引論：我們?yōu)槟砹?3篇無線傳感器網(wǎng)絡范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫作時的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。
篇1
無線傳感器網(wǎng)絡是由大量的具有特定功能的傳感器節(jié)點通過自組織的無線通訊方式,相互傳遞信息,協(xié)同的完成特定功能的智能專用網(wǎng)絡[1]。它可以實時的監(jiān)測,感知和采集網(wǎng)絡所監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息,并對收集到的信息進行處理后傳送給終端用戶。
二、無線傳感器網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)
無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)基本包括傳感器節(jié)點(sensor node),匯聚節(jié)點(sink node)和管理節(jié)點,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。大量的傳感器節(jié)點隨機的布置在檢測區(qū)域,節(jié)點以自組織的形式構(gòu)成網(wǎng)絡,通過多條中繼方式將檢測到的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點,最后通過Internet或其他網(wǎng)絡通訊方式將檢測信息傳送到管理節(jié)點。同樣的,用戶可以通過管理節(jié)點進行命令的,告知傳感器節(jié)點收集檢測信息[2]。
傳感器節(jié)點是一個具有信息采集,處理和通信能力的微型嵌入式計算機系統(tǒng),但是受限于攜帶電池能量有限的原因,其處理能力相對較弱。結(jié)構(gòu)如圖2所示。從網(wǎng)絡功能上看,每個傳感器節(jié)點除了要處理本地的信息,還需要協(xié)助其他節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)和處理信息。
三、無線傳感器網(wǎng)絡的幾個具體關(guān)鍵問題
(一)物理層協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡是一個開放系統(tǒng)互聯(lián),按照國際標準化組織(ISO)的規(guī)定,為數(shù)據(jù)流傳輸所需的物理連接的建立、維護和釋放提供的機械的、電氣的、功能和規(guī)程性的模塊就叫做物理層。從這個定義可以看出,物理層需要承擔為數(shù)據(jù)終端提供數(shù)據(jù)傳輸通路、傳輸數(shù)據(jù)和完成管理工作的職責。具體到無線傳感器網(wǎng)絡就是介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)以及擴頻技術(shù)。因為是無線網(wǎng)絡,傳輸介質(zhì)自然要選電磁波了。不過,源信號要依靠電磁波傳輸必需要通過調(diào)制技術(shù)變成高頻信號,當?shù)诌_接受端時,又通過解調(diào)技術(shù)還原成原始信號。目前采用的調(diào)制方法分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種。它們的區(qū)別就在于調(diào)制信號所用的基帶信號的模式不同而已(一為數(shù)字,一為模擬)。
(二)MAC層協(xié)議[3]。信號的傳輸要靠信道,因此信道也就成為了一種寶貴的資源。怎樣合理有效的分配信道,就是數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC子層要解決的問題了。
無線傳感器網(wǎng)絡經(jīng)常使用的有三種MAC協(xié)議:傳感器協(xié)議(S-MAC),分布式能量意識協(xié)議(DE-MAC)和協(xié)調(diào)設備協(xié)議。S-MAC協(xié)議通過調(diào)配節(jié)點的休眠方式來有效地分配信道;DE-MAC則采用周期性監(jiān)聽和休眠機制,避免空閑監(jiān)聽和串音,其目的是減少能耗和增加網(wǎng)絡的生存周期;MD協(xié)議則能為大規(guī)模、低占空比運行的節(jié)點提供了不需要高精度時鐘的可靠通信。
總體來說,無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議在分配信道的同時還要保證系統(tǒng)的能耗最低。
(三)路由。在具備底層傳輸協(xié)議的保障后,信息怎樣快速地從源傳輸?shù)侥康牡鼐褪怯陕酚蓞f(xié)議來解決了。簡單來說,路由要實現(xiàn)兩個基本功能:確定最佳路徑和通過網(wǎng)絡傳輸信息。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩酱嬗诼酚杀?由路由算法初始化并負責維護。
無線傳感器網(wǎng)絡與普通的網(wǎng)絡不同,它有自己的特點:比如能量受限,通信方式以數(shù)據(jù)為中心,相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)有著相似性,拓撲結(jié)構(gòu)也在不斷的變化等。與此對應,常規(guī)網(wǎng)絡的路由并不一定能適應無線傳感器網(wǎng)絡。
下面來介紹幾種常見的路由協(xié)議:
1.泛洪式路由。這是一種非常傳統(tǒng)的路由協(xié)議。泛洪式路由不進行維護網(wǎng)絡拓撲和相關(guān)路由計算,只負責以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,因此效率并不高。
2.SPIN。SPIN是一組基于協(xié)商并且具有能量自適應功能的協(xié)議。節(jié)點之間通過協(xié)商來確定是否有發(fā)送信號的必要,并實時監(jiān)控網(wǎng)絡中的能量負載來改變工作模式。以上兩種協(xié)議都是平面路由協(xié)議,依照這種協(xié)議,節(jié)點并不進行分區(qū)歸類。
3.LEACH。LEACH是一種分層網(wǎng)絡協(xié)議,它以循環(huán)的方式隨機選擇簇首節(jié)點,將全網(wǎng)絡的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點,從而達到降低網(wǎng)絡能源消耗的目的。這里要解釋一下簇,簇是分層路由協(xié)議的概念,根據(jù)分層路由協(xié)議,網(wǎng)絡被劃分成不同簇,每一個簇由一個簇首和簇成員組成,多個簇首形成高級的網(wǎng)絡,簇首節(jié)點不僅負責其轄下簇內(nèi)信息的收集和融合處理,還負責簇之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。
4.PEGASIS。PEGASIS可謂LEACH的升級版本。按照其規(guī)定,只有最為鄰近的節(jié)點才相互通信,節(jié)點與匯聚點輪流通信,當所有的節(jié)點都與匯聚點通信后,節(jié)點再進行新一回合的輪流通信。
(四)軟件的支持[4]。無線傳感器網(wǎng)絡也有一個屬于自己的操作系統(tǒng)TinyOS。這個系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)意義上的操作系統(tǒng),它更像一個編程構(gòu)架,在此構(gòu)架下,搭配一組必要的組件,就能方便地編譯出面向特定應用的操作系統(tǒng)。
TinyOS由眾多組件組成,包括了主組件、應用組件、執(zhí)行組件、傳感組件、通信組件和硬件抽象組件。每一個組件在其內(nèi)部都封裝了命令處理程序和事件處理程序,它們通過接口聲明所調(diào)用的命令和將要觸發(fā)的事件。調(diào)度器則負責根據(jù)任務的輕重緩急來安排系統(tǒng)的工作。
四、結(jié)束語
無線傳感器網(wǎng)絡這種新興的技術(shù)發(fā)展迅猛,已經(jīng)成為無線網(wǎng)絡研究的熱點。在全球范圍內(nèi)此技術(shù)目前基本處于理論研究和實驗室試驗階段,國內(nèi)的研究起步也開始不久,從理論上和實際應用都有待于深入研究。
參考文獻:
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篇2
Network Management of Wireless Sensor Networks
DU Jing-lin1,SHI Lan2
(1.Nanjing University of Information Science and Technology Department of Electronic and information Engineering,Nanjing 21004,China;2. Department of Remote sensing,Nanjing 21004,China)
Abstract:Wireless sensor networks are networks consisting of small sensors that are limited in both power and processing. These sensor networks are often used in monitoring applications, such as the environment, structures and animal habitats. Network management is key function in all of networks, including sensor networks. The nature of wireless sensor networks makes networks management a more difficult than that of traditional networks. One main property of network management of sensor networks is topology management. This paper gives a brief background on network management and how it is used into sensor networks. It provides a more detailed look at topology management and some existing topology management algorithms.
Key words:Wireless sensor networks;network management;topology management;Energy conserving
1 概述
無線傳感器網(wǎng)路是由許多能量和處理能力有限的傳感器節(jié)點組成。這種網(wǎng)絡能夠用在許多不同的應用，包括環(huán)境監(jiān)測、軍事應用、結(jié)構(gòu)控制與監(jiān)測、野生動物習性的監(jiān)測等。無線傳感器網(wǎng)絡在這些應用面臨著許多挑戰(zhàn)，其中最主要的問題是能力消耗問題。傳感器網(wǎng)絡是典型的無人看護網(wǎng)絡，并且緊靠有限電池供電，因此節(jié)省能量是部署傳感器網(wǎng)絡非常關(guān)鍵的問題。
所有類型的網(wǎng)絡都需要管理和維護。所有的網(wǎng)絡管理都需要一些網(wǎng)絡的管理形式，不同類型網(wǎng)絡可能強調(diào)網(wǎng)絡網(wǎng)絡管理的不同方面。在網(wǎng)絡的管理上通常有以下幾種的不同的管理結(jié)構(gòu)：集中式的管理、層次式的管理結(jié)構(gòu)，分布式的管理結(jié)構(gòu)。在集中式管理中，一個中心服務器用來執(zhí)行網(wǎng)絡管理應用角色；在層次式管理中，包括多個管理平臺，通常有一個服務器和多個客戶端組成網(wǎng)絡管理應用；為了實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡管理功能需要分布式管理體系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)也適合無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡管理，在這種結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)利用多個對等平臺來共同管理任務。這種結(jié)構(gòu)可以提供更好的擴展性、可用性和可靠性。
2 網(wǎng)絡管理
無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡管理與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的網(wǎng)絡管理相似，有著相同的管理任務不同的管理方式。例如，性能管理也包括監(jiān)測網(wǎng)絡保證網(wǎng)絡的覆蓋與連接。傳感器網(wǎng)絡中的安全管理非常困難，因為網(wǎng)絡的自組織特點，采用無線通信以及資源有限。傳感器網(wǎng)絡中的管理一個主要目標是自主性，特別是在故障管理和自動配置中十分重要。由于傳感器網(wǎng)絡是無人看護網(wǎng)絡，自主發(fā)現(xiàn)錯誤，自主修復的能力就非常重要；另一個主要問題是，當網(wǎng)絡中一個節(jié)點實效后，不能影響整個網(wǎng)絡的操作，不像傳統(tǒng)網(wǎng)絡設備出現(xiàn)故障后會影響一些用戶甚至整個網(wǎng)絡。
在傳感器網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡管理有一些新的功能，其中包括拓撲管理、能量管理以及編程管理。節(jié)省能量是傳感器網(wǎng)絡中的一個重要方面。節(jié)能可以在網(wǎng)絡管理的不同層面和不同方式下進行。其中最通用的辦法是當節(jié)點空閑關(guān)閉電源，現(xiàn)在又許多協(xié)議和算法建立都是為了節(jié)省能力。例如，為傳感器網(wǎng)絡開發(fā)的特別的MAC協(xié)議和路由協(xié)議，當傳輸數(shù)據(jù)時，高效的節(jié)省電池的能量。編程和代碼管理是傳感器網(wǎng)絡中的另一個主要功能。傳統(tǒng)的程序升級等功能是通過把節(jié)點連接到手提電腦或者PDA等設備上來實現(xiàn)，但是在大規(guī)模的網(wǎng)絡管理中，這種方式很不顯示現(xiàn)實，這就需要當某些節(jié)點需要更新程序時，通過網(wǎng)絡把有限的數(shù)據(jù)報通過自組織網(wǎng)絡傳送過去。目前在程序升級領(lǐng)域也是一個非常活躍的研究方向。在無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡管理中還有一些主要的思想與傳統(tǒng)網(wǎng)絡不同。節(jié)省能量是傳感器網(wǎng)絡的主要問題，次之就是如何高效利用帶寬。一種方法就是通過提取網(wǎng)絡一部分節(jié)點的管理信息來實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的管理。節(jié)省能力和有效利用帶寬的一個主要辦法就是數(shù)據(jù)聚集。在傳感器網(wǎng)絡中一個網(wǎng)絡節(jié)點和其鄰居節(jié)點都采集數(shù)據(jù)，通過比較和數(shù)據(jù)聚集的辦法，只傳送一個數(shù)據(jù)信息，消除冗余節(jié)點的數(shù)據(jù)，采用一定的數(shù)據(jù)收集策略，就可以大大減少數(shù)據(jù)信息的傳送量，起到節(jié)省能量和帶寬的目的。傳統(tǒng)網(wǎng)絡管理是集中式的應用，而無線傳感器網(wǎng)絡是分布式的架構(gòu)。網(wǎng)絡管理不應該就是收集所有節(jié)點的數(shù)據(jù)，然后無線的傳送到中心管理節(jié)點上，在中更應該采用網(wǎng)內(nèi)處理辦法，采用合適的數(shù)據(jù)聚集算法，來減少數(shù)據(jù)傳輸，減少能量消耗和帶寬的開銷。
3 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)管理
無線傳感器網(wǎng)絡的主要問題是節(jié)能，而這也正是拓撲管理的主要的目標。拓撲管理的另一個主要目標是拓撲控制，也就是保證網(wǎng)絡的連通性。在無線傳感器網(wǎng)絡中拓撲管理主要有三個方面的想法：拓撲發(fā)現(xiàn)、睡眠周期管理和成簇管理方法。根據(jù)文獻[3]，可知在無線傳感器網(wǎng)絡中的拓撲管理主要有以下六個特點：1）對稱性2）連通性3）生成性4）分散性5）低度性6）低干擾性。
3.1拓撲發(fā)現(xiàn)
拓撲發(fā)現(xiàn)包括一個基站和整個網(wǎng)絡節(jié)點網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)和組織。網(wǎng)絡中節(jié)點之間的物理連接情況或者節(jié)點之間的邏輯關(guān)系信息傳輸?shù)焦芾砉?jié)點上，用來維護整個傳感器網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)圖。基站或者管理站點向整個網(wǎng)絡發(fā)出拓撲發(fā)現(xiàn)請求，網(wǎng)絡上的節(jié)點通過網(wǎng)絡將相關(guān)信息傳送回來。在拓撲發(fā)現(xiàn)中主要兩種方法，一種方法是采用直接的辦法，節(jié)點一旦接受請求信息就立即傳送包含特定節(jié)點信息的響；另一種方法是采用聚集的辦法，這種辦法中，節(jié)點不是立即響應，而是等待其子孫節(jié)點將信息傳回來后，通過聚集然后將信息會傳給初始化節(jié)點。
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現(xiàn)有一些對拓撲發(fā)現(xiàn)問題的解決方法。例如TopDisc[1]算法使用樹結(jié)構(gòu)，樹的根節(jié)點是網(wǎng)絡監(jiān)測節(jié)點，用來發(fā)現(xiàn)整個網(wǎng)絡的拓撲。當一個拓撲發(fā)現(xiàn)的請求被傳送出去，節(jié)點的鄰居集就創(chuàng)建了。TopDisc算法在節(jié)點中創(chuàng)建了簇，并且標識簇頭節(jié)點用來報告整個網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)。這是一個近似于貪心的算法來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡的覆蓋集，算法的開始是通過監(jiān)測節(jié)點廣播一個拓撲發(fā)現(xiàn)請求包，然后在整個網(wǎng)絡中傳播來實現(xiàn)的。TopDisc算法是近似于集中式的工作方式。該算法有一些可能的應用，如其可以用來報告幾個網(wǎng)絡圖，包括網(wǎng)絡連通圖、網(wǎng)絡可達圖等，還可以用來產(chǎn)生網(wǎng)絡節(jié)點的能量分布圖以及節(jié)點使用分布圖。
3.2睡眠周期管理
在無線傳感器網(wǎng)絡有些協(xié)議和算法通過讓一些冗余節(jié)點周期性的休眠來達到網(wǎng)絡節(jié)能的目的。這些算法主要是在一定周期內(nèi)來決定選取哪些節(jié)點集進入休眠狀態(tài)，而當休眠期結(jié)束，必須通過一定的機制來喚醒，以使其在下一輪進入工作狀態(tài)。因此維護傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的睡眠周期是這類算法協(xié)議的主要職責。
這種拓撲管理中的一個算法是STEM算法[4，5]，該算法中，節(jié)點在大部分時間里用來感知數(shù)據(jù)，一旦把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，就把節(jié)點無線發(fā)射裝置關(guān)閉，因為無線通信是最主要的耗能源，等需要有數(shù)據(jù)時在開始通性設備。通常在這種算法要在傳感器節(jié)點上裝有兩個無線通信設備，其中第二個無線設備為低負載裝置，主要用來發(fā)送喚醒消息。在STEM算法中最主要的問題是延時，當網(wǎng)絡中一個節(jié)點要通過一個休眠節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，必須等待其被喚醒才可以實現(xiàn)，帶來網(wǎng)絡的延遲，而在一些應用中，實時性是非常關(guān)鍵的。
3.3基于簇的管理
在現(xiàn)在有許多基于簇管理的算法用來拓撲管理。這些算法可以根據(jù)許多方式進行分類，如：基于位置信息和不基于位置信息的；分布式和集中的；基于節(jié)點ID和節(jié)點度的。我們通過對于基于簇的拓撲管理算法分析總結(jié)，按照一定特點歸結(jié)為表1。
3.4拓撲管理面臨的挑戰(zhàn)
傳感器網(wǎng)絡中的協(xié)議和算法的主要設計目標都是節(jié)能，這也是拓撲管理算法的目標。通過減少能量的消耗來最大化網(wǎng)絡的生命周期。算法的維護開銷應該最小化，如果算法中不要求位置信息和時間同步，這將是對能量節(jié)省是非常有利的。在實際的應用場景中，移動性是需要的，因此在未來的研究中，能夠支持移動性以及由于某些節(jié)點實效而要求算法的魯棒性都是十分必要的。
4 總結(jié)與展望
網(wǎng)絡管理是所有類型網(wǎng)絡中都非常關(guān)鍵的功能。在傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡管理是由服務器控制的典型集中式結(jié)構(gòu)，主要包括了網(wǎng)絡故障管理、配置管理、安全管理、性能管理以及賬戶的管理。
無線傳感器網(wǎng)絡中包括有許多傳感器節(jié)點，并且受到了電源和能量的制約。網(wǎng)絡管理在無線傳感器網(wǎng)絡是非常關(guān)鍵的，采用分布式的運行方式更為實際。傳感器網(wǎng)絡中網(wǎng)絡管理主要包括了能量管理、編程管理以及拓撲管理。而在拓撲管理中主要可以通過定時讓一些節(jié)點進入休眠周期來達到節(jié)能的目的，通過簇管理算法來實現(xiàn)網(wǎng)絡的穩(wěn)定性與節(jié)點。目前已經(jīng)有了許多相關(guān)的算法，未來需要更加魯棒、更加節(jié)能的算法，在該領(lǐng)域還有許多工作亟待解決。
表1 無線傳感器網(wǎng)絡簇結(jié)構(gòu)算法
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篇3
IEEE正在努力推進無線傳感器網(wǎng)絡的應用和發(fā)展，美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時，更是將無線傳感器網(wǎng)絡列為第一項未來新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》預測的未來四大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡也列入其中。可以預計，無線傳感器網(wǎng)絡的廣泛是一種必然趨勢，它的出現(xiàn)將會給人類社會帶來極大的變革。
一、無線傳感器網(wǎng)絡的組成
一個完整的無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)主要由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、用戶節(jié)點三部
分組成。大量傳感器節(jié)點被放置在監(jiān)測區(qū)域（云圖包圍部分），假定傳感器節(jié)點A有監(jiān)測數(shù)據(jù)要上報到用戶節(jié)點，則通過自組織路由協(xié)議建立A，B，C，D之間的無線鏈路，D再通過與之連接的匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)經(jīng)由衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)或移動通信網(wǎng)等傳輸網(wǎng)絡送達用戶節(jié)點。由于被監(jiān)測區(qū)域往往不方便建立固定設施及有線鏈路，因此傳感器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸通常采取無線方式，而匯聚節(jié)點與用戶節(jié)點之間的傳輸既可采用有線方式，也可采用無線方式。
在無線傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點是整個網(wǎng)絡的基礎，它們擔負著感知數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)及傳輸數(shù)據(jù)的功能。
傳感器節(jié)點主要由傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、計算模塊、存儲模塊、通信模塊、電源模塊幾部分組成，并在嵌人式軟件系統(tǒng)的支持下完成傳感器節(jié)點的各項功能。傳感器負責各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取，將感知對象轉(zhuǎn)變成電信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將非數(shù)字監(jiān)測信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，方便后期處理。計算模塊和存儲模塊主要處理傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換送來的監(jiān)測數(shù)據(jù)。通信模塊將計算模塊的處理結(jié)果通過無線方式傳輸?shù)较乱粋€節(jié)點。
二、無線傳感網(wǎng)的熱點研究問題
2.1 安全問題
2.1.1 安全路由
通常，在無線傳感器網(wǎng)絡中，大量的傳感器節(jié)點密集分布在一個區(qū)域里，消息可能需要經(jīng)過若干節(jié)點才能到達目的地，而且傳感器網(wǎng)絡具有動態(tài)性和多跳結(jié)構(gòu)，要求每個節(jié)點都應具有路由功能。由于每個節(jié)點都是潛在的路由節(jié)點，因此更易受到攻擊，使網(wǎng)絡不安全。網(wǎng)絡層路由協(xié)議為整個無線傳感器網(wǎng)絡提供了關(guān)鍵的路由服務，安全的路由算法會直接影響無線傳感器網(wǎng)絡的安全性和可用性。安全路由協(xié)議一般采用鏈路層加密和認證、多路徑路由、身份認證、雙向連接認證和認證廣播等機制，有效提高網(wǎng)絡抵御外部攻擊的能力，增強路由的安全性。
2.1.2 安全協(xié)議
在安全保障方面主要有密鑰管理和安全組播兩種方式。1）密鑰管理：無線傳感器網(wǎng)絡有諸多限制，例如節(jié)點能力限制，使其只能使用對稱密鑰和Hash技術(shù)；電源能力限制，應使其在無限傳感器網(wǎng)絡中盡量減少通信，因為通信的耗電將大于計算的耗電；傳感器網(wǎng)絡還應考慮匯聚等減少數(shù)據(jù)冗余的問題。在部署節(jié)點前，將密鑰預先配置在節(jié)點中，通常，預配置的密鑰方案通過預存的秘密信息計算會話密鑰，由于節(jié)點存儲和能量的限制，預配置密鑰管理方案必須考慮節(jié)省存儲空間和減少通信開銷。2）安全組播：無線傳感器網(wǎng)絡可能設置在敵對環(huán)境中，為了防止供給者向網(wǎng)絡注入偽造信息，需要在無線傳感器網(wǎng)絡中實現(xiàn)基于源端認證的安全組播。
2.2 能量問題
傳感器的節(jié)點分布眾多，并且需要進行監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理等活動，而無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點一般用電池供電，可使用的電量非常有限，并且對于有成千上萬節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡來說，更換電池非常困難，甚至是不可能的，但是卻要求無線傳感器網(wǎng)絡的生存時間長達數(shù)月甚至數(shù)年，因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能節(jié)約無線傳感器網(wǎng)絡的電池能量成為無線傳感器網(wǎng)絡軟硬件設計中的核心問題。現(xiàn)在已有一些解決方法，在大多數(shù)網(wǎng)絡應用中，由于傳感器節(jié)點監(jiān)測事件的偶發(fā)性，沒有必要讓所有單元均工作在正常狀態(tài)下，可采用休眠模式，能自適應的休眠和喚醒，進行突發(fā)工作，節(jié)省能量。還可將所有功耗單元有機組合，形成不同狀態(tài)，讓傳感器節(jié)點能根據(jù)需要在不同狀態(tài)間切換，這樣既可以滿足系統(tǒng)需要，又節(jié)省了能源。還可以動態(tài)調(diào)節(jié)電壓以節(jié)省能量，根據(jù)負載狀態(tài)動態(tài)調(diào)節(jié)供電電壓，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，節(jié)省能量。總之，在滿足系統(tǒng)要求的情況下，采用各種方法降低耗電量非常必要。
三、總結(jié)
本文總結(jié)了當前制約無線傳感器網(wǎng)絡實際應用的因素及目前的研究熱點。無線傳感網(wǎng)絡最終將成為聯(lián)系信息世界和客觀物理實際的接口，從而人類可以通過傳感器網(wǎng)絡獲得客觀物理世界的信息并采取相應措施。
篇4
ZigBee技術(shù)是一種低成本的雙向通信技術(shù)，與其他無線通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)的優(yōu)點突出表現(xiàn)在以下幾個方面：通信速率高、使用掌握該技術(shù)簡單、能耗低、傳輸速率雖低但相對其他無線傳輸技術(shù)速率有較大提高、安全性能較高。
ZigBee協(xié)議棧自上而下由應用層、應用支持子層、網(wǎng)絡層、介質(zhì)訪問層和物理層組成。其中，每一層都由下層來提供服務，數(shù)據(jù)傳輸服務由數(shù)據(jù)實體來提供，而其余服務由管理實體來提供。通過服務接入點SAP，服務實體給上層提供接口，而每個SAP都會支持一定數(shù)目的服務原語，從而完成所需要的功能。ZigBee的分層架構(gòu)是在OSI七層模型的基礎上根據(jù)實際應用制定的。
2 組網(wǎng)流程
本設計采用星型結(jié)構(gòu)。中心節(jié)點是由全功能設備協(xié)調(diào)器實現(xiàn)的，協(xié)調(diào)器節(jié)點主要是建立網(wǎng)絡和管理網(wǎng)絡，同時還可以實現(xiàn)與終端節(jié)點的數(shù)據(jù)交換。而終端節(jié)點在該網(wǎng)絡中是下位機，主要完成數(shù)據(jù)采集，以及向協(xié)調(diào)器發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。
ZigBee網(wǎng)絡實現(xiàn)的大概順序為：
（1）協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡；
（2）終端節(jié)點發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡；
（3）終端節(jié)點申請加入網(wǎng)絡，協(xié)調(diào)器響應該請求；
（4）節(jié)點間開始數(shù)據(jù)通信。
其組網(wǎng)流程圖如圖1所示。
在TI公司推出的Z-stack的協(xié)議棧里應經(jīng)定義了三種網(wǎng)絡拓撲方式的語句，只需要在頭文件里調(diào)用相應的函數(shù)就能實現(xiàn)組網(wǎng)功能。
3 協(xié)調(diào)節(jié)點程序設計
網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡中的首要設備，負責啟動整個網(wǎng)絡。在一個ZigBee網(wǎng)絡中，僅僅可以存在一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，但允許有多個路由器和終端設備存在。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的軟件設計主要包括協(xié)調(diào)器新建網(wǎng)絡、向上位機傳輸數(shù)據(jù)及接收傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。
4 終端節(jié)點程序設計
ZigBee傳感器節(jié)點一般只能收發(fā)數(shù)據(jù)，它主要接收并處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，并發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器或路由節(jié)點。它的軟件設計主要包含傳感器采集部分和網(wǎng)絡通信部分，即數(shù)據(jù)的收和發(fā)，該部分設計與網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器部分基本類似。傳感器節(jié)點不能維持網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)，因此當采集數(shù)據(jù)不被需要時，可以睡眠或者也可以喚醒。使傳感器節(jié)點初始化是先為參數(shù)設置初始值，然后啟動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡再選取適當?shù)木W(wǎng)絡與其相連接。
5 總結(jié)
本文通過分析大量參考文獻，對無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)及ZigBee技術(shù)等相關(guān)知識進行了深入的學習和理解，在全面探討系統(tǒng)各個影響因素的基礎上，分析研究了ZigBee網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)、通信方式、ZigBee協(xié)議棧，并采用CC2530無線射頻芯片完成了節(jié)點之間的相互通信，完成系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試，能夠達到設計的要求和預期效果。
參考文獻
[1]李道亮.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)導論[M].北京:科學出版社,2012.
篇5
無線傳感器網(wǎng)絡是一種新型的傳感器網(wǎng)絡，其主要是由大量的傳感器節(jié)點組成，利用無線網(wǎng)絡組成一個自動配置的網(wǎng)絡系統(tǒng)，并將感知和收集到的信息發(fā)給管理部門。目前無線傳感器網(wǎng)絡在軍事、生態(tài)環(huán)境、醫(yī)療和家居方面都有一定應用，未來無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展前景將是不可估量的。
二、無線傳感器網(wǎng)絡的特點
（一）節(jié)點數(shù)量多
在監(jiān)測區(qū)通常都會安置許多傳感器節(jié)點，并通過分布式處理信息，這樣就能夠提高監(jiān)測的準確性，有效獲取更加精確的信息，并降低對節(jié)點傳感器的精度要求[1]。此外，由于節(jié)點數(shù)量多，因此存在許多冗余節(jié)點，這樣就能使系統(tǒng)的容錯能力較強，并且節(jié)點數(shù)量多還能夠覆蓋到更廣闊的監(jiān)測區(qū)域，有效減少監(jiān)測盲區(qū)。
（二）動態(tài)拓撲
無線傳感器網(wǎng)絡屬于動態(tài)網(wǎng)絡，其節(jié)點并非固定的。當某個節(jié)電出現(xiàn)故障或是耗盡電池后，將會退出網(wǎng)絡，此外，還可能由于需要而被轉(zhuǎn)移添加到其他的網(wǎng)絡當中。
（三）自組織網(wǎng)絡
無線傳感器的節(jié)點位置并不能進行精確預先設定。節(jié)點之間的相互位置也無法預知，例如通過使用飛機播散節(jié)點或隨意放置在無人或危險的區(qū)域內(nèi)。在這種情況下，就要求傳感器節(jié)點自身能夠具有一定的組織能力，能夠自動進行相關(guān)管理和配置。
（四）多跳路由
無線傳感網(wǎng)絡中，節(jié)點之間的距離通常都在幾十到幾百米，因此節(jié)點只能與其相鄰的節(jié)點進行直接通信。如果需要與范圍外的節(jié)點進行通信，就需要經(jīng)過中間節(jié)點進行路由。無線傳感網(wǎng)絡中的多跳路由并不是專門的路由設備，所有傳輸工作都是由普通的節(jié)點完成的[2]。
（五）以數(shù)據(jù)為中心
無線傳感網(wǎng)絡中的節(jié)點均利用編號標識。由于節(jié)點是隨機分布的，因此節(jié)點的編號和位置之間并沒有聯(lián)系。用戶在查詢事件時，只需要將事件報告給網(wǎng)絡，并不需要告知節(jié)點編號。因此這是一種以數(shù)據(jù)為中心進行查詢、傳輸?shù)姆绞健?/p>
（六）電源能力局限性
通常都是用電池對節(jié)點進行供電，而每個節(jié)點的能源都是有限的，因此一旦電池的能量消耗完，就是造成節(jié)點無法再進行正常工作。
三、無線傳感器網(wǎng)絡的應用
（一）環(huán)境監(jiān)測應用
無線傳感器可以用于進行氣象研究、檢測洪水和火災等，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中具有明顯優(yōu)勢。隨著我國市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，生態(tài)環(huán)境污染問題也越來越嚴重。我國是一個幅員遼闊、資源豐富的農(nóng)業(yè)大國，因此在進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時利用無線傳感器進行對生產(chǎn)環(huán)境變化進行監(jiān)測能夠為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來許多好處，這對我國市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展有著重要意義[4]。
（二）醫(yī)療護理應用
無線傳感器網(wǎng)絡通過使用互聯(lián)網(wǎng)絡將收集到的信息傳送到接受端口，例如一些病人身上會有一些用于監(jiān)測心率、血壓等的傳感器節(jié)點，這樣醫(yī)生就可以隨時了解病人的病情，一旦病人出現(xiàn)問題就能夠及時進行臨時處理和救治。在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)傳感器已經(jīng)有了一些成功案例，例如芬蘭的技術(shù)人員設計出了一種可以穿在身上的無線傳感器系統(tǒng)，還有SSIM（Smart Sensors and Integrated Microsystems）等。
（三）智能家居建筑應用
文物保護單位的一個重要工作就是要對具有意義的古老建筑實行保護措施。利用無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點對古老建筑內(nèi)的溫度是、濕度、關(guān)照等進行監(jiān)測，這樣就能夠?qū)ㄖ镞M行長期有效的監(jiān)控。對于一些珍貴文物的保存，對保護地的位置、溫度和濕度等提前進行檢測，可以提高展覽品或文物的保存品質(zhì)。例如，英國一個博物館基于無線傳感器網(wǎng)絡設計了一個警報系統(tǒng)，利用放在溫度底部的節(jié)點檢測燈光、振動等信息，以此來保障文物的安全[5]。
目前我國基礎建設處在高速發(fā)展期，建設單位對各種建設工程的安全施工監(jiān)測越來越關(guān)注。利用無線傳感器網(wǎng)絡使建筑能夠檢測到自身狀況并將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送給管理部門，這樣管理部門就能夠及時掌握建筑狀況并根據(jù)優(yōu)先等級來處理建筑修復工作。
另外，在家具或家電匯中設置無線傳感器節(jié)點，利用無線網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)絡，將家居環(huán)境打造成一個更加舒適方便的空間，為人們提供更加人性化和智能化的生活環(huán)境。通過實時監(jiān)測屋內(nèi)溫度、濕度、光照等，對房間內(nèi)的細微變化進行監(jiān)測和感知，進而對空調(diào)、門窗等進行智能控制，這樣就能夠為人們提供一個更加舒適的生活環(huán)境。
（四）軍事應用
無線傳感器網(wǎng)絡具有低能耗、小體積、高抗毀等特性，且其具有高隱蔽性和高度的自組織能力，這為軍事偵察提供有效手段。美國在20世紀90年代就開始在軍事研究中應用無線傳感器網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡在惡劣的戰(zhàn)場內(nèi)能夠?qū)崟r監(jiān)控區(qū)域內(nèi)敵軍的裝備，并對戰(zhàn)場上的狀況進行監(jiān)控，對攻擊目標進行定位并能夠檢測生化武器[3]。
目前無線傳感器網(wǎng)絡在全球許多國家的軍事、研究、工業(yè)部門都得到了廣泛的關(guān)注，尤其受到美國國防部和軍事部門的重視，美國基于C4ISR又提出了C4KISR的計劃，對戰(zhàn)場情報的感知和信息綜合能力又提出新的要求，并開設了如NSOF系統(tǒng)等的一系列軍事無線傳感器網(wǎng)絡研究。
五、結(jié)語
隨著無線傳感器網(wǎng)絡的研究不斷深入和擴展，人們對無線傳感器的認識也越來越清晰，然而目前無線傳感器網(wǎng)絡的在技術(shù)上還存在一定問題需要解決，例如存儲能力、傳輸能力、覆蓋率等。盡管無線傳感器網(wǎng)絡還有許多技術(shù)問題待解決使得現(xiàn)在無法廣泛推廣和運用，但相信其未來發(fā)展前景不可估量。
參考文獻：
[1]肖健，呂愛琴，陳吉忠等.無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)中的關(guān)鍵性問題[J].傳感器世界.2011.2（7）
篇6
Analysis of Wireless Sensor Networks and Routing Techniques
WANG Yan-qin1, PENG Gang2, LIU Yu1
(1. Institute of Computer and Control, Guilin Uniersity of Electronic Technology, Guilin 541004, China; 2. Educational Technology Center, Guilin Air Force Academy, Guilin 541003, China)
Abstract: Correlative knowledge of wireless sensor network is briefly introduced, including the architecture, the characteristics and the application fields. After key techniques of wireless sensor network are introduced, routing technique is analyzed emphatically, and then the problems and challenges of routing techniques are discussed.
Key words: wireless sensor network; key techniques; routing technique
隨著無線通信和計算技術(shù)的發(fā)展,傳感器不僅能感應和監(jiān)測環(huán)境,還可以處理收集到的數(shù)據(jù),將其處理后以無線的方式傳送到基站。這些具有特殊功能的廉價的無線傳感器節(jié)點,通過無線鏈路構(gòu)成靈活的多跳自組織網(wǎng)絡,這就是無線傳感器網(wǎng)絡(WSN, Wireless Sensor Network)。[1] 無線傳感器網(wǎng)絡被認為是21世紀最重要的技術(shù)之一,它將會對人類未來的生活方式產(chǎn)生巨大的影響。
1 無線傳感器網(wǎng)絡
1.1 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結(jié)構(gòu)與體系結(jié)構(gòu)
無線傳感器網(wǎng)絡由許多個功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點組成的以數(shù)據(jù)為中心的無線自組網(wǎng)絡。每一個傳感器節(jié)點由感應模塊、數(shù)據(jù)處理和控制模塊、通信模塊和電源模塊等組成,如圖1。
無線傳感器網(wǎng)絡通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點(Sink Node)和管理節(jié)點。[2-3] 傳感器節(jié)點通常散布在被監(jiān)測區(qū)域中,可以通過無人飛行器、火箭等撒播,也可以通過人工布置的方式完成,自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡。各節(jié)點收集數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)通過多跳中繼的方式路由至匯聚節(jié)點,最終借助長距離或臨時建立的Sink鏈路將整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠程中心進行集中處理,體系結(jié)構(gòu)如圖2。
1.2 無線傳感器網(wǎng)絡的特點
無線傳感器網(wǎng)絡一般是為了某個特定的需要而設計的,有著獨特的體系結(jié)構(gòu)和應用背景,使它具有不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的諸多特點。
1) 網(wǎng)絡自組織性 無線傳感器網(wǎng)絡可以在任何時刻、任何地點、不需要任何基礎網(wǎng)絡設施的支持下,由傳感器節(jié)點本身自組織形成網(wǎng)絡,包括網(wǎng)絡的運行、維護、管理等完全在網(wǎng)絡內(nèi)部實現(xiàn)。
2) 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定 一般網(wǎng)絡中的拓撲變化主要由節(jié)點的移動造成的,而無線傳感器網(wǎng)絡中的拓撲結(jié)構(gòu)變化主要由于可移動節(jié)點的移動和節(jié)點能量的耗盡造成的。
3) 容錯性、功能局限性 對于無線傳感器網(wǎng)絡,節(jié)點數(shù)目多,安全性比較差,因此整個網(wǎng)絡具有容錯性;節(jié)點能量主要靠電池,但受到體積的限制,使得節(jié)點的計算能力、存儲空間等局限性表現(xiàn)非常突出。
4) 網(wǎng)絡分布式特性 基站節(jié)點與傳感器節(jié)點體現(xiàn)了使用集中式的控制結(jié)構(gòu),但各個傳感器節(jié)點之間,是一種無中心的分布式控制網(wǎng)絡。
5) 安全性問題嚴重 由于采用無限信道、有限電源、分布式控制等技術(shù),網(wǎng)絡主機更加容易受到被動竊聽、主動入侵、拒絕服務、剝奪睡眠、偽造等形式的各種網(wǎng)絡攻擊,而且傳感器節(jié)點往往直接暴露在外面,安全性很差。
2 無線傳感器網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)[4-5]
1) 節(jié)點定位 位置信息對于無線傳感器網(wǎng)絡應用至關(guān)重要,沒有位置信息的數(shù)據(jù)毫無意義。大多節(jié)點定位分為兩個階段:第一,測量未知節(jié)點到附近已知節(jié)點的距離;第二,通過這些參考距離,利用數(shù)學方法對未知節(jié)點的位置進行計算。
2) 時間同步 時間同步的基本思想是:節(jié)點以自己的時鐘記錄事件,隨后用第三方廣播的基準時間加以校正。這種同步機制應用在確定來自不同節(jié)點的監(jiān)測事件的先后關(guān)系時有足夠的精度。
3) 路由技術(shù) 在無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)中,網(wǎng)絡層的路由技術(shù)是組網(wǎng)的基礎,是無線傳感器網(wǎng)絡通信層的核心技術(shù),非常重要。路由技術(shù)負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網(wǎng)絡發(fā)到目的節(jié)點,主要功能是尋找源節(jié)點和目的節(jié)點間的最優(yōu)化路徑,并將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。
4) 數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)融合 數(shù)據(jù)融合是一種減少傳輸數(shù)據(jù)量,節(jié)省能量的策略,數(shù)據(jù)管理是為了針對無線傳感器網(wǎng)絡的物理資源受限的特點而采用的特定數(shù)據(jù)管理措施。二者都是面向具體應用的,只有面向具體應用需求設計具體的數(shù)據(jù)融合算法和數(shù)據(jù)管理策略才可以最大限度的提高效率、節(jié)省能量。
5) 網(wǎng)絡安全 安全技術(shù)可以保證無線傳感器網(wǎng)絡各層正常和正確的運行,對于其它方面,以至于整個網(wǎng)絡都有很重要的作用,其中對于保證數(shù)據(jù)新鮮性和有效性方面表現(xiàn)最為明顯。目前,無線傳感器網(wǎng)絡安全主要集中在密匙管理、身份認證和數(shù)據(jù)加密方法、安全路由協(xié)議和隱私問題。
3 無線傳感器網(wǎng)絡路由技術(shù)
3.1 路由技術(shù)分類
無線傳感器網(wǎng)絡中的路由技術(shù)分為平面型協(xié)議和層次型協(xié)議兩種,基本的思想是采用在節(jié)點和匯聚節(jié)點間建立連接。平面型協(xié)議中,所有節(jié)點的地位是平等的,原則上不存在瓶頸問題。其缺點是可擴充性差,維護動態(tài)變化的路由需要大量的控制信息。在層次型協(xié)議中,群成員的功能比較簡單,不需要維護負責的路由信息。大大減少了網(wǎng)絡中路由控制信息的數(shù)量,有很好的可擴充性,其缺點是群頭節(jié)點可能會成為網(wǎng)絡的瓶頸。
3.1.1 平面型路由
1) 泛洪(Flooding)是一種最早的路由技術(shù),不要求維護網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu),也不需要進行路由計算,接收到消息的節(jié)點以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)分組,轉(zhuǎn)發(fā)報文給所有鄰居節(jié)點。雖然實現(xiàn)簡單,但容易產(chǎn)生消息的內(nèi)爆和重疊。
2) 信息協(xié)商傳感器協(xié)議(SPIN,sensor protocol for imformation via negotiation)是以數(shù)據(jù)為中心的一系列自適應路由協(xié)議。通過使用節(jié)點間的數(shù)據(jù)協(xié)商和資源自適應機制大大節(jié)省了能量,延長了網(wǎng)絡壽命,并通過協(xié)商機制來解決泛洪算法中的內(nèi)爆和重疊問題。通過宣告有數(shù)據(jù)(ADV)、同意接收(REQ)兩種報文進行協(xié)商,并利用第三種數(shù)據(jù)報文(DATA)將協(xié)商好的所需要的數(shù)據(jù)發(fā)送給指定的節(jié)點。
SPIN的優(yōu)點是每個節(jié)點只需要知道它的單跳鄰居節(jié)點的信息,所以拓撲結(jié)構(gòu)的改變對它的影響的局部的。但還存在一定的缺陷,它不能保證數(shù)據(jù)的發(fā)送,可能出現(xiàn)“數(shù)據(jù)盲點”。
3) 有序分配路由(SAR,sequential assignment routing)是1999年Katayoun Sohrabi等人在DARPA支持的一個研究中提出的一種主動型平面路由協(xié)議。 在選擇路徑時,SAR策略充分考慮了功耗和分組優(yōu)先權(quán)等特殊要求,采用局部路徑恢復和多路徑經(jīng)備份策略,避免節(jié)點或鏈路失敗時進行路由重計算需要的過量計算開銷。
4) 定向擴散(directed diffusion)是一種典型的以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議,與已有的路由算法有截然不同的實現(xiàn)機制。通信是在相鄰節(jié)點中進行的,每個節(jié)點具有數(shù)據(jù)匯聚和緩存能力。定向擴散一般根據(jù)需求發(fā)出查詢請求,這就減少了數(shù)據(jù)發(fā)送的盲目性。從實際意義上說,能減少能量的消耗。
3.1.2 層次型路由
層次路由協(xié)議的基本原理就是根據(jù)某種規(guī)則把WSN節(jié)點劃分為多個子集,每個子集成為一個簇,具有一個簇頭。每個簇的簇頭節(jié)點負責全局路由,其他節(jié)點通過簇頭接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。
1) 低能耗自適應分層簇結(jié)構(gòu)(LEACH, low energy adaptive clustering hierarchy)是第1個基于聚簇的協(xié)議[6],該協(xié)議隨機循環(huán)地為每個簇選擇簇頭節(jié)點。每個簇頭收集本簇中所有節(jié)點的數(shù)據(jù),聚集后傳送到匯聚節(jié)點。
LEACH以輪為工作時間單位,每一輪分為兩個階段:啟動階段和穩(wěn)定階段。在啟動階段,主要是傳送控制信息,建立節(jié)點群,并不發(fā)送實際的傳感數(shù)據(jù)。為了提高電源效率,穩(wěn)定階段應該比啟動階段有著更長的持續(xù)時間。在穩(wěn)定階段,傳感器節(jié)點以固定的速度采集數(shù)據(jù),并向群頭節(jié)點發(fā)送,群頭在向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)之前,首先對這些信息進行一定程度的融合。在穩(wěn)定階段經(jīng)過一定的時間后,網(wǎng)絡重新進入啟動階段,進行下一輪的群頭選擇。
2) 敏感門限高效能耗傳感器網(wǎng)絡協(xié)議(TEEN, threshold sensitive energy efficient sensor network protocols)與上面介紹的LEACH算法相似,通過抑制不必要的通信來實現(xiàn)節(jié)省能量。[7]
TEEN通過各簇頭向整個網(wǎng)絡下發(fā)兩個閾值:硬閾值和軟閾值。當檢測值超過了硬門限,它被立刻發(fā)送出去;如果當前檢測值與上一次之差超過了軟門限,也被立刻發(fā)送出去。采用這樣的方法,可以監(jiān)視一些突發(fā)事件和熱點地區(qū),減小網(wǎng)絡內(nèi)信息包數(shù)量。
3.2 路由技術(shù)面臨的問題和挑戰(zhàn)
無線傳感器網(wǎng)絡路由技術(shù)設計的基本特點可以概括為:能量低、規(guī)模大、移動性強、拓撲易變化、使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)和通信的不對稱,因此無線傳感器網(wǎng)絡路由技術(shù)的設計要滿足以下路由機制要求。
1) 能量高效成為路由技術(shù)最重要的優(yōu)化目標
低能量包括兩方面的含義,首先是節(jié)點能量儲備低,其次是指能源一般不能補充。傳感器網(wǎng)絡節(jié)點通常是一次部署,獨立工作,所以可維護性很低。相對于傳感器節(jié)點的儲能,無線通信部件的功耗很高,通信功耗占了節(jié)點總功耗的絕大不部分。因此,研究低能耗的路由協(xié)議極為迫切。
2) 使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)
在無線傳感器網(wǎng)絡中,感知節(jié)點沒有必要將數(shù)據(jù)以端到端的形式傳送給匯聚節(jié)點或網(wǎng)關(guān)節(jié)點。為了減少流量和耗能,傳輸過程中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點經(jīng)常將不同的入口報文融合成數(shù)目更少的出口報文轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳,這就是數(shù)據(jù)融合的基本含義。采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)意味著路由協(xié)議需要做出相應的調(diào)整。
3) 通信不對稱,流量分布不均勻
無線傳感器網(wǎng)絡是一個數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡,絕大部分流量是由各個傳感器流向匯聚節(jié)點,因此,流量分布極不均勻。體現(xiàn)在源節(jié)點和目的節(jié)點不對稱,源節(jié)點眾多而目的節(jié)點單一;傳輸方向不對稱,以匯聚節(jié)點為目的的數(shù)據(jù)流遠遠超過以它為源節(jié)點的控制流。
4 無線傳感器網(wǎng)絡的應用領(lǐng)域
由于無線傳感器網(wǎng)絡具有配置靈活和組網(wǎng)方便等優(yōu)勢,在軍事、環(huán)境保護、家庭和醫(yī)療護理、災難拯救等方面都顯示了廣闊的應用前景,并將逐漸深入到人類生活的各個領(lǐng)域。
1) 軍事 快速布置和自組織等特性使得無線傳感器網(wǎng)絡非常適合用于戰(zhàn)場環(huán)境,不僅可以實時監(jiān)控我軍兵力、裝備和物質(zhì)等信息,也可以將大量的傳感器節(jié)點部署在敵方戰(zhàn)場上,跟蹤敵人的軍事行動。
2) 環(huán)境保護 隨著社會各界對環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高,需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也日趨增多,無線傳感器網(wǎng)絡的出現(xiàn)可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。比如,跟蹤候鳥和昆蟲的遷移、研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響、監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。
3) 家庭和醫(yī)療護理 在醫(yī)療研究及護理領(lǐng)域,無線傳感器網(wǎng)絡也起來很大的作用。病人可以隨身攜帶若干體積微小的傳感器節(jié)點,可以對病人的心跳速率、血壓等進行實時檢測,若發(fā)現(xiàn)異常可以盡快搶救。同時還可以用于醫(yī)院的藥品管理,將傳感器節(jié)點按藥品種類分別放置,計算機系統(tǒng)即可幫助辨認所開藥品,從而減少病人用錯藥的可能性。
4) 災難拯救 在發(fā)生了地震水災、強力暴風雨或遭受其他災難后,固定的通信網(wǎng)絡設施可能被全部摧毀或無法正常工作,對于搶險救災場合來說,就需要無線傳感器網(wǎng)絡這種不依賴于任何固定網(wǎng)絡設施、能快速布設的自組織網(wǎng)絡技術(shù)。
無線傳感器網(wǎng)絡還被應用于其它一些領(lǐng)域,比如一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠和交通領(lǐng)域中作為車輛監(jiān)控等;此外還可以應用于空間探索,借助于航天器在外星體撒播傳感器節(jié)點,可以對星球表面進行長時間的監(jiān)測。
5 結(jié)論
無線傳感器網(wǎng)絡,是一種全新的信息獲取和處理技術(shù),具有信息采集處理和傳輸?shù)裙δ堋１疚膶o線傳感器網(wǎng)絡做了簡要的概述,并對作為組網(wǎng)基礎的路由技術(shù)做了初步的介紹。無線傳感器網(wǎng)絡作為無線傳感器的應用,盡管目前仍處于初步應用階段,網(wǎng)絡安全研究方面還面臨著許多不確定的因素,但已經(jīng)展示出了非凡的應用價值。相信在不久的將來,會對人們的生產(chǎn)生活起到不可估量的作用。
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篇7
Research of collaborative task allocation in wireless sensor networks
WANG Jian， WANG Fu?bao， DUAN Wei?jun， HUANG Liang
（School of Electronics and Information， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China）
Abstract：The task collaboration of wireless sensor networks （WSNs） refers to task description， decomposition， allocation， scheduling and execution. The task allocation is the main content of task collaboration. Furthermore， the scheme of task allocation directly determines the network energy consumption， and affects the network lifetime. The collaboration technology of wireless sensor networks and heuristic algorithm to solve collaborative task allocation problem are analyzed emphatically. Finally， the contents and direction for further research in future are put forward.
Keywords： wireless sensor networks； task collaboration； task allocation； heuristic algorithm
0 引 言
微機電系統(tǒng)（Microelectromechanical Systems，MEMS）、微處理器以及 Ad?hoc網(wǎng)絡協(xié)議的迅猛發(fā)展孕育出了無線傳感器網(wǎng)絡[1]，無線傳感器網(wǎng)絡是由大量廉價且資源有限的傳感器節(jié)點組成。由于每個傳感器節(jié)點資源有限以及計算和通信能力有限，單個節(jié)點無法解決網(wǎng)絡規(guī)模龐雜的問題，更無法解決網(wǎng)絡全局性問題。基于以上原因，WSNs中的傳感器節(jié)點要相互協(xié)同以完成任務。
WSNs協(xié)同主要包括協(xié)同資源的使用，協(xié)同任務的分配和執(zhí)行以及協(xié)同信息與信號的處理[2]。任務協(xié)同中的主要部分是任務分配，因為任務分配方案直接決定著網(wǎng)絡能耗，從而決定了網(wǎng)絡的整體壽命。因此，WSNs協(xié)同任務分配具有重要的理論和現(xiàn)實意義。
1 無線傳感器網(wǎng)絡任務分配協(xié)同技術(shù)
由于WSNs具有采用射頻通信、能量有限、計算和通信能力較弱以及大規(guī)模高密度部署等特點，所以傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)的協(xié)同方法并不能直接應用于WSNs，目前WSNs協(xié)同技術(shù)是來自分布式人工智能領(lǐng)域的多智能體理論。基于多智能體的WSNs協(xié)同技術(shù)有基于協(xié)商的方法、基于動態(tài)聯(lián)盟的方法、分布式約束滿足法和組織結(jié)構(gòu)設計方法四種。
1.1 基于協(xié)商的方法
基于協(xié)商的方法是以多智能體中的協(xié)商理論為模型，將協(xié)商模型與拍賣方法和合同網(wǎng)相結(jié)合而形成，目前用于解決WSNs協(xié)同問題的主要是組合拍賣（Combinatorial Auction）和動態(tài)仲裁（Dynamic Arbitration）兩種方法[2]。組合拍賣和動態(tài)仲裁采取的都是集中式的任務分配方法，即存在一個中心節(jié)點，該中心節(jié)點要和周圍節(jié)點進行協(xié)商最終完成對任務的分配過程；組合拍賣對任務的組合由周圍節(jié)點完成，而動態(tài)仲裁任務的組合和分配都是由中心節(jié)點完成。相對來說，后者更容易在網(wǎng)絡中形成能量空洞。
文獻[3?4]采用基于協(xié)商的方法解決任務分配，在CNP（Contract Net Protocol）中引入了推理模型和能量閾值，實現(xiàn)了高效節(jié)能的任務分配，減少了網(wǎng)絡中的能量空洞，從而延長了網(wǎng)絡的壽命。
1.2 基于動態(tài)聯(lián)盟的方法
動態(tài)聯(lián)盟是基于事件觸發(fā)的，當節(jié)點捕獲到事件時會形成一個聯(lián)盟，并且由該聯(lián)盟負責任務的處理；當聯(lián)盟完成任務后，聯(lián)盟也將隨之而解散。其過程主要包括動態(tài)聯(lián)盟初始化、聯(lián)盟形成和聯(lián)盟確認三個階段。在當前的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)同任務分配機制中，動態(tài)聯(lián)盟機制占據(jù)了重要的地位；由于其是基于事件觸發(fā)的，能夠針對任務情況動態(tài)地協(xié)同任務的分配。
針對目標跟蹤問題，文獻[1]提出了基于拍賣的動態(tài)聯(lián)盟任務分配機制，和基于案例推理的動態(tài)聯(lián)盟機制相比提高了目標跟蹤的準確性并且降低了能耗；文獻[5]基于動態(tài)聯(lián)盟提出了EATA（Effective Adaptive Task Allocation），每個節(jié)點通過EATA可以自主調(diào)整自身參數(shù)和狀態(tài)，實現(xiàn)了資源利用最大化并延長了網(wǎng)絡壽命。
1.3 分布式約束滿足法
分布式滿足方法采用的是一種映射的思想，其將傳感器節(jié)點、傳感器節(jié)點行為模式以及傳感器節(jié)點間的關(guān)系分別映射為變量、變量的取值以及變量間的約束關(guān)系，從而將WSNs中的協(xié)同問題轉(zhuǎn)化為分布式約束滿足問題進行解決。分布式約束滿足法將任務分配問題映射成DCSP問題，采用DCSP方法解決問題，最終形成任務分配的方案，Pragnesh J.M等人給出將傳感器網(wǎng)絡中追蹤問題轉(zhuǎn)化為DCSP問題的方法。
1.4 組織結(jié)構(gòu)設計方法
組織結(jié)構(gòu)設計方法是根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡大規(guī)模部署特點提出的，其包括簡單分層和垂直分層。該方法將整個網(wǎng)絡劃分為不同的區(qū)域，通過指派區(qū)域管理員負責區(qū)域內(nèi)以及區(qū)域間的通信，但是該方法需要事先指定每個傳感器節(jié)點的角色[6]。由于組織結(jié)構(gòu)設計方法是針對無線傳感器大規(guī)模特點提出的，所以能夠很好地解決大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡中目標跟蹤問題，通常用于區(qū)域監(jiān)視。
以上技術(shù)都有其應用場景及優(yōu)缺點。對于小規(guī)模網(wǎng)絡問題，協(xié)商方法和動態(tài)聯(lián)盟方法比較適合，但是對于大規(guī)模網(wǎng)絡問題則會面臨組合爆炸的難題。然而，對于大規(guī)模網(wǎng)絡問題，組織結(jié)構(gòu)設計方法能夠很好的解決，但是，由于節(jié)點的通信范圍受到了限制，組織結(jié)構(gòu)設計方法會面臨邊界的問題。由于將無線傳感器網(wǎng)絡任務分配問題映射成DCSP問題是個復雜、低效的過程，分布式約束滿足法在傳感器網(wǎng)絡任務分配方面還不成熟。三種協(xié)同技術(shù)的性能比較見表1。
2 啟發(fā)式算法解決任務分配
由于任務分配是一個NP的組合優(yōu)化問題，目前已經(jīng)有許多啟發(fā)式算法來解決該問題。常用啟發(fā)式算法有遺傳算法、粒子群優(yōu)化等。對于任務分配問題，啟發(fā)式算法并不是單純利用某個啟發(fā)式算法解決問題，其通常與協(xié)同技術(shù)相結(jié)合。
表1 三種技術(shù)比較
文獻[7]采用遺傳算法對聯(lián)盟中的任務進行分配，其優(yōu)化了遺傳算法初始種群的選擇和交叉/變異運算并且引入了Metropolis準則，改善了任務分配效率的同時降低了通信開銷。文獻[8]針對現(xiàn)有任務分配算法無法解決容錯問題，其引入了PB（Primary/Backup）機制，采用PSO（Particle Swarm Optimization）進行任務分配，提高了無線傳感器網(wǎng)絡任務分配的可靠性。文獻[9]引入動態(tài)聯(lián)盟模型，以任務執(zhí)行時間和能量消耗構(gòu)建適應度函數(shù)，采用改善的粒子群優(yōu)化算法進行任務優(yōu)化，降低了網(wǎng)絡能耗且縮短了任務的執(zhí)行時間。
WSN任務分配旨在資源和效率以及全局搜索和局部求解之間尋求平衡。為了降低網(wǎng)絡能耗，延長網(wǎng)絡的壽命，啟發(fā)式算法適應度函數(shù)選取及優(yōu)化相當重要；由于任務分配是全局尋優(yōu)問題，一些啟發(fā)式算法容易陷入局部最優(yōu)，所以啟發(fā)式算法引入了一些算子或者對算法本身已有的算子進行修正。
文獻[10]在遺傳算法中引入了混雜的適應度函數(shù)來進行任務分配，延長了網(wǎng)絡的整體壽命。文獻[11]引入動態(tài)聯(lián)盟思想，構(gòu)造了無線傳感器網(wǎng)絡的動態(tài)聯(lián)盟模型，提出了一種基于離散粒子群優(yōu)化的任務分配算法，引入了變異算子，在保持種群多樣性的同時提高了算法的全局搜索能力，該算法在局部求解和全局尋優(yōu)之間取得了較好的平衡并且降低了任務分配的時間和網(wǎng)絡的能耗。
遺傳算法和粒子群優(yōu)化算法均可用于無線傳感器網(wǎng)絡任務分配的問題，一般前者可直接應用，而當適應度函數(shù)是離散時，后者需重新定義速度及位置更新公式等。由于無線傳感器網(wǎng)絡本身資源有限性的特點，二者在構(gòu)造適應度函數(shù)時必須考慮無線傳感器網(wǎng)絡資源；對于有實時性需求的問題，還需考慮任務分配的執(zhí)行時間，此時建議采用粒子群優(yōu)化算法進行任務分配。二者優(yōu)缺點比較見表2。
表2 遺傳算法和粒子群優(yōu)化算法比較
3 結(jié) 語
由于無線傳感器網(wǎng)絡本身所具有的節(jié)點資源有限性、動態(tài)拓撲性、數(shù)據(jù)傳輸不可靠性等特點，需要從節(jié)能性、實時性和可靠性等方面對無線傳感器網(wǎng)絡的任務分配進行改善。現(xiàn)有研究者主要從節(jié)能性的角度對無線傳感器網(wǎng)絡任務分配和調(diào)度進行相應的研究，從而最大限度地延長整個網(wǎng)絡的壽命。但是任務分配的實時性和可靠性以及能源高效性方面的研究比較少，因此，這一部分還需要進一步地研究。
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篇8
目前，無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)已經(jīng)廣泛運用到了人們的生活、工作和學習中，甚至在國防安全方面都有著較大的運用，其重要性就不言而喻了。因此加強無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的安全是無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)進一步發(fā)展的重中之重，特別是在國防軍事和科技研究方面，一旦無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)出現(xiàn)安全問題就會對國家和社會帶來不可估量的損失。另一方面，無線傳感器網(wǎng)絡在安全方面的缺陷和外來人員利用無線傳感器網(wǎng)絡對信息的竊取等都是無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)發(fā)展的阻礙。該文就目前的無線傳感器網(wǎng)絡的安全進行分析，并提出相關(guān)的對策。
1 無線傳感器網(wǎng)絡安全的相關(guān)問題
無線傳感器網(wǎng)絡就是采用許多的小型傳感器組成一個網(wǎng)絡，便于無線通信。但是由于無線傳感器網(wǎng)絡本身在安全方面的不足，使得無線傳感器網(wǎng)絡存在許多的安全問題：
1.1自組織性以及節(jié)點組織的隨機性
無線傳感器網(wǎng)絡在實際的運用中就可以發(fā)現(xiàn)，它是由大量的小型傳感器自組成一個網(wǎng)絡，它在整個網(wǎng)絡體系的組成過程中并沒有實際的組織規(guī)范制度，其帶有強烈的自發(fā)性和隨機性。因此，這個無線傳感器網(wǎng)絡體系在使用中穩(wěn)定性就得不到保障，安全性更是存在著問題。另一方面，由于整個網(wǎng)絡體系在設置時存在著隨機性，各個布置的節(jié)點就不可能事先固定，也帶有自發(fā)性，使得整個無線傳感器網(wǎng)絡體系的安全就得不到保障。
1.2 通信的不可靠性
無線傳感器網(wǎng)絡在通信通道上存在著大量的不穩(wěn)定因素。在通過無線傳感器網(wǎng)絡通信的過程中，多跳路由使得通信信息大大的延遲，信息傳遞的時間長，而且在傳遞過程中的安全不能得到保證，很容易在傳遞過程中被攔截，如果是一些重要信息的傳遞，那就存在著很大的危害。
1.3 能量的有限性
在無線傳感器網(wǎng)絡體系中，傳感器的使用需要較大的能耗，但是當這些傳感器節(jié)點在整個網(wǎng)絡體系中布置完成后，再想進行節(jié)點的替換，其難度就非常大了，而且在這個網(wǎng)絡體系中有些無線設備是需要進行充電的，充電的不及時也會影響到整個網(wǎng)絡體系的運用，因此開發(fā)出低能耗的無線網(wǎng)絡設備對無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。
1.4 缺乏有效的安全機制
由整個無線傳感器網(wǎng)絡的建立就可以發(fā)現(xiàn)，無線傳感器網(wǎng)絡體系無論是傳感器的節(jié)點布置，還是在網(wǎng)絡組織安排上都存在著極大的隨機性，使得其網(wǎng)絡通信帶有很大的局限性，這些缺點使現(xiàn)代成熟的網(wǎng)絡安全技術(shù)不能夠在這個網(wǎng)絡體系中進行運用。而僅僅在物理方面對這個無線網(wǎng)絡體系進行保護并沒有實質(zhì)性的效果，網(wǎng)絡通信方面隱患較大，很容易受到其他方面的攻擊。
2 破壞無線傳感器安全性能的相關(guān)因素
目前，我國的無線傳感器網(wǎng)絡在防御和攻擊的方式如下表：
表1 傳感器網(wǎng)絡攻防手段表
[網(wǎng)絡層次＼&防御手段＼&攻擊方法＼&物理層＼&模式轉(zhuǎn)換、優(yōu)先級信息、區(qū)域映射、寬頻＼&擁塞攻擊＼&節(jié)點隱藏或者偽裝、破壞感知＼&物理破壞＼&網(wǎng)絡層＼&冗余路徑、探測機制＼&丟棄和貪婪破壞＼&出口過濾、認證、監(jiān)測機制＼&方向誤導攻擊＼&加密和逐跳認證機制＼&匯聚節(jié)點攻擊＼&認證、監(jiān)測、榮譽機制＼&黑洞攻擊＼&鏈路層＼&設置競爭門限＼&耗盡攻擊＼&使用短幀略和非優(yōu)先級策略＼&非公平競爭＼&糾錯碼＼&碰撞攻擊＼&傳輸層＼&認證＼&同步破壞攻擊＼&客戶端謎題＼&泛洪攻擊＼&]
該表中的無線傳感器網(wǎng)絡的攻防手段對無線網(wǎng)絡影響較大，在無線傳感器網(wǎng)絡體系的攻擊手段中，擁塞攻擊和碰撞攻擊兩種手段的作用最大。其中，擁塞攻擊手段就是無線網(wǎng)絡的破壞方獲得了破壞對象的網(wǎng)絡通信頻率后，應用同一頻率的無線電波進行干擾無線網(wǎng)絡通信，對這種攻擊的防御方式就是將網(wǎng)絡頻率進行更換。碰撞攻擊手段就是指網(wǎng)絡通信發(fā)送通信信息包時，無線網(wǎng)絡的破壞方同時發(fā)送另一個數(shù)據(jù)包，使得兩個數(shù)據(jù)信息重疊在一起，獲取的信息錯亂不堪，影響到無線網(wǎng)絡的正常通信，而對其的防御手段就是建立一個合適的監(jiān)聽系統(tǒng)，將外來的數(shù)據(jù)包進行消除，實現(xiàn)通信的正常進行。此外，還有泛洪攻擊，它就是利用特殊的手段對無線傳感器的節(jié)點進行攻擊，耗盡攻擊的節(jié)點，阻斷一些用戶的使用。這種網(wǎng)絡攻擊的解決方式就是采用謎題技術(shù)建立一個客戶端，保障節(jié)點數(shù)據(jù)在有效的范圍內(nèi)傳播使用，可以有效的消除泛洪攻擊的影響。
3 無線傳感器網(wǎng)絡安全技術(shù)的對策研究
3.1 密碼技術(shù)
在無線傳感器網(wǎng)絡通信的過程中，由于無線傳感器的設備布置本身存在著一定的不足，使得現(xiàn)展成熟的網(wǎng)絡安全技術(shù)不能夠在其中進行使用，因此網(wǎng)絡安全隱患較大，而密碼技術(shù)可以有效減小這個安全隱患，對網(wǎng)絡安全有著巨大的幫助。在采用密碼技術(shù)進行保障無線網(wǎng)絡信息安全過程中，可以增加密碼中代碼的長度和復雜度，以增強無線網(wǎng)絡信息的保護力度，實現(xiàn)網(wǎng)絡通信的安全性。在日常生活中，不對稱秘鑰和對稱秘鑰的運用最為廣泛，其主要原因就是這種密碼技術(shù)的保護力度較強，而且在設置上較為簡便快捷。
3.2 安全數(shù)據(jù)融合
無線傳感器網(wǎng)絡中使用最多的還是數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點在收到附近的數(shù)據(jù)信息后，然后將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點，在對數(shù)據(jù)信息進行整合成為了有效的信息數(shù)據(jù)后，再將這些數(shù)據(jù)傳輸給用戶。這種方式提高了數(shù)據(jù)的有效性，減少了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的冗余，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢撦d較小，提高了傳輸效率，減少了設備的磨損，增加了整個無線網(wǎng)絡的使用年限。但是無線網(wǎng)絡的攻擊對這些信息數(shù)據(jù)的傳輸仍是一個危害，因此加強了對數(shù)據(jù)融合的研究，安全數(shù)據(jù)融合的目的就是采用隨機抽樣和交互式證明機制，使得在節(jié)點匯聚的數(shù)據(jù)是真實可靠的，大大增加網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)融合的安全性問題。
3.3 密鑰管理技術(shù)
密鑰管理技術(shù)就是在無線網(wǎng)絡安全中使用密鑰技術(shù)的管理，它將處理在其使用期間的一切問題，也是整個加密系統(tǒng)最為關(guān)鍵的一個部分，一旦管理的不到位，很容易造成通信信息的泄露，對無線傳感器網(wǎng)絡的使用者造成巨大的損失。截止到目前為止，這項密鑰管理技術(shù)主要對對稱密鑰技術(shù)有效。密鑰管理技術(shù)的分配模式是概率性和確定性，而密鑰模式是預共享和非預共享兩種方式
3.4 安全路由技術(shù)
在無線傳感器網(wǎng)絡的使用過程中，雖然各個小型傳感器的布置較為隨意，但是在布置后不可以隨意更換，其網(wǎng)絡節(jié)點處的設備充電也較為不便，節(jié)約能量消耗成為了一個問題。而這個過程中，為了實現(xiàn)節(jié)能消耗延長無線網(wǎng)絡的使用年限，提出了各種路
由協(xié)議便于皆能減耗，但是卻忽略了路由中的信息傳輸安全性問題，增加了在通信中路由受到攻擊的可能性。當用戶將消息發(fā)送出去后，很容易使得破壞方通過泛洪攻擊的方式來截取發(fā)送的信息，使得網(wǎng)絡通信出現(xiàn)障礙。在實際應用中，專業(yè)人士提出了多種路由協(xié)議，包括 SPINS 協(xié)議和多路徑路由機制，但是都需要進行改進，最終會實現(xiàn)路由技術(shù)的安全性。
4 結(jié)束語
無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)具有極大的優(yōu)越性，它方便快捷，對人們的使用尤其有利，因此其被廣泛運用到人們的學習、工作和生活中，同時在國防科技中也有較大的使用。但是由于自身的一些特點，使得無線傳感器網(wǎng)絡的安全性一直令人擔憂。我們要充分重視無線網(wǎng)絡的安全性，對影響無線網(wǎng)絡安全性的因素要采取強力的防御手段，保證無線傳感器網(wǎng)絡通信的安全。在對無線網(wǎng)絡的安全問題的研究中發(fā)現(xiàn)，將密碼技術(shù)、安全數(shù)據(jù)融合技術(shù)、密鑰管理技術(shù)以及安全路由技術(shù)運用到無線網(wǎng)絡中，充分提高其安全性。
參考文獻：
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篇9
無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，簡稱WSN）技術(shù)是隨著經(jīng)濟和社會發(fā)展而誕生的產(chǎn)物，是本世紀最具有影響力和改變?nèi)祟愇磥砩罘绞降母呒夹g(shù)領(lǐng)域四大支柱產(chǎn)業(yè)之一。所謂無線傳感器網(wǎng)絡是指大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網(wǎng)絡覆蓋地域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。
無線傳感器網(wǎng)絡在應用中，遇到一個難題，就是應用環(huán)境會發(fā)生移動，例如應用在泥石流運動規(guī)律的監(jiān)測上或火山灰的監(jiān)測上。這種環(huán)境下，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點將隨著監(jiān)測體的移動而移動。這種環(huán)境中部署的網(wǎng)絡，就需要改變傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡的模式，而形成一種非自主性移動無線傳感器網(wǎng)絡（Non-Autonomous Mobile Wireless SensorNetwork）。
2 國內(nèi)外研究狀況
近年來，有研究者提出了一種應用于泥石流的非自主移動傳感器網(wǎng)絡的設計，他們把傳感器放置在會發(fā)生泥石流中的區(qū)域中，當泥石流發(fā)生時，這些傳感器及其構(gòu)成的往網(wǎng)絡，會隨土塊、沙礫等一起滾動，并存儲記錄的數(shù)據(jù)。等待泥石流結(jié)束后再將傳感器回收，然后下載存儲的數(shù)據(jù)。但由于其沒有足夠的空間存放泥石流產(chǎn)生時需要采集的大量數(shù)據(jù)，也不能實時將數(shù)據(jù)進行匯報，所以只能用于環(huán)境受控的實驗中。
另有文獻報道一種用于山體滑坡預防系統(tǒng)的傳感網(wǎng)絡，該系統(tǒng)由分層的傳感節(jié)點組成，上層的傳感節(jié)點作為聚集器與基站進行通信，整個監(jiān)控過程不僅實時取樣數(shù)據(jù)、可用于為專業(yè)人員提供歷史預測數(shù)據(jù)，而且當山體滑坡事件到來時還能進行事件預測。
另外，也有面向濕地水環(huán)境遠程實際監(jiān)控的非自主移動無線傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)應用于濕地監(jiān)測主要實現(xiàn)的功能是：傳感器節(jié)點負責收集水環(huán)境參數(shù)，包括水溫、PH值、溶解氧等，通過基站傳輸數(shù)據(jù)到遠程終端數(shù)據(jù)中心，以做到實時處理與分析，數(shù)據(jù)中心的工作人員可以全天候監(jiān)測濕地天氣。此外，該系統(tǒng)還能對突發(fā)事件如環(huán)境污染以及水環(huán)境參數(shù)的急劇變化作出預警，各類參數(shù)可以作為防治污染的數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。
3 支撐非自主性移動無線傳感器網(wǎng)絡的傳感節(jié)點
考慮到非自主移動傳感器網(wǎng)絡的移動性會對節(jié)點設備帶來很多碰撞和摩擦，一般傳感器節(jié)點并不能勝任這種環(huán)境的部署。目前已經(jīng)研發(fā)出一些特殊的移動無線傳感器節(jié)點，讓傳感器隨著泥石流一起運動，在移動過程中測量移動體內(nèi)部重要數(shù)據(jù)，如流速、孔隙壓力、振幅、振動頻率等。測量到的數(shù)據(jù)可即時發(fā)送回接收器，這樣，就可以監(jiān)視泥石流的內(nèi)部參數(shù)和報告實時數(shù)據(jù)了。
這種特殊的無線傳感器節(jié)點，可設計為一個封裝在耐磨塑料外殼中的可移動無線傳感器節(jié)點，其外殼應可以抵御一定力量的碰撞、重量較輕、可以飄浮在水面上或能被泥石流攜帶移動，是一個低功耗的無線傳感器節(jié)點。傳感器中應集成有無線收發(fā)器，能夠?qū)崟r報告其經(jīng)緯度信息。為避免傳感器收集到的自身移動軌跡信息丟失，傳感器節(jié)點內(nèi)也可以配置一定容量的可寫存儲空間以保存位置信息。在一般情況下，可移動無線傳感器在待機模式下運行、僅偶爾與接收器進行溝通，以便于節(jié)約能源。
當有泥石流發(fā)生并逼近時，只要任一無線傳感器檢測到有泥石流產(chǎn)生的低頻振動，就將發(fā)送一個警告信息給接收器。接收器則決定是否要喚醒所有的無線傳感器。如果接收器喚醒了所有的無線傳感器，傳感器就進入激活狀態(tài)，將把所有收集到的原始數(shù)據(jù)都發(fā)送給接收器，并與后臺計算機之間聯(lián)絡進行計算。
4 NAMWSN傳感器移動模型
在移動無線網(wǎng)絡中，經(jīng)常需要合適的移動模型來進行網(wǎng)絡路由的部署研究。隨著越來越多的科學研究需要對流動液體中無線傳感器節(jié)點進行部署，跟隨流動液體進行非自主性移動的移動模型研究也越來越受到關(guān)注。
對于非自主性移動無線傳感網(wǎng)絡來說，如果預先得到傳感器漂流的軌跡，按照軌跡來部署接收器，可以增加無線傳感器與接收器通信的機會和時間。可以嘗試通過構(gòu)建傳感器的移動模型的方法來得到傳感器移動軌跡。
構(gòu)建非自主移動傳感器網(wǎng)絡移動模型的主要方法是，利用基于跟蹤的方法，以在真實環(huán)境中收集的信息為基礎來建立移動模型。首先使用GPS收集傳感器節(jié)點的移動軌跡，然后將這些軌跡轉(zhuǎn)變?yōu)閰?shù)映射圖，最后構(gòu)建移動模型。
首先，用一個特殊的無線GPS傳感器取代傳統(tǒng)的固定傳感器，無線GPS傳感器可以隨著水流移動。將多個無線GPS傳感器投入水流中，它們可以隨著水流非自主性地移動，并且記錄下自身移動的軌跡。在河流的下游收集隨著水流移動到此的傳感器，并得到它們的移動軌跡。這個步驟可以重復多次，來收集多條軌跡信息。每條軌跡都將包含一系列的速度和方向的參數(shù)點。
然后，將收集到的GPS傳感器的運動軌跡數(shù)據(jù)進行處理，去掉不合理的數(shù)據(jù)，例如，有些GPS傳感器損壞無法發(fā)送回完整的軌跡信息、或者還有些GPS可能被障礙物困在河流中無法繼續(xù)移動造成GPS信息始終維持某固定值而不改變等。將合理的、完整的GPS傳感器運動軌跡數(shù)據(jù)進行處理，可以用于構(gòu)建一個水流的參數(shù)映射圖。這個參數(shù)映射圖是二維的，可以展示一些重要參數(shù)，例如在河流的不同位置水流的速度和方向等。
最后，通過建立的水流的參數(shù)映射圖，可以構(gòu)建出以其為基礎的傳感器移動模型，移動模型模擬了水流、泥石流等可能的運動軌跡，從而可以得到非接收器自主移動傳感器網(wǎng)絡的優(yōu)化部署位置。
這里的移動模型是一個可以及時生成水流、泥石流等在時間和空間維度的運動描述的函數(shù)。這個移動模型基于實際的水流或泥石流的運動軌跡生成，其運動可以用虛擬軌跡來描述，具體是通過算法隨機方式產(chǎn)生每一個點的運動軌跡。
移動模型的軌跡生成算法流程如下。
（1）初始化。從起始位置任意抽取一起始點；
（2）取得當前點p'k處的速度和方向參數(shù)Vx，y和Dx，y值
（3）通過Vx，y和Dx，y得到該點的移動軌跡Movement，并得到下一點p'k+1；
（4）判斷p'k+1是否屬于有效區(qū)域，如果是繼續(xù)（5），如果不是，轉(zhuǎn)回p'k，生成一個彈跳軌跡p'k+1，再重復（4）；
（5）判斷p'k+1是否已經(jīng)到達目的地，如果不是，返回（2），如果是，接著（6）；
（6）輸出最后生成的軌跡。
移動模型軌跡生成函數(shù)可以生成一條從起始位置開始的虛擬運動軌跡。
起始點可以從起始位置（投放GPS傳感器位置）隨機選取，虛擬運動軌跡中的每一點均是逐點遞歸生成的。若當前點為p'k，則p'k在下一秒鐘的移動軌跡可以利用速度和方向參數(shù)值Vx，y、Dx，y得到，如公式1所示，通過移動軌跡movement，可以來到下一軌跡點p'k+1。
movement=Vx，y×Dx，y 公式l
判斷軌跡點p'k+1是否是在有效區(qū)域內(nèi)，有效區(qū)域指已經(jīng)去除了有障礙、無水流通過等的部分區(qū)域。若p'k+1不屬于有效區(qū)域內(nèi)，則要返回p'k，生成一個彈跳軌跡。彈跳軌跡是在水流碰到障礙物或者堤岸時發(fā)生的，返回p'k時后，判斷其所在位置四周軌跡點數(shù)量，取其中軌跡點數(shù)量最多的點，視其為彈跳目的地，得到位于期間的軌跡點p'k+1。
接著判斷軌跡點p'k+1是否已經(jīng)到達目的地（回收GPS傳感器位置），若未到達目的地，則繼續(xù)重復上述算法步驟，直到p'k+1到達目的地為止。
利用移動模型的軌跡生成算法，基于實際泥石流的運動軌跡，可以得到預測的虛擬泥石流運動軌跡，這樣就可以得到最佳的接收器部署位置，提高和優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡的連通性和感應區(qū)域。
5 結(jié)語
篇10
無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展離不開傳感技術(shù)、集成電路、微機電系統(tǒng)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，這些技術(shù)的快速發(fā)展使得單一條件下的低成本、低功耗和多功能的傳感器也逐漸向微型化、網(wǎng)絡化和集成化、智能化的方向進步，從而發(fā)展為一項不可或缺的信息收集技術(shù)，并且在一定意義上擴大了現(xiàn)有網(wǎng)絡的功效，讓人們可以通過它與外部世界進行直接接觸，并且被各國的政府、軍方、跨國公司和科研機構(gòu)等廣泛應用于國防軍事、醫(yī)療護理、智能家居和環(huán)境監(jiān)測等方面，為了讓無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)能夠更好地為人們服務于人們生活的各個方面，我們需要對無線傳感器的各方面效用進行進一步的研究。
1 無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展現(xiàn)狀
在無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展歷史中，美國是第一個從事無線傳感器網(wǎng)絡研究的，其發(fā)展的目的是滿足軍方偵查軍用系統(tǒng)的需求，所以研究的方向主要是傳感器網(wǎng)絡中的通信和計算問題，這種最先由軍事需要發(fā)展起來的無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，在經(jīng)過網(wǎng)絡技術(shù)的革命和網(wǎng)絡思想體系的革新之后變得越發(fā)的成熟，也由此推動了無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展。對于我國而言，無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展是比較晚的，但是我們國家對于無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展高度重視，在短短的幾十年時間內(nèi)，我國在研究、應用和標準化方面已經(jīng)可以和國際的先進水平相媲美，在無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)得到快速發(fā)展的同時，隨著“感知中國”計劃的提出，無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)已經(jīng)被應用于國家層面并且已經(jīng)進入到戰(zhàn)略實施階段，這表明“感知中國”計劃的提出對中國的無線傳感網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)起到了一定的促進作用，無線傳感器網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨著一個巨大的機遇。
1.1 無線傳感器網(wǎng)絡的特點
無線傳感器網(wǎng)絡在對傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡的計算模式和設計模式的革新過程中，漸漸地形成了一系列具有自身優(yōu)勢的特點，例如分布式和自組織、規(guī)模大、密度高、以數(shù)據(jù)為中心、可靠性及安全等。在分布式和自組織中，網(wǎng)絡無控制中心并沒有事先設置好的節(jié)點，并且所有的節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡中所有的節(jié)點都處于一個平等的位置，各節(jié)點采用分布式算法進行協(xié)調(diào)，在沒有人力因素影響的情況下節(jié)點會自行連接出一個對等式的無線網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點的數(shù)量一般都是巨大的，且節(jié)點分布較為密集且都聚集在一個較大的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，這是為了更好地獲取到精確完整的信息。在無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點所能計算的資源非常有限，往往不能處理超出負荷的實時數(shù)據(jù)流，所以每個節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)都會匯集于傳感器網(wǎng)絡，從而生成與某個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)監(jiān)測對象有關(guān)的信息；無線傳感器網(wǎng)絡的可靠性和安全性是指：傳感器網(wǎng)絡經(jīng)常被應用于惡劣的環(huán)境或者是無人區(qū)域，一旦某一傳感節(jié)點發(fā)生了故障就會導致整個傳感器網(wǎng)絡失效，所以為了增強無線傳感器的耐用性，我們就必須保證傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點在硬件上保持堅固不能被輕易損壞，并且能夠適應各種各樣未知的極端環(huán)境。同時，我們還要注意網(wǎng)絡的通信加密和安全性，防止無線傳感器網(wǎng)絡的無線信道和分布式控制被竊聽、入侵和拒絕服務等。
1.2 無線傳感器網(wǎng)絡的應用領(lǐng)域
無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)的快速發(fā)展及其自身特有的性質(zhì)已經(jīng)被各國廣泛應用于軍事國防、國家安全、環(huán)境科學、交通管理、城市管理、生物醫(yī)療或者是其它危險區(qū)域遠程控制等領(lǐng)域。在軍事方面，無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)憑借其快速部署、可自組織、隱蔽性強和高容錯性的特性被用以軍隊獲取敵對區(qū)域中的情報，在作戰(zhàn)時，由于指揮員必須統(tǒng)籌全局，所以無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)是數(shù)字戰(zhàn)場進行無線數(shù)據(jù)通信的首選技術(shù)。環(huán)境問題一直是我們?nèi)祟愱P(guān)注的一個重大問題，隨著人們對環(huán)境問題關(guān)注度的提高，環(huán)境科學囊括的范圍也越來越大，相應的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)手段也隨著問題的日益突出必須做出相應的調(diào)整，以此為研究環(huán)境監(jiān)測帶來更先進的方法，拓展更為廣闊的研究空間。醫(yī)療與我們?nèi)祟惖纳钕⑾⑾嚓P(guān)，而無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)又與醫(yī)療系統(tǒng)和健康護理有著密不可分的聯(lián)系，為了更好地檢測人體各種生理數(shù)據(jù)，我們可以在病人身上放置可以檢測人體參數(shù)的微型傳感器節(jié)點，從而將病人的身體各方面數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)護中心，進行及時的處理和反饋，所以為了未來遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)簡便、低費用，我們必須與醫(yī)療事業(yè)進行更進一步的融合，才能夠更好地讓人們享受到更便捷的醫(yī)療服務。
1.3 無線傳感器網(wǎng)絡的關(guān)鍵技術(shù)
無線傳感器網(wǎng)絡作為當今信息領(lǐng)域的一支新秀，其研究的內(nèi)容包含了許多學科的知識，在這之中，需要我們研究和解決的關(guān)鍵技術(shù)還有許多。在無線傳感器網(wǎng)絡的研究中，傳感器節(jié)點已經(jīng)成為一個核心內(nèi)容，實現(xiàn)節(jié)點能量的有效使用的前提是保證無線傳感器網(wǎng)絡應用需求，所以我們要對無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)有效管理。除此之外，我們還應該對網(wǎng)絡通信協(xié)議、網(wǎng)絡安全技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、和時間同步技術(shù)、定位技術(shù)、開發(fā)應用技術(shù)加大投入力度，以此對無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)進行進一步的研究與發(fā)展，以此無線傳感器網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)的實用性和技術(shù)性，從而更好地為人們的生活工作服務。
2 總結(jié)
無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)作為現(xiàn)代生活工作中應用廣泛的信息技術(shù)，不但與人們生活的方方面面有緊密聯(lián)系，我們更是要對無線傳感器網(wǎng)絡的無線通信模塊加大注意力，以此實現(xiàn)無線傳感器與國家軍事、環(huán)境、醫(yī)療、城市交通管理等方面的對接，從而更好地服務于人類，促進人類的進步。
參考文獻
[1]劉昌勇，米高揚，胡南生等.無線傳感器網(wǎng)絡若干關(guān)鍵技術(shù)[J].通訊世界，2016（08）：23.
篇11
Development&Application of Wireless Sensor Network
Cao Mingyi
(Sichuan Coal Industry Group,Dazhu Group,Telecommunications Branch,Dazhou635000,China)
Abstract:Over the past 10 years,wireless sensor network technology into an application technology has been rapid development.It is the expansion of remote sensing technology.The article focuses on the development of wireless sensor network(WSN),and introduce the technology maturity analysis,also focuses on description of use the precision agriculture areas.At last,wireless sensor network technology in the development of the main challenges and its environmental applications,the focus of future development were reviewed.
Keywords:wireless sensor network;Precision agriculture monitoring;
Wireless communication;Self-organizing network
一、無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)概述
無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)技術(shù)是集成了傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸、儲存、處理與分析技術(shù)的現(xiàn)代信息技術(shù),是信息科學領(lǐng)域中一個全新的發(fā)展方向。無線傳感器網(wǎng)絡經(jīng)歷了智能傳感器、無線智能傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡3個階段。智能傳感器將計算能力嵌入到傳感器中,使得傳感器節(jié)點不僅具有數(shù)據(jù)采集能力,而且具有濾波和信息處理能力;無線智能傳感器在智能傳感器的基礎上增加了無線通信能力,大大延長了傳感器的感知觸角,降低了傳感器的工程實施成本;無線傳感器網(wǎng)絡由具備記憶能力的存儲器、處理器、傳感器、無線通訊和電池等硬件組成,它將將網(wǎng)絡技術(shù)引入到無線智能傳感器中,使得傳感器不再是單個的感知單元,而是能夠交換信息、協(xié)調(diào)控制的有機結(jié)合體,實現(xiàn)物與物的互聯(lián),把感知觸角深入世界各個角落,必將成為下一代互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。
二、無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)技術(shù)原理
無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)的傳感器一般與小型計算機和無線發(fā)送裝置集于一體(節(jié)點),可以獲得關(guān)于觀測對象的圖像、聲音、氣味等特性,并進行顯示、儲存或分析通過網(wǎng)絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)收集中心。它的發(fā)展及其廣泛應用主要歸因于傳感器技術(shù)的微型化、智能化、廉價性和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)目赡苄浴＞W(wǎng)絡傳感器節(jié)點可實現(xiàn)相互間的網(wǎng)絡通訊,指令和數(shù)據(jù)傳輸,并自動構(gòu)建網(wǎng)絡拓撲。
圖1 無線傳感器示意圖
圖2 無線傳感器網(wǎng)絡示意圖
三、無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)網(wǎng)絡應用
WSN網(wǎng)絡是面向應用的,其產(chǎn)生和發(fā)展一直都與應用相聯(lián)系。WSN技術(shù)在軍事領(lǐng)域、精細農(nóng)業(yè)、安全監(jiān)控等領(lǐng)域的應用得到了充分的肯定和展示。特別是在環(huán)境監(jiān)控和精細農(nóng)業(yè)方面,WSN系統(tǒng)應用最為廣泛。美國華盛頓州20世紀80年代在全州鋪設了公共農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)網(wǎng),華盛頓州立大學精準農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中心在此基礎上,為了升級數(shù)據(jù)存儲和傳輸技術(shù),開發(fā)了2套無線傳感器網(wǎng)絡。一套是基于AWN200硬件技術(shù)的區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù),另一套是農(nóng)田霜凍監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)SS100。每個農(nóng)業(yè)氣象節(jié)點能夠獲得太陽輻射、氣溫、相對濕度、葉子濕度、降雨、風速、風向、土壤溫度和濕度。每個節(jié)點的能量若能使用交流電就用交流電,否則用太陽能和電池相結(jié)合。圖3為紐約河口實時水面風場觀測與預測圖,其中(a)為觀測圖;圖4紐約港口外部定點測量時序數(shù)據(jù)及預測圖。
圖 3 紐約河口實時水面風場觀測與預測圖
圖 4 紐約港口外部定點測量時序數(shù)據(jù)及預測圖
四、展望
前面提到,目前無線傳感器網(wǎng)絡采集的數(shù)據(jù)主要是溫度、濕度等標量數(shù)據(jù),對攝像等視覺數(shù)據(jù)的采集和傳輸能力均有限。人們已經(jīng)開始發(fā)展視覺傳感器網(wǎng)絡(VSN)技術(shù)。未來5-10年將是無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)大發(fā)展的時期,傳感器多樣化及系統(tǒng)節(jié)點微型化方面將會取得長足發(fā)展。在傳感器技術(shù)方面,生物傳感器有望成為一個主要的生長點。生物傳感器是依靠生物機制對目標污染物或微有機物產(chǎn)生響應的傳感器轉(zhuǎn)換裝置。現(xiàn)在監(jiān)測污水中有毒污染物的生物傳感器已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化,其中表面等離子共振反射測量技術(shù)的商品化會成為生物傳感器發(fā)展的重要手段。
參考文獻:
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篇12
近年來，無線傳感器網(wǎng)絡在國內(nèi)外學術(shù)界和工業(yè)界得到了越來越廣泛的關(guān)注與重視，隨著軟硬技術(shù)的飛速發(fā)展，取得了非常豐富的研究成果，很多領(lǐng)域都開始向?qū)嶋H應用方向發(fā)展，因此無線傳感器網(wǎng)絡測試技術(shù)的跟進與發(fā)展顯得更加重要，尤其是評估節(jié)點狀態(tài)信息的量化與控制節(jié)點網(wǎng)絡行為的監(jiān)視等功能的實現(xiàn)與完善，對無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展起到保駕護航的作用。無論在能量資源、通信能力、運算和存儲方面，無線傳感器網(wǎng)絡都受到極度限制，因此測試平臺面臨更多的技術(shù)難題。在無線傳感器網(wǎng)絡的運行環(huán)境中，我們需要考慮兩種狀態(tài)，即網(wǎng)絡狀態(tài)和節(jié)點狀態(tài)。網(wǎng)絡狀態(tài)包括鏈路質(zhì)量、能量分布以及網(wǎng)絡拓撲變化情況等，是一個全局性的歸納和描述。節(jié)點狀態(tài)主要包括節(jié)點自身的緩沖區(qū)使用情況、剩余能量以及節(jié)點間鏈路質(zhì)量等狀態(tài)。無線傳感器網(wǎng)絡通常布署在偏遠惡劣的環(huán)境，由于受天氣、地勢以及人為等因素影響，無線傳感器網(wǎng)絡的性能很不穩(wěn)定，因此無線傳感器網(wǎng)絡的評估指標不容易被量化。目前存在的無線傳感器評估標準還很不規(guī)范，怎樣評估網(wǎng)絡的狀態(tài)是我迫切需要解決的問題。
1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著近些年來無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)研究的不斷深入，出現(xiàn)了眾多測試平臺，其中典型的實現(xiàn)測試平臺包括MoteLab[2]和Kansei[3]等。MoteLab提供了多種訪問途經(jīng)，為用戶完成測試任務提供了方便，但對于測試評估的方法少，網(wǎng)絡規(guī)模較小，擴展性不強，對能量的測試目前只能通過在一個節(jié)點上連接萬用表實現(xiàn)。俄亥俄州立大學開發(fā)的 Kansei 系統(tǒng)，具有更多可行性，它具有實際節(jié)點與理論模擬相結(jié)合的混合模擬方法，提高了測試平臺的實用性和數(shù)據(jù)的可靠性，便攜網(wǎng)絡的設計方法為測試平臺擴大了規(guī)模，使網(wǎng)絡更加豐富靈活，但是這些研究還僅處于初級階段，混合模擬方式的效果還有待于進一步的驗證。基于這些研究成果，我們更需要設計出這樣一個平臺，它具有Motelab與Kansei的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡更加全面與穩(wěn)定的測試。
2 無線傳感器網(wǎng)絡測試平臺設計原則
無線傳感器網(wǎng)絡測試平臺設計方案主要有主動式和被動式兩種，上文提到的MoteLab平臺就屬于主動式測量，在主動式測量中測試任務由傳感器節(jié)點完成，在正常通信的前提下，測試任務也要占用無線通信的信道帶寬和節(jié)點的CPU、內(nèi)存等資源，這在一定程度上對無線傳感器網(wǎng)絡的通信質(zhì)量造成了影響，也會影響到測試結(jié)果。被動式測試平臺包括偵測節(jié)點硬件平臺和PC機組成，PC機作為監(jiān)測試主機包含數(shù)據(jù)分析軟件。偵測節(jié)點在保證正常工作不受到干擾的前提下，用數(shù)據(jù)采集器與射頻模塊進行數(shù)據(jù)通信的方式，將數(shù)據(jù)送至PC機。這種方式可以有效地監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡狀態(tài)，而不占用無線通信信道帶寬和節(jié)點資源，缺點是每個傳感器節(jié)點需配置測試模塊，在大規(guī)模網(wǎng)絡中實現(xiàn)較困難。無線傳感器網(wǎng)絡測試平臺試圖克服這些不足，下面將從網(wǎng)絡控制性能和網(wǎng)絡實現(xiàn)功能兩方面進行分析，總結(jié)出一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡所具備的設計原則。
1）網(wǎng)絡控制方面。
①同步操作性：在執(zhí)行試驗的過程中，平臺要對所有參加測試的傳感器節(jié)點上傳試驗的執(zhí)行軟件執(zhí)行并安裝到節(jié)點中，通過平臺控制中心同步啟動軟件，統(tǒng)一設置時間，采集和存儲目標的動作和反應記錄，按規(guī)定終止試驗并向用戶發(fā)送通知和輸出采集到的數(shù)據(jù)。
②可移植性：無線傳感器網(wǎng)絡的應用領(lǐng)域廣泛，相對于具體的物理環(huán)境，其硬件系統(tǒng)必定不同，相應的無線傳輸過程中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的工作機制也不盡相同，完善的無線傳感器網(wǎng)絡測試平臺應具備較強的硬件平臺移植開發(fā)的能力。
2）實現(xiàn)的功能方面。
①監(jiān)控網(wǎng)絡的鏈路質(zhì)量：無線通信易受自然環(huán)境以及人為等外界因素的干擾，表現(xiàn)為其不穩(wěn)定性，為保證節(jié)點之間的正常通信，目前許多通信協(xié)議都會對無線傳感器網(wǎng)絡的鏈路質(zhì)量進行測試，并提出了高效性、公平性、平衡性以及延時等性能要求。
②監(jiān)控節(jié)點的能量狀態(tài)：傳感器節(jié)的能量狀態(tài)始終處于動態(tài)的變化中，而且傳感器節(jié)點的能量非常有限，并通常處在人不易觸及的險要地帶，確保節(jié)點的供電正常就成了一個難題。而且對節(jié)點能量狀態(tài)進行測試的過程本身也消耗能量。
③顯示網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)：由于傳感器節(jié)點的能量十分有限，再加上易受到外界干擾破壞，節(jié)點很容易失效，網(wǎng)張的拓撲結(jié)構(gòu)隨時都可能發(fā)生改變，如果測試平臺使得網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)直觀可視化，便于對于整個網(wǎng)絡的監(jiān)控與及時做出調(diào)整。
3 結(jié)束語
無線傳感器網(wǎng)絡在國內(nèi)外的應用雖然還處在初級階段，隨著硬軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，不斷攻克了技術(shù)難關(guān)，已經(jīng)取得了不少優(yōu)秀的成果，由于無線傳感器網(wǎng)絡應用的多樣性，對于平臺進一步的改進工作可對硬件平臺進行功能擴展，將協(xié)議的分析集中到軟件系統(tǒng)中進行，這樣可以增加數(shù)據(jù)通信量。另外，測試平臺界面的設計也可以進行改進，使其更加美觀通用。
參考文獻
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篇13
隨著傳感器技術(shù)、微機電系統(tǒng)、通信技術(shù)及嵌入式計算技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，具備通信能力、計算能力、感知能力的微型傳感器開始廣泛應用于各個領(lǐng)域。因此，應對無線傳感器網(wǎng)絡進行詳細的研究，對其進行不斷完善。
1 相關(guān)概念
無線傳感器網(wǎng)絡集成了微機系統(tǒng)、網(wǎng)絡和傳感器三大技術(shù)，是以數(shù)據(jù)處理為中心的系統(tǒng)，其通過對網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)的感知對象信息進行感知、采集、處理，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給觀察者。其是由傳感器節(jié)點通過應用無線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡是新興的信息技術(shù)的領(lǐng)域，其在民用、軍事等領(lǐng)域的應用前景都非常的廣泛。無線傳感器節(jié)點的組成有計算機子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、傳感子系統(tǒng)和能量供應子系統(tǒng)。計算機子系統(tǒng)是通過微控制器和微處理器構(gòu)成的，其主要負責對傳感器進行控制、對傳感數(shù)據(jù)的算法與執(zhí)行通信協(xié)議進行相關(guān)的處理。而短距離的無線通信的無線收發(fā)電路主要由通信子系統(tǒng)來實現(xiàn)。而激勵裝置及傳感器共同構(gòu)成傳感子系統(tǒng)。能量供應子系統(tǒng)主要由交直流轉(zhuǎn)換器及電池組成。
一個傳感器網(wǎng)絡一般由很多個傳感器節(jié)點組成，且節(jié)點的應用不同，其組成部分也各有很多差別。傳感單元包括很多傳感功能的D/A、A/D轉(zhuǎn)換模塊，并根據(jù)所需監(jiān)測的對象的具體情況來判斷使用單一或多功能的傳感器。處理單元主要是通過存儲器、嵌入式CPU、嵌入式操作系統(tǒng)等共同將嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成成立起來。傳感器網(wǎng)絡的組成結(jié)構(gòu)是互聯(lián)網(wǎng)、sink節(jié)點、分布式傳感器節(jié)點、用戶界面等。為獲取第一手信息，會密集的投放傳感器節(jié)點在待監(jiān)測區(qū)域內(nèi)。Sink節(jié)點其本身可進行充電，儲備了很多能量，相當于網(wǎng)關(guān)節(jié)點。能夠讓信息平臺和位于較遠處節(jié)點所收集到的信息之間進行信息的傳輸或交換，如互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星。而用戶界面是處理監(jiān)測信息的平臺，通過用戶界面能夠更加便捷的掌握及處理從監(jiān)測區(qū)域獲得的信息。傳感器網(wǎng)絡的生成及其工作方式是先將通過使用機械方法、飛行器空投方法等隨機散播傳感器節(jié)點并將其布置到待監(jiān)測的區(qū)域。之后傳感器節(jié)點將會保持在自檢啟動的喚醒狀態(tài)。所有的傳感器通過發(fā)出信號，監(jiān)控并記錄周圍傳感器節(jié)點相應對外的工作的情況。節(jié)點通過對所監(jiān)測到的別的傳感器節(jié)點的狀況的分析，并通過組網(wǎng)算法形成網(wǎng)絡。構(gòu)成網(wǎng)絡的節(jié)點要進行數(shù)據(jù)通信，則要通過路由算法對合適路徑進行選擇來實現(xiàn)。
2 無線傳感器網(wǎng)絡的熱點內(nèi)容
2.1 安全性。無線傳感器網(wǎng)絡的安全方面主要包括安全路由及安全協(xié)議。通常，很多節(jié)點都會密集分布在相同的區(qū)域內(nèi)，而最終要到達目的地則需要通過很多的節(jié)點消息的傳導。傳感器具有動態(tài)性，且是多跳結(jié)構(gòu)，需要每個節(jié)點都具備路由功能。且傳感器節(jié)點都是一個潛在的路由，極易遭受入侵，進而造成整個無線傳感器網(wǎng)絡的安全受到威脅。網(wǎng)絡層路由協(xié)議將關(guān)鍵的路由服務提供給了整個無線傳感器網(wǎng)絡，無線傳感器網(wǎng)絡的可用性與安全性也受到安全的路由算法很大的影響。安全路由協(xié)議通過使用身份認證、認證廣播以及雙向連接認證等機制，能夠增強路由的安全性，使網(wǎng)絡對外部攻擊的抵御能力得到有效地提高。在安全保障方面有安全組播和密鑰管理兩種方式。安全組播是指可能在敵對環(huán)境中設置無線傳感器網(wǎng)絡，需在其里形成基于源端認證的安全組播以避免供給者將偽造的信息注入網(wǎng)絡中。
2.2 無線傳感器網(wǎng)絡的能量問題。傳感器的節(jié)點需要對待監(jiān)測區(qū)域獲得的消息進行分析及數(shù)據(jù)處理等，且其分布的數(shù)量多范圍大，而其一般通過電池進行供電，可用電量有限。且為數(shù)量龐大的節(jié)點更換電池很困難。因此，在不影響節(jié)點功能的基礎上，節(jié)約其電池能量也成為其軟硬件設計的核心問題。因此，在很多網(wǎng)絡應用中，因傳感器節(jié)點監(jiān)測的事件具有偶發(fā)性，不需要所有的單元都工作，可通過使用休眠模式，使節(jié)點能夠自適應進行喚醒與休眠，進而達到節(jié)省能量的目的。還可將所有的功耗單元進行相應的有機組合，使眾多的傳感器節(jié)點形成多種不同的狀態(tài)，讓其根據(jù)具體情況在不同狀態(tài)之間進行切換，節(jié)省其需耗損的能源。
2.3 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡中使用的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)主要有網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)、星形拓撲結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)狀與星形相互混合的方式。而關(guān)于網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)種類的使用決定也需要進行多方面的考慮。如需要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x，傳輸?shù)念l率，節(jié)點的變化水平等多重因素。在很多節(jié)點間能夠發(fā)生網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的業(yè)務流能，且各節(jié)點之間的通信鏈路能夠被直接的建立起來。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的健壯性很強，因節(jié)點與節(jié)點之間都連接有多條鏈路，當某個節(jié)點失敗時，網(wǎng)絡會重新配置此節(jié)點周圍的所有節(jié)點，重新保持各節(jié)點之間的連接。但因所有節(jié)點都長期處于正常工作的狀態(tài)，能量的消耗也就更為嚴重，處理的負擔也較大。節(jié)點與基站間發(fā)生星形結(jié)構(gòu)的業(yè)務流。星形結(jié)構(gòu)所需要的能量少，但受到直傳距離的限制。網(wǎng)狀與星形的混合方式具備網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的自修復和擴展功能，還具有星形結(jié)構(gòu)簡單低耗的優(yōu)點。在中繼器或路由器的周圍進行一些星形方式設置節(jié)點，并通過網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)進行組網(wǎng)，這樣就能在一定程度上擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍。
3 無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的應用
3.1 在軍事領(lǐng)域的應用。無線傳感器網(wǎng)絡最早應用于軍事領(lǐng)域，其低成本、自組織性、密集性、隨機分布、強大的容錯能力及抗毀性等特性都是軍方所需要的。一般將大量傳感器節(jié)點通過特種炮彈發(fā)射或飛機撒播等方法集中撒播到人員很難到達的觀察區(qū)域。分析監(jiān)測區(qū)域的目標的距離、目標的目的地及速度等，可通過被動傳感器如聲學、磁學、化學、光學、熱學以及電氣等類型的傳感器及主動傳感器來完成。一般情況下，傳感器只需穩(wěn)定工作數(shù)周，不用嚴格要求其功耗。但若在未知環(huán)境如需要克服氣候、壓力、溫度等方面的惡劣環(huán)境。以及為防止其被發(fā)現(xiàn)及摧毀，傳感器本身也應盡量小型化。應優(yōu)先考慮傳感器適應惡劣環(huán)境的能力及小型化的要求。
3.2 在環(huán)境領(lǐng)域的應用。無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境方面的應用也很廣泛。其可以對環(huán)境參數(shù)進行檢測，也可用于野外火災的檢測。無線傳感器網(wǎng)絡在農(nóng)業(yè)方面應用廣泛。國外發(fā)達地區(qū)應用無線傳感器網(wǎng)絡對部分農(nóng)田的土壤濕度、光照強度等進行適時的檢測，來確定如何耕作土壤。環(huán)境方面的無線傳感器網(wǎng)絡部署所需要的成本低、操作也相對簡單、不需要進行農(nóng)田的現(xiàn)場維護、長期不需要進行電池的更換。而節(jié)點的密集布置，能夠?qū)⑽⒂^的環(huán)境因素檢測出來，這為環(huán)境的監(jiān)測研究提供了新的路徑
3.3 在醫(yī)療領(lǐng)域的應用。在醫(yī)療領(lǐng)域無線傳感器網(wǎng)絡的應用也十分廣泛。通過將一些體溫、血壓等微型無線傳感器安裝在病人的身上，并通過其住宅內(nèi)的傳感器網(wǎng)關(guān)，醫(yī)生能夠遠程了解病人的身體健康狀況。將血壓及脈搏監(jiān)測設備等具有特殊功能的傳感器節(jié)點安裝在住院病人的身上，通過傳感器網(wǎng)絡，病人的病情可以及時反饋到醫(yī)生的手中，并作出及時有效的處理。還可利用傳感器網(wǎng)絡收集從病人身上累積到的長期的生理數(shù)據(jù)來進行相關(guān)的新藥品的研制。除此之外，無線傳感器網(wǎng)絡在藥物管理等方面也能發(fā)揮其特殊優(yōu)勢，將節(jié)點與藥品的類別相互對應放置，通過連接計算機系統(tǒng)后將所開藥品辨認出來，防止拿錯藥或開錯藥的情況發(fā)生。
綜上所述，傳感器網(wǎng)絡是一個新興的包含著多學科的技術(shù)。隨著無線傳感器網(wǎng)絡應用前景的不斷擴大，其將受到越來越的研究和關(guān)注。無線傳感器網(wǎng)絡應用的領(lǐng)域也將更加廣泛，必將對人們的生產(chǎn)及生活產(chǎn)生重大的影響。
參考文獻：
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