7]。由于是无线网络,传输介质自然要选电磁波。不过,源信号要依靠电磁波传输必须通过调制技术变成高频信号,当抵达接受端时,又通过解调技术还原成原始信号。

在物理层面上,无线传感器网络遵从的主要是ieee 802.15.4标准。依照此标准,其物理层主要进行如下工作:激活和去活无线收发器,检测当前信道的能量,发送指示,信道频率的选择,数据发送与接收。ieee 802.15.4标准规划了几个工作频段。其中,2.4ghz频段的物理层可提供250kb/s的数据传输率,适用于高吞吐量、低延时或低作业周期的场合;工作在869/915mhz频段的物理层则能提供20kb/s的数据传输率,适用于低速率、高灵敏度和大覆盖面积的场合。依据ieee 802.15.4标准的协议被称为zigee,其传输带宽虽然不及wi-fi和blue tooth,但是能耗较低,非常适合无线传感器网络[8]。图3为各无线协议工作的频段。

4.2mac层协议

信号的传输要靠信道,因此信道也就成为了一种宝贵的资源。如何合理有效地分配信道,是数据链路层中的mac子层要解决的问题。

无线传感器网络经常使用的有3种mac协议,即传感器协议(s-mac)、分布式能量意识协议(de-mac)和协调设备协议[9]。s-mac协议通过调配节点的休眠方式来有效地分配信道;de-mac则采用周期性监听和休眠机制,避免空闲监听和串音,其目的是减少能耗和增加网络的生存周期;md协议则能为大规模、低占空比运行的节点提供不需要高精度时钟的可靠通信。总体来说,无线传感器网络的mac协议在分配信道的同时还要保证系统的能耗最低。

4.3路由协议

在具备底层传输协议的保障后,信息如何快速地从源传输到目的地是由路由协议来解决的。路由要实现2个基本功能,即确定最佳路径和通过网络传输信息。数据传输的途径存于路由表,由路由算法初始化并负责维护[8]。无线传感器网络与普通的网络不同,它具有能量受限、通信方式以数 据为中心、相邻节点的数据具有相似性、拓扑结构也在不断变化等特点。与此对应,常规网络的路由并不一定能适应无线传感器网络。

4.4能量管理

能耗是无线传感器网络所面临的最大问题,因为节点长期处于无人值守的状况下,有效的能耗策略必不可少。目前最常使用的策略是休眠机制,即在节点空闲时,使其处于休眠状态,此时其能耗降到最低。但是休眠的节点在转回正常状态的时候,往往会消耗大量的能量,因此寻找合理的状态转换策略是确保休眠机制成功的关键[10]。数据融合是另一项节能技术。多个邻近节点经常会采集同样的信息,发送这些冗余信息就给系统增加了不必要的负担。因此,通过本地计算和筛选,确保发送出最有效的信息就是数据融合的任务。其他能量管理策略还有冲突避免和纠错以及多跳短距离通信等。

4.5软件支持

tinyos是uc berkeley针对其无线传感器网络节点开发的操作系统。该系统不同于传统意义上的操作系统,它更像一个编程构架,在此构架下,搭配一组必要的组件,就能方便地编译出面向特定应用的操作系统。tinyos由众多组件组成,包括了主组件、应用组件、执行组件、传感组件、通信组件和硬件抽象组件。每一个组件在其内部都封装了命令处理程序和事件处理程序,它们通过接口声明所调用的命令和将要触发的事件。调度器则负责根据任务的轻重缓急来安排系统的工作。crossbow公司生产的mica传感器平台上就使用了tinyos系统[11]。实践证明,其基本应用只占用很少的系统资源,能圆满的完成数据采集、处理和通信组网以及数据传输等任务。

5无线传感器网络的应用