無線傳感器網絡范文

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關鍵詞： 無線傳感器；網絡；節點

中圖分類號：TN915 文獻標識碼：A 文章編號：1671－7597（2012）0220062－01

無線傳感器網絡使人們實現了耳聽八方、眼看千里的夢想，在現代衛星技術出現以后，人們實現了洞察全局、明察細微設備的使用，也就職把許許多多的傳感器節點等待在指定的區域，將數據借助無線電波進行傳播，然后回到監控中心，在監控區域內就會收到所有的信息。

1 無線傳感器網絡的組成和特點

1.1 無線傳感器網絡組成

可以將無線傳感器網絡分為控制管理中心、數據分布網絡和數據獲取三部分。它主要有傳感器、通信模塊以及數據處理單元的節點進行集成，各個節點遵循自己的協議，構成了一個分布式的網絡，進一步對采集到的數據進行優化，再通過無線電波傳到信息處理的中心。

1.2 無線傳感器網絡的特點

無線傳感器網絡中具有較多的節點，并且它們是不斷地變化的，這使它具有了和其它普通傳感器網絡不同的獨特“個性”。

1）自行組網及沒有中心的特性。在無線傳感器網絡中，所有節點具有平等的地位，這一網絡沒有預設的中心，更不會指定任何中心，各個節點借助分布式算法完成他們之間的協調，在沒有人看守時，各個節點就會對網絡自發組織起來，進行具體測量。2）動態變化呈網絡拓撲結構。網絡中的節點的變化是無時不有，無處不在的，在這種變化的環境中，它的狀態也會發生相應的變化，再加上無線通信信道具有不穩定的特性，網絡拓撲結構也會因此自行調整，發生一定的變化。3）有限的傳輸能力。無線傳感器網絡借助無線電波對數據完成傳輸，這樣可以省去布線的麻煩，但是與有線網絡相比較，它的不足是帶寬低，這一點還需要在技術方面進行克服。然而，由于單個的節點對數據進行傳輸的量較小，這個缺點產生的不足還很小，人們可以接受。4）受限的能量。為了測量出比較真實的具體值，各個節點在需要測量區域呈密集性地分布，一般不采取人工補充能量的方法。每個節點自身儲備了可以長期使用的能量，有的可以在外界獲取相應的能量，比如太陽能的汲取。5）存在安全隱患。無線傳感器網絡最容易受到外界的攻擊，這主要是因為分布式控制、有限的能量、無線信道的干擾。所以出現了主動入侵、被動竊聽、拒絕服務等常見的攻擊方式。

2 無線傳感器網絡的應用

2.1 軍事方面的應用。對無線傳感器網絡進行研究，較早應用是在軍事領域。因為他具有可較快地部署、自行組織、較強的隱蔽性及容錯性較高的特性，所以它可以完成對敵軍地形的偵察，也可以完成對兵力的布防以及對裝備的偵察，還可以完成對戰場的實時監視、定位，還可以完成戰場評估、核攻擊以及生物化學攻擊的監測與搜索的功能。

2.2 環境方面的應用。對無線傳感器網絡的應用，可以涉及到氣象及地理方面，人們對自然與人為災害進行監測，人們要對農作物的澆和土壤、空氣的變化、家禽及牲畜所在的環境情況進行監視，并通過它做大面積的地表檢測，還要通過它對自然界中的各種鳥類、動物以及昆蟲進行無線跟蹤，對瀕危種群做進一步的研究等。

美國在ALERT的計劃中，研究人員對多種傳感器進行了開發，并用它來對降雨量進行監測，對河水水位及土壤水分做出監測，并依據所得出的數據對一些自然災害進行預防。

2.3 醫療方面的應用。無線傳感器網絡還可以對人體的各項生理數據及健康情況做出檢沒，借助它對醫院的藥品做好管理工作，并將它應用到遠程醫療等相關的醫療領域。在SSIM這個項目中，醫生將100個微型傳感器放入病人的眼里，使盲人能夠有一定程度的視覺提高?？茖W家還大膽地借助它對“智能醫療之家”進行了創建，也就是在一個5間房的小區住宅內，利用無線傳感器網絡對生命體征進行測量，住戶的主要生命體征，比如血壓、脈搏、呼吸、睡覺姿勢以及每天的活動情況都被測量并進行了數據保存，利用無線傳感器網絡對搜集到的數據被整理，送到相應的醫療機構，進行相應的研究。比如哈佛大學的一個研究小組就是利用無線傳感器網絡絡構，建立了一個醫療監測平臺。

2.4 家庭中的應用。技術人員可以將無線傳感器嵌入到家具及家電中，將傳感器與執行單元組成的無線網絡還有Internet相連接，可以為人們提供比較舒服、便得以及人性化的智能家居環境。用戶還可以更方便簡潔地對家電做到遠程監控，比如在下班前對家里的電飯鍋、電話機、微波爐、錄像機、電腦等家電進行搖控，按照容量的大小和時間的安排，設置煮飯、燒菜的時間，并安排好對電話留言的查收，對電視節目的選擇，和網絡資料的下載等工作。在對家居環境進行控制時，把傳感器的節點安放在各自不同的房間，讓他產生不同的感應。另外，我們可以對各個房間的環境溫度做到局部的控制，甚至利用無線傳感器網絡還能夠對幼兒的早期教育環境做出監測，對兒童的活動范圍進行跟蹤，使這里的研究人員、兒童的父母或者是他們的老師對他們進行全面地了解，并對兒童的學習過程地行行之有效的指導。

2.5 工業方面的應用。無線傳感器網絡可以對車輛進行跟蹤、對機械故障做出正確的診斷、對工業生產進行計劃地監控、對建筑物的狀態進行監測等。將無線傳感器網絡與RFID技術相融合，可以實現智能交通?？梢园阉陀迷谳^危險的工作環境，比如在石油鉆井、煤礦、核電廠等的運用，利用無線傳感器網絡以后，可以對工作現場的比較重要信息進行探測。

2.6 機械故障診斷方面的應用。Intel公司做過一項實驗，就是對芯片制造設備做節點的安裝，借助所安裝的200個傳感器節點，對設備的振動情況進行監控，當測量結果超過了相關數值時，無線傳感器會提供一份監測報告。在美國的貝克特營建集團公司早已經在倫敦的地鐵系統中大膽地對無線傳感器網絡做了檢測。對無線傳感器網絡的應用，可以使大樓、橋梁以及其他建筑物進行感知，并對自身的狀態信息做出匯報。

3 結束語

總而言之，傳感器網絡在當前是國內外的熱點項目，它具有廣闊的發展空間，它的未來應用更廣泛，對技術要求較高。在近幾年的研究中，人們對傳感器網絡自身的特點得到了更深刻的認識，在技術上積累了經驗，有所進步。它是一門先進的技術，對它的研究還需要科技工作者不斷的努力。在國內外專家的努力下，無線傳感器網絡一定會以全新的局面展現在大家面前，必將更好、更廣地應用于各行各業，并造福于人類、造福于社會。

參考文獻：

[1]唐啟濤、陶滔，無線傳感器網絡綜述[J].網絡安全技術與應用，2008（02）：80-82.

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【關鍵詞】無線傳感器；網絡應用；現狀

1.引言

在二十一世紀的今天網絡技術已經得到廣泛的應用，計算機模式在向人們的生活不斷的深入，已經成了一個發展的中心，實實在在地融入了人們的生活，成為了人們賴以交流的有力工具，方便了人們的生活。無線傳感器網絡由大量具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器以自組織方式構成，然后經過無線的通信方式形成一個多跳的自配裝置網絡系統，從而達到協作感知和采集，以及對網絡覆蓋區域里感知對象信息進行處理的目的，最后再傳送給觀察者。作為一個新型的無線傳感器網絡，它在當今的科技及社會發展中起到了很大的作用。

2.無線傳感器網絡的特點及其結構

無線傳感器的特點上主要體現在規模大、自組織、動態性、可靠性、集成化等特點。

第一在規模上，為了能夠對信息進行精確的獲取，所以在檢測的區域一般都要部署很多的傳感器的節點，這些節點數量可能達到成千上萬甚至更多。規模大的特性主要有著兩方面的含義，其一是傳感器的節點分布在比較大的地理區域當中，其二是傳感器的節點部署得很密集，故此在較小的空間當中密集部署了大量的傳感器節點[1]。

第二在組織上，無線傳感器在實際應用當中，一般情況下傳感器的節點都放置在沒有基礎結構的地方，不能進行預先設定，并且節點間的相鄰關系也不知曉。這就要求傳感器節點要具有自組織能力，進行自動的管理及配置，通過網絡協議以及拓撲控制機制自動地形成轉發監測數據的多跳無線網絡系統。

第三在動態性上，表現在：傳感器網絡的拓撲結構可能會因為環境因素或者電能耗盡而對節點造成的故障、失效；環境條件變化造成的無線通信鏈路帶寬變化，甚至時斷時通的情況；傳感器網絡中傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性；新節點的加入。以上這些因素都可能發生變化，這就要求傳感器網絡系統在適應能力上要具有動態可重構性[2]。

第四在可靠性上，WSN比較適合在惡劣的環境中以及人類不宜到達的區域進行布置，并且節點能夠在露天的環境中工作。

第五在集成化上，傳感器的節點功耗以及體積都比較小，價格上也較為便宜，比較適合群組應用或者集成到其它系統中。

無線傳感器網絡的系統結構包括傳感器節點、匯聚節點及管理節點。傳感器節點的存儲能力和處理能力以及通信能力相對較弱，一般是通過小容量電池進行供電。從網絡功能上看，每個傳感器節點除了進行信息收集和數據處理外，還要對其它節點所撰發過來的數據進行存儲、管理和融合，并與其它傳感器節點進行協作來完成任務。匯聚節點在處理、存儲數據以及通信上，能力都較強，它是傳感器網絡與Internet等外部網絡連接的網關，實現兩種協議的轉換，把WSN收集到的數據轉發到外部網絡上；此外它還要向傳感器節點來自管理節點的監測任務。管理節點以動態的方式對整個無線傳感器網絡進行管理，傳感器網絡的所有者可以通過管理節點來訪問無線傳感器網絡的資源[3]。

3.無線傳感器網絡在現實生活中的應用

當前我國對無線傳感器網絡技術的研究雖然取得一定的成績，但要廣泛商用還有很長的路要走。目前微處理器的性能不斷提高、體積不斷縮小，這使得基于微處理器技術的無線傳感器網絡能夠在工業市場、環境監測、醫療護理以及軍事領域等方面中小規模地應用。

隨著社會的發展，人們對生態環境越來越重視，對環境的數據采集也是越來越多。無線傳感器網絡的應用給環境數據的采集工作帶來了很大的便利，避免了很多以傳統方式采集數據所帶來的弊端（傳統的采集方式會給環境造成侵入式破壞）。運用無線傳感器網絡可以對候鳥和昆蟲的遷徙進行跟蹤，也可以實時監測環境的變化對農作物的影響，還可以對海洋和土壤以及大氣的成分進行研究。英特爾研究室就利用無線傳感器網絡對緬因州“大鴨島”的氣候進行監測，以此作為對一種海燕巢評價的因素。

另外，它還可以應用在精細農業當中，用于監測作物中的害蟲以及土壤的酸堿度、施肥狀況等[4]。

無線傳感器網絡在醫療護理上也得到了應用，比如羅徹斯特大學的科學家就利用無線傳感器網絡技術建造了一個比較先進的智能化醫療房間，他們通過微塵對居住者的一些身體情況進行測量（包括脈搏、血壓、呼吸等），連睡覺的姿勢以及24小時的活動狀態也可以進行監測。而英特爾也在WSN的基礎上推出了家庭護理技術，它主要通過給家中的一些基本物品（如鞋子等）和設備嵌入微處理裝置，通過無線傳感器網絡技術來幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士，改善他們的家庭生活。

在軍事領域，由于無線傳感器網絡有著自組織以及密集型的特點，即使在惡劣的戰場環境中也能夠進行作業。像監控兵力、偵察敵情、物資裝備以及對生物化學攻擊進行正確的判斷等都可以應用。目前，“沙地直線”和“智能塵埃”這兩個重要的研究項目也已經展開。

無線傳感器網絡在一些較為危險的工作環境中也能夠進行作業，比如礦井以及核電站等高危環境，可以通過無線傳感器網絡來進行安全監測；在交通方面也可應用在車輛上作為監控的工具；同時在一些工業自動化生產線上也得到了應用。

4.當下的無線傳感器網絡研究

網絡技術的發展使人們的交往方式產生了很大的變化，無線傳感器網絡是我國計算機研究方面的一個新領域。相較外國而言，我國在這方面的系統研究較晚，在近些年才取得了一定的成績。

2001年我國科學院依托上海微系統成立的微系統研究與發展中心，其主要目的就是為了使WSN得到進一步的發展。在2002年，一些重要的大學如清華大學、哈爾濱工業大學等，都在時間同步、定位以及在傳感器的數據管理系統方面正式展開了研究工作，在2004-2006年的幾年時間里，把無線傳感器網絡作為一個重點研究項目。當下的一些企業對無線傳感器網絡也越來越重視，比如寧波中科等已經對無線傳感器網絡技術進行了研究[5]。

5.結語

當今科技發展迅猛，高新技術的應用能夠給我們的生活帶來很大的便利，無線傳感器網絡在無基礎架構的分布式多跳無線通信系統這方面者有著重要的優勢，在靈活性上得到了充分的體現，在我國的網絡技術不斷的發展的前提下，無線傳感器網絡發展定能取得更好的成績。

參考文獻

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>> 無線傳感器網絡技術 無線傳感器網絡技術研究 無線傳感器網絡技術概述 淺談無線傳感器網絡技術及其應用 無線傳感器網絡技術與應用 無線傳感器的網絡技術應用分析 無線傳感器網絡定位技術 無線傳感器網絡管理技術 無線傳感器網絡技術在公安消防中的應用 無線傳感器網絡技術在錄井中初步應用探討 淺析無線傳感器網絡技術在物聯網中的應用 無線傳感器網絡技術在軍事領域中的智能化應用 新型、開放的無線互聯傳感器網絡技術ZigBee分析 對無線傳感器網絡技術安全性的淺析 溫室農業監測中無線傳感器網絡技術的應用 基于無線傳感器網絡技術的敬老院遠程醫療監護系統 基于無線傳感器網絡技術的水產養殖場信息獲取系統 高職“無線傳感器網絡技術”課程教學研究 無線傳感器網絡技術在軍事中的應用 無線傳感器網絡 常見問題解答 當前所在位置：l.

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關鍵詞 無線傳感器；傳感功能；網絡安全技術；分析；策略

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）03-0047-02

隨著信息技術的發展，無線網絡技術得到廣泛的應用，針對無線傳感器節點的開發，采用低成本、低能耗、多功能化的技術，從而降低了開發無線傳感器網絡的成本。由于無線傳感器網絡安全技術應用廣泛，大多數應用在商業、娛樂、軍用及民用等各個領域，因此大多數應用領域要求無線傳感器網絡的安全性具有一定的保障，因此，無線傳感器網絡安全技術被深入的研究。

1 無線傳感器網絡安全技術含義

無線傳感器網絡安全技術是指無線傳感器網絡安全的限制因素及無線傳感器網絡安全性目標。限制無線傳感器網絡安全因素包括傳感器節點本身因素的限制、無線網絡自身因素的限制，傳感器節點的限制包括傳感器節點的內存、存儲容量等硬件方面的限制，而無線網絡的限制則包括節點的脆弱性、信道的脆弱性、無固定結構、弱安全設計、局限于對稱目密鑰技術及節點的電源能量有限等方面的限制。

對于普通網絡，無線傳感器網絡技術的安全性目標不僅實現無線傳感器網絡數據的保密性，對無線傳感器網絡技術的完整度、無線傳感器網絡的鑒別、認證性等三個方面也具有重要作用，特別是數據的保密性，其在軍事應用領域中要求較高，而無線傳感器網絡的完整性，則是無線傳感器網絡安全最基本的實現目標，普通網絡中大多數信息處于開放的狀態，因此要求保證信息的完整性，以防虛假警報的現象發生。另外，無線傳感器網絡的認證性，是無線傳感器網絡研究領域中組通信對源端認證的非常重視的安全性目標。但是，無線傳感器網絡安全技術的節點具有獨特性，且在不同的應用領域也有一定的特殊性，因此，無線傳感器網絡的安全實現目標在不同的領域的重要程度具有一定的差異。

2 無線傳感器網絡安全問題分析

無線傳感器網絡安全協議棧，是由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層及應用層組成的網絡協議。其網絡的物理層，主要具有調制信號、發射信號、接受信號的功能；網絡的數據鏈路層，主要實現數據流多路傳輸、數據幀檢測、媒介訪問控制、媒介錯誤控制的功能；針對不同的應用領域，無線傳感器網絡的應用層具有不同功能的應用軟件。但是，無線網絡傳感器網絡各層協議中，都存在一些網絡安全問題，例如，協議中的物理層，其容易引起無線通信的干擾，攻擊者用A個節點干擾B個節點的服務，并且阻塞B個節點（A

3 無線傳感器網絡安全技術應對策略

3.1 無線傳感器網絡協議棧安全攻擊技術策略

針對無線傳感器網絡協議的物理層、數據鏈路層等各個層次中，分析各個層受到的攻擊方法及防御策略，如圖1所示。

圖1 協議棧攻擊方法和攻擊手段

物理層協議主要負責信號的調制、發送和接收，也包括數據的加密‘信號的探測等。由于無線傳感器網絡是以無線電的媒介為基礎，并且無線傳感器網絡的節點一般不被設置在安全的地方節點的物理層沒有得到安全保障，因此容易導致無線傳感器網絡在媒介及物理層上受到干擾攻擊。

干擾攻擊，是指對無線網絡傳感器的節點，干擾其使用的無線電頻率。由于干擾端源不同，則導致干擾的破壞力大小也不一樣，有的可能干擾一個小的區域，嚴重的可能干擾整個網絡，若干擾源被隨機的部署在各個領域，則容易引起攻擊者改變節點信息，攻擊整個網絡。采用各個擴頻通訊方式，如調頻擴頻，從而防御攻擊者干擾攻擊。調頻擴頻，是依據發送方和接收方具有相同的偽隨機數列，在多個頻率中，快而準的進行偽數列的切換，由于攻擊者無法獲取偽數列調頻的規律，因此很難進行干擾通訊。但是，由于無線傳感器網絡中可用的頻率不是無限制的使用，導致攻擊者干擾不被使用的大部分頻率。

3.2 無線傳感器加密算法

在實際應用中，大多數數據在進行傳輸的過程中，都需要對其進行加密，但是，無線傳感器的節點內存、CPU、存儲容量及帶寬容易受到限制，使在加密過程中，不能采用典型的加密計算或密文較長的數據加密算法，采用對稱密鑰加密算法和非對稱密鑰加密算法，實現數據加密技術。

對稱密鑰加密算法分析TEA加密算法和RC5、RC6加密算法，TEA加密算法即微型加密算法，其采用迭代、加減的操作方法，而不是采用是異或操作進行加密計算。TEA加密算法占用極小的節點內存、計算的資源也占用的較小，至今還沒有攻擊者能破解加密的密文，但是，TEA算法的安全性，通信組至今還沒有對其進行安全審核與檢查。而RC5、RC6加密算法，其通過加法操作、異或操作、循環位移等基本操作對傳感器節點實現加密算法，其不僅可以實現快速對稱加密，也可以實現變化密鑰長度等特點，在硬件和軟件方面都可以實現加密，特別是采用循環位移，其是加密算法中唯一的線性部分。RC6算法，是根據RC5算法中出現的漏洞的基礎之上，采用乘法運算法則，對循環移位次數的計算方法，這樣不僅改善了RC5算法中的漏洞，RC5算法的安全性也得到進一步的提高。但是，相比之下，RC6算法操作較復雜，其執行效率也較低，而RC5的安全性相對較高，但是RC5也存在許多不足之處，如資源消耗較高，容易受到暴力攻擊等，另外，進行初始計算密鑰，采用RC5算法，導致大量浪費傳感器節點RAM字節數。

針對非對稱密鑰加密算法，在無線傳感器網絡中，采用RSA加密算法，雙方節點之間進行互換密鑰，從而依據第三方節點安全傳輸加密會話密鑰給第三方，另外，由于傳感器基站的資源是有限制的，因此，進行加密算法過程中，采用PKI技術，實現對基站傳感器的節點進行身份認證。

4 結束語

無線傳感器網絡安全技術被廣泛的應用在各個領域，因此，研究無線傳感器網絡安全技術具有重要的意義。

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關鍵詞：無線傳感器 定位 時間同步 數據融合

1. 引言

無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式所形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中得感知對象信息，并發送給觀察者。無線傳感器網絡具有低成本、容錯性好、快速部署、無需固定網絡支持、可長期執行監測任務等特點，在環境監測、醫療衛生、軍事、災難拯救以及商業等方面具有廣泛的應用前景。[1]

2. 無線傳感器網絡關鍵技術

2.1定位

確定傳感器節點自身位置以及事件發生的位置是無線傳感器網絡的基本功能之一，定位技術對無線傳感器網絡的各種應用都有著重要的作用，是一項值得研究的關鍵技術。文獻[1]針對戶外消極追蹤問題。提出了一種利用光傳感器和光源對WSN中的移動目標進行追蹤的方法。文中設計了光追蹤協議來計算目標移動的方式[1]。文獻[2]從無線攝像傳感器網絡中目標定位的角度，分析覆蓋問題，提出一種方向定位傳感模式，在此基礎上應用貝葉斯估計理論，提出了方向定位的覆蓋概念（L覆蓋），根據攝像傳感器分布密度和L覆蓋率關系，得到對期望的L覆蓋率的密度要求[2]。

2.2時間同步

在無線傳感器網絡應用中，傳感器節點通常需要協調操作共同完成傳感任務，時間同步技術顯得尤為重要。傳統的網絡時間同步的方法，成本較高且能耗較大，在惡劣的環境下同步精度還會受到很大影響，因此，研究適合于傳感器網絡的精確節能的時鐘同步算法也是目前國內外研究的一個熱點方向。

2.3覆蓋

在傳感器網絡資源受限的情況下，通過節點部署策略以及路由選擇等手段，可以使無線傳感器網絡的各種資源得到優化分配，因此，覆蓋也是目前研究的熱點方向。文獻[3]提出了一種基于新穎的蟻群優化算法解決能量有效覆蓋問題的方法，[3]該算法使用三種類型的信息索來解決能量有效覆蓋問題，而傳統的蟻群優化算法只使用一種類型的信息索，進一步，文中提出了兩種具體解決辦法：1、可能傳感器偵測模式；2、在連續空間中使用不同類型的傳感器。實驗表明，該算法能很好地延長整個網絡生命周期。

2.4網絡安全

由于無線傳感器網絡受能耗、數據處理和通信能力的限制，使得無線傳感器網絡受到的安全威脅，現有的網絡安全機制不適合于無線傳感器網絡，需要開發針對該領域的專門協議。文獻[4]針對雙層傳感器網絡中存儲節點被攻擊問題，[4]該文提出了一種防止被攻擊的協議SafeQ，使節點在采集數據，和存儲節點向sink節點傳輸數據更為安全。

2.5數據融合

鄰近節點報告的信息存在很大的相似性和冗余性，各個節點單獨傳送數據會浪費通信帶寬，縮短網絡生存時間，加速節點的能量消耗。而數據融合技術有助于提高數據的準確性和數據的收集效率。因此，數據融合技術成為無線傳感器網絡的一項關鍵技術。文獻[5]針對于無線傳感器網絡中對環境的監測，提出了一種面向時間相關性的復雜框架，[5]該框架可以對數據壓縮的損失進行優化，進而提出了在噪聲環境下動態減少能量損失的數據聚集協議。文獻[6]針對無線多媒體傳感器網絡數據壓縮所產生的數據冗余問題，[6]該文提出了一種信息數據壓縮框架，將采集到的視覺信息最大化的完整壓縮。并在此基礎上，結合優先進化遺傳機制，提出DMCP協議，減少壓縮過程的數據冗余。

2.6網絡協議

路由協議不僅關系到單個節點的能耗，而且直接影響到網絡的生命周期，所以，網絡協議也成為無線傳感器網絡的一項研究熱點。文獻[7]提出了一種任播路由算法保證數據包準確傳到水面SEA傳感器。[7]通過任播路由協議，將水下不同深度的水壓傳給SEA，再由SEA傳給檢測中心。該協議采用新穎的機會路由機制，選擇最大貪婪進程的子集，限制信道干擾。

2.7網絡拓撲控制

對于無線傳感器網絡而言，良好的拓撲結構有利于節省節點的能量來延長網絡的生存期，提高路由協議和MAC協議的效率，所以拓撲控制也是無線傳感器網絡的核心技術之一。

3. 無線傳感器網絡所面臨的挑戰

傳感器網絡是由眾多節點組成的、采用無線通信方式、動態組網的多跳移動性對等網絡。與傳統網絡相比，傳感器網絡的發展受到了如下幾方面限制與挑戰：

（1）電源能量有限

傳感器網絡的首要設計目標就是能源利用問題，如何高效使用能量來最大化網絡生命周期是傳感器網絡所面臨的首要挑戰，也是傳感器網絡和傳統網絡最重要的區別之一。

（2）通信能力有限

在通信環境和節點有限通信能力的情況下，如何設計網絡通信機制以滿足傳感器網絡的通信需求是傳感器網絡面臨的又一挑戰。

（3）計算和存儲能力有限

傳感器節點需要完成檢測數據的采集和轉換、數據的管理和處理、應該匯聚節點的任務請求和節點控制等多種工作，如何利用有限的計算和存儲資源完成諸多協同任務，成為傳感器網絡設計的一個無法回避的問題。

4.結束語

無線傳感器網絡作為新興前沿熱點研究領域，在眾多應用領域具有重要的科研價值和巨大實用價值，本文對無線傳感器網絡的關鍵技術及所面臨的挑戰進行了歸納分析，并對其今后研究起到積極引導作用。

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關鍵詞：無線傳感器網絡；網絡應用；網絡管理

中圖分類號：U28 文獻標識碼：A

現在廣泛應用的傳感器是由許多體積小、價格低廉、用電池供電的具有無線通信功能和檢測能力的傳感器節點組合而成的。無線傳感器網絡涉及了傳感技術、嵌入式計算技術以及無線通信技術等多個領域的內容，成為了當前國際上關注度較高的、多學科交叉的研究熱點。無線傳感器網絡可以通過各個微型傳感器之間的相互協作，完成實時的監測和采集信息的任務，然后將匯總的信息以無線的方式發送出去，通過網絡到達系統的終端用戶處，從而在物理領域、計算機領域和人類社會三者之間建立聯系。

無線傳感器網絡目前已經得到了廣泛的應用。無論是在軍事國防、工農業領域，還是在生物醫療、環境監測、搶險救災領域，無線傳感器網絡都收到了良好的效果?，F在國內外的學術界和工業界的很多人都把目光聚集在了無線傳感器網絡技術的進一步開發和利用上，無線傳感器網絡已經產生了巨大的使用價值，它被認為是將對21世紀產生重大影響的科技之一。

1 無線傳感器網絡的技術特點

1.1 無線傳感器網絡所使用的傳感器耗能少、體積小、價格低、集成度高。無線傳感器網絡技術并不是簡單的將原有的傳感器通過無線網絡連接在一起。微機電系統技術和低耗能電子技術的不斷發展，成就了新型的傳感器節點。這些新型節點耗能少、體積小、價格低，并且具有微型的傳感器、執行器和處理器等多種功能部件。和以前的傳統傳感器相比，無線傳感器網絡節點的優勢更加明顯，具有能少、體積小、價格低、集成度高等傳統傳感器無法比擬的特點。

1.2 無線傳感器網絡的節點分布更為密集。無線傳感器網絡的一個重要特點就是在需要進行監測的范圍內密集的放置數量較多的相同或是不同類型的傳感器節點。通過這種密集的節點布置，可以將獲取區域更詳細的信息或是對統一對象獲取多個角度的信息，然后將獲取的大量信息進行處理，從而提高監測的精準程度，降低對單一傳感器節點的精度要求。通過在監測區域設置了密集的節點，其中一部分節點并不必要，這些冗余的節點會產生一定的容錯能力，從而降低了對某一個單一節點穩定性的要求。除此之外，密布的節點還可以讓各個節點得到合理的休息和調整，從而延長整個無線傳感器網絡的使用壽命。

1.3 無線傳感器網絡采用的是自組織網絡環境。無線傳感器網絡的自組織性質是由自身的特點所決定的。第一，無線傳感器網絡使用過程中往往沒有固定的網絡提供支持；第二，無線傳感器網絡的傳感器較多，布置地點隨機進行選擇，其具體的相對位置關系無法提前確定；第三，傳感器受外界環境或是自身因素影響，可能會出現失效情況，亦或是出于增加精度和彌補失效節點的目的，在監測中途增加補充一些新的節點，無線傳感器網絡處于一個動態的變化之中。由于以上所述的三點原因，無線傳感器網絡需要節點之間自動進行管理和調節，從而適應不斷變化的各種環境，保證無線傳感器網絡整體工作的連續性與高效性。

2 無線傳感器網絡的發展歷史

傳感器網絡已經經歷了四代的發展。第一代的傳感器網絡誕生在上世紀70年代，使用的傳感器具有簡單的信號獲取能力，通過點到點的傳輸方式，與控制器連接在一起，形成傳感器網絡；第二代的傳感器網絡功能得到了較大提升，可以獲取多種不同的信息信號，通過串聯或是并聯接口與相應的控制器連接，從而構成一個能夠接受多種綜合信息的傳感器網絡系統；當傳感器網絡發展到第三代時，傳感器不但可以收集各種不同的信息信號，還采用了現場總線連接的方式與控制器連接，形成了具有一定智能化的傳感器網絡。無線傳感器網絡目前還處于研發、探索階段，它將是傳感器網絡的第四代產品。無線傳感器網絡應用的傳感器數量大、功能多，并且能夠獲取多種信號，采用無線自組織接入網絡，與傳感器網絡控制器連接。

無線傳感器網絡是一個整個興起的傳感器網絡，正逐步受到各方面的關注。目前，美國的許多規模較大的IT公司開始通過與高等學校合作的方式，加大對無線傳感器網絡技術的研究工作。美國的許多著名高校也啟動了相應的計劃，在無線傳感器網絡方面開展深入的研究。我國對無線傳感器網絡的研究工作也在發展之中，從本世紀初，國家自然科學基金委員會就已經批準了大量有無線傳感器網絡有關的課題，國家發改委也出臺了計劃，對無線傳感器網絡的相關課題進行了專門部署。

3 無線傳感器網絡的研究與應用現狀

目前無線傳感器網絡的研究主要是在通信、節能和網絡控制三個領域，且都取得了一定的進展，為無線傳感器網投入實際生產奠定了良好的理論基礎。無線傳感器網絡具有成本低、耗能少的有點，這樣就可以在一個很大的范圍能進行分散布置，即便不利于是在不利于人類活動的地方，利用無線傳感器網絡技術都可以取得良好的工作效果，應用領域十分廣泛。就目前我國的研究應用情況來看，無線傳感器網絡可以應用于軍事、環境監測、醫療健康、空間探測、工業生產等領域。

4 無線傳感器網絡研究的熱點和方向

4.1 通信協議。通信協議可分為三個研究方向：物理層通信協議、數據鏈路層協議、網絡層協議和信息層協議。其中物理層主要研究傳感器網絡的傳輸媒體、頻段選擇、調制方式等，數據鏈主要研究網絡拓撲、信道接入方式、混合結構和Mesb等多種結構。網絡層協議主演研究路由協議，傳輸層協議的研究視為網絡提供可靠的數據和恢復功能。

4.2 網絡管理。網路管理主要分為兩種：能量管理和安全管理。能量管理是為了減少節點的耗能，在不降低工作性能的基礎上，對網絡進行優化，平衡網絡的能量消耗；安全管理主要關注的是無線傳感器網絡的安全問題，包括認證、防干擾信息等。

4.3 硬件資源。無線傳感器網絡的硬件發展方式向市微型化、低成本和新型能源。無線傳感器網絡微型化主要是要將使用節點的體積減??；降低成本則需要在不影響性能的基礎上減少硬件花費；通過太陽能等新能源的開發利用，可以解決無線傳感器網絡發展中遇到的能源問題。

參考文獻

[1]袁勇.無線傳感器網絡節能傳輸技術研究[J].軟件學報.

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關鍵詞：無線傳感器網絡；網絡安全；認證機制

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)12-2791-02

Research on Security Authentication in Wireless Sensor Network

MA Hai-song, LIU Yi-jun, ZHU Yu-hai

(College of Computer, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Abstract: With the wireless sensor networks in infiltrating in each field of our life, the security mechanism has already become one of the main reasons of restricting its development. As authentication is an important part in the security mechanism, it is significant to study the authentication mechanism of wireless sensor networks. The article gives the brief introduction to the authentication mechanism in the wireless sensor, and proposed a safer and flexible authentication design proposal, which is suitable to the not safest application occasion.

Key words: wireless sensor networks; network security; authentication

無線傳感器網絡是一種輕量散投網絡系統。所謂輕量散投的網絡，是指網絡設備計算能力及存儲空間低，網絡部署前拓撲結構不可預知，網絡部署后拓撲結構相對穩定，無需人工干預也無需人工監管的網絡[1]。它綜合了傳感器技術，網絡技術，無線電通信技術，嵌入式計算機技術等等多項技術。在實際應用中能滿足人們在比較特殊的環境條件下獲取大量詳實可靠信息的需求。

對于一個網絡而言，安全性是其可用性的前提。隨著無線傳感器網絡在生活各個領域的滲透，安全機制已經成為制約其發展的主要原因之一。認證是安全機制中的重要部分，研究無線傳感器的認證機制具有重要的意義。文章對無線傳感器的認證機制進行了簡略的介紹，并提出了一種適用于安全要求不是很高的應用場合，并且安全性較好，也比較靈活的認證設計方案。

1 無線傳感器網絡的認證機制

所謂認證，是指通過某種安全機制，驗證網絡中一個節點，是否屬于該網絡的合法節點或者其傳輸過程中的數據是否被中間節點所改變[2]。其中，前者就是所謂的實體認證，后者就是所謂的信息認證。下面簡單地介紹下實體認證與信息認證：

實體認證機制，是指為了讓具有合法身份的用戶加入到網絡并且有效地阻止非法用戶的加入，確保住網絡的外部安全，目前的實體認證協議主要有基于低指數級RSA的TinyPK實體認證方案，基于ECC算法的強用戶認證協議方案，以及基于秘密共享的無線傳感器網絡實體認證協議方案。TinyPK實體認證方案采用的是分級的思想來執行認證不同的操作部分，即用私鑰簽名和解密的所需要的能量消耗較大的操作由能源較為充足的外部節點進行，用公鑰驗證簽名和加密所需要的能量消耗較少的操作則由傳感器節點進行，較方便地實現了無線傳感器網絡的實體認證?；贓CC算法的強用戶認證協議方案對TinyPK方案作了以下兩點改進。第一點是公鑰算法采用ECC代替RSA。第二點是認證方式采用n認證代替傳統的單一認證。而基于秘密共享的無線傳感器網絡實體認證協議方案，則是采用秘密共享和組群同意的方式，在其認證過程中沒有采用任何高消耗的加解密方案，容錯性好，認證強度和計算效率高。

信息認證機制，是指為了防止惡意節點注入非法信息，偽造和篡改數據，在網絡中必須采用信息認證機制，確認信息是從合法節點發出的，并保證數據完整性[3]。目前信息認證機制協議主要有基于廣播數據源認證機制的uTESLA協議，基于廣播數據源認證機制的多級uTESLA協議及多跳通信下的信息認證協議。uTESLA協議的主要思想是先廣播一個通過MAC密鑰認證的數據包，然后再公布MAC密鑰。這樣就保證了MAC密鑰 公布之前，沒有人能夠得到認證密鑰的任何信息，也就沒有辦法在廣播包正確認證之前偽造出正確的廣播數據包。多級uTESLA協議采用預定和廣播初始化參數的方法來替代了在uTESLA協議中用單播方式初始化安全參數的過程并且該協議采用一種多級密鑰鏈的模型，摒棄了uTESLA使用超長密鑰鏈任務，提高了網絡對包丟失的容忍度和抗擊DOS攻擊的能力。而無線傳感器網絡多跳通信下的信息認證協議則結合了多路徑認證和逐跳認證的優點，信息在經過這樣傳送后，實現了雙重認證，較高強度的信息認證。

總的來說，關于無線傳感器認證機制這方面的研究在各方面還不是很成熟，在實體認證方面，簡易操作步驟，高效公鑰算法，高強度認證框架是研究熱點；在信息認證方面，兩個不相鄰節點間的密鑰對生成，多點數據源廣播認證，低能耗的多跳認證路徑是研究難點，因此可以從以上方面作為切入點，設計出一個低能耗，高效，高強度的適合無線傳感器網絡的安全認證方案。

2 一種新的無線傳感器網絡分層認證機制方案設計

該安全認證方案是以網絡中的節點在網絡中所扮演的角色的重要性為依據，對網絡中的重要節點采用較強的認證方式而對普通節點采用相對較弱的認證方式而設計的安全認證方案。由于其是根據網絡中節點的重要性的不同分別采取不同強度的認證方式，從而使整個網絡在安全強度和認證所需要的資源消耗上達到一種較好的平衡。

該安全認證方案模型可以分為三層：上層僅由一個基站組成，其擁有強大的計算通信能力，電源支持以及巨大的存儲容量，主要負責向各個網關節點發送查詢消息以及向終端用戶提供查詢到的結果。中間層是由若干網關節點組成，網關節點具有遠遠高于普通節點的計算通信能力，相對充足的電源和較大的存儲容量，每個網關節點覆蓋一片包含大量傳感器節點的區域，主要負責把基站發送的查詢信息廣播給區域內所有的傳感器節點并把區域內的簇頭節點發送的查詢結果經過處理后返回給基站。底層是由大量的普通傳感器節點構成，這些普通節點按照某種分簇協議產生簇頭節點。

該分層模型的認證機制包括兩類認證規程：即包括基站對網關節點的認證和網關節點對普通節點的認證的層間認證和包括關節點間認證和普通節點間認證的層內認證。具體如下：基站對網關節點的認證，即在認為基站是絕對安全的前提下，在網絡初化階段，基站首先需要對網絡中的各個網關節點進行身份認證?；鞠蛩芯W關節點廣播初始化消息，普通節點收到此類消息后對消息不做處理而直接進行轉發，網關節點收到該廣播消息在檢驗無誤后使用預置的共享密鑰對消息進行解密初始化自己，在完成對自身的初始化之后，各個網關節點分別將自己初始的相關消息發送給基站，基站使用與網關節點共享的密鑰對消息進行解密就可以知道該節點存在于當前網絡中以及其初始的相關信息。基站初始化與之相關的記錄，并將自己選取的與網關節點進行通信的參數回復給網關節點。網關節點按照基站的安全參數進行安全初始化。網關節點再次確認雙方進行會話所需的安全參數，從而完成網關節點初始化階段在基站的注冊過程。所有網關節點進行同樣的操作，整個過程完成之后，基站就可以知道當前網絡中都有哪些網關節點以及相應的分布情況；網關節點之間的認證，即在初始化階段，網關節點通過自身使用的路由協議可以發現并記錄與自己相鄰的網關節點。在基站完成對網絡中的所有網關節點進行認證之后，網絡中所有合法的網關節點的信息都存儲在基站中。每當有X個網關節點通過基站的身份認證，基站即向所有網關節點廣播一條認證成功的消息，網關節點對消息進行解密后，通過對比就可以知道哪些鄰居節點是已經通過基站認證的合法節點。這樣，在基站完成對網絡中的所有網關節點進行認證之后，各個網關節點就可以完成對其所有的鄰居節點的身份認證。網關節點與域內普通節點之間的認證即對網絡進行分化，通過在網絡中引入一部分網關節點，利用這些網關節點來對網絡進行區域劃分[4]，從而實現對網絡整體覆蓋范圍和每個網關節點覆蓋區域中的普通節點的數量進行控制。采用預定和廣播初始參數的方法，在普通節點中預置域內的密鑰鏈使用約定和相關參數，由網關節點使用廣播消息對普通節點進行初始化操作。整個認證過程仍然分為三個階段，即網關節點的安全初始化，網關節點廣播初始化參數以便普通節點加入網絡安全體系和節點對廣播數據包進行認證。普通節點之間的認證，即普通節點通常情況下只與其附近的若干個節點進行直接的通信，對于這種點對點的通信，我們通過網關節點為需要進行安全通信的兩個節點建立會話密鑰來保證它們之間的通信。通信普通節點需要發送廣播的情況比較少，通常的實現方法是節點先將需要廣播的信息發送給它所在的網關節點，然后由網關節點向全域進行廣播。

3 總結與展望

無線傳感器網絡中用戶認證技術的研究成果目前還不是很多，而且多數集中在國外，以上用戶認證方案采用不同的思想和技術，雖然存在較多的不足，但為設計完善的用戶認證方案提供了參考。在接下來的工作中，可以繼續研究如何將安全強度更高，使用起來更方便的公鑰認證機制引入到無線傳感器網絡中；并結合無線傳感器的密鑰分發與管理技術，安全路由技術以及入侵監測技術等，從整體上來構筑一種更安全，更高效的適合于無線傳感器網絡的安全機制。

參考文獻：

[1] 周賢偉,覃伯平,徐福華,等.無線傳感器網絡與安全[M].北京:國防工業出版社,2007.

[2] William Stallings.密碼編碼學與網絡安全[M].北京:電子工業出版社,2004.

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關鍵詞：無線傳感器；網絡跨層設計；優化

前言

目前，無線傳感器網絡還主要應用在軍事和醫療等領域，當然，無線傳感器網絡有許多其他的用途。然而，無線傳感器網絡也存在著一些問題急需要解決，其主要包括成本高、功能性不強和網絡生命周期短等問題，要想實現復雜的無線傳感器網絡是非常困難的。因此，要解決無線傳感器網絡在使用存在的不足，研究無線傳感器網絡跨層優化和控制顯得十分重要，也是目前迫在眉睫、亟待解決的關鍵性問題。

1 無線傳感器網絡跨層設計背景

1.1 分層設計方法

當前，我們所使用的通信系統主要是基于開放的標準分層模型，因而，將無線網絡的協議分為物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層五個層次。分層結構模型的特點主要是每層能夠獨立地進行設計和操作，通信只在相鄰位置的層間進行，并會受到一組服務的限制。分層結構還具有非最優性和非靈活性的特點。非最優性，顧名思義是指各層之間的信息布恩互享，分層結構的分層接口對于個體網絡約束和應用是靜態的并且是獨立的。而非靈活是指每一個新使用的開發者一定要單獨作用在低層。盡管現在應該采取了許多新技術有效地改善了無線網的網絡性能，但是，無線網絡的物理層仍然無法向上層協議提供穩定的寬帶，無線網絡的這一缺點一直沒有得到很好的解決，因此，上層協議層必然地要受到物理層的影響，為了改善無線網絡的性能，就一定要求上層協議能與物理層進行信息交互，以能夠滿足物理層的特性變化為目的。所以，無線網絡跨層設計的想法就產生了。

1.2 跨層設計方法

無線網絡跨層設計是基于特定的分層結構而言的，主要是針對不符合分層通信結構的協議而設計?？鐚釉O計的主要目標是聯合不同區域的資源來進行網絡的構建，使得每層的信息可以互享，從而提高網絡的使用效率和穩定性。對于大多數網絡來說，設計的主要目的是為了傳輸信息。然而，無線傳感器網絡由于其擁有獲取多種信息信號的綜合能力，并且能夠通過其與傳感控制器的聯接，組成的傳感器網絡具有信息的綜合和處理的能力。當然，無線傳感器網絡也有著其自身的限制，尤其是很多的應用都對網絡的設計提出了全新的挑戰。自適應是指協議層對網絡的條件進行觀察并做出相應的反應的一種機制。自適應不僅包括了協議層的上層對下層變化的自適應，也包括了下層對上層的變化的自適應。在整體上，通信系統則要充分的考慮協議層各層之間的相互影響，促進最優性能的實現和保證網絡系統性能的穩定性。

2 無線傳感器網絡跨層設計的主要技術

2.1 基于能效管理的跨層設計技術

基于能效管理的跨層無線傳感器網絡設計是指針對傳感器的節能和抗干擾性等性能的具體要求進行設計的，結合對節能和抗干擾性等關鍵指標的具體要求，借助現代網絡和信息處理等領域的一種先進技術?，F在已經有了一些基于能效管理的無線傳感器網絡優化設計的階段性研究成果。這些成果的核心是利用MAC層與網絡層之間跨層信息的互享進而使整個網絡系統的性能得到改善。因此，進一步研究基于能效的跨層無線傳感器網絡的設計具有很大的前景和研究必要。

2.2 基于最優的跨層設計技術

基于最優的跨層設計技術是指利用最優所能提供不同協議層之間的信息交換，進而達到改善無線傳感器網絡的性能的目的。現在已經研究出的一種基于最優的跨層設計技術的協議體現構架，并且通過最優很好地改善了網絡系統的性能。通過自上而下的應用要求，最優能將信息反饋給底層網絡。用戶可以利用最優可以與網絡的協議層進行信息共享和交換。

2.3 基于質量服務保障的跨層設計技術

服務質量（QOS）是指網絡提供更高優先服務的一種能力，包括專用帶寬、抖動控制和延遲、丟包率的改進和不同WAN、LAN 和 MAN 技術下的指定網絡流量等，同時，確保為每種流量提供的優先權不會阻礙其它流量的進程?；谫|量服務保障的跨層設計技術的核心很顯然就是要保證網絡的穩定性和應用性能，以達到為用戶提供較高質量的網絡服務的目的。無線傳感器的節點是通過匯聚節點和基站將采集的信號遠程的用戶，或者是將遠程的信號傳送到控制感應器。必須保證在傳輸信息的過程中保證每個用戶的網絡需求。

3 當前跨層設計技術面臨的挑戰

無線傳感器網絡跨層設計是一種新型的無線網絡設計技術，其具有很多限制和應用一些相關的問題，現在面臨的最大挑戰是對于在何種情況下采用跨層設計技術，以及怎樣實現跨層設計。主要的挑戰包括以下幾個方面，第一，全網絡的設計和優化是一項非常復雜的工作。尤其是在實現實時動態優化的過程中，面臨的優化問題更加的復雜。因此，一種更高效的網絡層間的信息調度對于網絡跨層設計就顯得相當的重要。第二，在優化的過程中，使用的衡量標準又是其一個無法避免的關鍵性問題。尤其是在業務多元化和需求多元化的情況下，衡量標準的定義具有非常重大的意義。第三，動態網絡的實現比較的困難，主要是由誰來控制跨層功能這個過程的關鍵問題還沒有得到很好的解決。因此，當前無線網絡跨層設計技術面臨著各種的挑戰，尤其是在實現更加高端的動態網絡的過程中面臨的挑戰更加的大。當然，隨著網絡技術的不斷發展，無線傳感器網絡跨層所面臨的問題將會被相關技術人員一一的解決，并且可以預測無線傳感網絡跨層在我國將會擁有很好的使用前景。

4 結束語

近年來，針對上述問題我們提出了多種跨層設計方案。并根據不同的優化目的將其主要分為以下四類，第一，減少功能消耗。即在無線傳感器網絡中如何利用跨層設計的優點來提高網絡功效的可能性和必要性。第二，提高系統吐納量。即主要是為了解決無線傳感器網絡的規模問題。第三，實現質量服務要求。即滿足不同用戶不同的網絡需求。第四，獲得較高的資源利用率。即通過各層之間信息的互享來提高系統的性能?？偠灾S著無線傳感器網絡應用的進一步普及，以及當前對無線傳感器網絡應用特點的深入研究，跨層設計技術還會包含其他領域的新型技術，從而出現的更加復雜和形式多樣的特點跟需要我們做進一步的研究。由于本人的知識水平有限，因此，本文如有不到之處，還望不吝賜教。

參考文獻

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[2]陳立偉，羅云.實時無線傳感器網絡的跨層優化設計[J].計算機工程與設計，2013（26）：2630-2633.

[3]王鶴.基于網絡效用與壽命的無線傳感器網絡跨層優化[J].電子世界，2012（28）：150-151.

[4]孫鵬.無線傳感器網絡跨層優化技術研究與應用[J].太原理工大學，2012-05-01.

篇9

關鍵詞：無線傳感器網絡；遠程監控；溫度測量；路由協議

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012) 04-0767-04

Wireless Sensor Network System’s Design

GAO Song, TANG Yao-geng, LI Lan-jun

(Electrical Inst, University of South China, Hengyang 421001, China)

Abstract: The system is built using a variety of wireless sensor network protocols and supporting technologies, through data collection net? work scenarios for analysis, design of a typical multi-level network model. Model is divided into three levels: by the PC, and composition of the control center monitoring software; by the central control node for main network and the routing nodes, relay nodes, sensor nodes of the underlying sensor subnet; coordination of the various parts of the completion of the temperature and humidity data acquisition and monitoring tasks.

Key words: wireless sensor networks(WSN); temperature measurement; remote supervisory and control; routing protocol

系統包括無線傳感器網絡節點硬件設計、無線傳感器網絡的管理和監控軟件設計三部分。節點硬件電路設計主要包括數字溫度傳感器模塊、無線通信模塊、MCU模塊和串口通信模塊。無線傳感器網絡的管理包括路由協議、數據通信協議和加密算法，從而實現自適應選擇路由路徑，對通信數據進行嚴格校驗，對無線傳輸數據進行加密。無線傳感器網絡的路由路徑可以是多跳的，還可以根據環境變化對網絡拓撲結構進行更改。無線溫度采集系統監控軟件的主要任務是對采集的數據進行集中分析、處理后進行實時顯示和后臺存儲【1-3】。

1系統設計

圖1給出了監測系統結構，該系統拓撲上包括三層:上層是用戶監測層，即監控中心，由PC算機和無線溫度采集監控軟件組成;中間層由中心控制節點構成，負責路由選擇、收發指令和數據，中心控制節點布置在PC機附近，通過RS232總線與PC機通信，接受PC機的查詢指令，在用無線的方式發送給傳感器網絡;最底層為傳感器網絡，它包含1個路由節點、1個中繼節點以及若干個無線傳感器節點(路由節點和中繼節點的數量根據需要設置)，這些節點布置在工業現場各個測量點，包括處理器模塊、溫度傳感器模塊、無線通信模塊等功能模塊，溫度傳感器模塊負責采集現場溫度數據，采集到的數據根據中心控制節點發出的路由路徑指令進行數據的遠距離傳輸，將其傳送送到位于監控中心的PC機進行處理【4-6】

2無線傳感器網絡節點電路

無線傳感器網絡由大量傳感器節點組成，它們是無線傳感器網絡的基本單元，這些節點體積小，具有傳感、數據處理和無線通信功能。只有這些節點穩定運行，才能保證整個網絡的可靠性。

無線傳感器網絡中有4種傳感器節點，即：它們是底層無線傳感器節點、中繼節點、中心控制節點和路由節點。這4種傳感器網絡節點一般采用通用的硬件結構，包括處理器模塊、串行通信模塊(布置于中心控制節點)、無線收發模塊、傳感器模塊、電源模塊和顯示模塊等，上述各模塊通過不同的通信協議組態來定義各節點的功能。無線傳感器網絡節點的組成如圖2所示。

在圖2中，處理器模塊負責系統管理，進行任務分配和數據處理;各節點之間的數據交換則主要有無線通信模塊承擔；傳感器模塊實時采集環境溫度數據，按照要求的格式對采集的數據進行轉換；系統的數據由存儲器模塊進行保存，以備查詢，并確保斷電后數據不會丟失（只有中心控制節點才配置）；串口通信模塊承擔PC機與中心控制節點之間的通信（也只布置在中心控制節點）；輔助顯示模塊可實時顯示該節點的工作狀態、各節點傳感器的監測數據；節點各個功能單元同一由電源模塊提供能量[5]。

2.1控制器

系統采用NXP公司生產的LPC2103微控制器為主控芯片，LPC2103是一個基于支持實時仿真的16/32位ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，片內具有32kB容量的高速Flash存儲器，寬達128位的存儲器接口加上獨有的加速結構，使之使可以最大時鐘頻率運行32位代碼。LPC2103封裝尺寸小，自身功耗極低，這使LPC2103非常適用于各種小型應用系統中。芯片還內置了多個串行通信接口，包括UART、SPI、SSP和2個I2C總線等組成了混合串行通信接口，在片內8kB的SRAM支持下, LPC2103十分適用于實現通信網關、協議轉換器、數學協處理器以及工業控制和醫療系統中[7]。

2.2無線通信模塊

該模塊用來實現節點間的無線通信，一般采用專用的無線數傳模塊。但是無線數傳模塊數據傳輸距離有限，只有l00m左右。如果將其布置在辦公樓內，有可能由于環境的復雜和的墻體等因素的影響，會導致信號衰減較多，即使采用多跳的技術，可能也難以實現遠距離的有效通信；，另一方面無線數傳模塊的數據安全也是一個要考慮的問題，綜合考慮上述因素，本系統無線收發模塊核心芯片采用nRF905單片射頻收發器，該芯片可進行高速率的數據傳輸，通過SPI接口對芯片進行編程，使得配置簡單方便，具有兩種節能模式，易于實現低功耗設計[8]。

2.3溫度傳感器模塊

跟模擬溫度傳感器相比，數字式溫度傳感器采取高集成度設計，具有可靠性高、抗干擾能力強，器件體積小等諸多優點，已廣為溫度測控系統所采用?？紤]到系統測溫節點較多，系統采用DALLAS公司生產的DS18BZO單總線數字式溫度傳感器，它結構簡單、不需外接元件，采用獨特的單線接口，只用一個引腳實現通信，即可供電又可傳輸數據，簡化了溫度傳感器的電路設計，提高了系統的可靠性[9]。

2.4存儲模塊

系統中存儲芯片采用Atmel公司生產的AT24C08存儲芯片，AT24C08是串行CMOS EEPROM，容量8K。芯片采用了先進的CMOS技術，功耗低。AT24C08還有一個16字節的頁寫緩沖器，可通過I2C總線接口對芯片進行訪問，可以很方便的進行在線讀寫，占用系統資源少，具有數據寫保護功能，數據保存時間長，廣泛應用辦公自動化及通信類產品中。

2.5串口通信模塊電路

LPC2103雖然具有兩個串口，但其位TIA/EIA－232－F電平，與PC機進行通信時須進行電平轉換，這樣功能采用通信芯片MAX232來實現。系統使用LPC2103的串口0，通過芯片MAX232完成TIA/EIA－232－F電平與5－V TTL/CMOS電平的相互轉換，實現串口通信功能。

2.6節點顯示電路

采用共陽四位一體數碼管顯示，運用三極管驅動數碼管發光，為方便電路的模塊化設計以及增強系統的可擴展和可移植性，該設計將數碼管及相關驅動電路做成PACK板的形式，接口為標準的100mil間距，并將相應管腳有規律的引出（段選信號管腳為一排，管腳排列順序按照A、B、C、D、E、F、G、H排列；位選信號管腳另作一排，管腳排列順序按照L1、L2、L3、L4排列），控制板只需要提供相應的電源以及接口即可。

3網絡管理及軟件設計

所設計的溫度測量無線傳感器網絡，其網絡服務程序也按中心控制節點、路由節點、底層傳感器節點這3種層次組成。對不同節點的工作流程分別介紹如下：

中心控制節點的工作流程圖如圖3所示。

路由節點、中繼節點和底層傳感器節點的工作流程如圖4所示。

4路由協議

4.1主網節點路由協議

中心控制節點在執行路由協議過程中負責選擇路由路徑和接收溫度數據。它將帶有目標節點地址和傳輸路徑的指令以泛洪的方式發送給所有子網節點，能接收到指令的子網節點通過判斷目標節點地址和自身的權限來選擇是否執行這條指令。中心控制節點路由選擇流程如圖5所示。

4.2子網節點路由協議

子網節點采用統一的的路由協議，節點首先判斷自己是屬于路由節點、中繼節點還是底層傳感器節點，這事通過對自身的物理地址的判斷來實現的。協議中其中幾個主要參數的含義如下：

ReadA1：硬件地址的前8位，用于標識節點的位置；

ReadA2：硬件地址后八位，用來區分本節點的類型作為路由節點、中繼節點還是底層傳感器節點的權限；

adrs1無線接收到的目標節點地址；

adrs2無線接收到的路徑選擇方案，其中Wiselesssend1、Wisselesssend2……Wiselesssend7代表不同的無線發送子程序，這些子程序由不同的傳輸路徑執行。

5結束語

所討論的無線傳感器溫度監測網絡，采用3層拓撲結構，底層的溫度傳感器采集環境溫度，將數據發送給路由節點或中繼節點，再由路由節點或中繼節點把接收到的數據發送到中心控制節點，中心控制節點則通過RS232總線把溫度數據傳送到上層監控中心的PC機，集中對數據的進行分析處理，實現了對溫度的遠程測量與監控。

參考文獻：

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篇10

關鍵詞：無線傳感器資源受限故障管理故障檢測

無線傳感器網絡是由大量低成本且具有傳感、數據處理和無線通信能力的傳感器節點通過自組織方式形成的網絡[1]。它獨立于基站或移動路由器等基礎通信設施，通過特定的分布式協議自組織起來形成網絡。它能夠協作地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，并對這些信息進行處理，使需要這些信息的用戶在任何時間、任何地點和任何環境條件下（尤其是僅適合無線通信條件下）獲取大量詳實而可靠的信息。因此，這種網絡系統可以被廣泛地應用于國防軍事、國家安全、環境監測、交通管理、醫療衛生、制造業、反恐抗災等領域。

隨著無線傳感器網絡應用范圍的進一步擴展，常常被部署在極端環境來收集外部環境的數據。由于傳感器節點的電源、存儲和計算能力有限，并且應用環境惡劣，使得傳感器節點比傳統網絡的節點更易于失效。在這些情況下維持高質量的服務，并盡可能地降低能源消耗是很有挑戰性的，有效的故障管理對于達成這些目標是有極大幫助的。因此，對無線傳感器網絡故障進行管理是非常重要的。

一、無線傳感器網絡故障管理

當網絡或系統出現故障時，網絡故障管理便成為管理員首要用到的工具。因此，故障管理事實上是整個網絡管理的重中之重。

但遺憾的是，由于網絡故障涉及到不同廠商，不同類型設備，涉及復雜的網絡拓撲結構，涉及不同組織對故障類型的不同定位規則。

從用戶的角度來說，希望在日常工作和生活中網絡運營暢通，信息傳輸不受任何網絡故障干擾。而從網絡運行和管理者角度來說，他們希望在網絡運營過程中，即使發生故障，也能很快地得到故障發生的原因。這些方方面面的因素使得對無線傳感器網絡故障管理的研究在近年來發展比較緩慢。下面參照傳統網絡的故障管理，將無線傳感器網絡的故障管理分為三個階段：故障檢測、故障診斷和故障恢復[2]來分別說明。

1）故障檢測。

為了確定故障的存在，需要收集與網絡狀態相關的數據。一般來說，網絡發生故障后，網絡設備將處于不正常的狀態。通過獲取設備的狀態信息，就可以及時發現網絡中出現的故障。收集網絡狀態信息有兩種方法：設備向管理系統報告關鍵的網絡事件；由網絡管理系統定期地查詢網絡設備的狀態，即主動輪詢。

一般情況下，網絡管理系統將這兩種方法結合起來使用。當對網絡組成部件狀態進行檢測后，不嚴重的簡單故障通常被記錄在錯誤日志中，并不作特別處理。而嚴重一些的故障則需要通過網絡管理器，即所謂的“告警”。

網絡設備一般都具有感知異常情況的能力，當設備發現自身或網絡中的嚴重不正?，F象時，它采用告警的方式報告給網管中心，因此，故障檢測一般由網絡中的設備完成。

2）故障診斷。

故障會在網絡中傳播，論文格式所有感知到故障的網絡對象（包括物理對象和邏輯對象）都會發生告警，在一個大型網絡中，一個故障可能會引起大量的告警。故障診斷就是對網絡設備發出的告警進行相關處理，從一大堆的告警中找到故障發生的真正原因，并找出故障節點。在網絡故障診斷中，一個理想的告警應該包含有關故障的五W信息（Who、What、Where、When和why）。由于網絡設備對于自身以外的網絡情況只了解非常有限的知識，所以網絡設備產生的大部分網絡告警只回答了who、what和when三個問題，而故障診斷要進行where和why的推理。另外，告警噪聲的存在進一步增加了故障診斷的難度，這些告警噪聲包含：告警丟失、延遲、重復和虛假告警等。

3）故障恢復。

故障恢復的主要目的是根據識別的故障原因，自動或手動地對網絡進行控制操作，恢復網絡的正常運行。

二、無線傳感器網絡故障檢測常見方法按照故障檢測的執行主體所處位置的不同，可以將無線傳感器網絡故障檢測方法分為集中式方法和分布式方法

2.1集中式方法。

集中式方法[3]是無線傳感器網絡中較為常見的一種方法，一般來說是物理上或邏輯上處于中心位置的節點，負責對網絡進行監控，追蹤失敗節點或可疑節點。由于中心節點要負責的事務較多，通常都讓該節點不受能量的限制，能夠執行大范圍的故障管理事務。集中式方法的結構如圖1所示，主要采用周期輪詢的方式來對節點進行管理：中心節點通常采用周期性主動探測的方式一些探測包，來獲取節點的狀態信息，對獲得的信息進行分析，從而確定節點是否失效。

采用集中式網絡管理，所有的網絡設備都由一個管理者進行管理。當信息流量不大的時候，集中式網絡管理簡單且有效，在失效節點定位方面具有高效和準確的優點，所以它非常適用十小型的局域網絡。在集中式網絡管理結構下，管理者作為“客戶”要完成復雜的網絡管理任務，同時還必須與多個作為“服務器”的交換信息。這種結構存在著較大的缺陷，主要表現為：

1）所有的分析和計算任務都集中在中心節點站，造成網絡管理的瓶頸，中心節點負載過重。由于其余節點的信息收集后都是發往中心節點，因此中心節點很可能變成一個專門用于數據傳輸的節點以滿足故障檢測和管理的需要。隨之而來的問題就是中心節點所在的區域會有大量的流量往來，導致該區域的節點能量消耗急劇增加，越是靠近中心節點的越是這樣，如圖1中的A，B節點。

2）中心節點站一旦失效，整個網管系統就崩潰了，這樣導致整個系統的可靠性偏低。

3）集中式結構導致大量的原始數據在網絡上傳輸，帶來了大量額外的通信量，占用大量的通信帶寬，并導致網管系統工作效率降低。

4）用于監測網絡并收集數據的是預先定義好且功能固定的，一旦要擴展新的功能時十分不便，這樣會造成系統的可擴展性較差。

5）遠端節點與管理中心之間的距離較遠，且傳感器網絡中采用多跳通信，因此這兩者之間的信息交互時延過長。

2.2分布式方法分布式方法支持局部決策的概念，能夠平滑地將故障管理分散到網絡中去。目標是讓節點在與中心節點通信前，能夠給出一定層次的決策。在這種思想下，傳感器節點能做的決策越多，越少的信息將被傳輸給中心節點，從而減少通信量。其算法流程如右表1。分布式的方法通常分為以下幾種：

1）節點自檢測方法。節點自檢測的方法依賴于節點自身所包含的功能進行故障檢測，并將檢測結果發送給管理節點。文獻[4]中介紹了一種節點自檢測的方法，通過軟件和硬件的接口檢測物理節點的失效。硬件接口包含了幾個靈活的電路用于檢測節點的方位和碰撞。軟件接口包含了幾個軟件部件，用于采樣傳感器節點的讀取行為。由于故障的檢測由節點本身完成，這種方法的優點是不需要部署額外的軟件或硬件節點用于故障檢測。

2）鄰居協作的方法[5]。顧名思義，鄰居協作的基本思想就是：在節點發出故障告警之前，將節點獲得的故障信息與鄰居（一跳通信范圍內）獲得的故障信息進行比較，得到確認的情況下才將故障信息發往管理節點。在大多數的情況下，中心節點并不知道網絡中的任何失效信息，除非那些已經用節點協作方式確認的故障。這樣的設計減少了網絡的通信信息，從而保留了節點的能量。

3）基于分簇的方法[6]?；诜执氐姆椒▽⒄麄€網絡分成不同的簇，從而將故障管理也分散到各自的區域內完成。簇內采用散播的方式來定位失敗節點，簇頭節點與一跳范圍內的鄰居以某種規則交換信息。通過分析收集到的信息，根據預先定義的失敗檢測規則可以最終確定失敗節點。接著，如果發現了一個故障節點，該區域所在的節點將會把信息傳播給所有的簇。

三、常見方法的比較