无线传感网技术

无线传感网技术（精选10篇）

无线传感网技术 篇1

无线传感器网络 (WSN) 由传感节点 (sensor) 、汇聚节点 (sink) 组成。传感节点具有感知、处理、接收以及发送数据的功能, 它对周围的物理环境进行感测, 并以数据信号的形式发送到汇聚节点。传感器节点通常散布于一定的区域内, 每个传感器节点都能采集数据并把数据送到汇聚节点。数据的采集和传送都需要消耗能量, 而传感节点的能量都是很有限的, 因此能量的节约对无线传感网络而言是至关重要的。数据聚集就是一种很好的节约传感节点能量的技术。

1 无线传感网数据聚集技术及其分类

通常情况下, 一个无线传感器网络中都要部署大量的传感器节点, 节点对环境进行感测并把数据传送到汇聚节点, 在汇聚节点中对数据进行融合。如果在数据到达汇聚节点之前进行融合, 就可以大大减少网络中传送的数据包的数量, 有利于节约传感节点的能量消耗。这种技术被称为数据聚集技术。Elena Fosolo等人[1]这样定义数据聚集技术:“数据聚集是指在一个多跳的网络中, 采集并路由数据的过程, 其中的数据处理由中间节点进行, 目的在于减少资源的消耗 (尤其是能量) , 从而延长网络的生命周期”。

数据聚集技术在很大程度上受网络拓扑结构的影响。因此, 可以按网络结构的类型把数据聚集技术分成平面型与层次型两大类, 如图1所示。层次型数据聚集技术又可以进一步分成基于簇、基于链、基于树、基于网格等类型。

2 平面型数据聚集技术

在平面网络中, 每一个传感节点在网络中的作用是相同的, 数据聚集是由以数据为中心的路由完成的。汇聚节点以某种路由协议向传感节点发出一个查询消息, 拥有与该查询相匹配数据的节点就把响应消息发送回汇聚节点。

常见的平面型路由协议有:

泛洪协议Flooding和Gossiping协议;

信息协商传感协议SPIN;

定向扩散协议Directed Diffusion;

谣传路由Rumor routing;

基于梯度的路由Gradient-Based Routing。

平面型数据聚集技术对汇聚节点的通信与运算负担导致能量的过快消耗。一旦汇聚节点能量耗尽而死亡, 传感网络的功能就遭到破坏。平面型数据聚集技术只适用于小型网络。

为提高网络的规模性和能量有效性, 人们提出了各种层次型的数据聚集技术。

3 层次性数据汇聚技术

3.1 基于簇的数据汇聚技术

在这种层次型网络中, 网络节点被划分为簇, 每个簇都有一个特殊的节点称为簇首, 簇首节点负责聚集本簇节点的数据并把数据发送到汇聚节点, 这里介绍3种基于簇的数据汇聚协议:

1) LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)

LEACH[2]协议是第一个基于簇的数据汇聚协议, LEACH在运行过程中不断的执行簇的重构过程, 每个簇的重构过程可以用回合来描述, 每个回合可以分成两个阶段, 簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段。在簇建立阶段, 进行簇的划分和簇首的挑选。选出的簇首向所有节点广播自己成为簇首的消息, 其他节点根据收到的消息强度决定加入哪个簇, 并告知相应的簇首, 完成簇的建立过程。

在稳定阶段, 传感器节点将数据传送到簇首节点, 簇首对采集的数据进行数据融合后再将消息传送到汇聚节点。

稳定阶段持续一段时间后, 网络将重新进入簇的建立阶段, 进行下一轮的簇的重建, 如此不断循环。

2) CAG (Clustered Aggregation Technique)

CAG[3]根据用户查询误差阈值和节点数据的空间相关性进行分簇, 从而减少传送的数据量, 满足查询的精度要求。CAG以两种模式工作:交互模式和流模式。在交互模式下, CAG对每一个查询产生一个响应;在流模式下, 对一个查询CAG生成周期性的响应。CAG的交互模式只是利用了数据的空间相关性, 数据传送的路径与查询传播的路径正好相反。在交互模式下, 每次用户需要新的数据都需要广播一个查询。

在流模式下, CAG同时利用了数据的空间相关性和时间相关性, 在流模式下只要把查询一次性注入到网络中, CAG会每隔设定的时间间隔就产生一次对该查询的响应。

3) EECDA (Energy Efficient Clustering and Data Aggregation)

EECDA[4]结合了基于簇的能量有效性的路由和数据聚集功能, 以增强网络的寿命和稳定性, 它主要用于异构的无线传感器网路。EECDA平衡了能量的消耗, 延长了网络生命周期, 与LEACH相比, 它使网络生命周期延长了51%。

3.2 基于链的数据聚集技术

在基于簇的网络中, 如果簇首节点离汇聚节点较远, 则与汇聚节点的通信会消耗更多的能量, 而在基于链的数据聚集技术中, 数据只传送给最近的邻居节点。

1) PEGASIS (Power Efficient GAthering in Sensor Information System)

PEGASIS[5]是对LEACH协议的改进, 在PEGASIS中没有簇的建立与簇首节点的选取, 每个节点用信号强度来判断到其邻居节点的距离, 然后调节自己发送信号的强度, 使只有最临近的节点才能接受到信号, 采集到的数据以点对点的方式传递、融合并最终被送到汇聚结点。传感节点与汇聚结点的通信是轮流进行的, 从而使能量消耗均衡分布在每个节点上。

2) COSEN (Chain Oriented Sensor Network for Efficient Data Collection)

COSEN[6]是基于链的两层结构的路由方案。与PEGASIS相比, 它减少了传送延迟和能量消耗。它将传感器节点按地理位置划分为多个低层的链, 对每一个低层链, 具有最多剩余能量的节点被选作链首。高层的链及其链首在低层链的基础上形成, 在数据通信时, 所有的普通节点与PEGASIS中的节点一样传送融合的数据, 通过低层链首和高层链首把数据发送到汇聚节点。COSEN引入了冗余的传送路程, 特别是在最靠近汇聚节点的地方。

3) Enhanced PEGASIS

该方法将整个传感网区域以汇聚节点为中心分成多个同心扇环, 对每个同心扇环, 用基于PEGASIS的贪心算法建立一个节点链。在数据通信时普通节点与PEGASIS中一样传送数据, 然后从最外层的扇环向内层的扇环, 进行一个多跳的, 链首对链首的数据传输过程。

3.3 基于树的数据聚集技术

在基于树的数据聚集技术中, 节点以树状结构进行组织, 汇聚结点就是树的根节点, 其他节点把数据聚集并传送到根节点, 能量有效的树的构建是这类技术的关键。

1) TREEPSI (Tree-based Efficient Protocol for Sensor Information)

在传送数据之前, 首先在所有节点中选择根节点, 并构建树。构建树的方法有两种, 第一种方法是由汇聚节点, 计算出路径, 并广播到全网络;第二种方法是在每个节点内建一个算法, 所有节点分布式构建相同的树。

在初始阶段, 根节点使用标准的树遍历算法向其子节点发送控制包来建立数据收集过程。在数据传输阶段, 所有的叶节点传送数据到它们的父节点, 父节点收到数据后与它们自己的数据融合后再发送到它们的父节点, 这一过程不断重复直到根节点收到数据。最后由根节点直接发送到汇聚节点。路径建立后可进行多轮的通信, 直到根节点耗尽能量死亡, 再构建一个新的树状路径。

2) TCDGP (Tree-Clustered Data Gathering Protocol)

TCDGP[8]协议结合了簇与树两种结构, 它把数据采集的过程分成三个阶段:第一阶段, 建立簇的阶段;第二阶段构建基于簇的树;第三阶段数据聚集阶段。

第一阶段, 由汇聚结点建立簇并选择簇首。汇聚节点按照节点的位置选取簇首, 簇首必须位于一个簇的中心位置。第二阶段以各个簇首为根节点在簇内构建最小生成树。

在数据聚集阶段, 节点传送数据到高层的节点, 高层的节点对数据融合后发送到更高层的节点, 这一过程反复进行直到数据聚集到根节点。

3.4 基于网格的数据聚集技术

在基于网格的数据聚集技术中, 每个网格中数据聚集节点是固定的, 它负责收集网格中所有节点的数据, 而网格中的传感节点之间并不相互通信, 网格中的任一个传感节点都可以轮流充当数据聚集节点, 直到最后一个节点死亡为止, 这种技术尤其适用于军事监控和气象预测等。

1) GROUP

GROUP[9]协议是一种能量有效的基于簇的路由协议, 节点被分成多个的簇, 每个簇选出一个节点作为簇首, 所有的簇首组成一个虚拟的簇网格。汇聚节点发出的查询经由簇首传送到每个节点, 节点中与查询相匹配的数据再通过簇首路由回汇聚节点。

GROUP动态地选择簇首, 数据的传送包括三个过程:簇网格的构建过程、查询的传递和数据的传递。

簇网格构造阶段, 在网络中的所有的汇聚节点中选择一个汇聚节点作为主汇聚节点, 由主汇聚节点根据节点的位置初始化簇网格的构建, 主汇聚节点比其他汇聚节点更靠近网络的中心, 从而保证在最短的时间内构建网格。

查询传送阶段, 查询分别通过有限广播和单播传送, 汇聚节点发送两类查询:位置感知的查询、位置不知的查询。位置不知的查询由汇聚节点发送至邻近的簇首节点。位置感知的查询发送到离目的区域最近的下游簇首。

在数据传输阶段, 传感节点从簇首接收到查询后, 检查收集的数据, 如果数据与查询相匹配, 就发送到簇首, 数据由簇首逐级传递到它的上游簇首, 直到抵达发出查询的汇聚节点为止。在GROUP中, 数据聚集由簇首承担, 以减少数据传输量。

2) ATCBG (Aggregation Tree Construction Based On Grid)

ATCBG在GROUP基础上有所改进。在ATCBG中, 以汇聚节点为网格的中心来构建聚集树。整个网络划分成网格, 每个网格就是一个簇, 簇首节点的选取是综合考虑节点的剩余能量、到网格中心的距离等因素来确定。数据的聚集由簇首承担, 所有的簇首节点构成树状结构。汇聚节点初始化聚集树的构建。

由于簇首节点接收与融合数据, 消耗的能量较多, 必须定期更换。当簇首节点的剩余能量低于阈值时, 它会发出更换簇首的消息。

在数据传输时, 传感节点首先把收集的数据发送到簇首节点, 簇首把从簇成员节点, 以及子节点处收到的数据进行融合后, 发送到它的父节点, 这一过程不断进行, 直到数据传递到汇聚节点。

4 结束语

数据聚集技术通过减少无线传感网络中传输的数据量, 提高了网络的能效, 延长了网络的生命周期。数据聚集技术与网络结构密切相关, 文章基于网络的拓扑结构, 分析了无线传感网中的数据聚集技术。这些技术关注于提高网络性能, 如数据延迟、数据精度、能量消耗等。目前这些工作主要集中在数据聚集的路由机制方面, 而对异构性以及诸如单跳、多跳等通信模式对数据聚集的影响等方面的研究还不够多。这些将是今后研究的方向之一。此外, 与数据聚集相关的安全性, 数据延迟等方面还有很多的工作值得进一步的研究。

摘要：无线传感网通常包含大量的低成本传感器节点, 传感节点的感测、能量、计算、通信能力都受到严格限制。重要的是最小化网络中的数据传输量, 从而延长网络生命周期, 提高信道利用率。数据聚集技术被认为是一种有效的方法, 它能减少数据传输量, 降低能量消耗。文章基于网络拓扑结构分析了主要的数据聚集技术, 并基于目前的研究提出了今后的研究方向。

关键词：无线传感网,数据聚集,能量有效

参考文献

[1]Fasolo E., Rossi M., Widmer J.and Zorzi M[J].IEEE Wireless communication, 2007.

[2]W.Heinzelman, A.Chandrakasan, and H.balakrishnan.An Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Net works, Proc[J].Hawaii Conf.System Sciences, Jan, 2000.

[3]SunHee Yoon and Cyrus Shahabi, March.The Clustered AGgregation (CAG) Technique Leveraging Spatial and Temporal Correlations in Wireless Sensor Networks[J].ACM Transactions on Sensor Networks (TOSN) , Vol.3, Issue 1, No.3, 2007.

[4]D.Kumar, T.C.Aseri, R.B.Patel.EECDA:Energy Efficient Clustering and Data Aggregation Protocol for Heterogeneous Wireless Sensor Networks[J].Int.J.of Computers, Communications&Control, ISSN 1841-9836, E-ISSN 1841-9844 Vol.VI (2011) , No.1 (March) , pp.113-124

[5]Lindsey S Raghavendra C.PEGASIS Power-efficient Gathering in Sensor Information System[J].In Proceeding of the IEEE Aero space Conference.Montana IEEE Aerospace and Electronic Systems Society 2002, pp.1125-1130.

[6]N.Tabassum, Q.E.K.M.Mamun, and Q.Urano.COSEN:A Chain Oriented Sensor Network for Efficient Data Collection[J].Proceed ings of the Global Telecommunications conference, Vol.6, pp.3525-3530, 2003

[7]S.S.Satapathy and N.Sarma, TREEPSI:tree based energy efficient protocol for sensor information, Wireless and Optical Communica tions Networks[J].IFIP International Conference 11-13 April 2006.

[8]Gurpreet Singh Chhabra, Dipesh Sharma.Cluster-Tree based Data Gathering in Wireless Sensor Network[J].International Journal of Soft Computing and Engineering (IJSCE) ISSN:2231-2307, Volume-1, Issue-1, March 2011

[9]Liyang Yu, Neng Wang, Wei Zhang, Chunlei Zheng.GROUP:a Grid-clustering Routing Protocol for Wireless Sensor Networks[J].In proceedings of 2006 IEEE International Conference on Wireless Communications, Networking and Mobile Computing (WiCOM 2006) , Wuhan, China, 2006, pp.1-5.

无线传感网技术 篇2

关键词:WSN新型分布式协议;电子类实验室;管理;应用研究

WSN也就是无线传感器网络(全称为wirelesssensornetwork),WSN目前在国际上是备受关注,其涉及诸多的学科,而这些学科还具有高度的交叉性和集成性。具体来说,WSN综合了目前比较流行的传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络、无线通信技术以及分布式信息处理技术等一系列的高新技术。

1WSN新型分布式协议在电子类实验室管理中的应用

传统背景下,WSN主要是由部署在检测区域内大量的传感器节点(一般都是比较廉价的)所组成,其通过无线通信和传输的方式形成的一个多跳的、自组织的综合系统,其实际的目的就是为了协作地感知、采集与处理网络覆盖区域中具体的感知对象,并将感知到的具体对象的信息发送给观察者。一般是由传感器、感知对象以及观察者,三个基本要素所构成。

在电子类实验室的WSN应用领域,感知对象就是电子类实验室中的各种实验仪器、设备、操作平台等,而观察人员则为实验室的管理员(当然也有相应的技术人员参与其中)。

新型的分布式WSN网络协议使得监控获得的信息数据不再仅仅局限于一些环境数据信息如温度、湿度、位置等标量的数据。其已经集成了更多的视频、音频、图像信息等进入到系统中,而分布式的WSN网络协议与网络结构的OSI模型有着类似之处,就是将系统分层、分布的展开,不同的层次负责不同的业务,是一种分布处理的工作机制。新型的分布式WSN协议主要是让节点参与到特定的节点的簇内多跳通信之中,然后令簇头进行数据的聚合,以有效的减少向sink节点传送的消息数量,这样一来就达到了节省资源和提高可扩展性的最终目的,这也是其为何能够发送、传递更多、更丰富信息的最主要原因。将新型的分布式WSN协议应用到了电子类实验室的管理中,就是为了解决电子类实验室长期存在的人员、效率方面的困难。

新型的分布式WSN协议下的WSN系统更为的可靠、安全,信息的传输效率更高,传输的内容也更为丰富,这就使得相关的管理人员所获得的信息更具有指导性也更容易理解,不再需要更多的技术性要求,让管理工作变得更为简单,同时也节省了人力资源的消耗。并且,新型的分布式WSN协议,是安全可靠的,对于实验室的管理效率的提升也是具有极大帮助的,能够充分的在系统的提示下将各类系统资源利用起来,更好的发挥实验室的工作效率。

但需要注意的问题是,WSN新型分布式协议在电子类实验室管理中的应用并不是无懈可击的,虽然这种分布式的操作模式最大的优势在于分层、分布,当其中某一个环节、层次出现问题的.时候并不会严重的影响到其它部分系统的工作;但是,很明显其也加大了系统的复杂程度,虽然应用起来比较方便,便于管理人员的管理,但是对于系统的维护技术人员而言,维护的难度可能就有所提高了。

2WSN新型分布式协议应用设计模型以及分析

应用模型利用近距离无线组网通讯技术ZIGBEE将各个节点组成一个物联网,教师和学生可以登陆实验室管理信息系统在线平台,可以查看浏览实验室信息、预约申请使用实验室以及设备、管理个人资料信息、编辑预约信息和修改用户密码。

教师管理员登陆实验室管理信息系统管理平台,可以编辑用户信息、维护管理人员信息、查看实验室和设备电源状态、检测实验室室内各个参数信息。如图1所示,该设计模型中涉及到的关键性硬件为利用ZIGBEE技术开发的CC2530模块。

该模块承担建立自主网实验室网关以及与实验室管理服务器通信的任务。如图2所示,为CC2530模块原理图。CC2530是用于2.4-GHzIEEE802.15.4ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能,业界标准的增强型8051CPU,系统内可编程闪存,8-KBRAM和许多其它强大的功能。如图3所示,为本应用设计模型软件处理流程图。程序主要完成处理器、输入输出口、AD和DA、温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、运算放大器、定时器等的初始化工作。CC2530采集实验室相关信息后向网关发送并到达实验室管理信息系统的网页平台。采集时间为100us每次。

3结语

总的来说,WSN新型分布式协议在电子类实验室管理中的应用比较明确的解决了一般在传统的电子类实验室中常见的问题,如人员的工作量大、管理的效率低下、实验室得不到充分有效的利用等诸多问题。

这些问题的解决是WSN系统技术的重要更新和与时俱进的发展下的必然结果,对于其中可能存在的问题,通过日后的研究也势必会得到充分有效的解决。

参考文献

[1]李艳辉.物联网技术在实验室安防系统中的应用[D].华北理工大学,.

[2]吴文华,施镇江,朱娟娟,史同娜,谢卫民.智能管理系统在高校实验室管理中的应用[J].实验室研究与探索,,(11):259-264.

无线传感网技术 篇3

关键词：粮食储存；温湿度传感器；单片机RS485；温湿度监测

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 04-0000-01

一、粮仓温度传感器系统的研究价值及背景

我国幅员辽阔，土地肥沃，当然成为一个粮食大国是毋庸置疑的。但是就因此应运而生了一系列的问题，最主要的就是粮食的储存。据报道在大多数的粮食储存企业中，它们都是使用粮仓来储备粮食的。因此在储存粮食的过程中有许多的自然因素将影响到他的储备，在这些因素中最重要的就是粮仓的温湿度，只要当粮仓的温湿度失调，就会导致粮食的腐烂，生虫等现象，这将造成巨大的损失。因此对于粮仓的温度的检测的研究是非常重要的也是刻不容缓的。一些报道称一些粮仓对于其内部温度的检测还是采用一种原始的、不科学的方法，利用人工检测粮仓的温度。此方法只能对一些小面积，通风较好的集中的小粮仓进行使用，然而目前面对的是一个储粮大国，粮仓的占地面积大，而且比较分散，利用人工检测一方面工作量大、繁琐且检测的周期长；另一方面，人工检测准确度不够，加之仪器的使用维护不便。随着电子技术和计算机技术的飞跃发展，人工检测粮仓的方法正在逐步的被智能高效的新型监测系统取代。新型检测系统的工作原理是利用传感器实现对粮仓湿度的采集，利用单片机实现控制，进而通过新型的通信方式对采集的数据的传输，利用上位机实现对温湿度的检测来控制下位机，使其控制通风设备。

二、粮仓无线传感器对温湿度的数据传输及技术

简而言之，无线数据传输就是一种利用无线通信方式来实现对数据的传输。就目前来说，无线传输系统有两大分类：一类是用于公共通信网络的无线数据传输；另一类就是通过自组通信网络的无线数据传输，这类可以用于粮仓温湿度的检测并对其数据进行传输。随着集成电路的发展，无线数据传输系统的芯片正在被广泛的应用，它的主要工作原理是无线数据传输系统吧调制解调器植入到超短波频电台内部，当需要发送数据时利用此调制解调器将数据信号转换成模拟信号；接收数据时再利用调制解调器把信号还原为数据信号，这就是数据的传播具有可靠性又具有高速性。由于无线频段的使用不是无限开放的，因此就目前而言我国可以使用的ISM频段为433MHz和2.4GHz。无线数据的传输系统需要组建无线通信网络才可以正常的工作，这就不惜使用无线通讯网络协议，目前常用的无线通信网络协议包括802.11家族的标准协议、蓝牙协议、ZigBee协议等。对于以上这几个无线网络协议，只有ZigBee协议适用于粮仓的温湿度检测。针对粮仓的温湿度监测系统来看，各个粮仓温湿度监测点之间可使用星型拓扑结构实现。

三、无线通讯系统的粮仓监控系统的核心

无线通讯系统的粮仓监控系统最主要的是上位机系统和下位机系统，可以说这两个是一个咽喉，没有他们将无法实现对粮仓的温湿度控制。什么是上位机系统？什么又是下位机系统？他们的工作原理又是什么？下面我一一解答，上位机系统主要指的是数据集中器和上位机，下位机系统是指每一个粮仓的温度采集系统。由于采用的是星型网络拓扑结构，所以其工作原理是：数据集中器通过把各个粮仓的无线温度采集器连接起来形成一个小型的无线网络，其相互无须进行通信。数据集中器直接通过RS-485总线与上位机连接，并由其读取数据进行显示和控制。数据集中器由MCU处理器、无线收发模块等主要器件组成，主要实现数据的接收、储存、数据和命令的发送等一些列功能。下位机的温度采集系统采用的是电池供电，其有良好的抗腐蚀性、其外部用良好的工程塑料进行密封以保证它在恶劣的环境下能正常的供电，以保证温度采集器的正常工作。上位机与下位机系统之间要保证有效的无线通信距离，以免超出其范围导致通信失败。再进行组网时要将温度采集器的地址加入到粮仓监控系统网络中，这是因为数据集中器只对网内的温度采集器发来的数据进行处理。在这里还要求温度采集器的地址是唯一的，因为温度采集器和数据集中器之间是多对一进行通信的，它主要的功能是对数据的接收、储存和转发温度转发器发来的一些列数据。为了确保传输效率的高效性和可靠性，这就必须对粮仓制定一个无线通信协议，一般为了增大其无线网络的覆盖面积，经常把数据集中器放在室外，但是上位机多数是要放在室内的，但是当他们相隔的距离较远时，其接收信息就能力就会较弱甚至消失，因此当RS232不能满足时，就需要使用RS485通信。上位机与温度采集器之间也需要一个通信协议，其一般使用VB、VC进行编程，使其具备显示功能界面和控制功能。

四、无线通讯系统的粮仓监控系统的主要功能

1.系统可以对粮仓的温湿度进行监测，并可以进行数据的传输，在传输过程中需要抗干扰能力强，传输准确性高；2.系统可以周期性的采集数据并发送，具有很强的动态性；3.系统的上位器可显示每一个监测点的温湿度的数据，并具有报警系统；4.检测的温度必须严格的控制在零下40度至零上60度；湿度为10%RH～99%RH。可供其选择的有IEEE802.1b（Wi-Fi）、蓝牙技术、红外技术、无线单片技术和ZigBee技术。但是对于粮仓监测系统只有无线单片技术和ZigBee技术是实用的。因为无线单片技术具有简单的通信协议其操作简单，ZigBee具有低功耗、低成本、低复杂度和低速段距离传输的优点。

五、结束语

通过以上的星型网络拓扑结构的设计方案，明确了系统的功能和指标以及通信方案。在实际的粮食的储备中，完全实现了无线网络传感对温湿度的控制，这不光是对劳动能力方面的解放，还具高度的准确性、可靠性。

参考文献：

[1]王浩.基于ZigBee技术的温湿度数据采集通信系统设计与实现[J].盐城工学院学报（自然科学版），2013（01）：32-33.

无线传感网时间同步技术综述 篇4

关键词：无线传感网,时间同步,时钟模型,萤火虫同步,分布式同步

0 引言

自20世纪90年代开始,无线传感网技术得到快速发展,被广泛应用在森林、建筑、军事战场及其他感知监测区域[1,2]。其中时间同步技术应用在无线传感网各个方面:监测数据通过数据融合技术向网络基站传输,节点为减少能量消耗,延长网络寿命需要进行定时的睡眠和唤醒[3];节点定位[4]、节点调度机制[5]以及节点工作模式的切换[6]等。

互联网中常用的网络时间协议NTP,是在层状结构中利用客户/服务器模式对欲同步的客户端进行同步,通过时间获取的多路径和上层服务器的冗余性来保证时间同步的可靠性[7]。由于NTP无法满足无线传感网络中节点功耗低、带宽有限以及无线传输的要求,所以无线传感网中时间同步技术需要在无线传输、节点计算能力较低和能量受限的前提下尽可能实现低开销和较低的复杂度。作为无线传感网技术中的一项关键技术,时间同步技术不仅需要提高时间同步精度来实现系统运行的可靠性,还需要减少时间同步开销,延长网络寿命,实现系统运行的可持续性。

早期的时间同步协议致力于直接得到节点间的时钟差值或者构建晶振的时钟模型,来实现节点间的时钟同步。近年来新型的时间同步协议通过物理同步方式或者改进时钟模型的方式来实现较高的时间同步精度;通过物理方式或者被动同步方式来实现较低的时间同步开销和对动态网络拓扑的兼容性。本文将对目前主要的时间同步协议进行总结和对比。

1 时间同步技术难点

节点间时钟差异主要来源于节点晶振的差异性。节点的上电时间不同带来节点不同的时间相位偏移,晶振因制作工艺和环境的影响会产生频率偏差和频率漂移,并进一步导致节点时钟的输出时间产生偏差和漂移[8],如图1所示。图1所示的三条节点时间输出曲线,分别表示受上电时间和晶振制作工艺影响产生的相位偏移和频率偏差的节点时间、理想晶振对应的系统时间以及环境因素和晶振老化因素引起晶振频率漂移下的节点时间。

无论是估计同一时刻不同节点的时间差值,还是通过对节点的晶振建立时间模型来实现时间同步,节点进行报文交互的过程中都必须面临报文时延的不精确性。报文时延主要是指同步报文从节点发送之后分别经过的发送延时、信道访问延时、传输延时、传播延时、接收延时和接收处理延时六部分延时[9],如图2所示。

接收节点通过处理同步报文得到节点间的时间差值或者节点间的相对时钟模型。

(1)发送延时:节点构建同步报文并将报文递交到MAC层所用的时间;(2)信道访问延时:同步报文从检测信道是否空闲到物理层开始发送报文所用的时间;信道访问延时随机性较大,受当前信道空闲度和网络负载状况的影响较大;(3)传输延时:发送节点通过天线向外传输同步报文所用的时间;(4)传播延时:节点在媒介中从发送节点传播至接收节点所用的时间;(5)接收延时:接收节点的物理层通过天线接收同步报文所用的时间;(6)处理延时:接收节点对报文进行处理的时间。

除了上述随机性较大的发送延时、信道访问延时、处理延时之外,传输过程中存在的噪声经常会在同步报文的时延中引入部分符合高斯或者指数分布的小时延。

2 经典的时间同步协议

根据节点同步过程中同步报文的传输方向和交互方式的差异,经典的时间同步协议可以归纳为三类:基于接收-接收的同步机制、基于发送-接收的双向同步机制和基于发送-接收的单向同步机制。

2.1 基于接收-接收的同步机制

基于接收-接收模式的同步机制由参考节点向其广播范围内的节点广播不携带任何时间信息的参考同步报文。收到参考同步报文的一个节点会向另一个节点发送接收到该参考同步报文的本地时间。此时另一个节点可以根据收到的接收时间和自身记录的接收时间得到参考同步报文到达不同节点的时间差值,即两个节点的时间差值[10]。基于接收-接收同步机制的时间协议工作机制如图3所示。

接收-接收模式下的同步协议以同一参考同步报文到达不同节点应当为同一个时刻为出发点,通过节点间交换接收时间得到节点间的时间差值,通过补偿该时间差值来实现节点间的时间同步。接收-接收模式下节点m和节点n的时间差值为:

基于接收-接收机制的代表时间同步协议为RBS(Reference Broadcast Synchronisation)[10]。该机制下的同步协议虽然能够实现较高的同步精度,但是需要大量的参考同步报文和节点间交互报文,同步开销较大。尤其是在多跳网络中,所需的报文数量和同步计算的复杂度均将成倍增加。另外,节点间报文交互是接收-接收机制下实现网络时间同步的前提条件,所以基于接收-接收的时间同步机制不适用于跳数较多和节点分布较为稀疏的网络环境中。

2.2 基于发送-接收的双向同步机制

在发送-接收的双向同步机制中,待同步节点向基准节点发送同步请求报文,基准节点收到请求报文之后,向待同步节点发送包含自身当前时间的同步应答报文。待同步节点收到此应答报文之后通过自身的本地时间估算出节点间的时间偏差Δ和传输延时d,并据此校准自己的时钟。

双向同步机制在较短时间间隔内,认为节点间的时间偏差不变及报文传输延时一致,通过两次同步报文交互获得节点间的时间信息。基于发送-接收的双向同步机制中,报文交互如图4所示。

基于发送-接收双向同步机制的时间同步协议主要包括:TPSN(Time-sync Protocol for Sensor Networks)[11]和TS/MS(Tiny Time Synchronisation Protocol/Mini Time Synchronisation Protocol)[12,13]。TPSN协议通过图4所示的四个时间值完成待同步节点的时间同步,同步公式为:

采用双向同步机制的TPSN具有较高的同步可靠性,同步性能也比较好。但是因为没有考虑节点的时钟模型和晶振存在的频率偏移,在利用TPSN协议同步之后,节点仍旧会产生新的时间偏差,因此TPSN必须较为频繁地进行同步操作。TS/MS同步协议算法在基于图4所示的同步的基础上采用线性节点时钟模型,通过对少量的时间点进行拟合处理便可得到节点的时间偏差和时钟漂移。TS/MS时间同步协议采用较少的时间点得到比TPSN更高的同步精度,属于轻量级时间同步算法,适用于能量受限制的无线传感器网络。

基于发送-接收双向同步机制的时间同步协议在具有较高同步可靠性的同时产生相对较大的同步开销。另外,双向时间同步协议对网络拓扑的扩展的兼容性较差,无法适用于动态拓扑网络中。

2.3 基于发送-接收的同步机制

基于发送-接收同步机制的时间同步协议主要由基准节点向网络中单向广播包含报文发送时间的同步报文。子节点接收到同步报文之后,根据估计报文延时和记录本地报文的接收时间,对自身时间进行同步调整。

基于发送-接收机制的时间同步方法主要包括DMTS(Delay Measurement Time Synchronisation)[14]、FTSP(Flooding Time Synchronisation Protocol)[9]等方法。DMTS同步算法通过估计同步报文的传输延时,将同步报文中携带的发送时间与同步报文传输延时之和作为子节点的全局时间,对子节点进行时间同步。FTSP忽略同步报文的传输延时,认为待同步节点接收同步报文和基准节点发送报文为同一时刻,即节点记录的接收时间和基准节点的发送时间为两节点间的偏差。通过对时间点进行拟合,利用线性时钟模型,得到待同步节点相对于基准节点的相对时钟偏移和相位偏移。

发送-接收的同步机制采用单向信息交互,同步精度较高,能适应网络拓扑动态变化。同时和双向时间同步机制相比,它能够有效地减少网络中的同步开销,减小网络能耗。但由于发送-接收同步机制采用泛洪广播机制,网络规模较大时,产生的同步报文偏多。另外FTSP协议中节点的多径效应使得节点的同步精度不能得到保证。

2.4 经典时间同步协议总结对比

经典的时间同步协议主要通过得到节点间的时间差异,更新待同步节点的时钟来实现节点间的时间同步。在以上三种同步机制中,发送-接收双向同步机制和发送接收-同步机制均没有考虑同步报文的传输时延;接收-接收同步机制基于接收节点间的时间对比,无需考虑参考报文传输时的发送延时、信道访问延时和传播延时,时间同步精度不受发送方影响。发送-接收双向同步机制因为采用双向报文传输,所以更适用于对可靠性要求较高的应用。发送-接收同步机制采用时钟模型,利用得到的时钟参数对节点的时钟偏移进行修正补偿,同步精度较高;和双向同步机制相比,单向的同步方式也更适用于动态变化的网络拓扑结构。表1通过对时间同步协议一些具有代表性的性能指标进行列举,对比了以上三种时间同步机制。

3 新型时间同步协议

经典的时间同步协议主要解决节点间的时间同步精度问题。当同步协议能够达到较高精度时,新型时间同步协议在进一步提高精度的同时开始着手降低网络中的同步能耗,并研究应用于特定环境下的时间同步协议。

3.1 基于物理脉冲耦合的同步协议

经典的时间同步算法无法完全消除传输过程中延时对同步精度的影响,所以难以做到对节点间同步精度的进一步提升。在基于物理脉冲同步机制的同步协议中,每个传感器节点被看作是完全相同的耦合振荡器,通过物理方式来消除报文传输过程中的延时,实现节点间的高精度同步。

基于物理脉冲耦合的同步机制以萤火虫同步算法为主。1988年,Buck对萤火同步闪烁的现象进行了总结,并对此现象进行了基于phase-advance和phase-delay两种模式下的时间同步建模[15]。1990年Mirollo和Strogatz提出M&S脉冲耦合振荡模型,在假定脉冲延时为零的情况下,耦合振荡系统可以达到同步[16]。1998年Ernst在前人的基础上对脉冲延时情况下的耦合振荡系统的同步状况进行了研究。当一个振荡器状态激发时,会和临近的振荡器产生电耦合,使得临近的振荡器产生一个耦合强度的状态增量。基于物理脉冲的同步机制原理如图5所示。

Ernst通过理论证明,在脉冲延时不为零的情况下,正的耦合强度无法使振荡器之间产生同步现象,只有在负的耦合强度情况下,振荡器之间才能取得同步现象[17]。文献[18]针对耦合振荡电路提出了一种面向不相同模块的物理脉冲振荡模型,该系统模型不仅可以实现多振荡器之间的同步,而且可以实现多频率振荡器之间的耦合同步,为分布式系统中节点的多频段通信提供了理论依据。虽然文献[19]对M&S系统在硬件设备上的应用做了测试,但是大多数基于物理耦合脉冲的同步协议因为要求网络中各个耦合器完全一致、脉冲延迟较小,在实现上有很大难度,所以基于物理耦合脉冲的同步机制仍停留在理论研究阶段。

3.2 基于调度的同步协议

基于调度的时间同步算法有TSMP(Time Synchronised Mesh Protocol)[20]、TSCH(Time-Synchronised Channel Hopping)[5]。基于调度的同步机制是在网络初期将所有节点间的工作时隙、工作信道、网络结构均进行分配,并通过广播报文的形式告知网络中所有节点,节点在各自分配的时隙和分配好的邻居节点之间进行报文交互。父节点在固定的同步周期向网络广播时间同步报文,子节点在安全时间内接收到同步报文,然后根据发送时间和接收时间调整自身的时钟;如果安全时间内没有收到时间同步报文,则认为子节点与网络失去同步。

基于调度的时间同步机制能够达到较高的时间同步精度,但是该机制需要网络层、MAC层以及物理层进行整体协作,不再是单纯的时间同步机制;而且一般需要多信道甚至多频段的复用,整体上较为复杂。

3.3 分布式同步协议

经典的同步协议中,基于发送-接收的双向时间同步算法无法解决无线传感网中节点加入、失效和移动引起的网络拓扑动态变化问题,也无法较好地减少网络中的累积同步误差。为了解决这个问题,分布式一致时间同步协议应运而生。

分布式时间同步协议主要通过节点周期性广播本地时间来实现网络内节点的时间同步。分布式同步协议主要包括:实现邻居节点高精度同步的梯度时间同步协议GTSP(Gradient Time Synchronization Protocol)[21]、分开校正频偏和相偏实现更可靠时间同步的平均时间同步协议ATS(Average Time Synch)[22]、节点广播时间到网络虚拟时钟的分布时间同步协议[23]等。

分布式时间同步协议不要求网络拓扑结构为层次拓扑,这使得分布式时间同步协议的鲁棒性较强,能更好地适应于拓扑动态变化的无线传感网。由于分布式同步协议主要基于全局节点进行时间扩散和不停地同步迭代,分布式时间同步协议的收敛速度相对于经典的时间同步算法来说比较慢;并且分布式时间同步协议中需要的同步报文数量较多,网络开销较大,不利于降低网络同步能耗。

3.4 混合时间同步协议

除了提高时间同步精度,延长同步周期进而减少网络同步能耗[19,20]之外,部分时间同步协议采用主动同步和被动同步相结合的混合时间同步机制[24,25]。

混合时间同步机制中,代表节点之间采用双向的时间同步机制。在同步报文交互过程中,代表节点广播半径中的邻居节点能够监听到双向同步报文,得到同步报文中的时间信息。通过分析报文中包含的两个节点的时间信息,监听节点实现被动的时间同步。混合时间同步机制只需要代表节点之间进行报文交互,多数节点只需要对周围环境中的报文进行监听,无需发送报文,较大程度地减少了网络中的时间同步报文数量。混合时间同步机制通过主动同步来保证网络同步精度,通过被动时间同步来节省网络同步开销,从而实现了保证同步精度和节约能耗的双重目标。但是由于被动时间同步主要通过节点监听周围环境中的报文来实现自身的时间同步,所以混合时间同步协议中节点的分布密度不能过小,适用的网络规模不宜过大。图6说明了混合时间同步协议的同步机制。图中2号和3号节点为代表节点,采用基于双向的主动时间同步机制。在2号代表节点和3号代表节点周围的其他节点通过监听2号和3号代表节点发送的包含时间信息的同步报文之后,被动地完成时间同步。

3.5 特殊用途时间同步协议

传统的时间同步算法无法适用于报文延时较长、节点移动较为频繁的水下应用,近年来针对水下传感网特殊用途的无线同步协议逐渐发展起来。水下应用的时间同步协议主要从估计报文延时方面来实现节点同步。文献[26,27]通过采用邻居间的相对速度和多普勒频移来计算节点的真实移动速度,得到精确的报文延时时间,并进一步通过双向时间同步机制和基于权重的最小二乘法来求得节点相对于参考节点的相对时钟参数。文献[26,27]在利用线性规划获得节点间相对时钟参数的同时均引入了第二次线性回归计算,利用初次回归运算得到的时钟参数和估算的节点移动速度进一度提高节点的同步精度。

3.6 新型同步协议总结

新型同步协议主要是基于非层次性网络结构,更少地受到网络中心节点的制约,能够更好地适用于网络拓扑结构动态变化的无线传感网。无论是通过物理方式抑或是主动、被动同步方式结合,新型同步协议和经典时间同步协议相比,能够较大地减少网络同步能耗。另外,新型时间同步协议在提高同步精度和降低网络开销的同时,开始对特殊应用条件下的时间同步进行探索。虽然新型同步协议和经典时间同步协议相比有较多的优点,但是新型时间同步协议的复杂程度一般较高,对节点有较高的性能要求;而且新型时间同步协议大多数仍旧处于理论研究阶段,并没有在实际环境中大量应用。

除了上述同步协议之外,新型的时间同步算法还包括利用外部时间源的外部梯度时间同步算法[21]、针对移动网络拓扑的时间同步算法[28]、利用卡尔曼滤波实现高精度时间同步的卡尔曼一致滤波时间同步算法[9]和基于最大似然估计的时间同步算法[30]等。

4 结语

通过对时间同步协议机制的分析可知,更高的网络时间同步精度,需要更频繁的同步报文交互,相应会产生更高的网络能耗。在一定程度上,网络时间同步精度和同步能耗存在矛盾。早期的时间同步机制主要得到高精度的同步性能;新型的时间同步协议在保证同步较高精度的基础上,主要通过不同方式降低同步开销,减少网络能耗。

针对无线传感网节点间时间同步的技术难点,本文从时间同步精度、网络同步开销、协议特点等多个角度对时间同步协议进行了评价和比较。通过本文对各种时间同步机制的分析可以看出,单向同步机制中的FTSP时间同步协议因为采用节点时钟模型,时间同步精度较高,能够通过时钟模型进行时钟误差补偿,但是存在的多径效应无法降低同步精度。相对于经典时间同步算法单纯提高同步精度的做法,新型同步算法可以根据不同要求实现不同的时间同步,其中包括:提高时间同步精度、降低网络开销、分布式同步和特定用途的时间同步。新型时间同步协议较好地平衡了时间同步精度和同步开销之间的关系,同时更好地适用于动态变化的网络拓扑,有较高的鲁棒性。

通过对时间同步协议的总结和对比,结合当前无线传感网中时间同步协议发展的现状,本文认为未来时间同步协议需要在以下方面进行进一步研究:

(1)时间同步协议的实际应用。当前时间同步协议的性能主要是通过人为搭建仿真环境,通过网络仿真工具对性能进行试验得到的。应用到实际无线传感网中的同步试验较少,无从得知通信环境较恶劣环境下,时间同步协议的实际性能。

(2)大规模网络的同步。随着无线传感网技术的不断应用,网络规模将不断扩大,大规模无线传感网的时间同步将显得尤为重要。当前的时间同步协议主要是针对中小型网络的时间同步,缺少对大规模网络中大量节点移动、失效后网络同步状况的研究。

无线传感网技术 篇5

3.2无线传感网络技术在军事领域的应用和发展无线传感网络技术起于军事领域，无线传感网络技术在军事上的应用是它能够在国家的边疆上站岗放哨做警卫，将无线传感网络器安置在国家的边疆防线上，士兵可以直接通过无线传感网络技术对国家边疆进行防御，接受来自不同方向的信息并及时果断地做出相应的措施。无线传感器在军事上的另外一个应用就是可以对目标进行定位，以及时地防范敌军的可能的侵袭和进攻，还可以通过无线传感技术对无人驾驶的车辆进行摆布，战争结束后，无线传感网络还能对战场的破坏性和环境污染程度进行监测并且评估。

3.3无线传感网络技术在家庭生活中的应用和发展无线传感网络技术最贴近人的生活的应用就是在家庭生活中的应用，无线传感网络器可以为人民的生活提供很多方便，并且能够使人们的生活环境更舒适，无线传感网络技术为人们的生活提供比较人性化智能家居，比如说像冰箱、真空吸尘器、录像机和微波炉等，这样用户就可以在远处遥控这些家用产品，而且还能通过无线传感技术在家里的主要房间安装监测器，以便随时控制家里的安全。

3.4无线传感网络技术在医疗卫生行业的应用和发展无线传感网络技术在健康护理人的方而的应用主要是用来对患者和医生的行为进行监测，人的身体里而有很多我们并不知道的生理和心理数据，将无线传感网络技术安装在病人的身上就可以随时观察病人的病情，并得到及时的救治，无线网络传感技术在不久的将来会更加的方便，用途也会更加的多，还能实现医疗的远程遥控。

4结束语

无线传感网技术 篇6

1 入侵检测原理和技术概述

确保传感器以及由众多传感器所构成的传感网安全的众多技术中, 除了物理保护外, 更重要的是要建立传感网安全的两道防线。第一道防线是采用数据加密、身份识别认证和密钥管理协议等以阻止通信信息被非授权方获得, 保证信息在到达对方前整个过程的完整性。但这一做法属于被动防御措施, 攻击方总能找到系统的薄弱点加以攻击, 尤其对于自身就很脆弱的物联网传感器节点。第二道防线则属于主动防御性质, 即采用入侵检测系统 (IDS) 主动发现攻击者和攻击行为的存在, 通过采集入侵信息来实现对传感网更好的保护。

从入侵检测原理上看, 一般采用自动机制识别攻击源, 发现攻击行为后产生报警并自动处理或向管理员发出告警信号的方式。作为攻击方而言, 其目的在于获取信息或破坏传感网正常通信和系统资源, 其攻击方式可能使用未经授权的外部系统或绕过授权后超标访问系统资源。常见的入侵检测技术包括为监测信息的协同处理和入侵攻击的全局信息提取的分布式入侵检测;采用神经网络、遗传算法、模糊技术等的智能化入侵检测等。

2 物联网入侵检测系统的特点

物联网中每个无线传感器节点的通信量小且无线通信范围短, 每个节点都是脆弱的单元, 在这样的应用环境下, 必须构建基于节点的分布式体系结构, 同时还应具备如下特点: (1) 审计本地化:由于物联网地域分布广的特点, 除基站外没有数据中心能够处理网络收集的全部审计数据, 因此, 物联网的IDS应以本地化和部分数据审计的方式工作。 (2) 分布式和新节点加入:物联网的数据采集和分析过程分布, 入侵检测也随之分布, 既保证检测的正确性降低误报率, 也降低网络系统负荷。同时, 在节点成簇情况下支持新节点的加入并将成簇节点通信与虫洞攻击等形式区分开来。 (3) 资源最小化:由于无线网络较之有线网络可能存在更大断线的风险, 物联网IDS应尽可能少的使用网络资源, 减少网络带宽的占用。 (4) 不相信节点:由于攻击者可能有意隐瞒恶意节点的身份和行为以防被IDS侦测, 因此, 物联网IDS应本着假定没有节点是完全可信的原则来工作, 仅通过事先的协作算法和通信协议对对方节点的身份进行识别和认证。

3 物联网入侵检测系统的体系结构

配合物联网分布式的特点, 物联网IDS也必须采用分布式结构和协作的工作方式。物联网中的IDS应更多的考虑节点的合作而非特定攻击行为的发现。所有物联网传感器节点上均安装IDS代理, 代理的运行与具体应用分离, 在主节点的无线通信范围内监听通信活动, 而邻近节点则作为确认方, 对其所在区域的可疑行为做出进一步的判断。IDS代理的基本功能通常包括三方面:网络监听、集体决策和响应动作。

一般以模块化的方式来构建物联网IDS客户的体系结构, 每个模块具体负责某一特定功能。在IDS系统中, 每个节点的IDS都是平等的, 它们为邻近节点的客户广播消息供其监听使用。目前, 大多数物联网节点采用的是层次结构, 所有传感器节点安全成簇, 每个簇中的一个节点作为簇头, 负责本簇的路由和管理。对应于这种节点成簇模型的IDS策略是, 设置IDS模块到每个传感器节点中, 每个节点通过监听无线端口可以很容易发现恶意数据包。可以有四种设置IDS模块的方法:一是设置在源点和目的地点路径上的每一个传感器中;二是设置在IDS基站中;三是设置在基站的每个临站中;四是设置在节点簇的簇头中。

4 物联网入侵检测系统的构成

一个物联网入侵检测系统大致包括以下六个部分: (1) 数据包监测:负责在无线通信范围内监听邻接节点的通信活动, 获取相关审计数据并提供给本地检测模块。 (2) 边界识别:该模块初始化后, 广播节点ID和该节点相邻节点的ID, 通过维护节点1跳和2跳邻居的邻接关系表, 保证每个数据包被发送方的1跳邻居仅转发一次, 并用最新的邻接关系更新邻接表。 (3) 密钥管理:节点的密钥管理采用预先指定的唯一密钥Kn生成一个单向长度为n的密钥链。该有序列表单向密钥链通过连续使用单向哈希函数F作用于种子Kn产生, 如Kj=F (Kj+1) (j=n-1, …, 0) 。当有新节点加入或删除时, 密钥管理模块就更新密钥, 并保证只对授权节点分发密钥。 (4) 本地检测:根据事先规定的规则, 节点在检测到攻击行为后将产生报警并输出质疑的节点集合, 集合大小取决于模块质量和规则的严密程度 (可控) 。节点间通过互传报警信息并协同分析得出攻击的真实性判断和攻击者身份识别。 (5) 投票:每个报警节点向所有其他报警节点发出投票并收集其他报警节点的投票。当每个报警节点s1, s2, …, sn均收集并认证了来自所有其他报警节点的投票后, 将产生全部相应的可疑列表, 最后将本地操作应用与这些列表上, 产生最终的入侵检测结果。 (6) 本地响应:本地响应负责当确认攻击发生时采取适当的行动, 通过改变路由、更新加密密钥等方法切断可能持续的入侵者, 隔离受威胁节点, 并用分布在网络中未受威胁部分节点的冗余信息对受损节点信息进行数据恢复。

5 基于神经网络的入侵检测

物联网中的传感器节点通常都分布在无人值守的环境下, 很容易受到外部的恶意攻击, 对节点的安全性要求很高。从攻击方式和入侵行为上看, 影响节点的正常路由转发和试图消耗尽节点资源是最主要的两种方式。现有的针对无线传感网的入侵检测技术虽然能够在很大程度上抵御系统攻击, 但也存在一些不足之处, 如:入侵检测系统的误报率较高;入侵检测系统的速度不稳定;攻击特征库更新不及时;不同的入侵检测系统间无法互操作;无法与其他网络安全产品互操作等。利用神经网络原理和技术来实现入侵检测成为近年来入侵检测技术发展的新方向, 它效仿了生物信息处理模式以获得智能信息处理功能的理论和方法。基于神经网络的入侵检测系统属于异常入侵检测范畴, 包括数据采集模块、数据训练检测模块和响应模块, 其中最重要也最能体现神经网络算法特点的是数据训练检测模块。

以在簇头节点实施入侵检测机制的模型为例, 该模式下综合利用基于正常检测和基于误差检测两种检测方法, 不仅提高了发现攻击的效率也避免了不必要的浪费。节点首先采集发送到该节点的所有数据包, 使用基于正常检测的检测模型过滤大量冗余数据, 若通过了基于正常检测模型后结果为1的, 被认为是正常行为;若结果为0, 则再进行基于误差检测模型的检测, 若结果为1则判定该行为时恶意行为, 立即拦截并告警, 若结果为0则说明这是一种新的访问规则, 予以放行。模型中, 不断用预先定义好的正常数据集规则和攻击数据集规则来训练神经网络模块, 训练好的模块被装入簇头节点中作为入侵检测的检测引擎。检测后的结果则不断反补规则库, 不断更新规则库, 达到动态学习的目的。这也正是神经网络自组织、自学习能力的体现。

同时由于传统的神经网络算法是非线性优化算法, 导致其学习算法的收敛速度慢, 且收敛速度与初始权值有关, 网络在结构设计方面尤其是隐含层和节点数的选择上尚无数学理论的支撑, 新加入的样本会影响已完成学习的样本估值。在神经网络算法中, 学习速率η的选择是关键, η越大收敛速度越快, 但太大可能引起振荡, 太小则收敛速度变慢。可以通过增加动量项, 在维持算法稳定的基础上使用更高的学习速率, 如式1所示, 式中, 第一项为动量项, 第二项为常规算法的权值修正值。

当新的样本值加入样本库时, 式1可写成以t为变量的时间序列, t=0, 1, …, n, 该式即成为△ωij的一阶差分方程。对△ωij (k) 求解, 可得:

在实际应用中, 可以将动量项与可变学习速度结合起来使用获取更好的稳定效果并提高收敛速度。实验证明, 基于神经网络的入侵检测可以明显降低入侵检测的漏报率和误报率, 由于神经网络具有高度的灵活性和自适应能力, 其非线性处理方式特别适合检测网络中来自多个攻击者的攻击。基于神经网络的入侵检测还可以利用特征库对攻击行为进行预测, 跟踪事件、预判可能的攻击结果, 采取行动主动防御, 并将每次防御的结果及采用的方法以自学习的方式更新攻击行为库。

6 结语

无线传感网技术 篇7

煤矿井下空间狭长且有风门、机车等阻挡体,巷道倾斜、有拐弯和分支,巷道表面粗糙,加上巷道中支架、棚体、风管、电缆及各种机电设备,构成了一种对无线电磁波而言具有挑战性的地下受限空间传播环境[1,2]。同时地下矿井环境中还存在土壤、岩石、煤层、水等异构介质,与井下巷道等受限空间共同构成地下矿井复合介质环境。为保证煤矿的安全和正常生产,国内研究了感知矿山物联网及井下受限空间内矿井无线通信系统及关键技术[3,4,5,6,7],但是对井下异构介质及复合介质间通信方式的研究仍是空白。电磁波在异构介质中比在空气中传输衰耗更严重,无线通信距离更短,因此电磁波传播方式不适用于地下异构介质通信。无线磁感应传感网是由布放在地下矿井复合介质内的传感器节点、磁感应链路中继节点组成的网络监测系统。研究适用于地下矿井复合介质的通信传输技术对实现地下环境全面的监测至关重要。

本文针对电磁波在地下矿井复合介质内信息传输存在的问题,提出将磁感应(Magnetic Induction,MI)技术应用于复合介质间,给出面向复合介质应用的无线磁感应通信和磁感应波导通信的理论模型及无线磁感应传感网的网络体系结构。

1 磁感应通信研究现状

为了解决电磁波在地下矿井等挑战环境下复合介质内信息传输出现的问题,研究人员提出磁感应通信方法。SUN Zhi等[8,9]研究表明磁感应通信具有以下优点:①土壤、煤岩、水等地下信号传输媒介的磁导率与空气的磁导率几乎一样,不会随时间和空间而变化,因此信道稳定。②信号通过磁准态静场耦合到接收机上,因此不存在多路径损耗的问题。③发射机和接收机天线使用小线圈,尺寸大小可以根据工作环境制定,不存在天线尺寸大的问题。④中继线圈无供电要求,每个中继线圈加载一个电容,不需要供电和信号处理。

由于磁感应通信技术存在通信距离短的缺点,SYMS R R A等[10,11]提出利用中继线圈形成磁感应波导技术改善通信距离的观点。目前,磁感应波导技术已广泛应用于电介质镜、分布式布拉格反射镜、微波管的高频波减速结构、加速器里的耦合腔、解调器等领域。

SUN Zhi等[8,9,12]提出了磁感应通信理论模型,并分析了信道带宽、路径损耗及误码率等参数。参考文献[13]将磁感应通信应用到地下无线通信中,使用小铁磁线圈或者RFID线圈作为天线,实现了磁感应通信。参考文献[14]提出海域作战条件下用于命令、控制、定位的磁感应通信方法,验证了海域条件下磁感应通信系统可实现100~300bit/s低速率数据传输。参考文献[15]提出个域网内磁感应可替代蓝牙。参考文献[16]将磁感应微型设备植入人体,建立网络,收集数据。参考文献[17]将磁感应通信技术应用到地下管道,实时监测和定位地下管道泄漏。

由此可见,磁感应通信是一个很有前途的可替代地下无线通信网络的物理层技术。

2 现有矿井无线通信技术

为满足煤矿井下环境监测传输的要求,目前用于矿井内局部通信、救灾通信和应急通信等的相关技术有矿用漏泄通信、感应通信、透地通信等[1]。

2.1 透地通信

透地通信采用穿透性强的低频频段(300~3 000Hz)电磁波,以大地为传播媒介进行井上下或巷道间无线通信。透地通信抗灾变能力强,但存在信道容量小、路径损耗较大、天线尺寸大、电磁干扰大、通信距离短及应用范围受限等问题,主要用作避难硐室与地面的备份通信链路,用于应急救援等场合。

2.2 漏泄通信

漏泄通信沿巷道铺设漏泄同轴电缆,工作于30~300 MHz频段,是一种解决无线电波在巷道等地下受限空间中传播问题的有效技术,通过在同轴电缆外导体表面上配置一系列开槽口作为电磁波辐射源,可以沿垂直于电缆轴向传输、辐射或接收电磁波。漏泄通信具有信道较稳定、抗干扰能力强、工作频率高等优点,但是设备多,馈线长,事故发生时,电缆易挤压变形、断裂损坏,维护不便。该技术主要应用于隧道入侵探测、安防、探测传感等场合。

2.3 感应通信

感应通信工作于300~3 000kHz中频段,通过架设专用感应线或利用巷道内的导体(如照明线、管道、轨道、动力线等)进行导波通信。与其他通信技术相比,具有适应环境能力强、穿透能力强、抗金属能力突出的优点,但是信道容量小,电磁干扰大,天线体积较大(通常采用背心型或背带型环形天线),其应用局限于煤矿井下救灾通信的场合。

2.4 WiFi技术

WiFi技术主要用于解决矿井巷道等地下受限空间内无线通信问题,支持语音、视频传输。WiFi采用AP(Access Point)模式,工作频率达2.45GHz,最大的位速率达54 Mbit/s。WiFi技术具有传输速率高、系统容量大、抗故障能力强、建网迅速、组网灵活等优点,但系统部署需集中控制器,不具备漫游功能及多跳能力,灵活性差。

以上技术解决了煤矿井下移动通信的问题,但不适用于地下矿井复合介质中的信息传输,本文提出了地下无线磁感应通信技术,解决了挑战环境条件下长期环境监测信息的传输问题。

3 无线磁感应通信信道模型

无线磁感应传感网由埋置在地下复合介质内的传感器节点、磁感应链路中继节点组成,使用线圈作为发射机和接收机。磁感应通信信道模型如图1所示,at和ar分别为发射机线圈和接收机线圈的半径,d为发射机和接收机之间的距离,Us为发射机的发射电压,RL为接收机的负载。

假设发射线圈信号是正弦电流,例如I=I0exp(-jωt),ω为发射信号的角频率,ω=2πf,f为系统工作频率。这个电流会激发接收机产生另一个正弦电流,进而实现通信。这2个耦合线圈之间的相互作用通过互感来表示。磁感应传感网发送器和接收器分别用变压器的初线圈和次线圈建模,如图1(b)所示。M为初线圈和次线圈的互感;Lt和Lr分别为初线圈和次线圈的自感;Rt和Rr为线圈的阻抗;ZL为接收机的负载阻抗。

在线圈阻抗低、工作频率高的情况下,路径损失可以简单定义为[8]

式中:Pr(d)为接收机的接收功率;当传输距离d0非常小时,Pt(d0)为参考传输功率;Nt,Nr分别为发射机线圈和接收机线圈的匝数。

本文中,发射机和接收机线圈半径为0.15 m,线圈匝数为5圈,工作频率为10 MHz,采用2PSK调制解调方式,传输范围为10 m左右。磁感应通信系统带宽为2kHz左右[18]。

4 无线磁感应波导中继方式

每对磁感应线圈通信传输距离为10m左右[8]。为拓展传输范围,需要研究在发射机和接收机之间部署中继节点的有效方法。不同于电磁波技术的中继节点,磁感应通信系统的中继节点只是加载了电容的简单线圈,不需要供电电源。发射机线圈里的正弦电流激发第1中继节点产生正弦电流,第1中继节点的正弦电流激发第2中继线圈产生正弦电流,如此下去,这些中继线圈在地下环境里形成磁感应波的引导,充当磁感应波引导,简称为磁感应波导。

典型的磁感应波导信道模型如图2所示,在发射机和接收机的一个轴方向放置n-2个中继线圈。n为总线圈个数,r为相邻线圈的距离,a为线圈的半径,由图2(a)可知,d=(n-1)r。每个中继线圈(包括发送线圈和接收线圈)加载一个电容C。通过适当选择电容器,形成谐振线圈,可有效传输磁信号。每对线圈中存在互感,互感的值取决于这对线圈之间的距离。在地下通信中,设置2个中继线圈间的距离为5m,这个距离要大于电磁波系统的最大通信距离(4m)[8]。本文中,中继线圈半径为0.15m左右。使用中继线圈替换昂贵的电磁波中继传感器设备,可以节约成本。因此在部署地下设备的成本方面,磁感应波导系统比传统的电磁波系统花费少。

如图2(c)所示,假设只有相邻线圈耦合,将磁感应波导建模为多级变压器。发送器和中继节点通常使用相同类型的线圈。假设所有线圈参数(阻抗、自感、互感)都一样,L为线圈自感;R为线圈阻值,C为每个线圈的电容,Z为每个线圈的固有阻抗,则磁感应波导路径损失可以简单定义为[9,12]

其中:

本文中,所有线圈半径为0.15 m,线圈匝数为5圈,工作频率为10 MHz。中继线圈加载电容大小为35pF。相邻中继线圈间间隔5m。传输范围为250 m左右时,磁感应波导路径损耗小于100dB。磁感应波导通信系统带宽为1~2kHz。通过减少中继线圈间的距离可以增加系统带宽,但需要增加中继线圈的数目。

5 无线磁感应传感网网络结构

磁感应传感网络在体系上结合无线网络(WiFi)和磁感应无线传感器网络,共同构成复合介质信息感知控制系统,实现复合介质中各种监测信息的一体化传输。挑战环境下无线磁感应传感网网络结构如图3所示。该网络将工业WiFi技术、磁感应通信技术融为一体,实现地面上下的互通互联、资源共享和协同工作。

磁感应传感网络由物理层、MAC层、网络传输层、应用层组成,其结构如图4所示。

物理层解决复合介质物理环境中终端设备间数据传输的问题,主要研究开发低成本的复合介质通信调制解调器,设计低复杂度、能快速收敛的次优滤波器;采取适当的措施来克服信道估计的稳定性问题等。MAC层解决将物理层所获数据可靠地传输到相邻节点网络层的问题,关键技术包括多址技术、差错控制技术、数据流优化技术等。网络传输层解决感知层所获数据的传输问题,关键技术包括低速率组网关键技术、磁感应通信拓扑路由协议、容错组网技术等。应用层解决信息识别处理和人机交互的问题。

目前研究的重点主要集中在数据链路层和网络层,包括数据链路层中的接入方法和差错控制及网络层中的路由算法等。在今后的研究中,除了上述几个方面仍然是研究的重点和热点以外,物理层和应用层的设计也是一个重要的研究方向。同时可以考虑采用跨层设计和自适应参数设置来克服各层独立设计和固定参数设置无法避免的问题,从而实现网络整体性能的最优化。

6 无线磁感应传感网关键技术

(1)基于磁感应网络的传感技术。该技术针对地下复合介质环境,采用电磁辐射、声发射、红外视觉识别等方法,主要研究矿井采空区、地下管道、CO2埋存状态等地下环境参数分布式传感技术,研制新型的具有微型化、可扩展和灵活性、稳定性和安全性及低成本特点的分布式矿用传感器。

(2)无线磁感应传感网传输技术。该技术根据无线传感器网络传输的需求,研究地下磁感应通信信道容量的信息理论及地下复合介质中磁感应波导传输的规律,研究磁感应波导的传输特性,以及复合介质磁感应波导通信的频率、调制方式、带宽、传输速率等参数优化;研究稳健的无线传输体制即低功耗调制解调方案和编码、分集、均衡技术,以及极低信噪比条件下的检测技术,克服衰落,提高无线传输的数据速率,扩大磁感应波导的覆盖范围。

(3)无线磁感应传感网低速率组网技术。该技术根据地下不同工作面空间和介质的要求,以及磁感应波导通信范围的复杂形状,研究合理的地下无线传感器拓扑结构、工作模式、中继线圈的分布、部署算法和MAC层活动调度机制,以便更优化地覆盖所需监控区域。对现有的电磁波通信网络,从传输效率和可靠性方面研究新的网络传输技术,解决异构网络互连及自动拓扑发现和网络重构问题。

(4)监测信息识别与处理技术。利用先进的智能传感器与磁感应波导技术对采空区、复合介质等地下有关环境进行数据采集传输,根据采集的数据与理论分析,从安全监测数据中获取可信、隐藏、事先未知、潜在有空和最终可理解的危险信息,揭示监测数据的本质规律、内在关联,运用这些规律和有用信息对新的监测数据进行融合,实现关键信息的自动识别。

7 结语

无线传感网技术 篇8

1 农村配电网设备故障主要情况

农村生活水平的提高、小型企业的迅速发展和用电量的日益增加, 将导致配电网设备电力负荷迅速增加。农村配电网是指10 kV及以下电网, 其主要设备有杆塔、架空导线、绝缘子、接地装置、变压器、开关站、避雷器、电容器、跌落式熔断器, 低压总配电柜 (箱) 、闸刀、熔断器、母线等。上述设备之间一般都采用金具接续连接 (如设备线夹、接线端子、并沟线夹等) , 长期过载易造成金具松动、接触面材料老化等情况, 导致接触电阻增大, 发生接续连接处温升过高甚至熔断导体和绝缘击穿等事故;电气设备之间的接续连接点是最薄弱环节, 可以说温度是配电网设备运行状态的重要表征。农村配电网尤其是在无人值守的农村开关站, 一旦出现故障停电, 便会给群众生活带来不便;给供电所造成较大损失。许多地方的配电网存在多种情况, 如架空线路分支多、乱、呈不规则网状结构, 设备陈旧和状态变化频繁等, 查找故障点时往往需花费大量的人力和物力。

农村配电网故障对农业生产造成的危害较大, 轻者造成台区电气设备停止工作, 重者造成整条配电线路停止运行。因此, 为确保可靠供电, 对农村配电网中电气设备间接续连接处的温度实施监测是实现农村配电网故障预警的有效渠道, 是智能电网建立深入农村配电网的内容之一。

2 相关监测技术

在工业设备温升监测方面, 常用的方法有示温蜡片法、热红外、光纤测温和无线温度监测等技术。

示温蜡片法, 即在电气设备易发生温升的表面涂一层随温度变化而变色的发光材料, 通过巡检人员观察其颜色变化来估算温升情况, 此方法巡视工作量大, 人为因素多, 无法定量分析, 可靠性低, 且示温蜡片存在易脱落的缺陷, 后期维护成本较高。

热红外监测法, 是利用光 (红外) 辐射特性的红外测温仪, 它能测量0～200℃之间温度, 基本误差为±2%T, 准确度较高。若采用红外测温仪定位测温, 则需要大量红外测温仪一一对应所测电气设备, 投资较大;若采用人工巡视逐点测温的方法, 工作量大, 周期较长, 设备故障漏检几率较大。

光纤测温法, 一般采用温度传感器加光纤的技术属典型的在线测量, 准确度高、稳定性好、维护量少, 缺点是对绝缘性能要求高, 不能直接附在高压带电设备上, 且造价高, 安装困难。

无线温度监测法, 由无线温度传感器加无线通信传感器等组合而成, 可直接安装在带电物体表面测量其运行温度, 且传感器可设置时间间隔来采集温度数据, 并通过无线网络向外发送, 其性价比高于上述监测方法。但复杂电磁环境下无线传感器网络的通信可靠性设计还需结合具体情况深入研究。

3 无线传感网络技术

无线传感器网络是新一代的传感器网络, 其集传感器技术、微机电技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式处理技术于一体。表1为常用的无线传感网络技术对比表, 其中的ZigBee技术较适用农村配电网的低成本、少维护要求。

4 ZigBee技术应用于农村配电网的可行性

Zig Bee技术是一种工作在2.4 GHz和868/915 MHz的无线网络技术, 介于无线标记技术和蓝牙之间, 具有距离近、复杂度低、功耗低、数据速率低和成本低的优点。采用双向传输的无线通信标准, 将IEEE 802.15.4收发器技术与嵌入Zig Bee技术协议栈相组合, 按IEEE 802.15.4标准, 在数千个微传感器之间相互协调实现通信。这些传感器仅需很少的能量, 便可以接力的方式将数据从一个传感器无线传到另一个传感器, 依次传递, 以构成一个无线传感器网络, 主要用于中短距离无线系统连接, 能够满足对各种传感器的数据输出和输入控制命令和信息的需求, 使现有系统网络化、无线化, 特别适用于信息采集与监控领域的应用。

农村配电网设备无线监测系统主要采集配电网现场设备间接续连接处的温升信息并分析设备状态, 执行设备故障报警, 确保配电网运行安全可靠。

农村配电网中电气设备间接续连接处温度的监测有以下特征: (1) 被监测设备成本较低, 但量大面广, 台区内设备间半径均不大于500 m; (2) 设备被测处带电, 不易使用有源电源供电; (3) 设备所测参数单一, 无需双向通信且需传输的数据量较小; (4) 所监测的温度量数据可间隔数小时或数天。

上述特征较符合ZigBee技术服务的对象:网络节点量大且间距不大;有网络自组织、自恢复能力;低能耗的自备电源;传输低容量数据;可设置数据采集的休眠功能。

无线传感网发展综述 篇9

传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、计算机及无线通信技术、分布式信息处理技术, 能够通过各类集成化的微型传感器以协作方式实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息, 通过嵌入式系统对信息进行处理, 并通过自组织无线通信网络将所感知的信息传送到用户终端[1], 从而真正实现“无处不在的计算”理念。

1 无线传感器网络体系结构

传感器网络是由一组传感器以Ad Hoc方式构成的有线或无线网络, 其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息, 并发布给观察者。

传感器网络的基本要素是传感器、感知对象和观察者。传感器之间、传感器与观察者之间通过有线或无线网络通信, 节点间以Ad Hoc方式进行通信, 每个节点都可以充当路由器的角色。传感器由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件这几部分构成。观察者是传感器网络的用户, 是感知信息的接受和应用者。观察者可以是人, 也可以是计算机或其他设备。一个观察者也可以是多个传感器网络的用户。观察者可以主动地查询或收集传感器网络的感知信息, 也可以被动地接收传感器网络发布的信息。观察者将对感知信息进行观察、分析、挖掘、制定决策, 或对感知对象采取相应的行动。感知对象是观察者感兴趣的监测目标, 也是传感器网络的感知对象。感知对象一般通过表示物理现象、化学现象或其他现象的数字量来表征[2]。其工作模式如图1所示。

如图1所示, 无线传感器网络是由多个带有传感器, 数据处理单元及通信模块的节点, 根据数据采集任务的需求自组织而成的网络。其任务是从环境中采集用户感兴趣的数据, 数据源节点负责数据的采集, 所采集到的数据通过多个中间节点转发以多跳方式传递给数据接收者 (Sink) , 通常数据在经过中间节点时, 需要一定的处理, 去除冗余性提取有用信息。

2 无线传感器节点组成

节点是组成无线传感器网络的基本单位, 如图1所示, 是构成无线传感器网络的基础平台。它完成采集信息、融合并传送数据的功能, 节点技术的进步与无线传感器网络的发展有着密切的联系。

无线传感器网络节点的基本组成和功能包括如下几个单元:传感单元 (由传感器和模数转换功能模块组成) 、处理单元 (由嵌入式系统构成, 包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等) 、通信单元 (由无线通信模块组成) 、以及电源部分, 如图2所示[3]。此外, 可以选择的其它功能单元包括:定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。

3 无线传感网分层结构

与互联网协议框架类似, 无线传感器网络的协议框架也包括五层, 如图3 (a) 所示, 网络协议各层功能如下。

物理层协议:物理层负责数据的调制、发送与接收。该层的设计将直接影响到电路的复杂度和能耗。研究的目标是设计低成本、低功耗、小体积的传感器节点。

数据链路层协议:数据链路层负责数据成帧、帧检测、差错控制以及无线信道的使用控制, 减少邻居节点广播引起的冲突。

路由层协议:路由层实现数据融合, 负责路由生成和路由选择。

传输控制层协议:传输控制层负责数据流的传输控制, 协作维护数据流, 是保障通信质量的重要部分。TCP协议是Internet上通用的传输层协议。但无线传感器网络的资源受限、高错误率、拓扑结构动态变化的特点将严重影响TCP协议的性能。

应用层协议:基于检测任务, 在应用层上开发和使用不同的应用层软件。

无线传感器网络的应用支撑服务包括:时间同步和节点定位。其中, 时间同步服务为协同工作的节点同步本地时钟;节点定位服务依靠有限的位置已知节点 (信标) , 确定其他节点的位置, 在系统中建立起一定的空间关系[4]。

图3 (b) 不是独立的模块, 它们的功能渗透到各层中, 如能量、安全、移动, 在各层设计实现中都要考虑;而拓扑管理主要是为了节约能量, 制定节点的休眠策略, 保持网络畅通;网络管理主要是实现在传感器网络环境下对各种资源的管理, 为上层应用服务的执行提供一个集成的网络环境;QoS支持是指为用户提供高质量的服务。通信协议中的各层都需要提供QoS支持。

4 无线传感器网络能耗特点分析

现有无线传感器网络节点主要由微处理器、存储器、传感器、I/O接口、射频模块等部分组成。在网络实际运行过程中, 能耗主要来源于处理 (Processing) 、传感 (Sensing) 和无线传输 (Radio) 三个操作。

无线传输能耗主要来源于无线模块在收发数据及空闲侦听时的能耗, 在网络运行过程中, 无线模块可能处于四种状态:发送、接收、空闲以及睡眠, 这四种状态下的能耗是不一样的[5]。图4给出了无线传感器网络中几种能耗的对比。该能量对比图主要针对于无线传感器网络短距离传输 (10米至100米) 场景, 这种场景下发送能耗与接收能耗是可比拟的。

从图4中可以看出, 无线模块是主要能耗来源, 无线模块处于空闲状态的能耗几乎等于接收状态的能耗。为了有效节省能量, 应该尽可能使无线模块睡眠。无线模块能耗主要来源于发送电路, 功放及接收电路, 如图5所示。

因此, 若定义发送一个bit的总能量消耗为Eb, 则Eb满足式:

Eb=E${}_{\text{e}\text{l}\text{e}\text{c}}^{{\rm T}x}$+ERF+E${}_{\text{e}\text{l}\text{e}\text{c}}^{Rx}$

5 无线传感器网络的关键技术

(1) 网络安全

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, 研究节能的安全算法。由于无线传感器网络受到的安全威胁和移动与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。目前存在两种思路[6]:一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。另一种是把重点放在安全协议方面, 假定无线传感器网络的任务是为高级政要人员提供安全保护的, 提出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。

(2) 能量管理

传感器的电源能量极其有限。网络中的传感器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传感器网络应用的严重问题。商品化的无线发送接收器电源远远不能满足传感器网络的需要。传感器传输信息要比执行计算更消耗电能。传感器传输1位信息需要的电能足以执行3000条计算指令。需要研究在网络工作过程中节省能源, 在完成应用要求任务的前提下, 尽量延长整个网络系统的生存期。

(3) 数据融合

数据融合是将多份数据或信息进行综合, 以获得更符合需要的结果的过程。数据融合技术应用在传感器网络中, 可以在汇聚数据的过程中减少数据传输量, 提高信息的精度和可信度, 以及网络收集数据的整体效率。在应用层可以利用分布式数据库技术, 对采集到的数据进行逐步筛选;网络层的很多路由协议均结合了数据融合机制, 以期减少数据传输量;此外, 还有研究者提出了独立于其他协议层的数据融合协议层, 通过减少MAC层的发送冲突和头部开销达到节省能量的目的, 同时又不以损失时间性能和信息的完整性为代价。在传感器网络的设计中, 只有面向应用需求设计针对性强的数据融合方法, 才能最大程度的获益。

(4) 移动管理

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节点查询问题。对于资源有限的无线传感器网络, 最简单的资源查询方式—全局泛洪法显然不合适, 需要研究寻找更有效的资源查询方法。

(5) 扩展性

在无线传感器网络应用中, 网络的覆盖区域可能不同, 节点的个数也在不同变化, 如刚开始部署时, 节点比较密集个数多, 随着部分节点的电源耗尽, 节点密度和个数都减少, 这就要求网络的机制具有很强的可扩展性, 能够动态地适应网络规模和节点个数的变化, 保证网络应用的需求。

(6) 健壮性

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, 传感器节点的部署往往是随机部署, 如通过飞机或炮弹部署。这些都要求传感器节点非常坚固, 不易损坏, 适应各种恶劣环境条件。因此, 传感器网络的软硬件必须具有高强壮性和容错性。

6 目前正在研究的课题

对传感网的认识还需要考虑容错性、可测性、成本、硬件、拓扑变化、环境、以及功耗等因素。由于这些制约因素有:高度严格和具体的传感器网络, 新的无线Ad Hoc网络技术是必需的。许多研究人员目前正在开发需要不同层次的传感器网络协议栈技术, 如图3所示。表1中给出了目前无线传感网正在进行研究的项目[7]。

无线传感网的兼容性, 容错性, 高保真, 低成本, 和快速调度为遥感技术创造了新的、令人兴奋的应用领域。

摘要：针对日益发展的无线传感网络进行了综合研究, 介绍了无线传感网络的整体体系结构和节点形式, 并对传感网耗能特点及关键技术作了重点介绍, 同时对其广泛的应用前景及研究热点问题做了描述。

关键词：无线传感网,网络协议,关键技术,能量管理

参考文献

[1]贺文, 金向东.基于IEEE802154ZigBee的无线传感器网络研究[J].2008.5.

[2]Ian F Akyildiz, Weilian Su.A Survey on Sensor Networks[J].IEEECommunications Magazine, August 2006.

[3]袁勇, 杨宗凯.无线传感器网络节能传输技术研究[J].2007.11.

[4]杨晓宗, 李仁发.无线传感器网络中基于地理信息的能量有效路由算法研究[J].2008.3.

[5]赵晋, 柴乔林.无线传感器网络节点研究设计与实现[J].2008.4.

[6]CHEE-YEE CHONG.Sensor Networks:Evolution, Opportunities, andChallenges[J].PROCEEDINGS OF THE IEEE, AUGUST 2005, 91 (8) .

无线传感网技术 篇10

无线传感网是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成, 通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统, 其目的是协作感知、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, 是一种新型的无线通讯网络。它综合了传感器技术、嵌入式处理技术、无线通信及网络技术、分布式处理技术等多领域、多学科研究成果, 其具有类型众多的传感器, 可探测包括温度、湿度、噪声、亮度、压力、物体移动速度和方向等各种各样的物理现象, 在工业监控、农业、医疗卫生、智能家居等领域都有着广阔的应用前景。

Zigbee是目前应用最为广泛的无线传感网络协议, 是由Zigbee联盟在IEEE 802.15.4标准上定义了网络层、安全层及应用层等, 于2004年12月正式获得批准, 具有低功耗、低成本、大容量、短时延、协议简单和安全性高等优点, 无线传感网采用Zigbee技术具有良好的通用性和可扩展性。IEEE 802.15.4标准中有关物理层部分规定了两个工作频段, 分别位于2.4GHz、868/915 MHz频段。其中2.4GHz频段为全球统一的无需申请的ISM频段, 有助于Zig Bee设备推广和降低生产成本。2.4GHz频段物理层采用直接序列扩频技术的 (DSSS) O-QPSK调制方式能提供最高250kb/s的传输速率, 能够满足一般传感器节点的通信需求。

2 基于Zig Bee的无线传感网系统设计

无线传感网系统结构采用Zig Bee协议树状结构, 包括传感器节点、无线传感网网关和计算机。传感器节点由Zig Bee终端节点构成, 负责终端数据采集及收发功能, 传感器节点根据使用的传感器芯片不同, 可以采集温度、湿度、噪声、亮度、压力、物体移动速度或者方向等各种各样的物理数据及转发其子节点的数据, 这里以温湿度传感器为例。计算机负责监测、管理系统的运行, 无线传感网网关负责发出各种命令, 收集传感器节点数据并且通过网线接口与计算机进行通信, 计算机提供图形化的操作环境, 负责接收用户的指令和数据的显示。

在本系统中, 节点之间发送的查询请求和响应数据包都封装在Zig Bee协议的APL层负载中。数据帧的第一个字节用来标明数据包类型。系统共有5种类型数据包, 分别是:拓扑查询/响应, 属性查询/响应, 报警信息。系统的功能主要包括3个方面:建立全网拓扑结构;查询网络中节点属性和传感器数据, 如电池电量、节点所在地温度值;当节点某一属性或数据值超出阈值时发出报警信息。基于Zig Bee的无线传感网中, 由于传感器节点往往分布在环境及其恶劣的区域内, 有些区域甚至人员根本无法到达, 或者不允许布置过多的电缆, 如高压大电流的现场环境, 因此一般采用电池供电, 现在使用的电池能量非常有限, 而且由于更换电池的不便性, 为了提高单个电池的续航能力, 要求传感器节点具备非常低的功耗。基于降低功耗的考虑, 无线传感器节点必须具有低功耗的特点, 同时具备休眠机制, 下面具体介绍传感器节点的设计。

3 基于Zig Bee的无线传感器节点设计

无线传感器节点一般由处理器单元、无线传输单元、传感器单元和电源模块四部分组成。无线传输单元主要负责各传感节点之间的数据传输, 无线传输单元是整个传感器节点的关键组成部分, 决定了系统的灵敏度、信道传输质量、传输速率等性能指标。目前德州仪器 (TI) 、微芯 (Microchip) 、爱特梅尔 (Atmel) 等公司均推出了针对Zigbee应用的商用通信芯片, 著名的有TI的CC24xx及CC25xx系列、Microchip的MRF24J40芯片、Jennic的JN5148和JN513x系列、Atmel的AT86RF系列和ST的SN250、SN260等, 通常都将射频、模拟、数字基带处理模块甚至微控制器进行了单芯片集成。其中TI公司的CC2430尤其适合Zig Bee应用, CC2430在单个芯片上集成了Zig Bee射频 (RF) 前端、内存和微控制器。它包括1个8位MCU (8051) , 128 KB可编程闪存和8 KB的RAM, 还包含模拟数字转换器 (ADC) 、数个定时器 (Timer) 、AES128协同处理器、看门狗定时器 (Watchdog timer) 、32 k Hz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路 (Power On Reset) 、掉电检测电路 (Brown out detection) 等。CC2430芯片采用0.18μm CMOS工艺生产, 在接收和发射模式下, 电流损耗分别低于27 m A或25 m A, CC2430具有休眠模式, 并且转换到主动模式的时间超短, 特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。本系统即选用CC2430芯片作为传感器节点核心模块, 采用2节五号电池作为节点的电源, 可接受电压为2.0 V~3.6 V。传感器采用霍尼韦尔公司的数字式温湿度传感器HIH-6130, 这种传感器将湿度传感器与温度传感器组合在一个封装内, 并实现数字输出, 具有行业内领先的精度和稳定性, 可以帮助企业减低成本、减少能耗。

无线传感器节点中单片机8051的程序编译完成后, 将二进制的可执行代码烧录到CC2430芯片中。并且协议栈的物理层 (PHY) 、介质访问控制层 (MAC) 按照802.15.4标准编写;网络层 (NWK) 实现了简单的树形路由机制, 每个节点维护一张表格来记录其父节点和子节点的地址信息;应用层 (APL) 封装了部分节点发送和接收数据的接口以及一些具体应用的函数调用。系统的主要功能实现在应用层代码中, 同时部分修改了原协议栈的网络层的代码。

结语

本文在概述无线传感网和ZigBee技术的相关特性基础上, 分析了无线传感网系统设计, 并以CC2430模块为硬件基础设计了传感器节点, 设计了一个基于Zig Bee协议的无线传感网原型系统。

参考文献

[1]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.

[2]IEEE 802.15.4-2006.Part 11:Wireless medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications for low-rate wireless personal area networks (WPANs) [S], IEEE Computer Society, 2006.

[3]孟文超, 董辉.基于无线传感网的远程心电监护终端.机电工程, 2011.1

[4]蹇兆文.基于无线传感网的工厂环境监控系统设计.信息技术, 2012.1