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什么是无线传感器网络

无线传感器网络作为计算、通信和传感器三项技术相结合的产物,是一种全新的信息获取和处理技术。由于近来微型制造的技术、通讯技术及电池技术的改进,促使微小的传感器可具有感应、无线通讯及处理信息的能力。此类传感器不但能够感应及侦测环境的目标物及改变,并且可处理收集到的数据,并将处理过后的资料以无线传输的方式送到数据收集中心或基地台。这些微型传感器通常由传感部件、数据处理部件和通信部件组成,随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络。借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象。在通信方式上,虽然可以采用有线、无线、红外和光等多种形式,但一般认为短距离的无线低功率通信技术较适合传感器网络使用,一般称作无线传感器网络。
无线传感器网络的应用
无线传感器网络节点的微处理能力和无线通信能力使无线传感器网络有广阔的应用前景,以下分为五大类加以描


述其应用及潜力:
a、军事应用
b、生物环境监测
c、健康应用
d、家庭应用
e、工业控制和监测
无线传感器网络体系结构


无线传感器网络体系结构由三个主要部分组成:传感节点,终端节点( Sink)和观察对象。传感节点散布在观察区域内采集与观察对象相关的数据,并将协同处理后的数据传送到Sink。Sink可以通过Internet或通信卫星实现传感器网络与任务管理节点通信。
大规模传感器网络中的节点移动性管理


这个问题实质上就是没有无线基础设施的无线传感器网络中的节点查询问题。较简单的资源查询方式是全局泛洪法，但是对于资源有限的无线传感器网络不适用，因此在设计工作中应该尽量避免使用全局泛洪法。扩展环搜索法（expanding ring search）用增加生存时间（Time-To-Live， TTL）的方式重复泛洪，这种方式和由此派生出来的方式也不适合无线传感器网络。在改善泛洪法的效率方面，文献[6]中提出的方案是通过减少查询每个节点时出现的多余消息去减少泛洪法固有的冗余，在没有出现明显的冗余情况下，这种方案对提高效率没有太多贡献。在ad hoc网络中，查询节点是通过基于簇（clusters）和界标（landmarks）的层次表来实现的，这种方式需要在节点之间设置复杂的协调机制，当节点移动时或者簇头（cluster-head）或界标失败时，层次表需要重新配置。而且，通常簇头会成为一个瓶颈，所以我们通常避免这种分层次的协调表，也避免使用簇头。


GLS[7]中提出的技术是基于一种所有节点都已知的网络网格图。节点使用位置服务器保存它们的位置，并用一种基于ID号的算法去更新它们的位置，当节点寻找*ID号的节点位置时，也用这种算法去服务器寻找目标节点的位置。对于知道网络的网格图和它们自己的位置并且知道目标节点的ID号的节点，这种方法是一个好方法。


文献[8]中介绍了一种针对大规模移动传感器网络的查询方法，这种方法借用了小世界（small worlds）的概念，利用节点的移动性去提高查询效率，并引入了关联（contacts）的概念。其工作原理是首先在相邻节点间建立关联，当它们移动时，再关联新的相邻节点，这样提高了查询的效率。与传统的路由查询方式不同，这种设计基本目标不是去优化路由或者响应延时，而是去减少通信的系统开销，这一点在能量受限的环境中非常重要，特别是对于传感器数量众多的网络中的一次性查询(通信的生存时间很短)。文中给出的协议是可升级的（scalable）、自动配置的，非常适应节点的移动性要求。仿真结果显示它比边缘泛洪法提高效率60-70％，比泛洪法提高效率80-90％，比扩展环搜索法则有更大的改善。


针对无线传感器网络中的分布式定位，文献[9]比较了三种定位算法：ad hoc、鲁棒定位、N跳多向法（N-hop multilateration）。具体选择哪种算法要取决于某些网络参数，比如差错分布和连通性等。
传感器网络的安全机制


安全是系统可用的前提,需要在保证通信安全的前提下,降低系统开销,研究可行的安全算法。由于无线传感器网络受到的安全威胁和移动ad hoc网络不同,所以现有的网络安全机制无法应用于本领域,需要开发专门协议。目前主要存在两种思路简介如下:


一种思想是从维护路由安全的角度出发,寻找尽可能安全的路由以保证网络的安全。如果路由协议被破坏导致传送的消息被篡改,那么对于应用层上的数据包来说没有任何的安全性可言。一种方法是“有安全意识的路由”( SAR) ,其思想是找出真实值和节点之间的关系,然后利用这些真实值去生成安全的路由。该方法解决了两个问题,即如何保证数据在安全路径中传送和路由协议中的信息安全性。这种模型中,当节点的安全等级达不到要求时,就会自动的从路由选择中退出以保证整个网络的路由安全。可以通过多径路由算法改善系统的稳健性( robustness) ,数据包通过路由选择算法在多径路径中向前传送,在接收端内通过前向纠错技术得到重建。


另一种思想是把着重点放在安全协议方面,在此领域也出现了大量的研究成果。假定传感器网络的任务是为高级政要人员提供安全保护的,提供一个安全解决方案将为解决这类安全问题带来一个合适的模型。在具体的技术实现上,先假定基站总是正常工作的,并且总是安全的,满足必要的计算速度、存储器容量,基站功率满足加密和路由的要求;通信模式是点到点,通过端到端的加密保证了数据传输的安全性;射频层总是正常工作。基于以上前提,典型的安全问题


可以总结为:
a、信息被非法用户截获;
b、一个节点遭破坏;
c、识别伪节点;
d、如何向已有传感器网络添加合法的节点。


此方案是不采用任何的路由机制。在此方案中,每个节点和基站分享一个一的64位密匙Keyj和一个公共的密匙KeyBS,发送端会对数据进行加密,接收端接收到数据后根据数据中的地址选择相应的密匙对数据进行解密。


无线传感器网络中的两种**安全协议:安全网络加密协议SNEP ( SensorNetwork Encryp tion Protocol)和基于时间的高效的容忍丢包的流认证协议μTESLA。SNEP的功能是提供节点到接收机之间数据的鉴权、加密、刷新,μTESLA的功能是对广播数据的鉴权。因为无线传感器网络可能是布置在敌对环境中,为了防止供给者向网络注入伪造的信息,需要在无线传感器网络中实现基于源端认证的安全组播。但由于在无线传感器网络中,不能使用公钥密码体制,因此源端认证的组播并不容易实现。传感器网络安全协议SP INK中提出了基于源端认证的组播机制uTESLA,该方案是对TESLA协议的改进,使之适用于传感器网络环境。其基本思想是采用Hash链的方法在基站生成密钥链,每个节点预先保存密钥链最后一个密钥作为认证信息,整个网络需要保持松散同步,基站按时段依次使用密钥链上的密钥加密消息认证码,并在下一时段公布该密钥。
网络的自动配置和自动康复和维持系统能量有效性


无线传感器网络被布置在无人值守的环境中时，更换能源几乎不可能，为了节约能源，发射功率要尽可能小，传输距离要短，节点间通信需要中间节点作为中继。在地震救灾或者是无人*行器中，网络的自动配置和自动康复功能显得异常重要，而大规模的多跳无线传感器网络系统的可测量性（scalability）也是一个关键问题。实现可测量性的一种方法是“分而治之（divide and conquer）”，或者说是分层控制（hierarchical），即用某种簇标准将网络节点分成簇组（clusters），在每个簇中选出一个作为簇头（leader），它在比较高的层次上代表本簇；同样的机制也应用到簇头中，使之形成一个层次，这个层次中，每个级别应用当地控制（local control）去实现某个全局目标。大多数无线网络中的分类思想认为网络与地理位置无关，分类的标准是簇里的节点数量和簇间的逻辑直径（相对于地理直径而言）。但是，当簇头（cluster leader）和簇内其它节点间的链路很长，相邻簇间地理位置交迭很大，且不同的簇间路由消息载荷（routing traffic load）不平衡时，一个非簇头（non-leader）节点和它的簇头节点之间通过它们之间仅有的长链路通信将要消耗更多的能量，并且相邻簇间的并行通信冲突频发，簇间能量消耗不平衡，由此带来的结果是网络的寿命和通信质量与有效性都大幅减小。因此，为了节约能量和改善通信质量和有效性，在设计簇算法时，簇的地理半径应该考虑。文献[10]提出，在传感器节点内用一种简单的细胞聚类结构去构成路由协议，这样可以维持一种可测量的能量有效的系统，其关键的问题是使这种细胞簇结构具有自动康复性。作者针对大规模多跳传感器网络的自动配置和自动康复提出了一种分布式算法，这种算法可以保证网络节点在二维空间里自动配置成细胞簇结构，其细胞单元有紧凑的地理半径，细胞单元之间的交叠也很小。这种结构在各种扰动下是自动康复的，比如节点加入、离开、死亡、移动、被敌方捕获等。文献[11]给出了一种针对簇的分布式算法LEACH，它是通过全局上重复簇操作来处理扰动的，但这种算法既不能保证系统中簇的定位也不能保证簇的数量。文献[12]给出了另外一种簇算法，它仅考虑了簇的逻辑半径，而不考虑地理半径，当簇间存在比较大的交迭时，这种方法会降低无线传输的有效性。另外，它的康复不在本地处理，而是依赖于消息在整个系统中的多次循环。文献[13]中给
出了一种基于访问的簇算法，这种算法注重簇的稳定性，不考虑簇的大小，要求每个节点都有**定位系统（GPS）的支持。
无线传感器的发展趋势
在当今信息技术呈爆炸式发展的潮流中,无线传感器以其全新的数据获取与处理技术逐渐进入人们的视线,并且在很多领域得到了广泛的应用与普及。当今国内无线传感器的发展方向大多集中在对于传感器数据接收的网络节点处，并且对用于信息处理的硬件设备也有部分研究。而伴随研究的不断深入与科技创新的不断突破，无线传感器已经开始向着智能式与便携式方向发展，它作为协作技术的核心部分其前景不可**。无线传感器的所有技术是过去单一传感器技术、无线电通信技术的**融合，并且在融合的同时更在操作便捷性上做出了较大的突破。无线电传感器因为其特殊的节点式感应接收模式使得它在通信能力上就会显得十分有限，对一些大规模的数据也很难及时做到处理与响应，而对于这种十分有限的数据处理能力，要想让无线电传感器发挥出其较大的作用，就要根据实际的处理区域情况做出一系列相应的调整对策。作为当今国际学术领域的研究热点，无线电传感器的出现让微电子技术与计算机网络技术**融合在一起。并使得这一技术在军事科技、*科技、城市规划、抢险赈灾、环境保护等方面都体现出了十分重要的价值，**都已无法忽视这一重要的技术。
无线传感器的选用原则


虽然无线传感器的出现时间并不长，但是它依旧有很多的种类，且每个类别所履行的实际任务也不同，在遇到实际的问题时，要根据现场的实际测量目的、测量对象及测量环境来科学的选取合适的无线传感器来进行数据收集。而无线传感器的实际选择应该遵循以下几个重要原则：


灵敏度的选择。一般而言，对于无线电传感器来说设备的灵敏度当然是越高越好，但是在实际的使用中就会发现常常无线传感器的灵敏度会受到很多外界因素的不可抗逆性干扰，这就会使得整个数据测量的精确度受到干扰，此外，在方向性这一方面，传感器的灵敏度也不是越高越好，而是需要根据测量的对象来做进一步的选择，例如，如果选择的测量对象并非单向量，那么传感器的灵感度选择还是越小越好。


稳定性及精度选择。无论何种设备在使用过程中都会出现性能变化，所以对于无线传感器而言，其稳定性还是十分重要的指标。所以在实际的传感器选择时就需要**考虑测量的环境，在对使用环境做出详尽调查之后合理安排传感器的类型。而当一些传感器**龄服役过后还是需要对传感器的性能进一步进行测评，而对于一些环境变量不太稳定的区域，就可以选择一些更为耐用的传感器来应对环境的改变。之所以如此注重传感器的稳定性，是因为无线传感器的稳定性和精度之间是存在着严密的关系，一旦传感器的稳定性出现偏差，那么对于传感器的精度将是致命的打击。在测量时，有时还需要根据测量目的不同来选择无线传感器的类型。一般的测量目的分为定量分析和定性分析两类，对于定性分析而言，有一个概念性的数据结果即可，所以就不必使用精度偏高的传感器；而定量分析需要精确地得出监测数据，此时就需要精度等级较高的传感器来满足对于测量要求。


频率响应。传感器的机械性能和结构不但可以影响其精确度与稳定性，还会对传感器的频率产生影响，只有传感器的频率响应得到十足的保证，传感器的测量范围也才能得到保证。


无线传感器的应用


无线传感器在交通系统中的应用。无线传感器在交通系统中的实际应用总体而言可以分别从信息采集和道路控制两个方面进行分析：首先，全新的无线传感技术已经结合了集微电子、通信技术等一系列信息化技术，这就使得无线传感器在交通系统中的应用变得更加多元化。对于我国这种发展中国家而言，在日渐完善的道路交通系统中，要想保证道路交通的能力，就要较大限度的去完善交通信号及道路交通管理的能力。当无线传感器技术运用到道路交通中时，不但可以对道路实际的路况信息进行实时的采集分析，还可以在较短时间内做出及时的响应。其次，通过传感器系统的建立，就会使得整个城市的运转能力得到较大的提升，当处在城市中或者较远区域的人们掌握到及时的道路交通信息，就会根据相应的路况做出科学的调整，这不但会对自身同时也会对他人带来较大的便利，交通顺畅了，整个城市的运输管理和服务水平也自然得到了质的飞跃。再次，采用先进的无线传感器技术还可以对车辆进行违章检测、道路收费和信息检索，同时对停车场收费也可以进行统一规范，当道路交通中的停车信息数据得到及时的规范处理，那对于一些人为性的交通事故也就可以得到避免。最后，科学的运用无线传感器的相关技术还可以提高运输部门对于整个城市的综合服务水平，让这个城市的运作变得更加科学，便捷。


无线传感器在军事上的应用。在现代电子化的军事较量中，无线电传感器的作用更是不容小觑，现在较为成功的是在大型范围内进行检测的传感器网络与在小型区域检测的小型传感器网络。在面对一些较为复杂且人员无法到达的地形时，就可以通过释放传感器来做到对此区域的全面掌控。而在战斗单位上安装各类传感器，可以做到对敌方战斗人员的即时监控，来方便我方战队随时制定进攻方案与防御工事。无线传感器还可以检测出战斗阵地上的一切可疑物体，帮助我方人员及时做出排查，从而较大限度的减少不必要的损失与伤亡。


无线传感器在家庭生活中的应用。无线传感器其实离我们的生活并不遥远，在很多的日常活动中传感器技术都与我们息息相关，例如传感器对于人们生活环境的及时检测，不但可以根据数据提供出一个更为舒适的生活环境，同时还可以及时的对一些灾害做出预警，**每一个人的安全。


无线传感器在环境监测中的应用。因为若要将无线监测器用于外界环境当中，就要考虑到外界环境的不稳定性与随机性，这就要求所选取的无线传感器要具备价格低廉、部署简单、操作简便等优点，从而保证对于环境监测的可持续性。


无线传感器的发展趋势


向微型化发展。在当代为了适应纷繁多变的时代背景与发展环境，各类检测控制类设备的功能也越来越趋于完善化，但更小的体积意味着更大的可塑空间与发展未来，这就要求无线电检测设备也要向着这一方向不断的靠拢，从而保证自己的发展未来。


向低耗能及数字化发展。无线传感器虽然得到很大的欢迎，但是也不能忘记自身模拟信号单一与耗能较多的弊端，所以只有发展出更为高效的数字化信号，无线电传感器的受用面也才会更为广泛。因此，开发出低耗能及数字化的无线传感器必然是今后发展的重点方向。
位移传感器的无线远程监控案例
该案例使用拓普瑞GPRS-RTU无线采集模块和0-5V输出型位移传感器，


然后使用TLINK云平台作为远程监控平台。


第一步、在TLINK云平台创建设备


进入www.tlink.io平台，登录账号，添加设备
各参数填完成以后，点击页面下方的“创建设备”按钮，即创建完成。


然后进入“设置连接”，配置协议如下图所示

第二步、配置GPRS-RTU无线采集模块


将RTU进行通电，USB配置线与电脑进行连接，安装驱动后，打开GPRS RTU配置工具，


将参数按照下图进行配置，详细配置说明请参照GPRS RTU使用说明书。

第三步、接线


按照下图方式进行接线，接线方式可参照GPRS RTU使用说明书进行

第四步、量程配置


根据位移传感器的0-100mm的量程进行配置，如下图所示

所有步骤完成后，设备开始正常工作，如下图所示

网络安全协议问题


传感器网络受到的安全威胁和移动ad hoc网络所受到的安全威胁不同，所以现有的网络安全机制不适合此领域，需要开发针对无线传感器网络的专门协议。


一种思想是从维护路由安全的角度出发，寻找尽可能安全的路由以保证网络的安全。文献[1]指出，如果路由协议被破坏导致传送的消息被篡改，那么对于应用层上的数据包来说没有任何的安全性可言。文中介绍了一种方法叫“有安全意识的路由”（SAR），其思想是找出真实值和节点之间的关系，然后利用这些真实值去生成安全的路由。该方法解决了两个问题，即如何保证数据在安全路径中传送和路由协议中的信息安全性。文中假设两个军官利用按需距离矢量路由(Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing，AODV)协议通过ad hoc网络来通信，他们的通信基于Bell-La安全模型（PadulaBell-La Padula Confidentiality Model） [2]，这种模型中，当节点的安全等级达不到要求时，其就会自动的从路由选择中退出以保证整个网络的路由安全。文献[3]指出，可以通过多径路由算法改善系统的稳健性（robustness），数据包通过路由选择算法在多径路径中向前传送，在接收端内通过前向纠错技术得到重建。无线传感器网络中传感器的数量众多并且功能有限，移动ad hoc网络中的路由方案不能直接应用到无线传感器网络中，所以该文给出了一种网状多径路由协议。此协议中应用了选择性向前传送数据包和端到端的前向纠错解码技术，配合适合传感器网络的网状多径搜索机制，能减少信号开支（**ing overhead），简化节点数据库，增大系统的吞吐量，相对数据包复制或者有限泛洪法来说，这种方法消耗更少的系统资源(比如信道带宽和电能)。


另一种思想是把着重点放在安全协议方面，在此领域也出现了大量的研究成果。在文献[4]中，作者假定传感器网络的任务是为高级政要人员提供安全保护的，提供一个安全解决方案将为解决这类安全问题带来一个普适的模型。在具体的技术实现上，先假定基站总是正常工作的，并且总是安全的，满足必要的计算速度、存储器容量，基站功率满足加密和路由的要求；通信模式是点到点，通过端到端的加密保证了数据传输的安全性；射频层总是正常工作。基于以上前提，典型的安全问题可以总结为：


（1）信息被非法用户截获；


（2）一个节点遭破坏；
（3）识别伪节点；
（4）如何向已有传感器网络添加合法的节点。