广西无线位移传感器

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。??
位移传感器?
位移传感器又称为线性传感器，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量。它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。


有许多物理量（例如压力、流量、加速度等）在转换过程中常常需要先变换为位移，然后再将位移变换成电量。因此位移传感器是一类重要的基本传感器。在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数字式两种。模拟式又可分为物性型（如自发电式）和结构型两种。常用位移传感器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器、自整角机、电容式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器等。相较于模拟式位移传感器，数字式位移传感器的一个重要优点是便于将信号直接送入计算机系统。这种传感器发展迅速，应用日益广泛。
统功耗问题??


无线传感器网络应用于特殊场合时，电源不可更换，因此功耗问题显得至关重要。??


在系统的功耗模型中，我们较关心的是：??


（1）?微控制器的操作模式（休眠模式、操作模式、，潜在的减慢时钟速率等），无线前端的工作模式（休眠、空闲、接收、发射等）；??
（2）在每种模式中，每个功能块的功耗量，及它与哪些参数有关；??
（3）在发射功率受限的情况下，发射功率和系统功耗的映射关系；??
（4）从一种操作模式转换到另外一种操作模式(假设可以直接转换)的转换时间及其功耗；??
（5）无线调制解调器的接收灵敏度和较大输出功率；??
（6）附加的品质因数（如发射前端的温漂和频稳度、接收信号场强指示(RSSI)信号的标准等）。??


基于以上考虑，文献[14]提出了一种自组织低功耗网络的协议i-Beans，并具体说明了此网络的功耗。比如，用一个220mAh的小纽扣电池供电，网络的平均消耗电流是100μ;A，取样率是每秒1次，则电池可以持续80天；如果抽样率是每两分钟一次，平均消耗电流降到1.92μ;A，则电池寿命可以延长到13.1年。??


为了克服远程无线传感器网络面临的电池工作时间短的问题，美国Millennial?Net公司已经将其i-Bean无线技术与来自新兴公司Ferro?Solutions的“能量获得（energy?harvesting）”技术结合在一起，双方较近展示了一个靠感应振荡能量转换器工作的i-Bean无线发射机。这种转换器能由在50mg至100mg力作用下的28Hz至30Hz振荡产生1.2mV至3.6mV的电压，并允许在30m距离上以115Kb/s速率发送数据（无电池）。该公司还与其他公司合作开发太阳能电池板来给无线传感器供电。??


在能量优化研究方面，西安交通大学的黄进宏等在文献[15]中提出了一种基于能量优化的无线传感网络自适应组织结构和协议ALEP。与传统的无线微传感器网络协议相比，ALEP更加充分地考虑到实际应用。它将一种高效能量控制算法引入组网协议，提高了网络的能量利用率，显着延长了无线网络的生命周期，增强了网络的健壮性。通过对ALEP协议进行OPNET仿真，结果显示该协议与传统模式的无线微传感器网络协议相比，在传送相同的数据量的条件下有更高效的能量特性和信息传输特性。??
无线传感器网络的主要用途


虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是较近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：????????环境的监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州“大鸭岛”上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。
????????医疗护理
无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目Center?for?Aging?Services?Technologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric?Dishman称，“在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。
????????军事领域
由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国*部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行“智能尘埃”传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感器及有关的技术销售从2004年的1000万美元增加到2013年的几十亿美元。
????????目标跟踪
DARPA支持的Scnsor?IT项目探索如何将WSN技术应用于军事领域，实现所谓“**视距”战场监测。UCB的教授主持的Sensor?Web是Sensor?IT的一个子项目．原理性地验证了应用WSN进行战场目标跟踪的技术可行性，翼下携带WSN节点的无人机（UAV）飞到目标区域后抛下节点，较终随机布撤落在被监测区域，利用安装在节点上的地震波传感器可以探测到外部日标，如坦克、装甲车等，并根据信号的强弱估算距离，综合多个节点的观测数据，较终定位目标，并绘制出其移动的轨迹。虽然该演示系统在精度等方面还远达不到装备*用于实战的要求，这种战场侦察模式目前还没有真正应用于实战，但随着美国*部将其武器系统研制的主要技术目标从精确制导转向目标感知与定位，相信WSN提供的这种新颖的战场侦察模式会受到军方的关注．
????????其他用途
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。
位移传感器的典型应用
位移传感器种类较多，目前市场热销的产品（工业级）就有：电位器原理直线位移传感器、拉绳式位移传感器、磁致伸缩位移传感器、LVDT位移传感器、电涡流位移传感器、光栅尺与磁栅尺位移传感器等。其应用范围也非常广泛，较主要的是机械设备行业与汽车领域，除此之外，在建筑、交通、冶金、矿业、环保、医疗、化工与科研实验等领域也有不错的市场。

常用位移传感器分类表


位移传感器在机械设备行业中的应用


机械设备制造与加工行业是我国经济的重要组成部分。随着社会的发展，传统的机械设备制造技术渐渐趋于没落，智能化设备制造技术作为主力军为经济健康发展提供源源不断的新动力。位移传感器在智能化机械设备中主要用于位移测量与位置定位；也可以通过在线监测指示程度，例如LVDT位移传感器、电涡流传感器在特殊机械设备中的振动、涨差或者偏心性能监测，可在设备出现异常状况时提前预警并传输给控制系统做出相应的关联操作；还可以用作限位传感器、速度或者加速度的测量、计数器等。


位移传感器是自动化机械设备控制系统不可缺少的一部分，传感器性能的优劣直接决定了设备控制效果的好坏。较经典应用就是位移传感器在电液伺服控制系统中的应用，通过内置或者外置位移传感器，可以实时检测液压缸气缸的活塞位置，将其转换为成比例关系的电信号反馈给控制系统，经过系统修正与运算后在传输给设备驱动器与执行器，完成闭环控制操作。


位移传感器在汽车制造业中的应用


汽车行业是智能化、集成化程度较高的特殊产业，传感器技术在此领域的应用历久而弥新，各种各样微型化、多功能化、集成化和智能化传感器是汽车或者汽车加工设备不可缺少的重要零配件。


位移传感器在汽车领域的主要应用是对汽车零部件的尺寸检测与组装中的位置定位。为了满足汽车行业的高精准的检测，LVDT位移传感器等高精度传感器已经被广泛地应用在汽车的零部件加工、发动机制造、整车厂的冲压、涂装、焊装、总装等自动化生产中的各种位置检测。


位移传感器在电子制造业中的应用


消费电子类产品的普及使电子制造业得到了迅速发展。在电子制造生产线，无论是自动化生产流水线、工业机器人、还是电子元件的在线与离线检测，常常需要位移传感器的参与。传感器技术的进步直接推动了电子制造业机械设备不断更新，更多高效率、高成品率、高安全性智能设备在电子产业中的应用，全面提升了整体行业的生产能力与生产效率。


位移传感器在工业机器人中的应用


工业机器人性能的提升与制造成本的降低，使现代化企业机器换人成为热潮。工业机器人常需要集成大量的位移传感器、角度传感器、力觉传感器、接近度传感器等，提高机器人的环境适应能力与作业精度。为了**作业人员的安全，工业机器人还需要安装安全传感器，在机器人感知到异常的状况时，能够触发紧急停止，确保作业人员的人身安全。
传感器网络的安全分析?


???由于传感器网络自身的一些特性,使其在各个协议层都容易遭受到各种形式的攻击。下面着重分析对网络传输底层的攻击形式。?


1　物理层的攻击和防御?


????物理层中安全的主要问题就是如何建立有效的数据加密机制,由于传感器节点的限制,其有限计算能力和存储空间使基于公钥的密码体制难以应用于无线传感器网络中。为了节省传感器网络的能量开销和提供整体性能,也尽量要采用轻量级的对称加密算法。?


????对称加密算法在无线传感器网络中的负载,在多种嵌入式平台构架上分别测试了RC4、RC5和IDEA等5?种常用的对称加密算法的计算开销。测试表明在无线传感器平台上性能较优的对称加密算法是RC4,而不是目前传感器网络中所使用的RC5。?


????由于对称加密算法的局限性,不能方便地进行数字签名和身份认证,给无线传感器网络安全机制的设计带来了较大的困难。因此高效的公钥算法是无线传感器网络安全亟待解决的问题。?
2　链路层的攻击和防御?


????数据链路层或介质访问控制层为邻居节点提供可靠的通信通道,在MAC协议中,节点通过监测邻居节点是否发送数据来确定自身是否能访问通信信道。这种载波监听方式特别容易遭到拒绝服务攻击也就是DOS。在某些MAC层协议中使用载波监听的方法来与相邻节点协调使用信道。当发生信道冲突时,节点使用二进制值指数倒退算法来确定重新发送数据的时机,攻击者只需要产生一个字节的冲突就可以破坏整个数据包的发送。因为只要部分数据的冲突就会导致接收者对数据包的校验和不匹配。导致接收者会发送数据冲突的应答控制信息ACK使发送节点根据二进制指数倒退算法重新选择发送时机。这样经过反复冲突,使节点不断倒退,从而导致信道阻塞。恶意节点有计划地重复占用信道比长期阻塞信道要花更少的能量,而且相对于节点载波监听的开销,攻击者所消耗的能量非常的小,对于能量有限的节点,这种攻击能很快耗尽节点有限的能量。所以,载波冲突是一种有效的DOS攻击方法。?


????虽然纠错码提供了消息容错的机制,但是纠错码只能处理信道偶然错误,而一个恶意节点可以破坏比纠错码所能恢复的错误更多的信息。纠错码本身也导致了额外的处理和通信开销。目前来看,这种利用载波冲突对DOS的攻击还没有有效的防范方法。?


????解决的方法就是对MAC的准入控制进行限速,网络自动忽略过多的请求,从而不必对于每个请求都应答,节省了通信的开销。但是采用时分多路算法的MAC协议通常系统开销比较大,不利于传感器节点节省能量。?


3　网络层的攻击和防御?


????通常,在无线传感器网络中,大量的传感器节点密集地分布在一个区域里,消息可能需要经过若干节点才能到达目的地,而且由于传感器网络的动态性,因此没有固定的基础结构,所以每个节点都需要具有路由的功能。由于每个节点都是潜在的路由节点,因此更易于受到攻击。无线传感器网络的主要攻击种类较多,简单介绍如下。?
3.?1　虚假路由信息?


????通过欺骗,更改和重发路由信息,攻击者可以创建路由环,吸引或者拒绝网络信息流通量,延长或者缩短路由路径,形成虚假的错误消息,分割网络,增加端到端的时延。?
3.?2　选择性的转发?


3.?3　污水池(?sinkhole)攻击?


3.?4　Sybil攻击?
?????
????在这种攻击中,单个节点以多个身份出现在网络中的其他节点面前,使之具有更高概率被其他节点选作路由路径中的节点,然后和其他攻击方法结合使用,达到攻击的目的。它降低具有容错功能的路由方案的容错效果,并对地理路由协议产生重大威胁女巫。?


3.?5　蠕虫洞(wormholes)攻击?


????攻击者通过低延时链路将某个网络分区中的消息发往网络的另一分区重放。常见的形式是两个恶意节点相互串通,合谋进行攻击。?
3.?6　Hello洪泛攻击?


????很多路由协议需要传感器节点定时地发送HELLO包,以声明自己是其他节点的邻居节点。而收到该Hello报文的节点则会假定自身处于发送者正常无线传输范围内。而事实上,该节点离恶意节点距离较远,以普通的发射功率传输的数据包根本到不了目的地。网络层路由协议为整个无线传感器网络提供了关键的路由服务。如受到攻击后果非常严重。
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**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**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**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**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。??

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