无线多媒体传感器网络（共12篇）
无线多媒体传感器网络 篇1
1 引言
无线传感器网络 (Wireless Sensor networks, WSNs) 是由大量具有数据采集、处理、无线通信能力的微型低功耗传感器节点以多跳通信方式形成的网络系统，可以协作完成大规模复杂的监测任务。可应用于国防、军事、工农业控制、环境监测、公共安全、抢险救灾、危险探测等诸多领域。无线传感网络在新一代网络中具有关键性的角色，可以推动科技发展和社会进步。无线传感网络已成为国际竞争的焦点和制高点，关系到的国家政治、经济、社会安全。
从21世纪开始，美国和欧洲相继启动了无线传感器网络相关的研究计划。加拿大、英、德、日等国家的研究机构也相继对无线传感器网络进行了研究和开发。同时，国内的中科院计算所、清华大学、北京邮电大学、南京邮电大学、上海交通大学、国防科技大学、浙江大学等院校在该领域取得一些具有国际水平的研究成果。
目前的大部分无线传感器网络局限于测量简单的环境数值等标量信息，如温度、压力、湿度、光强等, 数据信息含量较少，应用灵活性较差。而人类从外界获取的信息有80%以上来自于视觉与听觉，并且随着监测环境的复杂与监测要求的提高，由这些传统传感器网络所获取的简单数据已经不能满足人们对环境监测进一步的需求，需要将信息量丰富的音视频、图像等多媒体信息引入到以无线传感器网络为基础的环境监测中，实现精确的环境监测。同时，随着电子信息技术的发展，诸如麦克风与摄像机等能够捕获多媒体信息的硬件的日趋功能强大与廉价，也促进了无线传感器网络的发展。无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia Sensor Networks, WMSNs)由此应运而生, 无线多媒体传感器网络的节点对各种不同类型的媒体具有相应感知与处理能力, 它们之间可以协同实现资源和处理的互补, 使得无线多媒体传感器网络功能更加强大。无线多媒体传感器网络关注于环境的视频、音频、图像等复杂数据的采集、处理、传输、融合与再现，由于直观、丰富的多媒体信息的引入，使得监测活动更加全面高效。
2 WMSNs概念与特点分析
无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia Sensor Networks, WMSNs)是一种新型的传感器网络，其节点装备有麦克风、摄像头及其它传感器，可以获取多媒体信息。这些具有感知、计算、存储和通信能力的多媒体传感器节点通过自组织方式形成分布式感知网络，具备协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内音频、视频、图像等多媒体信息的能力。
无线多媒体传感器网络作为传感器网络的一种，除了具有无线传感器网络共性的特点，如节点能力与网络资源受限(计算、通信能力、能耗、存储、带宽资源等)、大规模、自组织、多跳通信、以数据为中心等，还有其显著的个性特征，具体表现在以下几个方面：
(1)感知媒体丰富，多种异构数据共存：无线多媒体传感器网络中往往共存有音频、视频、图像、数值、文本等多种异构类型的数据。
(2)节点及网络能力增强：由于具备音视频、图像等多媒体信息处理能力，节点及网络能力(采集、处理、存储、收发、能量供应等方面)显著增强;带宽资源也相应增加。
(3)任务处理复杂：传统传感器网络采集的数据格式单一，信息量少，处理简单，而WMSNs中的音频、视频、图像等数据量大、格式复杂，需要融合、压缩等多种复杂处理。
(4)能量消耗更大：在上述特征的共同影响下，相较于传统的无线传感器网络，无线多媒体传感器网络在信息感知、处理与传输的能耗显著增加。此外，网络的复杂性、异构性与多元性的存在，以及多媒体节点之间协同性与交互性的增强，都对WMSNs的能耗提出了更高的要求，多媒体传感器网络的能量消耗问题变得十分突出。
WMSNs与WSNs的性能与特点对比如下表所示：
3 影响WMSNs设计的主要因素
无线多媒体传感器网络涉及通信、计算、信号处理、嵌入式计算等的交叉学科研究，影响其设计的几个主要因素和具有挑战性的关键技术问题如下：
(1)能耗：能量消耗问题是WMSNs需要考虑的核心问题。传感器节点是大部分是电池供电设备，而多媒体感知会产生大量的数据，需要高传输率和复杂处理计算。因此，WMSNs中节能与最大化网络生存时间是一个关键问题。
(2) Qo S需求应用相关：除了数值传感器网络的数据传输形式，多媒体数据包括快照(Snapshot)和流媒体(Streaming Multimedia, SM)内容。因此，需要根据不同应用需求，综合考虑能耗、延迟、可靠性、失真和网络生存时间等方面的限制。
(3)多媒体编码技术：在多跳无线环境中，没有经过压缩的原始视频流需要占用过多的带宽。因此，多媒体传感器网络需要有效的压缩技术和高效的信源编码方案。
(4)多媒体数据网内融合与处理：WMSNs通常会产生大量冗余数据，因此，需要在资源受限情况下对来自不同传感节点的多媒体数据进行数据融合与处理，实现信息的高效与有效传输。
(5)网络覆盖的特殊性：某些多媒体传感器，特别是视频传感器节点，具有方向性。因此，传统无线传感器网络的覆盖模型不适用于多媒体传感器网络，需要进行新的覆盖研究。
(6)与Internet (IP)和其它无线技术的整合：对于商用的传感器网络开发，提供允许任意时间从任意地点查询网络以获取有用信息。未来的WMSNs将能够通过Internet进行远程访问，因而需要和IP网络整合处理。
4 WMSNs的典型应用
无线传感器网络的应用已经渗透到我们生活环境的各个领域。然而，无线多媒体传感器网络实现多媒体信息的获取与处理，能够形成对监测场景直观完整的获取，目标识别更为精准。WMSN的应用涉及如下典型领域：
(1）多媒体监控传感器网络
无线视频传感器网络由互连，电池供电的微型视频摄像机组成，每个摄像机都装有一个低功率无线收发器，能够处理、发送和接收数据。视频和音频传感器则被用于增强和补充现有的监控系统。
(2）智能交通
能够监控大城市或高速路的汽车流量，提供避免交通拥塞的建议服务。为智能交通系统的各个子系统提供更加实时、准确的道路车辆信息，实现高质量的实时动态交通管理控制。
(3）环境监控
传统的无线传感器网络只能对环境的某个参数进行监测，引入WMSNs后，可以获得环境多种媒体信息，将使野生动物、事件检测更加全面有效。例如，视频传感器阵列已经被海洋学家使用，通过图像处理技术来判断河口沙洲的演变。
(4）工农业过程控制
图像、温度，或压力等多媒体内容可以被用于实时的工业与农业控制，提高工农业生产过程的控制能力。
5 结语
无线多媒体传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术，是传感器网络领域新的研究热点，涉及多学科交叉。目前，制约无线多媒体传感器网络应用与研究的核心问题尚未得到全面有效的解决。随着这些关键科学问题的逐步解决，无线多媒体传感器网络的研究与应用会有跨越式发展，应用前景广阔，因此，无线多媒体传感器网络的研究具有十分重要的学术价值和实用意义。
参考文献
[1]崔莉, 鞠海玲, 苗勇, 等.无线多媒体传感器网络研究进展[J].计算机研究与发展, 2005.
[2]孙利民, 李建中, 陈渝, 朱红松.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社, 2005.1.
[3]马华东, 陶丹.多媒体传感器网络及其研究进展[J].软件学报, 2006, 17 (09) :2013-2028.
无线多媒体传感器网络 篇2
本次实验我们进行的是无线传感器网络综合实验。在实验中，我们小组成员学习了无线传输的基本原理，合作完成实验系统的安装、调试与数据分析，在这一过程中我受益良多。
无线传感器网络系统是基于ZigBee技术。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
现在无线传感网络技术广泛用于很多方面，如农业物联网、工业自动化以及智能家居等。无线传感的使用使传感器和自动化技术得到了空前的发展，并给人们的生活带来了很大的便利。
我们平时的实验课更多注重对理论的验证，但是没有创新性和自主研发性，虽然这次的实验我们大部分也是照着实验说明书进行连接、烧录程序、演示等，但是此次的实验增加了我对电子设计的浓厚兴趣。只要有兴趣，我相信化兴趣为动力，我肯定能更加努力加强电子专业的学习，努力提高专业素养。
当然实验中还有注重团队的协作，我们分工明确，合作愉快，因此更快、更好地完成了实验。现在的项目工程，凭一己之力几乎不可能完成，所以企业也十分注重员工的团队意识，我们想要进入好的企业，对这块不能等闲视之，必须加以重视。
无线传感器网络的数据分发技术 篇3
关键词：无线传感器网络；数据分发；能量有效；sink节点；方案
0引言
无线传感器网络是由许多具有感知、计算和通信能力的低成本低功耗的微型传感器组成，用于实时感知和采集网络覆盖区域内的感知对象的信息，常常由成百上千个传感器协同工作。这些传感器一般可分成两类：一是具有通信能力的传感器节点，称为源节点。源节点通过内置的一个或多个物理传感器，如温度传感器、光传感器等，可对观察范围内的感知对象产生原始数据。这些节点靠不能补充能量的电池供电，具有有限的能量。二是网关节点，也称为sink节点(或基站)，这些节点用于实现传感器网络与Internet的连接，往往个数有限，但能量能够得到补充。无线传感器网络的主要目的是从监测环境中收集用户感兴趣的数据，发送给sink节点。因此，数据分发是无线传感器网络的一个基本功能，而带宽和能量是传感器网络中最为缺乏的资源，为了延长网络的生存时间，设计能量有效的数据分发方案是至关重要的。
1数据分发的分类
在传感器网络中，数据分发的分类有三种。而一种是按照数据传输的方向，分为三类：
(1)源节点到sink节点的数据分发。源节点把探测到的感知数据发送给sink节点。
(2)源节点之间的数据分发。当源节点之间需要协作时，由请求源节点发送消息给需要合作的其他源节点。
(3)sink节点到源节点的数据分发。sink节点可以改变部分或全部传感器节点的操作模式，向网络中广播一条新的消息，激活或睡眠一个或多个源节点，向网络中发送查询等。
第二种是根据通信周期，分为三类：
(1)事件驱动(event-driven)数据分发。只有在感兴趣的事件发生时才构建路径，发送数据，从而减少了持续更新路径的费用。
(2)连续数据分发(confinuous dissemination)。每个源节点定期地发送数据给sink节点，需要定期重建路径。
(3)查询驱动数据分发。只有sink节点需要查询时，才构建数据分发路径，符合条件的源节点响应查询，并将感知数据发送给sink节点。
第三种是根据应用类型，也分为三类：
(1)固定源节点与固定sink节点间的数据分发。源节点与sink节点一旦配置好，它们的位置就不再改变，直到网络终止，这是使用最广泛的数据分发。
(2)固定源节点与移动sink节点间的数据分发。用户使用如PDA等移动设备在感知区域内移动，通过查询源节点来获取有关对象的当前状态或近来目标活动的概况。
(3)移动源节点与移动sink节点间的数据分发。可用于监测和跟踪移动目标的传感器网络。
2数据分发方案
无线传感器网络的主要功能是实现数据分发，而有效、可靠的数据分发关键在于建立数据传输路径。设计能量有效的数据分发方案可以优化数据传输路径，减少节点能量的消耗和网络拥塞，提高数据传输性能，有效延长网络寿命。近年来，许多研究者注意到了数据分发的重要性，并提出了许多数据分发方案，其中具有代表性的有以下几种。
2.1基于外部存储的数据分发方案(External Storage-baseddata dissemination scheme,ES)
这是使用最广泛的一种方案，它依赖于一个位于传感器网络外部的集中式基站，该基站用于收集和存储感知数据。这种方案必须把源节点的所有感知数据通过泛洪传送给基站，用户通过查询基站来获取数据。但当查询过多时，ES数据分发方案将非常低效。
2.2基于数据中心存储的数据分发方案(Data-Centric Stor-age-based data dissemination scheme,DCS)
当源节点监测到事件的感知数据时，源节点向它的相邻节点广播感知数据的描述信息，感兴趣的节点发送相应的请求给源节点，源节点才向请求者发送数据信息，接收到数据的节点再向它的相邻节点广播消息，如此重复，使所有节点都有机会接收到任何数据。因此，事件的感知数据可能被存储在网络中的部分或全部源节点上。但不管什么查询，数据都使用预定义的方式传送。这种方案缺乏适应性，并且在查询率较低时，可能会引起很多不必要的数据传输。
2.3基于本地存储的数据分发方案(Local Storage-baseddata dissemination scheme,LS)
源节点只有收到sink节点的查询时，才发送数据给sink节点，这样可以避免传输不必要的感知数据。这种方案需要建立一个sink-source的匹配机制，使sink节点容易找到持有所需数据的源节点，大多数采用的匹配机制遵循flood-response模式，需要在网络中泛洪某些控制消息。比如，在DirectedDiffusion(DD)中，sink节点把查询泛洪到整个网络中，沿途节点按需对各查询进行缓存，并根据查询计算梯度，使具有被请求数据的源节点知道把数据发送到什么位置。而在Two-TierData Dissemination(TTDD)中，由监测到某个事件发生的源节点以自身作为网格的一个分发节点构造一个网格，sink节点在本地发送泛洪查询请求到最近的分发节点，该节点再转发给邻近的分发节点，直到把查询请求发送到该源节点，数据再反向传送到sink节点。LS数据分发方案由于需要大范围的网络泛洪，可能会引起严重的网络阻塞和大量的能量消耗。
2.4多级数据分发方案(Multi-Resolution data dissemination scheme,MR)
这是综合LS和DCS数据分发技术的一种数据分发方案，其基本思想是在数据源中选择一个头节点，代表数据源中所有源节点在最近的注册节点上进行注册，sink节点把查询发送到所有注册节点上，从注册节点再把查询发送到所有匹配的头节点，当头节点收到查询后，使用局部节点选择算法在数据源内选择一组节点进行查询。由于sink节点的位置包含在它分派的查询中，查询节点可以直接把感知数据发送给sink节点，如图1所示。这种数据分发方案避免了查询泛洪，能有效减少能量消耗，而且通过减少冗余数据的分发进一步达到节省能量的作用。但是在数据源中只是基于感知范围参数来选择查询节点，没有考虑数据的分布情况。
2.5基于索引的数据分发方案(Index-based Data DisseminationScheme，IDDS)
为了克服以上几种数据分发方案存在的问题，提出了基于索引的数据分发方案。在这种方案中，负责监测某对象的源节点定期产生有关该监测对象的感知数据，并把感知数据存储到存储节点(storing nodes)3：，存储节点可能是该源节点，也可能是邻近的某个节点。同时，存储节点的位置信息，称为索引(Index)，要增加到与监测对象有关联的某些节点上，这些节点称为索引节点(Index nodes)，并在索引节点上进行维护。当被监测对象移动时，要改变相应的监测源节点。但是，新的监测节点仍然使用原来的存储节点保存感知数据，直到监测节点离存储节点很远时，才选择新的存储节点。当选择了一个新的存储节点时，原来的存储节点处理以前存储的数据，产生一个汇总数据，发送给新的存储节点。如果不汇总以前的数据，新的存储节点可以使用一个指针指向原来的存储节点，这样，从当前存储节点也可以访问以前的数据。并且，新的存储节点也应在与该监测对象有关的索引节点上注册它的索引。
当sink节点想查询某个监测对象的感知数据时，就发送一个查询消息给与监测对象有关的索引节点，索引节点收到该消息后转发该请求给相应的存储节点，由存储节点直接发送查询结果给sink节点，存储节点只有接收到sink节点的查询时，才发送数据给sink节点。其基本思想如图2所示。这种数据分发方案避免了发送不需要的感知数据，也不需要把控制信息泛洪到整个网络，改善了整个系统的性能，但是增加了维护索引节点的额外费用。
3数据分发方案的比较
根据上一节的说明和分析，表1对以上5种数据分发方案的特点进行了总结和比较。方案特点包括：是否建立最佳数据分发路径；是否存在影响数据分发的关键节点；是否支持sink节点移动；是事件驱动、查询驱动还是连续数据分发；数据分发所需的通信量、计算量和存储量。
4结束语
多媒体无线传感器网络体系结构 篇4
随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始出现,并且引起了人们的极大关注。这种传感器网络能够协调地感知、采集和处理网络覆盖区域内的各种环境或监测对象信息,并发布给需要这些信息的用户。目前,传感器网络研究的一个重要方面是在能量严重受限的微型节点上如何实现简单的环境数据(如温度、湿度、光强等)采集、传输与处理。然而,随着监测环境的日趋复杂多变,由这些传统传感器网络所获取的简单数据愈加不能满足人们对环境监测的全面需求,迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等媒体引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来,实现细粒度、精准信息的环境监测。由此,多媒体传感器网络应运而生。
2 多媒体传感器网络
2.1 传感器网络的概念及特点
无线传感器网络(wireless sensor networks,简称WSNs)由大量具备数据处理和通信能力的传感器节点组成,其目的是协作的感知、采集网络覆盖范围内监测对象的相关信息,并通过短距离无线多跳的通信方式将监测数据发送给网关,提供给用户进行分析和处理。同时,用户也可以根据网络应用需求,通过网关向传感器节点发送控制数据包,完成信息查询和网络管理维护等任务。无线传感器网络与其他传统网络相比具有空间分布面积大、能源受限制、网络自动配置、自动识别节点等特点。
2.2 多媒体传感器网络特点
多媒体传感器网络(multimedia sensor network,简称MSN)是由一组具有计算、存储和通信能力的多媒体传感器节点组成的分布式感知网络。它借助于节点上多媒体传感器感知所在周边环境的多种媒体信息(音频、视频、图像、数值等),通过多跳中继方式将数据传到信息汇聚中心,汇聚中心对监测数据进行分析,实现全面而有效的环境监测。
一个典型的多媒体传感器网络通常由多媒体传感器节点(multimedia sensor)、汇聚节点(sink node)、控制中心(control center)等构成。多媒体传感器节点散布在指定的感知区域内,其采集的数据沿着其他多媒体传感器节点逐跳进行传输,经过“多跳”路由传送到汇聚节点,最后通过Internet网络或通信卫星到达控制中心。用户通过控制中心对传感器网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。如图1所示。
作为传感器网络的一种,多媒体传感器网络除了具有其共性特点以外,还具有显著的个性特点。具体表现为以下几个方面:
1)网络能力增强。由于大数据量音频、视频、图像等媒体的引入,多媒体传感器节点及网络能力(采集、处理、存储、收发、能量供应等方面)都有显著增强。节点处理能力由原来Mica系列的6MHz提高至数十甚至数百兆,存储能力也由KB量级增至MB量级。为更好地满足网络中多媒体传输需求,网络带宽资源也相应增加。
2)感知媒体丰富。音频、视频、图像、数值、文本以及控制信号在内的多种类型数据共存于多媒体传感器网络中。另外,媒体格式多样,既包含单值信息,又包含流媒体信息。这些媒体信息共同服务于监测任务,实现更为全面、准确的场景监测。
3)处理任务复杂。传统传感器网络采集的数据格式单一、信息量少,因而处理简单,只需经过加、减、乘、除、求和、求平均值等运算],人们通过这些数值结果很难对监测环境形成全面认知。而多媒体传感器网络采集的音频、视频、图像信息丰富且格式复杂,我们可利用压缩、识别、融合等多种处理以满足多样化应用需求。
另外,由感知多种媒体类型的传感器节点构成的多媒体传感器网络,其监测能力远远大于几种感知单一媒体类型的传感器网络的简单叠加。多类型传感数据从不同角度描述物理世界,对同一场景多类型数据进行融合,我们可以得到对环境更为全面而有效的感知。
3 系统体系结构
传感器网络体系结构直接关系到整个网络性能,而网络性能又影响着其可用性。多媒体传感器网络体系结构的设计需要考虑部署、能耗、扩展性、灵活性及容错性等方面。如何利用多媒体传感器节点构造功能强大、结构优化、性能优良的多媒体传感器网络,是一个重要的问题。本节将针对通用传感器网络和多媒体传感器网络的体系结构的特点,分别从层次结构、功能模型以及通信协议实现的角度对多媒体传感器网络体系结构进行讨论。
3.1 传统无线传感器网络路由协议
传统传感器网络的路由协议可以分为两类:平面型路由协议和分层路由协议。
在平面型路由协议中,各传感器节点在网络中的地位或作用是一样的,最典型的平面型无线传感器网络路由协议是信息协商传感器协议(Sensor Protocols for Information via Negotiation,SPIN)和定向扩散(Directed Diffusion,DD)协议,其它的许多平面型协议都是对这两个协议的某些方面进行的改进。而分层路由协议中,网络中节点的功能是不完全相同的。一般是将网络中的节点分成很多簇,每个簇有一个簇头(Cluster Header,CH)节点和许多一般节点。一般节点负责信息的采集和发送,簇头节点对收到的信息进行处理和转发,并可协调簇内一般节点的发送。低功耗自适应按簇分层(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy,LEACH)协议就是一种典型的分层路由协议。下面分别简要介绍上述三种典型的路由协议,其它的一些协议,如基于梯度的路由(Gradient-Based Routing,GBR)协议,自组织协议(Self-Organizing Protocol,SOP),和双层数据传播(Two-Tier Data Dissemination,TTDD)协议等,具有相似的基本特点和针对不同应用的特性。
3.1.1 SPIN协议
最初的平面型协议采用泛洪(Flooding)的方法进行数据传播,简单地说就是每个节点广播其所收到的数据包,这就带来了网络资源的极大的浪费。SPIN协议的特点是通过数据协商,克服泛洪方法的缺点。数据协商分为三步:
1)信源节点发布广播消息ADV,告诉周围节点其有新数据要传输;
2)周围节点中对这个新数据感兴趣的节点向信源节点发请求消息REQ;
3)信源节点收到REQ消息后,向感兴趣的节点发送数据包DATA。这就避免了无目的的泛洪。
数据协商需要定义元数据(Meta-data),这就是协商时采用的最小数据单元,具体的定义随应用的不同而不同。SPIN协议是一种周期性协议,每隔一定时间,传感器节点就会采集一次数据,并启动数据协商过程,将此数据发送出去。
3.1.2 DD协议
DD协议中的路由是通过信息收集节点发起建立的。信息收集节点周期性地向传感器网络中广播一种称为Interests的数据包,告诉网络中的节点它需要收集什么样的信息。当Interests数据包在网络中传播时,收到这一数据包的节点会建立一个“梯度”(Gradient),指向Interests数据包所来自的节点,Gradient的值由节点根据周围的信息传播环境而设定。每当一个节点收到Interests数据包,这个节点就建立了一条或多条到信息收集节点的路径。DD协议一般取其中最好的一条进行传输。在DD协议中,数据在传播过程中被不断地进行合并、整合,这样就消除了传输中的冗余,节省了网络资源。
3.1.3 LEACH协议
作为一种分层协议,LEACH协议将网络中的节点分为簇头和一般节点。簇头将簇内的数据进行压缩后集中传送给信息收集节点,从而达到节省网络资源的目的。协议的内容包括簇头的选择和数据传输。在LEACH协议中,簇头是随机选择的,然后其它节点轮流充当簇头,以平衡各节点之间的能量消耗。在数据传输中,簇内节点采用时分复用(Time-Division Multiple Accessing,TDMA)的方式轮流使用信道资源,而TDMA中时隙的分配是由簇头完成的。簇之间采用码分多址(Code-Division Multiple Accessing,CDMA)的方式减小相互的干扰,即不同的簇采用不同的正交码同时进行扩频传输。
3.2 多媒体传感器网络体系结构
3.2.1 层次结构
2003年,Holman等人率先利用视频传感器网络实现海岸环境监测,采用集中式的单层网络体系结构。视频传感器节点间几乎没有协作,独立地完成数据采集和任务处理,并与控制主机(即汇聚节点)直接相连。在此结构中,控制主机瓶颈处理压力尤其突出,仅适合小规模的网络部署,很难适应日益扩大的传感器网络规模和海量的环境监测数据。因此,建立多层分布式的网络体系结构成为一种更合理的策略。
按照层次结构的不同,可以将多媒体传感器网络分为单层、多层和混合3类:
1)单层结构:各传感器节点在网络中的地位是平等的,通过“多跳”方式与汇聚节点通信。优点:结构简单,便于部署,网络延迟小。缺点:汇聚节点瓶颈处理压力突出,资源共享能力较差,严重的资源浪费,网络可扩展性和灵活性差。
2)多层结构:传感器节点按照资源或能力的不同划分为多层。如两层结构中传感器节点分簇头(cluster head)和成员节点两种,成员节点执行正常监测并触发簇头的高分辨率监测,进一步处理和上报监测结果到汇聚节点。优点:功能明确,便于管理,任务分级,层间协作,网络容错性好。缺点:能力受限的簇头可能会成为网络瓶颈。
3)混合结构:混合了单层和多层两种网络结构。突出表现为:传感器节点既可通过簇头与汇聚节点通信,又可不经过簇头以“多跳”方式与汇聚节点相互通信。优点:兼顾单层和多层网络结构双重优势;一定程度上有效地分担簇头处理压力;网络灵活性较好,适用于各种任务。缺点:网络结构相对复杂;网络管理与维护代价较大。
3.2.2 功能模型
按照网络中节点承担的功能不同,多媒体传感器网络又可分为单功能模型和多功能模型两大类。第3.2.1节中单层网络结构满足单功能模型,网络中传感器节点具有相同的地位,完成同样的任务(采集、转发和处理数据)。近年来,出现一些有代表性的满足多功能模型的多媒体传感器网络结构。
1)传统的簇结构:目前大多数多媒体传感器网络体系结构属于此类。网络中传感器节点按照资源或能力的不同划分为簇头和成员节点两种。一般来说,成员节点能力较低,负责环境数据采集及简单处理;而簇头能力相对较高,负责管理成员节点,并对来自成员节点的数据进行融合等处理。
2)主从结构:根据执行的任务粒度不同,将系统分为主从两部分。主系统(master)负责完成基本的监测任务;从系统(slave)则起到辅助主系统的作用。主系统通过调用从系统实现特定任务或细节监测。主从结构具有较高的灵活性,适用于完成不同级别的监测任务。但是系统的主-从特性使得系统部署更为复杂,需要对两者进行任务协调。
3)代理结构:网络中节点按照功能不同划分为多级代理。各级代理分工明确(如低级代理对应于网络中的成员节点,负责搜集环境数据,中级代理充当簇头的角色,融合来自低级代理采集的数据并转发处理结果,由高级代理充当汇聚节点完成更高级别处理任务并显示给用户),通过各级代理间协作提供更完善的服务。此类结构可扩展性较强。
4)协作模型:该结构将分层协作模型中的活动(activity)、任务(task)和协作(cooperation)三个抽象层次分别映射到网络中的成员节点、簇头和汇聚节点三个不同实体上,形成活动执行者、任务管理者和协作组织者,以此灵活有效地支持网络内实体之间不同程度的协作,尤其适合于实现具有协作特征的复杂多媒体应用。
3.2.3 通信协议实现
根据多媒体传感器网络通信协议实现不同,网络体系结构分为单一通信协议结构和混合通信协议结构两种。早期,多媒体传感器网络大都采用单一通信协议结构,也就是说,网络多层间采用相同通信协议(如:802.11,802.15.4等)。此种单一通信协议便于实现与管理,但未能充分考虑到网络中簇头与成员节点间的资源与能力差异。由此,Ardizzone等人提出了在多媒体传感器网络混合使用多种通信协议的方法,即在资源有限的簇内(成员节点-成员节点,成员节点-簇头)采用简单、数据传输速率较低的802.15.4协议进行无线通信;而簇间(簇头-簇头,簇头-汇聚节点)的通信采用提供较为丰富带宽资源的802.11标准。网络通过对两种无线传输协议的混合使用,有效地兼顾了资源、能耗、传输率等多方面因素,为实现多媒体应用提供了较好的支持。
4 多媒体传感器网络体系结构面临挑战
多媒体传感器网络作为全新的研究领域,在基础理论和实现技术两个层面提出了大量的挑战性研究课题,这些问题的解决,是加快多媒体传感器网络实用的基础。具体问题表现在下述方面:
1)实时媒体传输。多媒体信息(尤其是音视频)对传输的时延、同步要求很高,多媒体传感器网络应具有更强的媒体传输能力。目前,多媒体传感器网络的带宽资源以及处理能力还相当有限。能否有效解决多媒体的实时传输问题,也是多媒体传感器网络实用化的关键。
2)多媒体传感器网络的Qo S体系是一个基本问题,其中涉及节点感知信息质量、网络传输质量、能量消耗需求、网络覆盖质量和网络服务时间等方面,需要进一步从整个网络不同实体来保证服务质量。其中,多媒体传感器网络传输的质量保障中的一个关键问题是流媒体路由选择。网络中节点能量、带宽等资源的严重受限,使得支持实时可靠的大数据流媒体传输相当困难,如何设计新型的传感器网络路由,实现实时、可靠的流媒体信息传输,值得深入探讨。综合考虑能量、覆盖、感知等因素,多媒体传感器网络服务质量保障方法还需要进一步加以研究。
上述挑战迫切需要全新的解决方法,以指导多媒体传感器网络系统的有效实现。
5 结论
多媒体传感器网络是一种新型的信息获取和处理技术,在军事、民用、商业中具有广阔的应用前景。近年来,多媒体传感器网络技术的研究已引起了科研人员的密切关注,一些学者开展了多媒体传感器网络方面的探索性研究,但是这些研究成果尚处于起步阶段,距离实际需求还相差甚远。本文主要针对多媒体传感器网络的概念和特点,在网络体系结构方面面临的挑战、研究进展以及亟待解决的问题等方面展开深入的讨论。相信在不久的将来,多媒体传感器网络一定能够得到广泛的应用。
参考文献
[1]方维维,钱德沛,刘轶.无线传感器网络传输控制协议[J].软件学报,,2008,19(6):1439-1451.
[2]蹇强,龚正虎,朱培栋,等.无线传感器网络MAC协议研究进展[J].软件学报,2008,19(2):389-403.
[3]唐勇,周明天,张欣.无线传感器网络路由协议研究进展[J],软件学报,2006,17(3):410-421.
[4]黄玲.无线传感器网络简述[EB/OL].http://www.anywlan.com/bbs/dispbbs.asp?boardID=2&ID=5827&page=1.
[5]肖健,吕爱琴,陈吉忠,等.无线传感器网络技术中的关键问题[EB/OL].http://www.anywlan.com/bbs/dispbbs.asp?boardID=2&ID=5827&page=1.
[6]孙超,张世庆,张西良.无线传感器网络MAC协议研究[EB/OL].http://www.anywlan.com/bbs/dispbbs.asp?boardID=2&ID=5827&page=1.
[7]马华东,陶丹.多媒体传感器网络及其研究进展[J].软件学报,2006,17(9):2013-2028.
[8]刘刚,周兴社,谷建华,等.自组织、自适应无线传感器网络理论研究[J].计算机应用研究,2005(5).
无线传感器网络多目标跟踪的介绍 篇5
无线传感器网络目标跟踪一直作为研究的热点，之前的研究多是单目标的跟踪，通过传感器网络的多个或全部节点协作跟踪同一个目标。
Mechitov K 等利用二元检测 ( binary-detect 协作跟踪的思想，通过目标是否处于传感器侦测距离之内或者之外，根据多个传感器的协作确定目标的位置，这种方法需要节点间的时钟同步，并要求节点知道自身的位置信息； Zhao F 等利用信息驱动 ( information-driven 协作跟踪的思想，利用传感器节点侦测到信息和接收的其他节点的侦测信息判断目标可能的运动轨迹，唤醒合适的传感器节点在下一时刻参与跟踪活动，由于有合适的预测机制，可有效的减少节点间的通讯，从而节省节点有限的能量资源和通讯资源； Zhang W S 等在解决无线传感器网络单目标跟踪时提出了传送树 ( convei tree 跟踪算法，这种算法是一种分布式算法，而之前的大多数跟踪算法为集中式的传送树是一种由移动目标附近的节点组成的动态树型结构，并且会随着目标的移动动态地添加或者删除一些节点，保证对目标进行高效跟踪的同时减少节点间的通信开销。
当前的目标跟踪算法主要是针对不同环境下的单目标跟踪，如何以较低的能量代价高效地融合有效的信息，增大丈量精度和延长网络生存期，并解决多目标跟踪，成为目前研究无线传感器网络目标跟踪的热点。研究无线传感器网络多目标跟踪时需要考虑能量有限；跟踪算法的分布式以延长网络寿命；传感器的量测可能是多个目标的合成量测，这些给传统的多目标跟踪算法带来了挑战。
Jaewon Shin 采用分布式的多尺度框架，用转移矩阵的思想，优化解决多目标识别的计算量问题，该算法通过局部节点信息更新给出全局的目标信息，该算法框架在解决无线传感器网络多目标跟踪时有一定的可行性； Lei Chen 等也提出了采用分布式数据关联的算法解决无线传感器网络多目标跟踪； Mauric Chu 采用贝叶斯估计的方法，解决多目标跟踪的数据关联问题，并采用分布式的算法实现了无线传感器网络多目标跟踪，
无线传感器网络多目标跟踪
线传感器网络跟踪是传感器网络的主要用途之一，也是一个难点和关键问题，同时具有很多商业和军事应用的基本要素，如交通监控、机构平安和战场状况获取等。利用无线传感器网络中的节点协同跟踪，无线传感器网络技术应用的一个很重要的方面。
最早的无线传感器网络系统跟踪实验是美国 DA RPA Defens Advanc Research Project Agenci SensIT 项目中一些跟踪方法实现。现在许多跟踪应用方案依然处于研究阶段。由于传感器节点存在很多硬件资源的限制，还经常遭受外界环境的影响，无线链路易受到干扰，网络拓扑结构动态变化，而传感器网络的活动目标跟踪应用具有很强的实时性要求，因此，许多传统的跟踪算法并不适用于传感器网络。活动目标跟踪在雷达领域研究多年，效果很多经典的活动目标跟踪是单传感器跟踪系统，发展了如最近邻法 ( NN 集合论描述法、广义相关法、经典分配法、多假设法、概率数据关联 ( PDA 法、联合数据互联 ( JPDA 法、交互多模型 ( IMM 法等数据互联算法。
车辆无线传感器网络与智能交通 篇6
据有关部门预测,按现在汽车销售增长速度,到2020年,中国道路上行驶的汽车数量将增加到1.3亿辆。道路面积增长赶不上汽车数量的增长速度。2007年年底出版的城市蓝皮书《中国城市发展报告NO.1》指出,目前中国城市交通面临极大挑战,其中大城市的交通拥堵和环境污染问题日益突出。
智能交通系统作为能够有效缓解城市交通问题的手段之一,成为近十几年来国内外各级政府和交通专家关注的热门话题。
在汽车内安装传感器设备,使汽车能够感知行驶途中的各种信息,大量的车辆传感器节点通过车上以及道路基础设施上安装的无线通信设备,构成无线车辆传感器网络,称为Vehicular Sensor Networks(VSNs)。
车辆传感器网络可以提高车辆行驶的安全性和行驶过程的便利性,为智能交通系统做出巨大贡献。比如通过车辆间通信实现主动事故告警、事故隐患提示;帮助驾驶员减少碰撞;在交叉路口、高速路入口等关键地点进行引导和疏通;在公路上行驶时,人们可以通过无线通信系统了解路段的情况,根据是否发生事故或堵车情况及时调整行驶路线;车辆间可以共享天气信息、加油站和餐馆地点等信息;交通系统也可以根据所获得的车流量和路况信息及时地调整红绿灯时间,使交通系统达到更优效率。
2009年9月24日,通用汽车公司在上海展示了车辆传感器网络的应用之汽车对话技术V2V系统。这是一种基于全球定位系统GPS及无线技术的全方位物体定位传感器,可以使得汽车拥有“第六感”。该系统提供自动安全功能,例如更换车道预警、盲点探测、急停、前撞警告(自动刹车)和路口碰撞预警。根据通用汽车专家介绍,这项先进的技术将可以最终实现车辆完全无碰撞地行驶,其未来的应用将能够大幅降低汽车碰撞事故的发生,从而使更多的驾驶者或行人避免在车祸中受伤或失去生命。
车辆传感器网络与普通传感器网络的区别是:车辆传感器节点的能量和体积不受限制。汽车上可以方便地安装处理能力强的单元、无线通信设备、GPS、以及化学传感器、相机/摄像机,振动/声音传感器等。图2是一个车辆传感器结构图。
通过车载传感器设备,车辆节点能够感知两大类的信息:车辆内和车辆外的信息。车辆内的信息包括车辆运行的内在状态、汽车的位置、速度等;车辆外的信息主要是环境信息,包括温度、湿度、大气指数,以及行驶路途中的信息包括交通流量、路面状况等。除了传感器设备外,驾驶员其实也是一种高智能的“传感器”,通过对所见所闻,能感知复杂事件,如检测交通事故、行车危险等重要的事件。每个车辆传感器节点感知不同区域、不同时刻的数据,这些感知数据能为大量的应用提供宝贵的数据支持。
近年来,车辆传感器网络已经引起世界各国研究机构和科研人员的密切关注。在2003年ITU-T 的汽车通信标准化会议上,各国专家提出的车辆无线通信技术有望在2010年将交通事故带来的损失降低50%。2003年,美国联邦通信委员会专门为车辆间通信划分了一个专用频段。2004年～2009年,MobiCom专门召开了6次专题研讨会讨论车辆间无线通信技术。
众多的研究机构也开始了实际车辆运行环境下无线通信的测试平台的研究。美国的马萨诸塞大学建立了UMass DieselNet,系统由40辆公交车组成,每辆公交车上配备一套HaCom Open Brick嵌入式计算机,采用577Mhz的CPU,256M内存,40G硬盘,运行Linux操作系统。GPS接收终端提供实时的定位服务。每辆公交车上有3种无线通信设备,分布式Wi-Fi AP、Wi-Fi网卡和MaxStream XTend 900 MHz的无线电。DieselNet是混合型的网络,除了公交车节点外,网络中还包括安装在路边的Throwboxes,用于提高网络的连通性。
欧盟IST设立了若干个采用移动自组网技术解决车辆之间通信问题的项目,包括 CarTALK2000等。德国已经完成了基于Ad hoc 网络的车载通信系统Fleet Net项目, Fleetnet项目由6家公司和3个大学共同发起,2000年9月启动。试验床由10辆小汽车和路边的基站组成,车辆装备有摄像头、导航系统和液晶接触式显示屏。嵌入式计算机通过控制器局部网(CAN)总线与车内的电子设备实现连接。FleetNet利用车辆间多跳无线通信,研究实现多种免费的应用服务,包括紧急事件通知、障碍物警告、交通拥堵监测和因特网接入等。目前德国已经启动了后续项目NOW(Network On Wheels)。
国内对车辆传感器网络的研究也在积极地开展,同济大学2007年获863资助项目“基于移动中继技术的车辆通信网络的研究”,上海交通大学2006年获得上海市重大项目“无线传感器网络关键技术攻关及其在道路交通中的应用示范研究”。在国务院2006年2月9日发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006━2020年)》文件指导和推动下,借助“十一五”期间国家“973”、“863”、国家基金将重点资助传感器网络技术发展的有利时机下,在“物联网”概念迅速普及的情况下,针对车辆无线传感器网络的研究将会更加深入,车辆无线传感器网络也将为我们的交通系统和日常生活带来巨大的效率。
无线自组网和无线传感器网络研究 篇7
Ad Hoc网络是一种移动通信和计算机网络相结合的自组织网络, 网络中的节点由移动主机构成。Ad Ho网络最初应用于军事领域, 是20世纪70年代美国国防部高级研究计划局 (DARPA) 资助研究的采用分组无线网 (PRNET) 进行数据通信项目中产生的一种新型网络构架技术[1]。无线传感器网络是Ad Hoc网络应用在传感器技术中的一种具有动态拓扑结构的组织网络它是由大量散布在某区域的微小传感器节点组成, 这些节点可以通过飞机撒播、人工布置或者火箭弹射的方式完成。与蜂窝移动通信系统、蓝牙技术、无线局域网等无线通信网络相比, 无线传感器网络和传统Ad Hoc网络都没有基站设备支持, 所有节点分布式运行能够向相邻节点发送和接收数据, 具有发现和维护到其他节点路由的功能, 是自创造、自组织和自管理的多跳网络。
无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络, 其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息, 并报告给用户。它的英文是Wireles Sensor Network, 简称WSN。大量的传感器节点将探测数据, 通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能, 而这正对应着现代信息技术的三大基础技术, 即传感器技术、计算机技术和通信技术。
1、无线自组网
1.1 无线自组网概述
Ad hoc网是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络, 又称为多跳网 (Multi-hop Network) 、无基础设施网 (Infrastructure less Network) 或自组织网 (Self organizing Network) 。整个网络没有固定的基础设施, 每个节点都是移动的, 并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。在这种网络中, 由于终端无线覆盖取值范围的有限性, 两个无法直接进行通信的用户终端可以借助其它节点进行分组转发。每一个节点同时是一个路由器, 它们能完成发现以及维持到其它节点路由的功能。
Ad Hoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络, 网络中的节点均由移动主机构成。Ad Hoc网络最初应用于军事领域, 它的研究起源于战场环境下分组无线网数据通信项目, 该项目由DARPA资助, 其后, 又在1983年和1994年进行了抗毁可适应网络SURAN (Survivable Adaptive Network) 和全球移动信息系统Glo Mo (Global Information System) 项目的研究。由于无线通信和终端技术的不断发展, Ad Hoc网络在民用环境下也得到了发展, 如需要在没有有线基础设施的地区进行临时通信时, 可以很方便地通过搭建Ad Hoc网络实现。
1.2 无线自组网的特点
Ad Hoc网络作为一种新的组网方式, 具有以下特点:
1.2.1 网络的独立性
Ad Hoc网络相对常规通信网络而言, 最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持, 快速构建起一个移动通信网络。它的建立不依赖于现有的网络通信设施, 具有一定的独立性。Ad Hoc网络的这种特点很适合灾难救助、偏远地区通信等应用。
1.2.2 动态变化的网络拓扑结构
在Ad Hoc网络中, 移动主机可以在网中随意移动。主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失, 主机之间的关系不断发生变化。在自组网中, 主机可能同时还是路由器, 因此, 移动会使网络拓扑结构不断发生变化, 而且变化的方式和速度都是不可预测的。对于常规网络而言, 网络拓扑结构则相对较为稳定。
1.2.3 有限的无线通信带宽
在Ad Hoc网络中没有有线基础设施的支持, 因此, 主机之间的通信均通过无线传输来完成。由于无线信道本身的物理特性, 它提供的网络带宽相对有线信道要低得多。除此以外, 考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素, 移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值。
无线自组网络还具有有限的主机能源、网络的分布式特性、生存周期短、有限的物理安全等特点。
1.3 无线自组网应用领域
Ad Hoc网络的应用范围很广, 总体上来说, 它可以用于以下场合:a) 没有有线通信设施的地方, 如没有建立硬件通信设施或有线通信设施遭受破坏。b) 需要分布式特性的网络通信环境。c) 现有有线通信设施不足, 需要临时快速建立一个通信网络的环境。d) 作为生存性较强的后备网络。
Ad Hoc网络技术的研究最初是为了满足军事应用的需要, 军队通信系统需要具有抗毁性、自组性和机动性。具有较强的自组性, 很适合战场的恶劣通信环境。Ad Hoc网络建立简单、具有很高的机动性。目前, 一些发达国家为作战人员配备了尖端的个人通信系统, 在恶劣的战场环境中, 很难通过有线通信机制或移动IP机制来完成通信任务, 但可以通过Ad Hoc网络来实现。因此, 研究Ad Hoc网络对军队通信系统的发展具有重要的应用价值和长远意义。
Ad Hoc网络的研究在民用和商业领域也受到了重视。在民用领域, Ad Hoc网络可以用于灾难救助。在发生洪水、地震后, 有线通信设施很可能因遭受破坏而无法正常通信, 通过Ad Hoc网络可以快速地建立应急通信网络, 保证救援工作的顺利进行, 完成紧急通信需求任务。Ad Hoc网络可以用于偏远或不发达地区通信。
Ad Hoc网络在研究领域也很受关注, 近几年的网络国际会议基本都有Ad Hoc网络专题, 随着移动技术的不断发展和人们日益增长的自由通信需求, Ad Hoc网络会受到更多的关注, 得到更快速的发展和普及。
2、无线传感器网络
2.1 无线传感器网络的体系结构
典型的无线传感器网络系统主要由传感器节点、接收发送器、互联网或通信卫星、任务管理节点等组成。图1为一个无线传感器网络的体系结构图。
传感器节点是一种微型嵌入式设备, 由部署在感知对象附近大量的廉价微型传感器模块组成, 可以借助于节点中内置的各式传感器来测量所在周边环境中的各种信号, 从而探测其相关的各种物理量, 也可以通过人工放置、飞机撒播或炮弹发射等方式, 将传感器节点散布在监控区域内, 以采集检测区域内的相关信息, 并发送到汇聚节点。各模块通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统, 从而把传感器节点采集到的数据沿着其他节点逐跳传输到汇聚节点。
汇聚节点也称数据中心或基站, 它的处理能力、存储能力和通信能力相对较强, 通过连接传感器网络与互联网等外部网络, 可实现两种协议通信协议之间的转换, 同时发布管理节点的检测任务, 并将搜集到的数据转发到外部网络上。
管理节点通过对整个系统的配置和管理, 可实现对系统中各节点检测任务的发布和检测数据的收集与处理。管理节点也可以将数据传输给传感器节点, 实现网络的再配置以及重新发布检测任务。
2.2 无线传感器网络的特点
无线传感器网络除了具有Ad Hoc网络的移动性、断接性、电源能力局限性等共同特征以外, 还具有很多其他鲜明的特点。
2.2.1 大规模网络
为了获取精确信息, 在监测区域通常部署大量传感器节点, 传感器节点数量可能达到成千上万, 甚至更多。通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比;通过分布式处理大量采集的信息能够提高监测的精确度, 降低对单个节点传感器的精度要求;大量冗余节点的存在, 使得系统具有很强的容错性能;大量节点能够增大覆盖的监测区域, 减少洞穴或者盲区。
2.2.2 自组织网络
在无线传感器网络应用中, 通常情况下传感器节点被放置在没有基础设各的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定。节点之间的相互邻居关系也不能预先知道, 如通过飞机撒播大量传感器节点到面积广阔的原始森林中, 或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力, 能够自动进行配置和管理, 通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在无线传感器网络使用过程中, 部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效, 也有一些传感器节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中, 这样在无线传感器网络中的节点个数就动态的增加或减少, 从而使网络的拓扑结构随之动态变化。无线传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。
2.2.3 多跳路由
网络中节点通信距离有限, 一般在几十到几百米范围内, 节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信, 则需要通过中间节点进行路由。匿定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现, 而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的, 没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者, 也可以是信息的转发者。
2.2.4 动态性网络
无线传感器网络是一个动态的网络, 节点可以随处移动;一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障, 退出网络运行;一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。无线传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变: (1) 环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效。环境条件变化可能造成无线通信链路的带宽变化, 甚至时断时通。 (2) 无线传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性。 (3) 新节点的加入。 (4) 可靠的网络。
2.2.5 以数据为中心的网络
传感器网络是一个任务型的网络, 脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网络中的节点采用编号标识, 节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部署, 构成的传感器与节点编号之间的关系是完全动态的, 表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时, 直接将所关心的事件通告给网络, 而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或者传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器是一个以数据为中心的网络。
2.2.6 应用相关的网络
传感器用来感知客观物理世界, 获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多样, 不可穷尽。不同的传感器应用关心不同的物理量, 因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。
不同的应用背景对传感器网络的要求不同, 其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差异。所以传感器网络不能像Internet一样, 有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题, 但在开发传感器更高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术, 这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。
无线传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域, 传感器节点可能工作在露天环境中, 遭受太阳的暴晒或者风吹雨淋, 甚至遭到无关人员或动物的破坏。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数量巨大, 人工不能“照顾”每个传感器节点, 网络的维护十分困难甚至不可维护。无线传感器网络的通信保密性和安全性也十分必要, 要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测数据。因此, 无线传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。
3、无线自组网与无线传感器网络比较
无线传感器网络与传统无线自组网有着一些不同特点:1、无线传感器网络的节点数量较多, 并且分布密度较大;2、无线传感器网络中的节点与无线自组网中的节点相比更容易出错;3、无线传感器网络中节点的计算、存储能力和电力有限;4、传统无线自组网主要采用点对点通信, 而无线传感器网络节点主要采用广播方式通信;5;无线传感器网络中的节点数量非常大, 因此网中节点一般没有全球唯一的标识。
摘要：在目前的无线网络技术中, 最重要的研究是无线自组网 (ad hoc) , 最有发展前景的是无线传感器网络 (Wireless Sensor Network, WSN) 。无线自组网是一种自组织、对等式、多跳的无线移动网络, 在分组无线网的基础上发展起来。无线传感器网络将无线自组网技术与传感器技术相结合, 实现协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息并发送给观察者。
关键词：无线自组网,无线传感器
参考文献
[1]雷冠军.无线传感器网络中安全性问题的研究[J].价值工程, 2012, (3)
[2]司海飞, 杨忠, 王珺.无线传感器网络研究现状与应用[J].机电工程, 2011, (1) .
[3]胡曦明, 董淑福, 王晓东, 韩仲祥.无线传感器网络的军事应用模式研究进展[J].传感器与微系统, 2011, (3) .
[4]刘涛.无线传感器网络安全的优化研究[J].计算机仿真, 2011, (7) .
[5]侯雷.无线传感器网络及相关问题研究[J].计算机安全, 2010, (7) .
[6]黄全乐.Ad Hoc网络的发展及其在军事通信中的应用[J].国防技术基础, 2006, (12) .
[7]袁柱, 高论.Ad Hoc的研究与实现[J].重庆工学院学报 (自然科学版) , 2007, (3) .
[8]王春霞.Ad hoc网络技术研究[J].菏泽学院学报, 2007, (2) .
无线多媒体传感器网络 篇8
1.1 研究背景及现状
无线传感器网络 (Wireless Sensor Network, WSN) [1]是集信息采集、信息处理、信息传输于一体的综合性学科。无线传感器网络可广泛应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域, 如受到污染、环境被破坏或敌对区域和一些临时场合, 如发生自然灾害、固定通信网络被破坏等场所。它不需要固定网络支持, 具有快速展开、抗毁性强等特点, 可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域。无线传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿热点研究领域, 是信息感知和采集的一场革命, 被认为是21世纪最重要的技术之一, 它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。2003年2月份的美国《技术评论》 (Technology Review) 杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术, 传感器网络被列为第一;美国商业周刊认为, 传感器网络是全球未来四大高技术产业之一;美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革;2004年《IEEE Spectrum》杂志发表一期专集:传感器的国度, 论述了无线传感器网络的发展和可能的广泛应用;近几年来在美国国防部高级规划署、美国自然科学基金委员会和其它军事部门的资助下, 美国科学家正在对无线传感器网络所涉及的各个方面进行深入研究。可以预见, 无线传感器网络的发展和广泛应用, 将对人类的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。
1.2 概念
传感器 (Sensor) , 是指能够把外部物理信号转化为电信号的装置。传感器可以接有线, 也可以接无线。
传感器网 (Sensor Netorks) 通常强调是无线传感器网络 (Wireless Sensor N e t w o r k, W S N) 。传感器信息一般被认为是低速率、短距离、低功耗, 因此组网上有特殊性, 主要特征是无中心的自组织网络。
无线传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。从2000年起, 无线传感器网络便引起了学术界、军界和工业界的极大关注。国际上开始出现一些有关无线传感器网络研究结果的报道。美国自然科学基金委员会于2003年制定了无线传感器网络研究计划, 投资3400万美元, 支持相关基础理论的研究。
无线传感器网络应用潜力巨大.可以广泛应用于军事、环境监测、智能家居[2]、健康护理[2,3,4]、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型工业园区的安全监测等领域[5]。
无线传感器网可以看成是“传感器模块+无线组网模块”共同构成的一个网络。无线传感器仅仅感知到信号, 并不强调对物体的标识和测控。无线传感网的感知更让人觉得是一个单向信息采集的网络。例如可以让温度传感器感知到森林的温度, 但并不一定需要标识哪根树木。
无线传感器网络和无线个域网 (W P A N) 、无线体域网 (W B A N) 以及其他特殊无线网络同属于常说的短程无线互联的范畴, 国际上也分属于不同的标准化组织。我国新成立的无线传感网标准组也是从802.15.4无线个域网标准组中分拆出来的。
2、无线传感器网络应用实例——医院病人无线呼叫系统
2.1 概述
传感器网络在医疗卫生和健康护理等方面具有广阔的应用前景。因此, 国内外很多机构包括国际著名的行业巨头已开始面向医疗领域对传感器网络进行研究以及产品研发。这已充分预示着传感器网络技术和产品在医疗健康领域的应用不久将成为现实。目前国内外已有多家机构在研究传感器网络在医疗行业的应用, 并已研发出相应的初级产品[3]。
病床状况事关病人的生命安全, 如何实现稳定快速地了解病床的状况是摆在人们面前一个必须解决的问题。某公司开发的医院病区无线呼叫、报警系统是采用无线单片机技术设计的低成本无线网络实用系统。
该系统采用无线双向网络通讯, 可以极低的成本, 实现医院病床液滴, 液位报警功能和病员紧急呼唤等功能;该系统由每层楼的一台主机 (PC机) 和若干在无线路由器组成的无线网络系统, 病员的无线分机组成;是一套包括双向寻呼, 微型无线传感器, 报警监控全部功能的多功能微型无线系统。
2.2 系统组成与功能
病床无线系统设备主要包括:主机、微型无线终端机、无线终端。
主机:
主机 (终端) 放置于监控室或护士值班室, 运行无线监控软件, 通过分布在全楼层的各个无线网络路由器, 24小时适时自动连续监控病员的呼叫信息。通过主控机的界面医务人员可以监测到医院各个床位的情况。
微型无线终端机:
每个病床 (员) 配备, 体积仅为85×50×20毫米, 采用图形液晶显示器, 4行×14汉字显示系统, 菜单显示, 方便病人直观地选择所要呼叫的内容, 以便医务人员及时采取措施, 节省时间。采用低功耗微处理器和低功耗无线设计技术, 电池工作可以100~200天不用更换电池。
无线终端:
考虑到医务人员可能需要不断地走动, 这套系统还可以为离开监控室的值班护士配置可随身携带的无线终端, 其基本的功能和设计与放置在病员床位上的微型终端相同。
2.3 工作原理
病床无线系统采用公司独立开发的双向无线通讯技术, 无线通讯不受医院空间设计的限制, 无线通讯的距离能覆盖整个病员区。
这套技术的基本设计主要可以用于病人呼叫主控制室要求提供紧急的医疗救助、日常的医疗服务等多种功能。由于该公司设计的无线呼叫系统是采用软件的编程完成, 可以根据具体的要求不断地添加或更新此套系统。
分机和主机可以433mhz/915MHZ/2.4ghz的无线频道进行无线网络连接, 实现病人/病床和值班护士间的无线网络联系。
2.4 主要技术指标
高性能单片式无线收发芯片, 内置高性能增强型51单片机 (4 clock) , 内带4路ADC 12bit高速采样, 单片机全速运行功耗1m A@4M。工作在1.9~3.6V低电压工作, 待机功耗2uA, 全部高频元件集成;最大发射功率+10dBm, 高抗干扰GFSK调制, 速率100kbps, 独特的载波监测输出, 避免无线通信碰撞;地址匹配输出, 易于点对多点无线通信设计;就绪输出, 便于节能设计, 满足低功耗设计。
2.5 主要优点
1) 可靠的双向无线通讯, 保证值班护士对病房进行自动化连续监控;
2) 采用无线单片机的设计, 大大降低系统设计成本;
3) 采用无线网络通讯拓扑, 大大加强通讯距离和通讯可靠性。
3、结束语
随着技术的发展, 无线传感器网络将逐渐被实际应用于医疗领域。本文给出的实例将成为无线传感器网络在医疗行业应用的典型, 具有很好的代表性。
无线传感器网络在医疗领域中潜在的应用还有很多, 未来的发展方向是在家中、医院实现全面传感器网络覆盖。实现无处不在感知, 使得每个人时刻处于健康监测网络的呵护中, 使得全人类的健康水平大幅度地提高。
参考文献
[1]任丰原, 黄海宁, 林闯.无线传感器网络[J].软件学报.2003, 14 (7) :1282-1291
[2]A Mainwaring, Polastre, R Szewczyk, et al.Wireless Sensor Networks for Habitat Monitoring[A].In:D Culler Proceedings of First ACM International Workshop on Wireless Sensor Networks&Applications.USA:ACM press, 2002.88-97.
[3]邹焱飚, 谢存稽.基于家庭的远程健康监护系统进展[J].计算机工程与应用.2005, 41 (10) :30-34
[4]Bashshur RL, Telemedicine and Health Care[J].Telemedicine Journal and e-Health.2002, 8 (1) :5-12
初识无线传感器网络 篇9
人类进入21世纪以后, 无线传感器的网络时代得到迅速发展, 主要是微电子机械系统、计算机、通信以及自动控制和人工智能等学科更是发展迅猛。其中, 无线传感器网络[1] (Wireless Sensor Networks, 简称为WSNs) 指的是在一组被部署在监测区域内的传感器节点, 通过无线感知器的节点所进行通信的一个自组织的网络系统, 主要是通过协作的感知、采集并处理网络覆盖区域中感知对象的信息, 并且发给观察者。而传感器网络的三个主要要素分别是传感器、感知对象和观察者。
无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一, 它将会对人类未来的生活方式产生巨大影响。麻省理工学院的《技术评论》杂志 (Technology Review) [2]评出了对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术, 无线传感器网络即位于这十种新技术之首。如果说因特网构成了逻辑上的信息世界, 改变了人与人之间的沟通方式, 无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起, 改变人与自然的交互方式。未来的人们将可以通过遍布四周的无线传感器网络直接感知世界, 从而极大地扩展网络的功能和人类认识世界的能力。近年来随着无线通信、微处理器、MEMS (Micro Electro Mechanical System) 等技术的发展, 使得无线传感器网络的应用由军事扩展到工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域, 巨大的潜在的实用价值, 已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视[3]。
1 无线传感器的应用领域
无线传感器网络作为一种新型的应用性网络, 是因为有着独特的特点以及重要的途径, 以此存在着重要的理论意义和实际意义。由于传感器网络有着巨大的应用前景, 就被称为影响21世纪技术发展的重要因素之一, 也是一种完善的潜在传感器的应用, 主要从以下几个区域进行讨论:军事侦察、环境监测、医疗、建筑物监测等等。随着传感器的技术以及无线通信技术和计算技术的不断自我完善和发展, 我们的生活将真正意义上实现“无处不在的计算”, 各种传感器网络将遍布我们的生活环境。下面是笔者根据传感器网络在实际应用领域中的几点分析:
1.1 环境应用
由于环境监测的传感器网络一般都具有部署简单、便宜又长期不需要更换电池以及不用派人现场维护等优点, 因此很受认可。因此, 我们在进行密集节点工作布置的时候, 需要先观察微观的环境因素, 以此真正为环境研究和环境监测提供新的发展途径, 也要多参与无线传感器网络在环境监测领域中发展成功事例的运行。
1.2 军事应用
传感器网络研究最早起源于军事领域, 实验系统有海洋声纳监测的大规模传感器网络, 也有监测地面物体的小型传感器网络。现代传感器网络应用中, 通过飞机撒播、特种炮弹发射等手段, 可以将大量便宜的传感器密集地撒布于人员不便于到达的观察区域如敌方阵地内, 收集到有用的微观数据;在一部分传感器因为遭破坏等原因失效时, 传感器网络作为整体仍能完成观察任务。传感器网络的上述特点使得它具有重大军事价值, 可以应用于如下一些场景中:监测人员、装备等情况以及单兵系统;监测敌军进攻;评估战果;核能、生物、化学攻击的侦察。
1.3 建筑及城市管理
各种无线传感器可以灵活方便地布置于建筑物内, 获取室内环境参数, 从而为居室环境控制和危险报警提供依据。智能家居:通过布置于房间内的温度、湿度、光照、空气成分等无线传感器, 感知居室不同部分的微观状况, 从而对空调、门窗以及其他家电进行自动控制, 提供给人们智能、舒适的居住环境。建筑安全:通过布置于建筑物内的图像、声音、气体检测、温度、压力、辐射等传感器, 发现异常事件及时报警, 自动启动应急措施。智能交通:通过布置于道路上的速度、识别传感器, 监测交通流量等信息, 为出行者提供信息服务, 发现违章能及时报警和记录。
1.4 反恐和公共安全
通过使用具有特殊用途的传感器, 特别是生物化学传感器监测有害物、危险物的信息, 最大限度地减少其对人民群众生命安全造成的伤害。
2 无线传感器在现实应用中存在的问题
目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Ad hoc网络[4]等, 与这些网络相比, 无线传感器有无法比拟的优势, 但同时它也存在着一些不足, 如:
2.1 节点通信能力有限
无线传感器网络的传感器通信带宽窄经常变化, 通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器之间的通信断接频繁, 经常导致通信失败。由于无线传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响, 传感器可能会长时间脱离网络, 离线工作。
2.2 支撑能量有限
传感器节点的电源能量极其有限, 网络中的传感器节点由于电源能量的原因经常失效或废弃。电源能量约束是阻碍无线传感器网络应用的严重问题。
2.3 有限的节点计算能力
无线传感器网络中的传感器网络节点一般都是以嵌入式处理器和存储器处理为主的, 其中可以有效完成一些信息处理工作的是传感器节点具有的计算能力。但是因为处理器和存储器的能力和容量有限, 就使得传感器节点的计算能力十分有限。
2.4 传感器的节点数量较大、分布范围广
因此无线传感器网络中传感器的节点较为密集, 由于数量较大, 导致分布广泛, 使得无线传感器网络维护起来十分困难, 甚至不可维护。
2.5 以数据为中线
在无线传感器网络中, 我们往往关心的只有在区域的观测指标值中全面对节点的观测数据进行控制, 这样才能以数据为中心的对无线传感器网络的设计进行以感知数据的管理和处理为中心的观测。
3 结束语
如何在通信能力有限的条件下, 完成高质量的信息感知处理传递呢, 这也是我们无线传感器网络在现实研究中所面对的重要挑战之一。因此在网络工作过程中如何进行能源的节省, 就需要我们在进行节能设计的时候, 把链路层算法和路由算法等等的应用到现实问题中以及确保最大网络生存的周期等, 这也是网络传感器能够得到广泛应用的关键。因此, 我们就如何使用大量具有计算能力的传感器节点所进行的信息处理的重点, 也是无线传感器网络具有新挑战的研究课题。以上就是笔者就无线传感器网络的软、硬件的使用进行的深入探索分析。
目前, 无线传感器网络的发展问题是国内外最新研究的新课题, 也是由于近些年人们对无线传感器网络的深入研究分析, 使得传感器的新特点具有广阔的应用前景, 尤其是传感器的新特点人们也逐渐了解, 尤其是将传感器网络真正应用到实际生活中, 并在物理层和网络层等方面都有着进一步的研究, 但是最关键技术还需要我们继续努力去解决。
参考文献
[1]陈林星, 曾曦, 曹毅.移动Ad Hoc网络[M].北京:电子工业出版社, 2006:1-12.
[2]彭刚, 曹元大, 孙利民.无线传感器网络时间同步协议[J].计算机应用, 2005 (06) .
[3]王雪, 王晟.无线传感器网络中的远程虚拟测试[J].电测与仪表, 2005 (01) .
[4]朱近康.无线传感器网络技术[J].中兴通讯技术, 2004 (S1) .
[5]储昭勋, 胡艳军.无线传感器网络技术[J].计算机技术与发展, 2006 (04) .
[6]任丰原, 黄海宁, 林闯.无线传感器网络[J].软件学报, 2003 (07) .
无线传感器网络的实现 篇10
1 无线传感器网络
如图1所示为无线传感器网络的系统结构。
无线传感器网络系统通常由三大部分组成，分别是传感器节点、汇聚节点和任务管理节点。数量巨大的传感器节点能够通过自组织方式形成网络，并且随机地部署在监测区域附近。监测到的数据沿着其它传感器节点逐跳式地传输，在传输过程中，传感器节点监测的数据可能被多个节点处理，经过多跳传输以后，到达汇聚节点，再通过互联网或卫星到达任务管理节点。用户通过管理节点，对传感器网络进行配置、管理、发布监测任务，以及收集监测数据。
与目前常见的移动通信网、无线局域网、蓝牙网络等无线网络相比，无线传感器网络具有以下特点：
动态拓扑，无线传感器网络是一个动态网络，节点可以随处移动;无中心，无线传感器网络中没有控制中心，所有的节点地位都相同;节点稠密分布，协作感知;节点具有一定的数据融合能力;有限的计算能力、存储空间、能耗和能量供应;自组织，不需要依赖其他预设的网络设施，网络自动的布设和展开;多跳路由，节点通信的距离总是在百米范围，而且是与和它相邻的节点直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行传递。
2 TinyOS
2.1 TinyOS概述
TinyOS是一个开源的嵌入式操作系统，它是由加州大学的伯利克分校开发出来的，主要应用于无线传感器网络方面。它是基于一种组件的架构方式，使得能够快速实现各种应用。
TinyOS的程序采用的是模块化设计，所以它的程序核心往往都很小，一般来说核心代码和数据大概在400 Bytes左右，能够突破传感器存储资源少的限制，这能够让TinyOS很有效的运行在无线传感器网络上并去执行相应的管理工作等。
TinyOS本身提供了一系列的组件，可以很简单方便的编制程序，用来获取和处理传感器的数据并通过无线电来传输信息。可以把TinyOS看成是一个可以与传感器进行交互的API接口，它们之间可以进行各种通讯。TinyOS在构建无线传感器网络时，它会有一个基地控制台，主要是用来控制各个传感器子节点，并聚集和处理它们所采集到的信息。TinyOS只要在控制台发出管理信息，然后由各个节点通过无线网络互相传递，最后达到协同一致的目的，比较方便。
2.2 TinyOS的特点
TinyOS提供一系列可重用的组件，一个应用程序可以通过连接配置文件(A Wiring Specification)将各种组件连接起来，以完成它所需要的功能。
TinyOS是一个专为无线嵌入式传感器网络设计的开放源代码的操作系统。它具有基于组件的特性，在传感器网络天生就有内存严格限制的条件下，这可以用最小代码快速来创新和实现。TinyOS的组件库包括了网络协议，分布式服务，传感器驱动和数据获取工具———所有这些都可以像这样的使用或者进一步精练到用户自己的应用中。TinyOS的事件驱动执行模式使得更细密的功耗管理，然而仍允许可变化的调度，这些是无线通讯不可预期特性和物质世界接口的必须。
3 nesC
3.1 nesC概述
nesC是对C的扩展，它基于体现TinyOS的结构化概念和执行模型而设计。TinyOS是为传感器网络节点而设计的一个事件驱动的操作系统，传感器网络节点拥有非常有限的资源。
3.2 主要特性
由于传感器网络的自身特点，面向其的开发语言也有其相应的特点。主动消息是并行计算机中的概念。在发送消息的同时传送处理这个消息的相应处理函数ID和处理数据，接收方得到消息后可立即进行处理，从而减少通信量。整个系统的运行是因为事件驱动而运行的，没有事件发生时，微处理器进入睡眠状态，从而可以达到节能的目的。组件就是对软硬件进行功能抽象。整个系统是由组件构成的，通过组件提高软件重用度和兼容性，程序员只关心组件的功能和自己的业务逻辑，而不必关心组件的具体实现，从而提高编程效率。
3.3 使用环境
nesc主要用在Tinyos中，tinyos也是由nesc编写完成的。TinyOS操作系统就是为用户提供一个良好的用户接口。基于以上分析，研发人员在无线传感器节点处理能力和存储能力有限情况下设计一种新型的嵌入式系统TinyOS，具有更强的网络处理和资源收集能力，满足无线传感器网络的要求。为满足无线传感器网络的要求，研究人员在TinyOS中引入4种技术：轻线程、主动消息、事件驱动和组件化编程。轻线程主要是针对节点并发操作可能比较频繁，且线程比较短，传统的进程/线程调度无法满足(使用传统调度算法会产生大量能量用在无效的进程互换过程中)的问题提出的。
4 结束语
本文简要介绍了TinyOS操作系统和nesC语言的特点，以及如何在TinyOS中开发应用程序，对基于TinyOS开发应用程序具有一定的参考价值。
参考文献
[1]孙利民, 李建中, 陈渝, 等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社, 2005:319-390.
无线多媒体传感器网络 篇11
关键词：无线传感器网络技术；网络安全；问题；措施
中图分类号：TP212.9
随着我国社会经济不断的发展，计算机技术得到了进一步提升，并逐渐壮大，被人们广泛的运用在日常的生活及生产中，同时为人们带来了极大的便利。计算机技术中的无线传感器的特点是使用快捷、方便，这一突出的特点也使得无线传感器网络技术的传播进一步加大。由于我国在不断的发展，使得无线传感器网络技术不仅在日常的生活与生产上被广泛运用，并且在我国的医疗、国防以及教育方面也在逐渐的被普及，因此进行一步对无线传感器网络技术进行分析与研究有着重要的意义。
1 无线传感器网络存在的安全性问题
详细的对监测领域之内规模宏大的微小型传感器进行布置与安排，并采用无线通信来形成多条自组织网络即为无线传感器网络。由于无线传感器网络具有的自身特点，导致了在无线传感器网络出现了各种各样的安全性问题，以下便进一步对这些安全性问题进行分析。
1.1 安全机制的缺乏
由于无线传感器网络会在一定程度上对节点的通信、组织以及能量方面产生局限性，因此在对无线传感器网络方面不能做到具有科学且全面性的安全保护系统技术以及成熟的进行应用，同时在对物理安全保护的设计过程中，无法确保其是否有效，则很容易将各种各样的安全隐患扩散开来，导致整个网络系统出现故障。
1.2 节点组织以及自组织存在随机性
出现自发性情况的主要原因是由于构成无线传感器网络体系是规模宏大的传感器，在保障方面则缺乏规范系统化的制度。同时无法确保无线传感器网络的安全性以及稳定性，在节点组织以及自组织存在着随机性，且确定它们之间的的位置之前以及所存在的位置中无法进一步确定，因此导致在保护工作方面无法有效的实现。
1.3 能量具有限制性
节点布置安排之后，更替的开展会较为困难，同时如果无线传感器处于没电的情况下，则无法进行合理的充电。通常情况下，由于无线网络都是由极其耗能量的设备所形成的，对于无线网的作用无法长效的发挥出来，对网络通信的发展有着一定程度的影响，因此必须对相对较低的耗能设备进行重视，并予以改善。
1.4 通信中存在不可靠性
在通信中没有稳定的通道，且在路由方面会出现极高的延迟，无法保证网络通信中的安全问题，例如一些重要信息可能会被拦截并对其泄露，因此网络通信的安全性不够强，则不能够有效的保证信息安全的传输。
2 对无线传感器的安全技术造成破坏的因素
2.1 破撞攻击
在发包作用处于正常的节点中时，破坏方则会附带的将另一个数据包进行发送，使得破坏的数据由于出现数据的叠加无法有效的被分离开，从而严重的阻碍了正常情况下的网络通信，并且破坏了网络通信的安全性，即为碰撞攻击。建立监听系统则是最好的防卸方法，它是利用纠错系统来查找数据包的叠加状况，并及时的对其进行清除，从而确保数据安全的传输。
2.2 拥塞攻击
拥塞攻击指就是破换方对网络通信的频率进行深入的了解之后，通过通信频率附近的区域的得知，来发射相应的无线电波，从而进行一步对干扰予以加大。对于这种状况，则需要采用科学合理的预防方式，来将网络节点装换成另一个频率，才能进行正常的通信。
3 加强无线传感器网络安全技术的相关措施分析
3.1 密钥管理技术
通常在密钥的管理中，密钥从生成到完毕的这一过程所存在的不同问题在整个加密系统中是极其薄弱的一个环节，信息的泄漏问题尤为频繁。目前我国对密钥管理技术上最根本的管理是对称密钥机制的管理，其中包括非预共享的密钥模式、预共享密钥模式、概率性分配模式以及确定性分配模式。确定性分配模式为一个共享的密码钥匙，处于两个需要进行交换的数据节点间，且为一种非常确定的方式。而概率性分配则是将密码钥匙的共享得以实现，则要根据能够进行计算的合理概率，从而使得分配模式予以提出。
3.2 安全路由技术
路由技术的实施就是想节省无线传感器网络中的节点所拥有能量，并最大程度体现无线传感器网络系统。但由于传播的范围较大，因此在传输网络数据信息时常常不同程度的遭受攻击，例如DD路由中最根本的协议，一些恶意的消息通过泛洪攻击方式进行拦截及获取，并利用网络将类似虚拟IP地址、hello时间以及保持时间这样的HSRP信息的HSRP协议数据单元进行寄发的方式，来对正常情况下的传输实行阻碍，使得网络无法进行正常且顺利的通信流程。但通过HSRP协议和TESLA协议进行有效结合所形成的SPINS协议，则可以有效的缓解且减少信息泄露的情况的出现，同时进一步加强了对攻击进行预防的能力，从而保证无线传感器网络整体的系统具有安全性。
3.3 安全数据相融合
无线传感器网络就是通过丰富且复杂的数据所形成的一种网络，其中的相关数据会利用融合以及剔除，来对数据信息进行传送，因此在此過程中，必须谨慎仔细的对数据融合的安全性问题予以重视。同时数据融合节点的过程中，必须将数据具体的融合通过安全节点进行开展，并且在融合之后，将一些有效的数据通过供基站予以传送，才能进一步对监测的评价进行开展，从而保证融合的结果具有真实性以及安全性。
3.4 密码技术
针对无线传感器网络中的一些极其不安全的特性，可通过密码设置、科学化的密码技术，从而进一步保证网络通信能够安全的进行。同时通过加大密码中相关代码以及数据的长度，来大大降低信息泄露的情况，从而可以有效的保证通信数据的安全性。由于出现的密钥算法无法达到对称性，其中所具备的保护因素较大，并且拥有简单方便的密码设置，从而广泛、普遍的被人们运用到日常的生活中。而在应用不同的通信设备时，则需要将相应的密码技术进行使用。
4 结束语
无线传感器网络技术的先进以及便捷的特征，让其迅速的传播以及广泛的被人们运用，但其中所存在的一些安全性问题必须引起重视。对无线传感器网络造成影响的因素，需利用相关的技术及措施来保证网络的安全，例如安全数据融合、密码技术、密钥技术以及安全路由技术等，从而提升网络系统的安全性。
参考文献：
[1]李建中，李金宝，石胜飞.传感器网络及其数据管理的概念?问题与进展[J].软件学报，2003（14）：1717-1727.
[2]范永健，陈红，张晓莹.无线传感器网络数据隐私保护技术[J].计算机学报，2012（35）：1131-1146.
[3]裴庆祺，沈玉龙，马建峰.无线传感器网络安全技术综述[J].通信学报，2007（28）：113-122.
[4]凡高娟，王汝传，黄海平.基于容忍覆盖区域的无线传感器网络节点调度算法[J].电子学报，2011（39）：89-94.
无线传感器网络研究概述 篇12
关键词：传感器,无线传感器网络
0 引言
无线传感网络(WSNs)是一组传感器以Adhoc方式组成的有线或者无线网络,其目的是协作地感知、收集和处理传感器网络所覆盖的地理区域中感知对象的信息,并传递给观察者[1]。无线传感器网络集中了传感器、计算机和无线通信技术,由于广泛的应用前景,受到越来越多的关注和研究。传感器网络由许多密集的传感器节点组成,这些节点能够独立完成感知信息的接收、处理和通信功能。其中,感知信息包括温度、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。传感器网络广泛应用于军事、基础设施安全监控、医疗、环境监测、交通流量监控等领域,备受关注。
1 无线传感器网络属性
无线传感器网络以传感器为基础,传感器之间以Adhoc方式进行组网,每个传感器作为一个节点,实现感知信息的接收、处理和通信功能。图1为无线传感器网络示意图。针对传感器的特点,可以看出无线传感器网络具有如下属性:
(1)使用受到能量限制。传感器在使用过程中,需要提供相应的能量。目前,提供传感器能量的办法就是使用电池。由于电池的能量有限,导致无线传感器网络也会受到能量的限制。
(2)规模大,感知区域广。由于受到体积大小的限制,单个传感器本身感知的区域较小。为了准确获得感知区域的真实信息,需要大规模的使用传感器,从而扩大无线传感器网络感知的区域。
(3)相似度高。由于传感器在感知区域比较密集,周围的信息相差不大,从而导致传感器感知到的信息相似度会非常的高。
针对Adhoc组网特点,可以看出无线传感器网络具有如下属性:
(1)网络拓扑变化频繁。网络拓扑结构是由各个传感器相联构成,传感器由于能量耗尽便会失去效能,从而导致网络拓扑结构会随之发生变化。
(2)无中心自组网。无线传感器网络中没有中心节点,各相邻传感器之间进行信息的交换,从而形成无中心网络。
2 无线传感器网络关键技术
由于无线传感器网络自身的一些属性,在使用过程中暴露出一些问题,如传感器受到能量限制,如何节能来延长传感器使用寿命。又如,无线传感器以Adhoc组网,采用何种路由协议,等等。这些问题引起了学者的关注和研究,就进一步提高无线传感器网络的使用范围,对无线传感器网络的技术提出了更高的要求。
(1)节能策略。无线传感器网络工作在人无法接近的恶劣或者相对危险的远程环境中,延长传感器的使用寿命至关重要。采取有效的节能策略,延长传感器的使用时间,是制约无线传感器网络推广应用的核心问题。MihailL.Sichitiu提出了一种确定的、基于调度能量保持策略,时间同步传感器在需要时再唤醒,这种策略适合大规模传感器网络。延长传感器寿命的方法还有就是提高电池的容量,或者采用太阳能来提供能量,但是由于受到传感器大小以及成本的限制,在实际生产和应用过程中得到了限制。
(2)路由协议。无线传感器网络拓扑变化频繁,以Ad hoc方式无中心自组网,采用何种协议来实现节点间的信息传输,成为无线传感器网络正常工作的前提。这就需要研究网络的大小、链路和节点数目等问题。通过提供充足的路由,并由相应的算法实现正确的路由,才能保证无线传感器网络的生存性和适应环境性。G.Wang等为移动传感器网络提出了一种分布式自配置协议。斯坦福大学Q.Fang等为了将困境节点中被困的数据包解救出来,提出了一种困境节点边界路由分布式算法。
(3)安全技术。传感器网络为一个开放式网络结构,传感器节点工作在敌方环境当中,防止敌方切入网络实施破坏或者诱敌等活动,就需要考虑到无线传感器网络的安全问题。传感器网络的安全和认证机制的研究就显得尤为重要。特别是,在运用到军事领域,安全的要求就更高。W.Lou等提出了可靠数据传输安全协议来增强移动Adhoc网络中数据的保密性。同时,还可以采用将网络进行分簇,每个簇有一个簇头,各个节点通过簇头进行安全认证。
(4)信号处理[2]。无线传感器网络的数据具有很大的相似性,如何进行信号处理,得到可靠的数据,提高传感器节点的使用效率,是无线传感器网络运用的一个重要问题。目前提出的协同信号处理技术可以有效地解决此问题。当一个节点收到来自其他节点的信息数据时,需要将这些信息进行融合处理,通过一定的策略算法,选出最有用的信息。W.Zhang等提出了基于最优树重配置算法,包括基于最小能量消耗的安全配置和减少配置开销的基于拦截的重配置,从而保证节点间的协同工作。
3 无线传感器网络的应用
随着对无线传感器网络关键技术研究的不断深入,其自身优势得到不断扩大,潜在的军事、工业和民用价值得到了进一步挖掘,在各个领域得到了广泛的运用。主要表现在:
(1)军事领域。无线传感器网络可以布放在前方阵地,随时收集战场态势,为指挥决策提供科学依据。同时,可以随时跟踪敌方的军事动向,做到对战场对手了如指掌。传感器网络还可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息,准确探测生物和化学战的爆炸中心,避免核反应部队暴露在核辐射环境中,运用非常广泛。
(2)民用领域。无线传感器网络运用在医疗、动物饲养等行业和产业中,通过安装传感器可以追踪病人的行为,监视动物的生活行为以及周围的生活环境,使人可以解脱出来。
(3)环境监测。无线传感器网络可以监控大气、沙漠、海洋以及人类居住的环境,及时感知状态变化,为环保部门制定科学的环境保护措施提供科学、翔实的依据。
无线传感器网络技术还运用在基础设备安全监控、交通流量监控等方面,为国防和国民经济的发展做出了大量的贡献。
4 结论
无线传感器网络的应用和推广,带动了计算机、通信和传感器技术的飞速发展。随着对无线传感器网络关键技术的不断研究,其应用的领域不断得到拓展,广泛应用于军事、民用等领域,推动了军事和国民经济的发展。
参考文献
[1]Tilak S,Abu-Ghazaleh N B,Heinzelman W.A Taxono-my of Wireless Micro-sensor Network Models[J].MobileComputing and Communications Review,2002:1(2):1-8.