无线的传感器网络

无线的传感器网络（精选12篇）

无线的传感器网络 篇1

目前，随着传感器、计算机、通信技术、集成电路、微机电系统以及纳米等技术和生产工艺的飞速发展，低成本、低功耗、多功能的集成微型传感器的大量生产，已成为可能。这种微型集成传感器，多种电路模块包括传感器、微处理器、双向无线通信模块和供电模块等集成在微小的体积内。因为微型传感器体积小、重量轻，有的已经缩小到了沙粒般大小，甚至可以像灰尘一样在空气中浮动，所以人们又称无线传感器网络为“智能微尘。将来，无线传感器网络会像灰尘一样散布在人类周围，相互定位，实时地感知物理世界的变化，并根据人的反应做出控制和改变。

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.

[2]GayD, LevisP, CullerD, eta.l nesC1.1 Language referencemanual[EB/OL].http://nescc.sourceforge.net/papers/nesc-re.f pdf, 2005, 12.

无线的传感器网络 篇2

实验报告

2015 5--2016 6 学年第 一 学期

开 课 单 位

海洋信息工程学院

适用年级、专业

课 程 名 称

无线传感器网络

主 讲 教 师

王晓莹

课 程 序 号

1510344

课 程 代 码

BS1620009X0

实 验 名 称

ns2 实验环境配置及应用

实 验 学 时学时

学

号

姓

名

一、

实验目的1)掌握虚拟机的安装方法。

2)熟悉 Ubuntu 系统的基本操作方法。

3)掌握 ns2 环境配置。

4)掌握 tcl 语言的基本语句及编程规则。

5)了解使用 ns2 进行网络仿真的过程。

二、

实验环境

1)系统：Windows 10 专业版 64 位 2)内存：8G 3)软件：VMware Workstation 12 Pro 三、实验内容

((一 一))安装虚拟机（简述安装步骤）

a)在 VMware 官网（https://#allinone 复制到根目录，解压到当前位置 tar xvfz ns-allinone-2.35.tar.gz

在根目录下打开 ns-allinone-2.35 文件夹，在里面找到 ns-2.35 打开找 linkstate文 件 夹，打 开 里 面 的 ls.h 文 件，将 第 137 行 的 void eraseAll(){ erase(baseMap::begin(), baseMap::end());} 改成 void eraseAll(){ this->erase(baseMap::begin(), baseMap::end());}

运行 cd./ns-allinone-2.35 运行./install #进行安装

d)设置环 境变量：

终端中输入 cd，返回根目录，然后

sudo gedit.bashrc 在文件末尾加入：

export PATH=“$PATH:/home/kevin/ns-allinone-2.35/bin:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tcl8.5.10/unix:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tk8.5.10/unix” export LD_LIBRARY_PATH=“$LD_LIBRARY_PATH:/home/kevin/ns-allinone-2.35ns-allinone-2.35/otcl-1.14:/home/kevin/ns-allinone-2.35/lib” export TCL_LIBRARY=“$TCL_LIBRARY:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tcl8.5.10/library” 保存退出

e)验证 完成后在新终端窗口 输入 ns 出现%

测试：

ns./ns-allinone-2.35/ns-2.35/tcl/ex/simple.tcl

输入 exit 退出 ns2

((四 四))l tcl 语言基本使用（举例说明）

a)创建 test01.tcl 文件，编辑 test01.tcl 文件,在终端输入 touch test01.tcl #创建文件 gedit test01.tcl #编辑文件 b)在 test01.tcl 中输入“九九乘法表”TCL 语言

c)运行 test01.tcl，结果如图：

((五 五))网络仿真（可以选示例，也可以自己参考资料设计仿真）

((六 六))遇到的问题及解决方法

1.Ns2 验证：安装完成后在新终端窗口 输入 ns 不出现 %

使用 sudo apt-get install ns2 安装后新窗口输入 ns 出现 %

2.TCL 语言测试：找不到 tk.tcl

ns./ns-allinone-2.35/ns-2.35/tcl/ex/simple.tcl 提示找不到 tk.tcl，因为没安装 nam，输入命令 sudo apt-get install nam 安装成功，再验证就可以了。

四、

实验总结

刍议无线传感器网络的应用技术 篇3

关键词：无线传感器；网络；应用技术

近年来，随着距离近、功耗低的无线通信技术的发展，能够通过微小的芯片感知外部环境而发出逻辑命令的片上系统随之出现。而无线传感器网络WSN就是由大量这种具有片上系统感知、运算功能的微型传感器节点所构成的网络。通过这些节点间的相互传递信息、不间断的检测、感知并处理网络覆盖范围内的各种环境或各个对象的数据，从而得到系统而精准的信息并把这些有效信息发送到需求的用户。

一、无线传感器网络的特点

（一）硬件资源和电源容量有限

传感器的节点注重小体积、低功耗的功能实现，必然会在计算性能、程序容量和内存大小等方面远远小于正常规格的计算机，因此在节点的操作系统设计中，不易设计过于繁复的层级。同时，电池是网络节点的主要能量来源，但是这里的电池一般都是低容量的，如果在一些应用领域中存在特殊的使用情况，可能没有办法给电池及时充电或者替换新电池，电池的能量使用没了以后这个节点也会随之失效，这个特性就决定了传感器的设计中在每个环节都要重视节能的特性。

（二）节点密集分布

无线传感器通过节点间不断的自身调节以更好的状态适应外部环境，保证工作的稳定性与高效性。可以提高区域内对信息的抽样效率，能够明显提高监测的准确度，并能有效减轻单一传感器节点监测精准度的负担。另外，通过节点的紧密排布，在固定空间内会产生很多多余的节点，这些多余的节点有利于增强系统的容错性能，从而减轻了单一传感器在稳定度方面的要求。节点的紧密排布也有利于合理的调整休眠期，是增加了网络的使用寿命的有效手段。

（三）自组织网络

选择自组织工作方式是由无线传感器的自身特性所决定的。一是无线传感器的应用环境中很少有固定化的网络设施支持；二是传感器的节点的部署方式通常都没有规律可言，节点间的位置关系以及互为相邻的关系是不能提前预知的；三是传感器的节点由于电池的能量小容易被快速消耗而失去作用，并且收到外界环境的影响也可能会失效。其中的部分节点为了补充那些不起作用的节点并且为了增加检测的精密度而被填补进来，加之节点可能转移或者处于休眠调度机制中，因此网络总是处在实时的变动过程。

二、无线传感器网络的应用

（一）军事应用

军事方面的需要才促使了无线传感器的产生，无线传感器的自身设计理念是非常适合在军事上的应用的。无线传感器在军事领域的应用主要是收集情报、追踪敌人、监视敌情、分类目标。无线传感器的内置部件都是低成本低功耗的节点，并且自行组织力和容错能力也都很强，即便在局部节点收到刻意的破坏后，也不会引起整体的系统故障，基于这两点特性才能够保障无线传感器网络可以在战场上这种环境恶劣的条件下的正常工作，提供精准无误的数据传输以最大限度的减少伤亡。无线传感器除了在战争时期的应用，在如今世界局势比较稳定的情况下也能发挥着重要的国土安全保卫功能和边境的监控职能。

（二）环境科学

在进行环境科学的研究过程中可知，单纯依靠传统的采集方式来获得数据是非常困难的，而通过无线传感网络广泛的布置节点，并依靠节点之间的相互配合与协调共同作用，进行自动化的配置、管理、调度的流程来跟踪鸟类和昆虫的迁移活动并记录它们的生活习性。传感器网络还可以实现对土壤状态的检测，通过传感器来监测降水量、分析河水的水位以及土壤的水分，相类似的也可以运用到对森林火情的预报、天气情况的预报，对农业耕种中病虫害问题、土壤的酸碱度以及肥料是否充分等问题的监测等。

（三）医疗健康

无线传感器网络中分布着数量巨大的类似的或者不相同的传感器节点，它们紧密的排布在监测区域内。利用无线传感器微小的特点则可以在医学领域发挥其重要的作用。医生可以利用传感器来进行对病人血压和心率等指标的监测，而且通过传感器网络，医生可以及时的掌握病人病情的动态情况，并加以恰当的处理。也可以通过传感器网络进行持久连续性的收集医学实验对象的各项生理指标的信息，是对传统数据信息收集的创新改革，为医学的研究提供了基础的数据。另外，在医药管理方面无线传感器也有着其特殊的用途，无线传感器为促进远程医疗的进展提供了更为有效的实现手段。

三、结语

无线传感器网络在通讯、节能和网络控制等方面有着比较系统的解决方案，因此为其真正投放到实际领域打下了坚实的基础。而且无线传感器网络自身具有的低耗节能的优势，有利于其可以在一定区域内大面积的散布，具有广泛的应用价值。（作者单位：海南师范大学）

参考文献：

[1] 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（01）.

[2] 杨卓静，孙宏志，任晨虹.無线传感器网络应用技术综述[J].中国科技信息，2010（13）.

无线传感器网络的应用 篇4

关键词：无线传感器网络,智能家居

1 无线传感器网络研究背景以及发展现状

随着半导体技术、通信技术、计算机技术的快速发展, 90年代末, 美国首先出现无线传感器网络 (WSN) 。1996年, 美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年, UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里, WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注, 成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一, 麻省理工学院 (MIT) 技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。WSN是由布置在监测区域内传感器节点以无线通信方式形成一个多跳的无线自组网 (Ad hoc) , 其目的是协作地感知, 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。传感器、感知对象和观察者是WSN的三要素。将Ad hoc技术与传感器技术相结合, 人们可以通过WSN感知客观世界, 扩展现有网络功能和人类认识世界的能力。WSN技术现已经被广泛应用。图1为WSN基本结构。

WSN经历了从智能传感器、无线智能传感器到无线传感器的三个发展阶段。智能传感器将计算能力嵌入传感器中, 使传感器节点具有数据采集和信息处理能力。而无线智能传感器又增加了无线通信能力, WSN将交换网络技术引入到智能传感器中使其具备交换信息和协调控制功能。

无线传感网络结构由传感器节点、汇聚节点、现场数据收集处理决策部分及分散用户接收装置组成。节点间能够通过自组织方式构成网络。传感器节点获得的数据沿着相邻节点逐跳进行传输, 在传输过程中所得的数据可被多个节点处理, 经多跳路由到协调节点, 最后通过互联网或无线传输方式到达管理节点, 用户可以对传感器网络进行决策管理、发出命令以及获得信息。无线传感器网络在农业中的运用是推进农业生产走向智能化、自动化的最可行的方法之一。近年来国际上十分关注WSN在军事、环境、农业生产等领域的发展, 美国和欧洲相继启动了WSN研究计划。我国于1999年正式启动研究。国家自然科学基金委员会在2005年将网络传感器中基础理论和关键技术列入计划, 在一篇我国未来20年预见技术调查报告中, 信息领域157项技术课题中7项与传感器网络有直接关系, 2006年初发布的《国家长期科学与技术发展规划纲要》明确地提出了信息技术的三个前沿方向, 其中有两项与无线传感器网络直接相关。我国2010年远景规划和“十五”计划中, 将WSN列为重点发展产业之一。

2 无线传感器网络的智能家居网络

在智能家居无线网络中最基本的单元是无线传感器节点, 它的功能是负责传感和对信息预处理, 响应监控主机的指令发送数据。每一个传感器节点主要由4个系统组成:由微处理器或微控制器构成的计算子系统;用于无线通信的短距离无线收发电路, 即通信子系统;将节点与物理世界联系起来, 由一组传感器和激励装置构成的传感子系统;能量供应子系统, 包括电池和AC-DC转换器。节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或类头节点的角色。除此之外根据具体应用的需要, 可能还会有定位系统、电源再生单元和移动单元等。其硬件结构如图2所示。

由于家居环境的特点, 智能家居网络的无线传感器节点必须具有低功耗的特点, 为了解决这个问题, 在无线传感器节点的无线收发电路部分采用了基于IEEE802.15.4技术的无线收发芯片。IEEE 802.15.4技术是专为低功耗的无线互联应用而设计的。而基于这种技术的无线芯片能够很好地解决低能耗问题。无线传感器网络的数据传输易出错, 由于家居内的干扰源较多, 搜寻的是可达设备后, 相应的1evel值在原来的基础之上加1, 作为当前的1evel值并保存。它所表达的实际物理意义是数据在传输过程中将会使设备多进行一次数据的转发。数据在网络中传送时, 通过路由算法, 保证数据经过最佳路径, 让数据安全、快速地从发送设备到达目的设备。

3 目前几种近距离居家无线技术分析

3.1 Wi-Fi技术

Wi-Fi (Wireless Fidelity, 无线高保真) 是一种无线通信协议, 正式名称是IEEE802.1lb, 与Bluetooth一样, 同属于短距离无线通信技术。Wi-Fi速率最高可达11Mb/s, 虽然在数据安全性方面比Bluetooth技术要差一些, 但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹, 可达100m左右。

Wi-Fi是以太网的一种无线扩展, 理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内, 就能以最高约11Mb/s的速度接入Web。但实际上, 如果有多个用户同时通过一个点接入, 带宽被多个用户分享, Wi-Fi的连接速度一般将只有几百kb/s。信号不受墙壁阻隔, 但在建筑物内的有效传输距离小于户外。

3.2 Bluetooth技术

Bluetooth技术是近几年出现的, 广受业界关注的近距无线连接技术。它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范, 它以低成本的短距离无线连接为基础, 可为固定的或移动的终端设备提供廉价的接入服务。

Bluetooth技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范, 其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口, 将通信技术与计算机技术进一步结合起来, 使各种设备在没有电线或电缆相互连接的情况下, 能在近距离范围内实现相互通信或操作。其传输频段为全球公众通用的2.4GH:ISM频段, 提供1Mb Ps的传输速率和10m的传输距离。

3.3 Ir DA技术

Ir DA是一种利用红外线进行点对点通信的技术, 是第一种实现无线个人局域网 (PAN) 的技术。目前它的软硬件技术都很成熟, 在小型移动设备, 如PDA、手机上广泛使用。

Ir DA的主要优点是无需申请频率的使用权, 因而红外通信成本低廉。并且还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外, 红外线发射角度较小, 传输上安全性高。

Ir DA的不足在于它是一种视距传输, 两个相互通信的设备之间必须对准, 中间不能被其他物体阻隔, 因而该技术只能用于2台 (非多台) 设备之间的连接。而Bluetooth就没有此限制, 且不受墙壁的阻隔。Ir DA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。

3.4 NFC技术

NFC是由Philips、NOKIA和Sony主推的一种类似于RFID (非接触式射频识别) 的短距离无线通信技术标准。和RFID不同, NFC采用了双向的识别和连接, 在20cm距离内工作于13.56MHz频率范围。

NFC最初仅仅是遥控识别和网络技术的合并, 但现在已发展成无线连接技术。它能快速自动地建立无线网络, 为蜂窝设备、Bluetooth设备、Wi-Fi设备提供一个/虚拟连接, 使电子设备可以在短距离范围进行通讯。NFC的短距离交互大大简化了整个认证识别过程, 使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清楚, 不用再听到各种电子杂音。

NFC通过在单一设备上组合所有的身份识别应用和服务, 帮助解决记忆多个密码的麻烦, 同时也保证了数据的安全保护。有了NFC, 多个设备如数码相机、PDA、机顶盒、电脑、手机等之间的无线互连, 彼此交换数据或服务都将有可能实现。NFC被置入接入点之后, 只要将其中两个靠近就可以实现交流, 比配置Wi-Fi连结容易得多。

4 需要解决的问题

就目前的技术水平来说, 让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题。

(1) 网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中, 信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响, 怎么安全有效地进行通信是个有待研究的问题。

(2) 成本问题。在一个无线传感器网络里面, 需要使用数量庞大的微型传感器, 这样的话成本会制约其发展。

(3) 系统能量供应问题。目前主要的解决方案有:使用高能电池;降低传感功率;此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。其中后两者备受关注。

(4) 高效的无线传感器网络结构。无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术, 有多种形态和方式, 合理的无线传感器网络可以最大限度地利用资源。在这里面, 还包括网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。

总之。无线传感器网络应用前景非常诱人。无线传感器网络 (WSN) 被认为是影响人类未来生活的重要技术之一, 这一新兴技术为人们提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径。由于WSN本身的特点, 使得它与现有的传统网络技术之间存在较大的区别, 给人们提出了很多新的挑战。由于WSN对国家和社会意义重大, 国内外对于WSN的研究正热烈开展, 希望通过本文能够引起测控领域对这一新兴技术的重视, 推动对这一具有国家战略意义的新技术的研究、应用和发展。

参考文献

[1]孙利民, 李建中, 陈渝, 等.无线传感网络[M].清华大学出版社2005.5 (第一版) .

[2]崔莉, 鞠海玲, 苗勇, 李天璞, 刘巍, 赵泽.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与发展, 2005, 42 (1) :163-174.

[3]钱春丽, 张兴敢.用于矿井环境监测的无线传感器网络[J].电子技术应用, 2006 (9) .

[4]郑君刚, 吴成东, 张家瑞, 等.基于蓝牙技术的个人局域网在智能家居中的应用[J].建筑智能化, 2004, (8) :25-29.

[5]郑增威, 吴朝晖, 金水祥.无线传感器网络及其应用[J].计算机科学, 2003, 30 (10) :138-140.

[6]于海斌.智能无线传感器网络系统[M].科学出版社, 2006.

无线的传感器网络 篇5

摘 要

物联网，是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，是一个全新的技术领域，给IT和通信带来了广阔的新市场。积极发展物联网技术，尽快扩展其应用领域，尽快使其投入到生产、生活中去，将具有重要意义。

ZigBee无线通信技术是一种新兴的短距离无线通信技术，具有低功耗、低速率、低时延等特性，具有强大的组网能力与超大的网络容量，可以广泛应用在消费电子品、家居与楼宇自动化、工业控制、医疗设备等领域。由于其独有的特性，ZigBee无线技术也是无线传感器网络的首选技术，具有广阔的发展前景。ZigBee协议标准采用开放系统接口(051)分层结构，其中物理层和媒体接入层由IEEE802.15.4工作小组制定，而网络层，安全层和应用框架层由ZigBee联盟制定。

本文首先从概念、技术架构、关键技术和应用领域介绍了物联网的相关知识，然后着重介绍了基于ZigBee的无线传感器网络，其中包括无线传感网简介、ZigBee技术概述和基于ZigBee的无线组网技术。

关键词：物联网；ZigBee；无线传感器网络

物联网简介

物联网概念

“物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。其定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。

最简洁明了的定义：物联网(Internet of Things)是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。

技术架构

从技术架构上来看，物联网一般可分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层是物联网的皮肤和五官-用于识别物体，采集信息。感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、M2M终端、传感器网关等，主要功能是识别物体、采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用类似。感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题。它首先通过传感器、数码相机等设备，采集外部物理世界的数据，然后通过RFID、条码、工业现场总线、蓝牙、红外等短距离传输技术传递数据。感知层所需要的关键技术包括检测技术、短距离无线通信技术等。

网络层是物联网的神经中枢和大脑-用于传递信息和处理信息。网络层包括通信网与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。网络层解决的是传输和预处理感知层所获得数据的问题。这些数据可以通过移动通信网、互联网、企业内部网、各类专网、小型局域网等进行传输。特别是在三网融合后，有线电视网也能承担物联网网络层的功能，有利于物联网的加快推进。网络层所需要的关键技术包括长距离有线和无线通信技术、网络技术等。应用层是物联网的“社会分工”-结合行业需求，实现广泛智能化。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，结合行业需求实现行业智能化，这类似于人的社会分工。

应用层解决的是信息处理和人机交互的问题。网络层传输而来的数据在这一层进入各类信息系统进行处理，并通过各种设备与人进行交互。这一层也可按形态直观地划分为两个子层。一个是应用程序层，进行数据处理，它涵盖了国民经济和社会的每一领域，包括电力、医疗、银行、交通、环保、物流、工业、农业、城市管理、家居生活等，其功能可包括支付、监控、安保、定位、盘点、预测等，可用于政府、企业、社会组织、家庭、个人等。这正是物联网作为深度信息化的重要体现。另一个是终端设备层，提供人机接口。物联网虽然是“物物相连的网”，但最终是要以人为本的，还是需要人的操作与控制，不过这里的人机界面已远远超出现时人与计算机交互的概念，而是泛指与应用程序相连的各种设备与人的交互。图1为物联网网络构架。

图1 物联网网络构架

关键技术

一、感知层

    传感器技术：感知物资信息 RFID技术：智能识别

微机电系统（MEMS）：采集信息 GPS/GIS技术：全球定位/地理信息系统

二、网络层

   无线传感器网络（WSN）技术

Wi-Fi（Wireless Fidelity,无线保真技术）

通信网、互联网、3G网络、IPV6（让世界的第一粒都拥有一个IP地址）

 GPRS网络（基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接）



三、应用层

      企业资源计划（ERP：Enterprise Resource Planning）专家系统（Expert System)

云计算（Cloud Computing）系统集成（System Integrate）行业应用（Industry Application）资源打包（Resource Package）

广电网络、NGB（下一代广播电视网）

应用领域

1.城市市政管理应用 2.农业园林 3.医疗保健 4.智能楼宇 5.交通运输

图2为物联网网络架构及物联网应用领域。

图2 物联网网络架构及物联网应用领域

基于ZigBee的无线传感器网络

物联网组网采用分层的通信系统架构，包括感知延伸系统、传输系统、业务运营管理系统和各种应用，在不同的层次上支持不同的通信协议。

无线传传感器网络简介

电系统（MEMS)、片上系统（SOC）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就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自组织网络。

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Wireless 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。在这个定义中，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。

无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术，能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监测、感知和采集，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的连通。

所谓无线传感器网络由大量部署在目标区域内的，具备感知、无线通信与计算能力的微小传感器节点所构成的分布式网络系统。传感器网络节点的组成和功能包括如下四个基本单元：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、嵌入式操作系统以及节点应用程序等组成)、通信单元(由无线通信模块组成)、以及供电单元(电池、太阳能或其他方式)。传感器网络可以根据当时的情况通过自组织方式构成动态的网络拓扑结构。传感器网络节点间一般采用多跳的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到互联网，使用户可以远程访问。

无线网络技术按照传输范围来划分，可以分为无线广域网（WWAN），无线城域网（WMAN），无线局域网（WLAN）和无线个人域网（WPAN）。其中的无线个人域网就是所谓的短距离无线网络，各种短距离无线传输技术层出不穷：蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、Wi-Fi、无线USB，无载波通信技术（UWB）等, 其中蓝牙（Bluetooth）、UWB和ZigBee是最受产业界关注的三种标准。Bluetooth虽然成本低，成熟度高，具有多种规范，但是其传输距离有限，仅为10米，只能组成最多8个节点的星状网，电池也仅能维持数周。UWB虽然可以实现高达几百Mbps的传输速率，但是其覆盖距离仅为10米，这决定了它主要被用作消费产品中的视频和高速数据解决方案，目前UWB没有网状网络能力。Wi-Fi虽然传输速度可以达到11Mbps，传输距离达到100米，但是其价格相对教昂贵，且功耗大，组网能力差。ZigBee技术专注于低成本，低功耗和低速率的无线通信市场，因此非常适合应用于物联网无线传感器网络中来。

ZigBee技术概述

ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。ZigBee协议规范使用了IEEE 802.15.4定义的物理层(PHY)和媒体介质访问层(MAC)，并在此基础上定义了网络层(NWK)和应用层(APL)架构。

基于ZigBee技术的无线传感器网络应用在ZigBee联盟和IEEE 802.15.4组织的推动下，结合其他无线技术可以实现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有极高的应用价值，而且在未来其应用更将扩展到涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域。IEEE 802.15.4标准 1.物理层(PHY)规范

物理层定义了物理无线信道和与 MAC 层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务是从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。物理层功能相对简单，主要是在硬件驱动程序的基础上，实现数据传输和物理信道的管理。数据传输包括数据的发送和接收；管理服务包括信道能量监测(energy detect，ED)，链接质量指示(Link quality indication，LQI)和空闲信道评估(clear channel assessment,CCA)等。2.媒体介质访问层(MAC)规范

MAC 层提供两种服务：MAC层数据服务和 MAC 层管理服务。前者保证 MAC 协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，而后者从事 MAC层的管理活动，并维护一个信息数据库。

MAC 层的主要功能包括如下7个方面：

1.网络协调者产生并发送信标帧(beacon)；

2.设备与信标同步；

3.支持RAN 网络的关联(association)和取消关联(disassociation)操作 4.为设备的安全性提供支持；

5.信道接入方式采用免冲突载波检测多路访问(CSMA-CA)机制；

6.处理和维护保护时隙(GTS)机制；

7.在两个对等的 MAC 实体之间提供一个可靠的通信链路。ZigBee技术简介

ZigBee 协议标准采用分层结构，每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实体提供数据传输服务；管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接人点 SAP 为上层提供接口，每个 SAP 都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能。ZigBee 标准的分层架构是在OSI 七层模型的基础上根据市场和应用的实际需要定义的。其中 IEEE 802.15.4—2003 标准定义了底层协议：物理层(physical layer，PHY)和媒体访问控制层(medium access control sub—layer，MAC)。ZigBee 联盟在此基础上定义了网络层(network layer,NWK)，应用层(application layer，APL)架构。在应用层内提供了应用支持子层(application support sub—layer，APS)和 ZigBee 设备对象(ZigBee device object，ZDO)。应用框架中则加入了用户自定义的应用对象。ZigBee 协议的体系结构如图3所示。

图3 ZigBee 协议体系结构

ZigBee 的网络层采用基于 Ad Hoc 的路由协议，除了具有通用的网络层功能外，还应该与底层的 IEEE 802.15.4标准一样功耗小，同时要实现网络的自组织和自维护，以最大限度方便消费者使用，降低网络的维护成本。应用支持子层把不同的应用映射到 ZigBee网络上，主要包括安全属性设置、业务发现、设备发现和多个业务数据流的汇聚等功能。1.网络层(NWK)规范

网络层负责拓扑结构的建立和维护网络连接，主要功能包括设备连接和断开网络时所采用的机制，以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制。此外，还包括设备的路由发现和路由维护和转交。并且，网络层完成对一跳(one—hop)邻居设备的发现和相关结点信息的存储。一个ZigBee协调器创建一个新网络，为新加入的设备分配短地址等。并且，网络层还提供一些必要的函数，确保ZigBee的 MAC 层正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口。2.应用层(APL)规范

在ZigBee协议中应用层是由应用支持子层、ZigBee 设备配置层和用户应用程序来组成的。应用层提供高级协议栈管理功能，用户应用程序由各制造商自己来规定，它使用应用层来管理协议栈。3.应用支持子层(APS)APS 子层通过 ZigBee 设备对象(ZD0)和制造商定义的应用对象所用到的一系列服务来为网络层和应用层提供接口。APS 子层所提供的服务由数据服务实体(APSDE)和管理服务实体(APSME)来实现。APSDE通过数据服务实体访问点(APSDE—SAP)来提供数据传输服务。APSME 通过管理服务实体访问点(APSME—SAP)来提供管理服务，它还负责对 APS 信息数据库(AIB)的维护工作。

基于ZigBee的无线组网技术

ZigBee网络体系

ZigBee网络中存在两种功能类型的设备，三种节点类型，三种拓扑结构及两种工作模式。

● 功能类型

ZigBee网络含全功能设备FFD（Full Function Device）和精简功能设备RFD（Reduced Function Device）两种功能类型的设备。全功能器件拥有完整的协议功能，在网络中可以作为协调器（Coordinator）、路由器（Router）和普通节点（Device）而存在。而精简功能器件旨在实现最简单的协议功能而设计，只能作为普通节点存在于网络中。全功能器件可以与精简功能器件或其他的全功能器件通信，而精简功能器件只能与全功能器件通信，精简功能器件之间不能直接通信。ZigBee网络要求至少有一个全功能设备作为网络协调器。

● 节点类型

ZigBee网络包含三种类型的节点，即协调器ZC（ZigBee Coordinator）、路由器ZR（ZigBee Router）和终端设备ZE（ZigBee EndDevice），其中协调器和路由器均为全功能设备（FFD），而终端设备选用精简功能设备（RFD）。

协调器：一个ZigBee网络PAN（Personal Area Network）有且仅有一个协调器，该设备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的绑定关系表等，需要最多的存储空间和计算能力。

路由器：主要实现扩展网络及路由消息的功能。扩展网络，即作为网络中的潜在父节点，允许更多的设备接入网络。路由节点只有在树状网络和网状网络中存在。

终端设备：不具备成为父节点或路由器的能力，一般作为网络的边缘设备，负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动通讯，具体的信息路由则全部交由其父节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成。

● 拓扑结构

ZigBee网络支持星状网（Star Network），树状网（Cluster tree Network）和网状网（Mesh Network）三种网络拓扑结构如图2-1所示，依次是星状网络，树状网络和网状网络，在图4中的C表示PAN协调器，F表示全功能设备，R表示精简功能设备。

图4 星状网、树状网和网状网三种拓扑结构

星形网（Star）是由一个ZigBee协调器和一个或多个ZigBee终端节点组成的。ZigBee协调器必须是FFD，它位于网络的中心，负责发起建立和维护整个网络，其它的节点（终端节点）一般为RFD，也可以为FFD，它们分布在ZigBee协调器的覆盖范围内，直接与ZigBee协调器进行通信。星形网的控制和同步都比较简单，通常用于节点数量较少的场合。星型网络拓扑的最大优点是结构简单，无需其他路由信息，一切数据包均通过ZigBee协调器。其缺点是限制了无线网络的覆盖范围，很难实现高密度地扩展，最多支持两跳网络，适用于小型网络。目前为止，星形拓扑是最常见的网络配置结构，被大量应用在远程监测和控制终端设备的通信。

网络协调器要为网络选择一个唯一的标识符，所有该星型网络中的设备都是用这个标识符来规定自己的属主关系。不同星型网络之间的设备通过设置专门的网关完成相互通信。选择一个标识符后，网络协调器就允许其他设备加入自己的网络，并为这些设备转发数据分组。星型网络中的两个设备如果需要互相通信，都是先把各自的数据包发送给网络协调器，然后由网络协调器转发给对方。

树状网络（Cluster tree Network）由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成，枝干末端的叶子节点一般为RFD，设备除了能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通讯外，其他只能通过树状路由完成数据和控制信息的传输。ZigBee 协调器比网络中的其它路由器具有更强人的处理能力和存储空间。树状网络的一个显著优点就是它的网络覆盖范围较大，但随着覆盖范围的增加，信息的传输时延也会增大。

在建立树状网络时，ZigBee协调器建立网络后，先选择网络标识符，将自己的短地址设置为0，然后向它邻近的设备发送信标，接受其他设备的连接，形成树的第一级，此时ZigBee协调器与这些设备之间形成父子关系。与ZigBee协调器建立连接的设备都分配了一个16位的网络短地址。如果以终端设备的身份与网络连接，则ZigBee协调器分配一个唯一的16位网络地址；如果以路由器的身份与网络连接，则协调器会为它分配一个地址块（包含有若干16位短地址）。路由器根据它接收到的协调器信标的信息，配置并发送它自己的信标，允许其他的设备与自己建立连接，成为其子设备。由此可见，路由器转发消息时通过计算与目标设备的关系，从而决定向自己的父节点转发还是某个子节点转发。

网状网络（Mesh Network）一般是由若干个FFD连接在一起组成骨干网，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信，即允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连。但它们中也有一个会被推荐为ZigBee协调器。网状网络是树状网络基础上实现的，与树状网络不同的是，它是由路由器中的路由表配合来实现数据的网状路由的。Mesh网是一种高可靠性网络，具有“自恢复”能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择，但正是由于两个节点之间存在多条路径，它也是一种“高冗余”的网络。该拓扑的优点是减少了消息延时、增强了可靠性，缺点是需要更多的存储空间开销。

● 工作模式

ZigBee网络的工作模式可以分为信标模式和非信标模式两种。信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度地节省功耗，而非信标模式只允许ZE进行周期性休眠，ZC和所有ZR设备长期处于工作状态。

在信标模式下，ZC负责以一定的间隔时间（一般在15ms-4mins之间）向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各个时槽内发送。

非信标模式下，ZigBee标准采用父节点为ZE子节点缓存数据，ZE主动向其父节点提取数据的机制，实现ZE的周期性（周期可设置）休眠。网络中所有的父节点需要为自己的ZE子节点缓存数据帧，所有ZE子节点的大多数时间都处于休眠状态，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，并向父节点提取数据，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。

简单的概括为：两种设备，三种节点类型，三种拓扑结构及两种工作模式。1.全功能设备FFD，精简功能设备RFD 2.协调器，路由器，终端设备

3.星状网，树状网，网状网

4.信标模式 ,非信标模式(信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度地节省功耗；而非信标模式只允许ZE进行周期性休眠，ZC和所有ZR设备长期处于工作状态)。

图5为基于ZigBee的无线传感器网络在物联网中的应用。

无线的传感器网络 篇6

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：

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[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.

无线传感器网络中的网络管理 篇7

无线传感器网络(WSN)综合了微电子技术、无线通信技术、网络技术、嵌入式计算技术、分布式计算技术等一系列先进技术,提供了分布式计算环境下远程监测和控制的手段,在环境监控、公共安全、医疗卫生、通信和军事等诸多领域有广泛的应用,也越来越受到研究和工程人员的关注,是下一代信息化浪潮的核心。

WSN网络管理是一个新的研究领域。WSN的早期研究认为传感器节点是一次使用的,并且非常便宜,可以进行大批量高密度部署,但技术的发展还达不到这种理想的程度,传感器节点资源有限,价格不菲,需要高效地使用。与此同时,人们期望WSN能够同时支持多种应用,而不是针对每种应用都部署一个新的WSN。因此,就需要展开WSN网络管理研究,保障WSN能够可靠、有序和高效的运行。初步研究已经揭示出众多有挑战的内容,WSN的性能与其内在的很多因素有关,如流量分布、拓扑结构、通信和路由协议等。同时,这些因素之间相互作用的机理仍不明确。部署环境对WSN也有重要影响,如温度、湿度、电磁干扰等。总之,由于WSN自身特点,使得其管理系统研究很重要,且与计算机网络管理系统将有根本区别。

1 WSN网络管理概述

1.1 WSN网络管理的必要性

任何一个网络都需要管理,才能保证其可靠高效的运行,WSN由于其自身特点,网络管理显得尤为重要。WSN是应用型网络,应用需求的多样性,决定了WSN从结构到功能的巨大差异。每个应用都需要处理WSN的特有问题,通常这些问题的解决需要紧密结合应用逻辑,从而会产生完全不同的解决方案。如事件驱动的网络,需要着重考虑消息传递的可靠性,而对于网络流量方面就不必关心太多;而对于周期性的连续数据采集网络,首先要考虑的应该是网络是否能够承受相应流量,必要的话,信息融合、压缩,甚至丢包都是需要考虑的。所以,应用逻辑的差异,导致WSN在路由选择、能量管理、带宽使用以及功能分配等一系列设计问题上有完全不同的方案。由于WSN节点能量有限,无线通信不稳定、带宽窄,WSN比计算机网络更容易出现故障,应用需要投入更多精力处理应用逻辑无关的故障管理、能量管理、带宽管理等问题。另一方面,传感器节点价格还不够低廉,人们也希望,同一网络能够支持多种应用。为解决上述这些问题,就需要单独考虑WSN网络管理,将WSN网络管理功能从应用逻辑中剥离,形成公共支撑功能,辅助上层应用设计。此外,随着WSN应用日益广泛,部署了大量的WSN,WSN协作完成任务的需求也逐渐显现,也需要WSN网络管理来支持WSN协作。因此,无论是WSN网络维护还是支持应用开发,都需要研究WSN网络管理。

1.2 WSN网络管理的研究内容和面临挑战

由于WSN自身特点,应用需要考虑大量应用逻辑之外的功能,将这些功能分离,作为WSN网络管理的内容,能够有效地支持WSN应用的设计和实现。WSN网络管理的目标是定义和实现一组功能,完成对各种WSN网络元素和服务的配置、操作、管理和维护,通过提供这些功能提升WSN网络的使用效率。通过分析WSN的特点,WSN网络管理需要实现以下网络管理功能,并遵循相应设计原则。

(1) WSN网络管理功能

ISO的开放系统互联框架定义的系统管理包含5个功能域:故障管理、配置管理、安全管理、性能管理和计费管理。WSN的网络管理,目前还没有权威的解决方案,其网络管理包含ISO定义的功能域,并且由于WSN自身的特点,需要加强和补充相应的功能域。传感器节点通常采用电池供电,能量管理就很重要,同时,WSN还需要保证足够的网络连通性和传感覆盖。因此,性能管理部分需要补充能量管理、传感覆盖管理以及连通性管理的相关内容。由于WSN网络通常部署在恶劣环境中,人员难以到达,使得WSN需要具备很强的自治能力和在线编程能力,因此,配置管理部分需要提供相关功能,支持WSN的自组织、自配置,支持在线编程,并且由于WSN动态性强,其拓扑管理较计算机网络更有意义。由于无线通信不稳定,部署环境恶劣,WSN网络更易于发生故障,故障对于WSN是经常出现的,这与其它网络中故障是偶然事件有根本区别,因此,及时检测故障,判断原因并恢复网络是故障管理的重要内容。此外,WSN中的故障往往不会导致系统崩溃,通常只是性能降低,故障管理的设计需要充分考虑这一情况。安全管理方面,由于WSN无线自组织、资源有限的特点,安全管理难以实施,需要设计符合WSN特点的安全方案。计费管理通常单独考虑,不作为网络管理系统实现的一部分。总之,WSN的网络管理将以能量管理、拓扑管理、覆盖管理、自组织、在线编程、故障检测和恢复、安全管理等为主要内容,到达节约能量、有效利用带宽、延长WSN生命期的目的,从而使用户高效的使用网络。

(2) WSN网络管理设计原则

WSN网络管理系统需要遵循以下设计原则:

• 能量有效 能量消耗是设计的一个重要指标。

• 故障容忍 WSN出现故障是经常性的,如丢包、节点死亡、失去联接和节点能量耗尽。设计需要充分考虑各种故障和其恢复处理。

• 最小化存储 由于节点存储资源有限,系统的设计应尽可能少的在节点存储数据。

• 分布式检测和管理 分布式处理能够减少通信量,节约能量,同时使节点具备较强的自治能力,适合于动态性强的WSN网络环境。

• 轻量级 不需要太多内存,低能耗,可工作在节点上,节能且不干扰正常传感器工作。轻量级也有助于延长网络生命期。

• 网络自治 设计需要支持网络动态变化,支持重新配置网络。如网络拓扑改变、节点能量级变化、传感覆盖和通信覆盖变化下的网络自动配置和自动组织。

• 建立开放的管理信息模型,支持扩展 WSN设备多种多样,管理信息模型应该能够通过扩展,支持各种已存在的和还未出现的各种WSN设备。

• 扩展性强 系统应能适应不同的网络规模,规模的增长不会引起性能急剧恶化。

• 适应已有的协议、算法 WSN的研究,协议和算法方面已经出现了很多成果,WSN网络管理的设计应能支持协议和算法的灵活选择,以充分利用现有成果。其次,应用的多样性,对协议和算法也有完全不同的需求,网络管理只有灵活支持各种协议和算法,才能适用于各种应用。

2 WSN网络管理分析

WSN网络管理是一个研究较少的领域,正受到越来越多研究人员的关注。目前相关的研究主要着重于WSN某一方面功能的管理,如能量管理[3,4,12,13]、流量管理[10]、故障管理[2,6]、拓扑管理、资源管理[5,14]、安全管理和QOS管理等。并且这些功能的管理往往都结合具体的应用设计实现,各有特色但难以作为通用的网络管理框架适应各种情况下的管理需求。对于通用管理框架的研究较少,本文总结了这方面的研究成果,并对各个管理框架做了比较分析。

2.1 MANNA[7]

MANNA管理框架使用SNMP的管理思路,通过建立WSN信息模型,将网络中需要管理的内容映射到信息模型中,由代理进行信息的更新和维护。MANNA中的传感器网络,节点包括传感节点、sink节点、网关节点,节点中也可以包含主动节点。拓扑为,传感节点连接sink节点,sink节点连接网关节点、网关节点联接观察者,观察者是WSN外的应用或者是用户。MANNA定义了一组基本的管理功能,如环境监控、覆盖管理、拓扑发现、网络同步等,每个功能实现WSN某一方面的管理,由这些基础的管理功能组合成管理服务,管理服务提供更高层面的综合管理能力。网络信息模型包含静态和动态两类信息,静态信息描述了网络以及服务的配置。动态信息包括传感覆盖图、通信覆盖图、网络拓扑、节点能量等,这类信息必须周期性更新,需要结合能耗选择更新频率。信息模型包含两类对象,支持对象和管理对象。支持对象用于支持管理功能的实现,实际系统中不存在对等的物理实体;而管理对象是实际系统中可被管理内容的抽象,如:网络、节点、模块、被监测的物理量等。通过将管理者和代理部署到网络节点中,代理执行管理者的管理命令,维护MIB信息,完成系统的管理功能。MANNA对网络的具体结构没有限制,是一个通用的WSN管理框架。

2.2 BOSS[17]

BOSS是基于服务发现的管理框架,使用UPnP协议。由于Upnp协议需要比较强的计算能力和较多能量,所以BOSS通过实现位于网关的UPnP代理来完成管理功能,该代理作为WSN和UPnP网络的桥接器。系统包括三个组成部分:UPnP控制点、UPnP代理(BOSS)、传感器节点,见图1所示。控制点是个功能强大的设备,如PC、PDA或笔记本,有足够的资源运行UPnP协议,使用BOSS提供的服务管理WSN。传感器节点是资源受限的非UPnP设备。控制点和BOSS使用UPnP通信。传感器节点和BOSS之间使用传感器网络专有的协议通信。BOSS的功能包括:一是作为传感器节点和控制点之间的UPnP翻译。二是收集传感器节点管理信息,提供管理功能。网关保存管理信息,执行管理过程,因此网关承担大量管理需要的计算负载,而不是传感器节点。BOSS框架中,控制点可以指定关心的事件,随后,BOSS将汇报这些事件。BOSS提供的网络管理服务包括基本网络信息、定位、同步和能量管理。BOSS可以提供的基本信息包括:节点设备描述、节点的编号和网络拓扑。定位服务给出了网络中每一个节点的位置信息。同步服务执行网络节点之间的时钟同步。例如,当节点加入网络时,节点向BOSS发送一个消息,BOSS再通知控制点。控制点随后将该节点与网络中的其它节点同步。能量管理服务使得管理者能够检查节点电量,并改变节点操作模式以进行能量管理。BOSS通过在WSN之上建立服务层,为进行多个WSN的综合管理提供了支持。

2.3 MARWIS[9]

MARWIS是一个两层WSN的管理框架,见图2所示,包括传感器节点(SN)层和网状网(Mesh)节点层(MN)。SN层节点分成多个子网(SSN),每个SSN由同构的传感器节点组成,不同的SSN可能分别由异构的传感器节点组成。不同的SSN之间无法直接通信,每个SSN都需要连接在一个MN上,所有的MN构成网状网,SSN之间的通信通过MN节点完成。管理站连接在MN上,执行整个网络的管理功能;MN节点负责管理所连接的SSN;每个传感器节点上运行代理,负责执行管理相关的功能。MARWIS是两层管理框架的一个实现,并且限制了WSN网络的结构,不适合作为通用的WSN网络管理框架。

2.4 H-WSNMS[8]

H-WSNMS描述的管理框架(见图3所示),包含客户层、代理层和网关层。框架的核心是虚拟命令集(VCS),位于代理层,代理层由一组代理构成,每个代理都实现一些虚拟命令。网关层由很多网关构成,每个网关都连接一个WSN,不同的WSN可能同构,也可能异构,每个网关实现一组命令服务,这些命令服务与连接的WSN密切相关。虚拟命令集中的命令,由网关提供的命令服务完成,可能是一个命令服务完成,也可能是一系列命令服务组合完成,完成虚拟命令的网关命令服务可能来自一个网关,也可能来自不同网关。VCS中的虚拟命令组合形成管理组件,管理组件位于客户层,不同的应用需要不同的管理组件。H-WSNMS框架通过使用VCS将应用与WSN细节隔离,同时VCS中的虚拟命令可以重用,又增加了应用设计的灵活性。但该框架建立在WSN的网关命令服务之上,没有深入到WSN的内部,与BOSS类似,是基于服务的管理框架,更适合做多WSN的综合管理。

2.5 finger2[16]

finger2是基于策略的管理框架,通过在每个传感器节点上运行finger2策略管理中间件实现,框架由事件驱动,finger2的结构见图4所示,包括四个组件:权限管理、契约管理、策略和模块。模块是与传感器节点密切相关的功能实现,不同的传感器节点实现的模块也不相同。事件分为传感器节点内部事件和外部事件两类,外部事件通过权限管理组件认证后由契约管理组件处理。事件触发执行动作时,也先由权限管理组件检查权限,通过后再由虚拟机调用模块功能实现。finger2定义了两种策略类型,见图5所示,分别表达了权限策略和契约策略,应用可以使用这两种策略类型定义自己的策略。策略定义了系统的运行逻辑,finger2提供的众多应用支撑功能中,策略管理功能非常重要,该功能提供的策略动态增删、激活和禁止决定了系统能够支持动态管理,其中的Install功能实现了策略的动态增加。Install首先查找本地策略,如果找到则激活,如果没有找到,则在WSN范围内查找、装载和激活,WSN范围内的查找可以简单实现为从网关下载。finger2从WSN的运行逻辑上考虑,而不是按照功能设计管理框架,使得该框架即支持WSN网络管理,也支持WSN应用设计,非常灵活,但同时也增加了实现的复杂性。

2.6 PFMA[11]

PFMA是基于策略和反馈的管理框架(见图6所示),强调了WSN是应用型网络,将WSN管理分为网络管理和传感系统管理两部分。传感系统管理包括传感资源、计算资源和存储资源的管理,对节点的控制主要是上述资源的分配。网络管理为传感系统管理提供服务,包括拓扑维护、网络监控和可靠传输。网络自组织是网络管理的重点,包括MAC协议、成簇算法、拓扑控制和路由协议等。网络管理检测和恢复故障,监控网络性能,如带宽和时延。传感系统管理和网络管理由管理策略结合在一起,传感系统管理根据应用需求生成网络管理策略,并传递给网络管理,网络管理根据策略执行配置、性能、故障和网络状态的管理,同时,网络状态反馈到传感系统管理中,指导后续策略的产生。管理策略被解释成一组网络操作,指导一系列传感器节点的动作,这些动作由部署在节点上的代理完成。PFMA的传感系统管理,与MANNA的WSN管理类似,都是考虑到WSN的特点后提出的。PFMA没有具体描述各种WSN结构下管理功能的可能分布,是倾向于集中式管理的框架。

2.7 基于SOA的异构WSN管理框架[15]

面向服务的管理框架分为服务管理层(SML)和资源管理层(RML),包含四类实体,网关、Sink节点、传感节点和注册服务(见图7所示)。网关没有资源限制,部署管理应用,并与其它网络连接。网关与注册服务交互,通过调用Sink节点或其它网关的服务执行管理操作。Sink节点维护下级节点的管理信息,向订阅者发送下级节点产生的事件。Sink节点资源多于传感节点,但仍是有限的,可执行略复杂的任务。Sink节点将服务发布到注册服务,并且记录下级节点提供的服务。传感节点实现服务,并由Sink节点记录,由于资源受限,传感节点无法使用复杂的SOAP,其与Sink节点的交互使用简化的专用协议。注册服务是一个逻辑实体,可以部署在网关上,也可以单独部署在一台服务器上,网关和Sink节点都可以在注册服务上发布服务。SML负责管理业务的执行,管理业务由一个或多个管理服务实现,管理服务由一组管理功能实现。管理业务的流程由Web Services Business Process Execution Language (WS-BPEL)定义。管理服务分为任务管理服务、移动管理服务和能量管理服务三类。RML主要强调WSN软硬件资源的管理。基于SOA的框架更适合多WSN综合管理。

2.8 6LoWPAN-SNMP[1]

SNMP是事实上的网络管理标准,IPv6是下一代互联网协议,6LoWPAN是IPv6应用于WSN的一种解决方案,6LoWPAN-SNMP是一个将IPv6和SNMP应用到WSN的网络管理协议。采用该协议的WSN网络管理系统与SNMP网络管理系统在管理逻辑和概念上相同,并且使用了SNMPv3中定义的转发代理。WSN通过网关与管理者连接,管理者位于WSN之外,转发代理部署在网关上,6LoWPAN-SNMP代理部署在每个传感器节点上。管理者使用SNMP协议执行管理操作,转发代理将SNMP协议翻译为6LoWPAN-SNMP协议,发送给传感器节点的6LoWPAN-SNMP代理执行。该协议根据WSN的特点,对SNMP协议做了修改,为了减少通信量,对SNMP协议报文做了重新编码,此外更重要的是修改了部分SNMP协议操作的语义。一是GetRequest操作,由于SNMP通过周期性轮询各节点,获得管理信息,这对于WSN是巨大的能量和带宽消耗,修改为由转发代理监控该请求,如确定为周期性请求,则由转发代理设置被请求节点,使其按照指定的周期发送信息给转发代理,再由转发代理将其应答给管理者。修改后,转发代理虽然收到周期性的请求,却只需要发送一次给被请求节点,同时,转发代理监控请求的到达周期,并根据周期变化重新设置被请求节点的上报周期,如果一段时间内没有收到预计的请求,则停止被请求节点的上报动作。二是使用WSN的广播特性,进一步减少轮询需要传送请求的次数。由于管理者通常同时轮询多个传感器节点,转发代理可以广播该请求,使得多个传感器节点都应答该请求,避免了逐个节点的请求发送。由6LoWPAN-SNMP管理框架可见,处于核心管理地位的转发代理实现上会比较复杂。

3 WSN网络管理比较

WSN应用日益广泛,WSN网络管理也越来越重要,但目前与WSN网络管理相关的研究主要集中在某个具体的功能上,并且与具体应用结合紧密,对于通用WSN网络管理框架的研究较少,本文总结了通用WSN网络管理框架方面的研究成果。

MANNA采用了SNMP的管理思路,是集中式管理,并引入了WSN管理维度进行WSN相关功能的管理。MANNA没有充分考虑WSN的特点,管理带来的能量和带宽消耗对于WSN的影响不能忽视。MANNA没有限制WSN的网络结构,是通用的WSN网络管理框架。BOSS采用了服务封装的管理思路,将WSN提供的功能封装成服务,由位于网关的BOSS代理向外提供,WSN网络管理通过调用服务实现。BOSS的服务发现基于UPnP协议的支持,与SOA的服务发现基于系统架构的支持不同。BOSS框架没有涉及WSN内部细节,更适合做异构WSN的综合管理。MARWIS是个两层WSN的管理框架,Mesh节点是中间管理者,管理一个同构WSN。MARWIS限制了WSN网络结构,与应用结合紧密,不是通用的管理框架。H-WSNMS也是基于服务封装的管理思路,网关提供命令服务执行WSN的具体操作。网关的命令服务经过不同组合形成新的虚拟命令集VCS,虚拟命令再组合形成应用相关的管理功能。H-WSNMS通过使用VCS,将应用和WSN解耦,能方便的支持应用的开发。但H-WSNMS对于WSN特点考虑不足,适合做异构WSN的综合管理。finger2是基于策略的管理思路,从WSN运行的角度而不是传统的功能划分考虑,将WSN模型化为事件触发的,依据策略指导动作的网络。因此,管理和应用都统一为策略定义。finger2框架十分灵活,节点自治能力强,但节点运行finger2中间件需要较多的资源支持。PFMA是基于策略的管理框架,并将传感系统管理和网络管理区分开来,网络管理做为传感系统管理的支持层。PFMA的传感系统管理层按照应用需求制定策略,并由网络管理层执行,同时反馈网络状态给传感系统管理层,做为后续策略制定的依据。PFMA较少考虑WSN的细节,适合做异构WSN的综合管理。面向服务的管理框架将SOA引入到WSN网络管理的设计中,Sink节点做为中间管理者,承担了传感器节点服务发布和传感器节点管理的工作。由于SOA比较复杂,Sink节点还负责将SOA协议翻译和简化,然后再与传感器节点交互。基于SOA的框架着重点在服务以及服务的使用,而网络管理需要处理更多的细节,SOA对于WSN网络管理的适用程度还需要深入研究。6LoWPAN-SNMP是SNMP在WSN网络管理上的应用,并且通过使用6LoPWAN,支持IPv6。6LoWPAN-SNMP考虑了WSN自身的特点,对SNMP做了修改,并使用转发代理完成协议转换。

这些管理框架中,finger2是分布式管理,MARWIS是层次式管理,其它是集中式管理。BOSS、H-WSNMS和基于SOA的管理框架是基于服务的,不同在于BOSS是即插即用服务,H-WSNMS是服务组合,而基于SOA的框架是服务发现的概念。MANNA和6LoWPAN-SNMP继承了SNMP的管理思路,同时也继承了SNMP控制能力弱的不足。BOSS、MARWIS、H-WSNMS、PFMA以及基于SOA的框架更多的从概念和逻辑上研究了WSN的网络管理框架,是侧重应用角度的分析,更适合用于多个异构WSN的综合管理,而对于某个具体WSN的管理还需要使用能够深入WSN内部细节的管理方案。WSN网络管理本身也可以看做WSN的一个应用,finger2的基于策略的框架,将管理和应用统一了起来。部署策略,由事件触发产生动作,从而完成既定功能,是finger2的设计思路。finger2框架下的节点自治能力强,十分灵活。

现有研究要么是应用密切相关的管理,要么是功能确定的管理,对于通用WSN网络管理框架的研究很少,并且存在很多不足,一是对于WSN特点支持不充分,二是对WSN特有的管理功能支持不足。如要符合WSN的特点,就需要在框架设计时充分考虑WSN网络管理的设计原则,这些原则包括:能量有效、故障容忍、最小化存储、分布式检测和管理、轻量级、网络自治、建立开放的信息模型、扩展性强、适应已有的协议和算法。由于WSN的特点,管理框架需要提供众多传统管理不需要的管理功能,如能量管理、传感覆盖管理、网络连通性管理、节点自治、在线编程、拓扑管理等。建立通用的WSN网络管理框架,还需要做更多的深入研究。

4 结 语

WSN网络管理是一个新的研究领域,随着WSN应用越来越广泛,将会受到越来越多研究人员的关注。WSN网络管理面临最关键的问题是需要建立通用网络管理框架,以支持各种类型的传感器应用。WSN自身的特点决定了WSN管理系统将与传统的计算机网络管理系统有根本区别。但到目前为止,有关WSN通用管理框架的研究还较少,也没有可投入生产使用的框架出现。现有对于WSN管理的相关研究有两个特点,一是着重研究WSN某一方面功能的管理,二是与具体的应用相结合。WSN通用管理框架研究方面,集中式较多,分布式较少,而分布式管理更符合WSN的特点。目前的研究对于WSN特点考虑不足,深入的研究需要遵循WSN网络管理的设计原则,并实现必要的WSN网络管理功能。

无线的传感器网络 篇8

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成的, 通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台, 能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息, 并将这些信息发送到网关节点, 以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪。

当前测控系统的数据传输主要为有线方式, 存在铺设线路复杂、维护困难、成本较高等缺点, 不易大规模实现。此外, 大型工业现场设备繁多、人工操作量大, 在恶劣环境中, 部分机器要求工作人员留守监控, 既耗费人力物力, 又对工作人员的人身安全造成威胁。无线传感器网络因其无需布线, 成本较低, 易于维护, 具有快速展开、抗毁性强等特点而得到越来越广泛的应用, 且它可以弥补当前测控系统存在的缺陷。因此, 本文在此基础上提出一种基于无线传感器网络的无线测控系统, 并介绍了其硬件和软件设计的实现。

1. 无线测控系统的体系结构

组建一个无线测控网络, 首先要考虑网络的构成方式。无线局域网的拓扑结构主要有无中心拓扑和有中心拓扑两类。本文采用有中心拓扑的网络结构, 网络示意图如图1所示, 该网络由上位机, 主节点及多个从节点构成。上位机是整个系统的大脑, 由工作人员进行控制。主节点通过以太网同上位机进行通信, 通过无线网络同从节点进行通信。主节点不能同时同多个从节点通信。

传感器按一定时间间隔从电路中收集电压, 电流, 温度等信息, 传送给上位机。工作人员在对收到的信息分析后进行决策, 并对机器实施远程控制。

2. 硬件设计

2.1 主节点的设计

主节点是整个网络的枢纽, 控制网络的调度, 既要向传感器节点发送上位机的命令, 又要向上位机传送传感器节点回馈的信息。主节点由微控制器及射频模块构成。主节点通过以太网同上位机相连, 进行通信。

微控制器采用EasyARM2131。EasyARM2131开发板是广州周立功公司设计的EasyARM系列开发套件之一, 采用了PHILIPS公司基于ARM7TDMI-S核, 单电源供电, LQFP64封装。

无线收发模块在本系统中起到连接各个节点的功能, 因此其传输效率和可靠性是关键因素。本设计选用PTR8000作为无线收发模块。PTR8000采用nRF905单片无线收发一体芯片, 工作在433/868/915 MHZ的ISM频段, 具有多频道多频段, 工作电压低, 待机功耗小, 无线通信距离远等特点, 内置完整的通信协议和CRC只需通过SPI即可完成所有的无线收发传输。

微控制器与无线收发模块采用SPI的方式进行连接, 硬件连接如图2所示。其中LPC2131的引脚均选择跳线中间的插针。

2.2 从节点的设计

从节点是系统的终端部分, 同时也是本系统的关键部分, 对机器工作状态的检测和控制主要在该部分实现。从节点由电磁继电器、单片机、无线收发模块及传感器模块组成。主要硬件实现如下:

电磁继电器:JQX-14FF1是江西佳捷电子有限公司生产的小型电磁继电器, 具有体积小, 适应高温和化学腐蚀等特点, 能在恶劣的环境中正常工作, 适合野外作业;

无线收发模块:Nordic公司生产的PTR8000;

单片机:AT89C51。

AT89S51与无线模块PTR8000采用I/O口连接方式, 其硬件连接如图3所示。

单片机和电磁继电器是从节点的核心部分, 单片机是从节点的大脑, 电磁继电器是从节点的手臂, 受大脑控制, 其硬件连接图如图4所示。

在图4中, 三极管基极串联一个10K电阻, 与单片机的P36口相连, 集电极接地。继电器线圈的一端接到三极管的发射极, 线圈的另一端接+5V电源VCC。继电器线圈两端并接一个二极管, 用于吸收释放继电器线圈断电时产生的反向电动势, 防止反向电势击穿三极管及干扰其他电路。在继电器线圈两端再并联一个状态指示电路, 由发光二极管串联一个1K电阻组成, 当继电器闭合时, LED灯亮, 继电器断开时, LED灯灭, 借以表示继电器工作状态。其中接口1为继电器的动接点, 接口2为继电器的常闭接点, 接点3为继电器的常开接点。

子节点的工作原理如下, 当AT89C51单片机收到上位机发来的命令, 要求开启工作设备时, P3.6口输出低电平, 三极管饱和导通, +5V电源VCC加载到继电器线圈两端, 继电器的常开触点闭合, 发光二极管灯亮, 被控制电路导通。当AT89C51单片机收到断开命令时, P3.6口输出高电平, 三极管截止, 继电器衔铁释放, 发光二极管熄灭, 被控制电路断开。因此, 可以将被驱动电路接在接口1、3上, 从而达到对其他电器的控制。需要注意的是, 由于电磁继电器干扰过大, 影响单片机正常工作, 因此单片机与电磁继电器应保持一定距离。

3、软件设计

系统软件分四大模块:用户管理模块、数据采集模块、远程控制模块和数据管理模块。系统结构图如图5所示。

(1) 用户管理模块

管理员登陆系统时需要输入用户名和密码。输入正确即可进入系统, 错误则提示重新输入。成功登陆系统后可修改管理员信息, 包括添加和删除管理员。管理员可设置报警界限, 当计算机接收到的数据超过该类数据的报警界限时, 计算机发出报警音, 并将该数据以红色字体显示, 提示管理员进行检查。

(2) 数据采集模块

数据采集模块用以将传感器采集到的信息显示在计算机上, 包括工作电压, 工作电流以及温度。由于传感器在采集数据时存在不可避免的误差, 在测控点可布置多个传感器轮流工作, 将采集到的数据进行对比, 选取最合理的数据, 将误差限制在合理的范围内, 避免由于传感器故障而引起的误测。

(3) 远程控制模块

远程控制模块的功能是对终端设备进行人工控制。包括开启, 关闭和定时开启或关闭。

(4) 数据管理模块

数据管理模块的功能是保存计算机收集到的数据和浏览数据。管理员可查阅每一天的数据, 并将其进行对比。

4. 结束语

传统的测控网络主要侧重于对数据的采集和传递, 本文提出了一种以监测与控制并行的新网络, 用以对恶劣环境中或数目庞大, 人工操作复杂的设备进行远程监控。系统的可行性是网络设计的首要条件, 在系统软件管理方面力求简洁明了, 没有过多的添加分支功能。系统中仍有许多需要改进的地方, 如何加强网络的健壮性和高效性是后期的主要工作。

参考文献

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[3].王田苗.嵌入式系统设计与实例开发[M].北京:清华大学出版社, 2002.

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[5].宋宇澄.通用监控调度系统[J].电子科技杂志, 1994 (3) :28-32.

无线传感器网络的安全机制 篇9

1 无线传感器网络的安全特点

1.1 资源有限性

实现任何网络安全方案 (包括安全算法和安全协议) 都需要一定资源支持, 而这些资源又因为传感器节点的能源和陈本的约束, 导致很多复杂、有效的安全协议和安全算法不能直接使用;因为传感器网络常常工作在无人监管的物理环境中, 能量得不到及时补充, 所以节约电能是其设计环节一项重要指标, 这就导致它使用的网络安全方案所带来的电量消耗不能太大。与常规网络相比较, 其资源有限性表现为:电量有限、计算和存储能力有限、通信能力有限。

1.2 应用相关性

在不同的应用领域, 传感器网络对安全的要求也不同, 例如在军事领域, 除了民用领域对信息的可靠性要求外, 还需要考虑到对被俘结点、异构结点入侵的抵抗能力。所以, 传感器网络必须采用多样化、灵活精巧的方式解决安全问题。

1.3 不可靠的无线通信

网络安全多倚重于安全协议, 而安全协议是基于通信基础之上建立的。这导致无线网络不可靠的无线信道是实现传感器网络安全性的一大阻碍。在传感器网络中, 数据包的传输本身就是不可靠的, 而无线信道传输的过程更容易由于信道错误导致数据包的损坏。如果协议的设计缺乏对对差错处理的考量, 可能会致使关键数据的丢失, 严重影响安全协议的执行。即使信道可靠, 由于无线网络的安全共享特性使其传输信道完全暴露, 传感器网络的通信信号易被周围通信设备监听, 所以他人可以轻易了解到传感器网络的任务, 窃取采样数据, 甚至将网络资源占为己有。

2 无线传感器网络的安全需求

无线传感器网络应用时, 需要进行数据采集、传输融合、处理以及任务的协同控制等。为抵御各种安全攻击和威胁, 保证其数据与通信的安全可靠, 无线传感器网络安全需求如下:

2.1 机密性

当一个传感器网络被攻破时, 应将泄露信息所造成的影响控制在一个尽可能小的范围内。相邻传感器网络不互相泄露数据, 可达到此目的。当一个网络被攻破, 不会影响整个网络的安全性。

2.2 数据完整性

在通信过程中, 数据的完整性能保证接收端所收到的数据经历传输过程后仍是可靠的。在基于公钥的密码体制中, 数据完整性一般通过数字签名来完成, 但因资源受限, 传感器网络无法使用这种算法。它使用散列算法, 将共享密钥和待检验的信息相连接一起进行散列运算, 对数据的任何变动都会对消息的认证码值产生可见的影响。

2.3 可靠性

为保证接受的数据是可靠的, 接收端要对数据源进行验证, 证明信息并非攻击者所注入。还应控制共享密钥的访问权限, 只对已知身份用户开放。因传感器网络自身资源有限的特点, 区别于通常使用的数字签名、数字证书验证方法, 传感器网络通常使用共享的对称密钥来进行数据验证。

2.4 新鲜性

为防止重放攻击, 必须保证流过网络每条信息的新鲜性。即发送方传送给接收端的数据是最近时间内生成的最新数据, 而非旧数据的重复发送。

2.5 可用性

具体表现在, 结合传感器网络的自身特点, 安全方案必须既能保证服务的安全性, 又要考虑到节能, 要求协议和算法不能过于复杂, 同时还要不限制网络的可用性, 并能够有效防止攻击者对传感器结点的恶意消耗。

3 无线传感器网络现有的安全机制

3.1 SPINS

SPIN安全协议族是最早的无线网络传感器的安全框架之一, 是依赖基站的网络安全框架协议, 包含SNEP (Secure Network Encryption Protocol) 和μTESLA (micro Timed Efficient Streaming Loss-tolerant Authentication Protocol) 两个子协议, SNEP使用以实现通信的机密性、完整性、新鲜性和点到点的认证, μTESLA使用以实现点到多点的广播认证。SNEP协议是专为传感器网络制定的, 具有通信开销低, 能够实现数据机密性、数据认证、完整性保护、新鲜性保证的安全通信协议。

3.2 Tiny Sec

Tiny Sec协议是专为无线传感器网络打造的, 是链路层的加密机制, 是在Tiny OS操作系统实现的一种安全结构。Tiny Sec提供了一个轻量级的、通用的安全包, 能满足大多数无线传感器网络应用的安全需求。主要包括分块加密算法和密钥管理机制, 支持最基本的安全服务需求, 访问控制、数据完整性、数据机密性, 其在能量、延迟、通信等方面的实现负载均低于10%。

3.3 Li SP

Li SP是专为传感器网络设计的一个轻量级安全协议, 可以使低成本低功耗的传感器节点以很低的消耗提供高等级的安全服务。Li SP提出了GKMP方式实现密钥管理, GKMP是基于簇的网络体系结构。实现簇内节点间的安全通信。通过使用密码单向函数和双缓冲密钥, GKMP在链路层提供了高效的密钥重分配策略, 容忍传感器节点松散的时钟同步, 并在低消耗的情况下抵抗各种安全攻击。GKMP在密钥管理过程中提供保密性、数据完整性、访问控制、可用性、密钥重分配和撤销服务。

3.4 LEAP

LEAP是一种局部加密认证协议, 它根据节点间交换的不同类别的信息的不同安全需求, 为每个节点建立了四种不同类型的密钥:与基站共享的密钥, 与其它传感器节点共享的密钥对, 与邻居节点共享的簇密钥, 与网络中所有节点共享的组密钥。传感器网络中的结点间交换的数据包根据不同的标准可以分为几类:控制包、数据包、广播包、单播包、查询或命令包和传感器读数等。这种算法指出不同的数据包具有不同的安全需求。所有种类的数据包都需要认证, 但只有一类数据包需要机密性。

4 几种安全机制的比较

Tiny Sec的优点是计算复杂度低, 但因为网络中只有一个密钥, 因此很容易增加新的结点;缺点是网络的安全性较差, Tiny Sec密钥无法抵御节点捕获攻击, 如果对手危及单一结点或者获取了密钥, 那么它就可以窃听通信, 并在网络中任何地方注入信息。

Li SP实现了高效的密钥重分配策略, 可以在安全和能量消耗方面有较好的折中, 。实现了认证、机密性、数据完整性、访问控制和可用性, 并支持入侵检测。

LEAP的优点是可支持网内计算, 同时减小了节点被俘获后对周围邻居的影响, 有效地减少了通信和能量损耗, 并最小化了基站的作用。缺点是不支持节点的多次部署。当新的节点部署到网络中时, 它无法建立安全通信。

下表从认证、访问控制、抗抵赖性、完整性、机密性、可用性几方面对传感器网络安全机制进行比较。

从表中可看出, 现有的安全机制能并不能提供全部的安全服务, 这是因为传感器节点资源有限的原因, 安全机制的实现是建立在通信的基础上, 每个安全服务的实现都会消耗节点的资源。因此, 现有的安全机制都不能完整的保证传感器网络的安全。所以, 需要一种不仅能保证传感器网络安全又能节省传感器节点能量的安全机制。由上表可知, 目前的安全机制都是都是静态的, 不管网络的通信环境如何, 所提供的安全服务都是固定的, 因此, 需要提出一种动态的安全机制, 提供的安全服务由需求而定, 这样既保证了安全性, 又能有效减少能量消耗。

5 总结

本文主要介绍了无线传感器网络的安全特点, 由这些特点决定了传感器网络的安全需求, 介绍了几种现有的安全机制, 提出了它们的优缺点, 并进行了比较, 得出结论, 虽然它们能提供各种安全服务, 但是由于这些安全机制都是静态的, 不能在节省传感器网络消耗的前提下, 保证网络的安全性, 突出动态安全机制研究的重要性。

摘要：无线传感器网络因其造价低廉, 易于铺设, 适应环境能力强等特点, 被广泛应用于环境监控、健康监测、军事、空间探索、智能家居、区域安全监控等领域。随着传感器网络的研究逐渐深入, 应用范围越来越广泛, 对于其安全性的关注也越来越多。由于传感器网络自身特点:资源的有限性、应用相关性、不可靠的安全通信, 使得它的安全研究不同于其它网络的研究。本文重点介绍无线传感器网络的安全机制的研究。

关键词：无线传感器网络,信息安全,传感器节点

参考文献

[1]郝丽娜.《无线传感器网络安全管理机制》.硕士论文, 2011.12.

[2]颜振亚, 郑宝玉.《无线传感器网络》.计算机工程与应用, 2005.1.

[3]温雨宁, 王瑾.《无线传感器网络安全机制研究的现状与展望》.现代电信科技, 2008.7.

无线传感器网络路由算法的改进 篇10

(1) 将网络消耗的能量平均分摊到每个节点上, 从而延长了网络的生存期。

(2) 簇头进行数据融合, 减少了数据通信量。

(3) 不需要控制, 每个节点自适应的运行。

(4) 由于LEACH假设每一个节点都可以与网络中的任意节点通信, 那么在网络覆盖区域较大时, 因为传感器节点的通信距离是有限的, LEACH协议将不再适用。

(5) 由于LEACH随机产生簇头, 使得簇头节点在网络中分布不均匀, 若簇头位置靠近簇的边缘, 则导致簇内普通节点与簇头通信总能量开销较大;若簇头距离较近, 则失去分簇的意义。

(6) 没有考虑节点的剩余能量。如果某个节点的剩余能量比较小, 而它又恰巧被选为簇头节点, 而簇头的能量消耗比较大, 那么一旦簇头的能量耗尽, 那么该簇所收集的信息将不能传回Sink节点, 这种情况, 应该尽量避免。

2. SP算法

2.1 SP算法的节点架构

避免了像传统的基于簇的路由协议那样频繁选举簇头, 为S节点节省了大批量能量, 而且支持节点的移动。

三层移动节点架构如下:

S节点 (感应节点) :彼此互不通信, 仅接收数据, 将其发送给一跳以内的F邻接点。

F节点 (融合节点) :管理维护路由表, 接收融合接收的数据, 然后通过最短路径转发给C节点。

C节点 (控制节点) :是M2WSN的数据仓库。接收到F节点的数据后, 终端用户加以分析找出自己想要的数据。而且C节点可以作为网关与Internet互联。

2.2 SP路由协议原理

(1) 邻节点查找

F节点广播含有ID和自己坐标的HELLO包, F收到包后, 记录ID和坐标, 然后将其写入矩阵邻接表Table (i, j) (1≤i, j≤n) .。如果HELLO包的源地址和目的地址的距离在F节点的通信半径之内, 目的节点会将距离写入矩阵Cost (i, j) , 否则写∞。

(2) 最短路径构建

基于矩阵Cost (i, j) , 每个F节点执行佛洛伊德算法找到任意两个F节点的最短路径。算法的基本思想是递归地获得一系列的矩阵值C (0) 、C (1) 、C (2) …C (k) ) …C (n) 。其中C (0) 是给定的。C (k) ) (i, j) 是节点i, j通过中间节点数目小于k的距离矩阵。若没有中间节点k, 那么C (k) (i, j) =C (0) (i, j) =Cost (i, j) 。当得到C (n) 时, 算法结束。

假设C (k-1) (i, j) 已经给定, 要得到C (k) (i, j) , 需考虑如下两种情况:

(1) 如果节点k不在i到j的最短路径内, 那么依据C (k) (i, j) 的定义, 得到C (k) (i, j) =C (k-1) (i, j) 。

(2) 如果节点k在i到j的最短路径内, 那么依据C (k-1) (i, k) 和C (k-1) (k, j) 的定义, 若C (k-1) (i, k) +C (k-1) (k, j)

3. 仿真场景的设立及实验结果分析

在100米*100米及500米*500米的区域内, 有50、100、200个S节点随机分布在初始能量为0.25J, 0.5J, 1J, 2J。F节点分布在区域中心, 覆盖整个区域, 构建互联的网络。C节点随机分布在区域内部。

图1描述了网络负载如何随着仿真实验结束的时间而减少的。其中, 包含100个初始能量为2J的S节点, 并且仿真时间是60分钟。从图1可以看出, 在100米*100米和500米*500米中, 在移动传感器网络中的网络负载下降到低于10%, 且一直维持这个水平。当更新周期到来时, 网络负载会上升一些, 但不会上升太多值, 随后又迅速降低到低于10%。随着区域的拓展, S和F节点的距离被延长至超过通信半径, 所以网络负载会随之上升。

图2表明在含有100个初始能量为0.25J的S节点分布在100米*100米区域内的网络中, 当仍存在存活节点时所经历的循环次数。依据图2, 可以看出SP中的第一个节点的灭亡比LEACH中第一个节点的灭亡要晚很多, 而且在LEACH中的节点比在SP中的节点灭亡的要快。节点越早越快的灭亡, 那么就会有越多的盲点出现。因此, 比起LEACH算法, SP更适合应用于移动无线传感器网络中。

4. 结论

无线的传感器网络 篇11

2. 设备省电，功耗极低。ZigBee技术采用了多种节电的工作模式，可确保两节普通电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。

3. 通信可靠性高，数据安全。ZigBee采用了 CSMA-CA的避免碰撞机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，通信可靠性高。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时协议栈的各层可以灵活确定其安全属性。

4. 网络自组织、自愈能力强。ZigBee网络无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，构成结构化的网络；ZigBee网络增加或者删除一个节点、节点位置发生变动、节点发生故障等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。

5. 时延短，设备接入网络快。通常时延都在15ms~30ms之间，设备接入网络和数据传送时延很短，适合实时监控应用。

6. 成本低廉，工作频段灵活。设备复杂程度低，且ZigBee协议是免专利费的，可有效降低设备成本；工作频段灵活，使用的频段为2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段。

7. 网络容量大。每一个网络多达65536个网络节点，网络容量极其庞大，适用大规模无线传感器网络。

传输功率控制的无线传感器网络 篇12

1 传输功率控制

传输功率控制(台电)技术提高网络性能的几个方面。首先，功率控制技术提高可靠性的一个环节。在检测到链路可靠性低于某个阈值时，该协议增加发射功率，提高成功的概率的数据传输。其次，只有节点必须共享相同的空间将争夺访问中，减少了大量的碰撞中的网络。这提高网络利用率，降低了延迟时间和降低了概率的隐藏终端和暴露。最后，使用较高的传输功率，可以使用物理层调制和编码方案与更高的比特/波特比，增加带宽的存在工作量繁重，或减少它最大限度地节约能源。能源效率是最重要的一个问题，碰撞是第一个源能源浪费。当数据包传输在同一时间和碰撞，他们成为损坏，必须丢弃。后续重发消耗能量得到。另一个来源是空闲侦听，它发生在电台收听到信道接收数据。许多协议总是听通道激活时，假设完全断电装置将由用户如果没有数据发送。三分之一个来源是无意中听到的，听到不必要的交通可以是一个主导因素，能源浪费，当网络负载较重时，节点密度高。最后，我们考虑的主要来源是控制包开销。发送，接收，和听力控制数据包消耗能量。已经发现，传感器节点消耗很大比例的能源多余的遥感和空闲侦听。研究人员提出将传感器和/或无线传感器节点睡眠(他们)以节约能源。任务调度时，该传感器和/或收音机需要在睡眠/主动模式被称为睡眠调度。传感器睡觉会导致有趣的事件被错过的网络或可能导致较低的数据质量检测。无线电睡觉可能导致通信时延的网络。

2 不同的算法介绍

基于位置的系统解决的问题是分配发送功率值独立代理节点在无线传感器网络，该网络连接。这些功率值对应的距离上可以进行交流，从而确定节点的数目与一种特定的节点可以直接沟通。在下面，五个不同位置的所有算法的介绍，分为三种类型根据规模节点的位置信息来分配功率值在无线传感器网络。1)non-tpc档案(固定的传输功率)是最简单的算法，这是分配一个任意选择的传输功率水平，所有传感器节点，就像它会做的生产时间的传感器，没有权力控制在所有;2)global-tpc金属(对等传输功率)。对等传输功率(塑料)算法还指定一个均匀的所有节点，而选择最小值，确保完全连接网络这一特定情况下。找到最小传输功率;3)桌面排版(不同的传输功率)。球的解决方案与不同的传输功率(排版)算法创建一个网络连接，但没有设定所有的传输范围相同的值。相反，它试图找到一个最低的功率水平为每一个节点分别。该算法以下列方式：其中节点对尚未连接，选择一个具有最小距离。发射功率设定这些节点的值足够的连接，检查连接所产生的网络;4)local-tpc喉罩(局部平均算法)所有节点开始与相同的初始传输功率。每个节点定期广播lifemsg。这些节点，然后计算数量的反应(noderesp)他们收到;5)林梦(当地邻居算法)。地平均邻居算法(低分子量)类似于喉罩除外，它增加了一些信息，它定义的lifeackmsg noderesp以不同的方式。除了地址从收到的lifeackmsg lifemsg，也包含它自己的计算。

实验表明，在local-tpc解寿命优于使用简单的固定作业(non-tpc)和一系列对称算法(塑料)利用全球知识。而出现局部算法不能够超越全球，他们的表现通常在一两个因素的一生。特别是，这些地方的算法实际上是可行的和可扩展的。

3 比较

基于位置的所有主要集中在定位网络拓扑。在这些算法中，喉罩和运动神经都是局部算法，而平等的传输功率算法(塑料)和不同的传输功率的算法(排版)是全球性的，这意味着全球信息是必要的，这些算法的实现。固定的传输功率(协议)是一个估计方法，但它没有提到如何调整磁带详细。不利的全球算法是每个节点保持长表全球信息和花很多额外的能量来获取信息，这可能会增加网络的干扰和通信成本。此外，它是很难获得全球信息在网络规模大。算法的地方，喉罩和下运动神经元，导致一个足够对称网络连接，并提供改进的网络寿命超过档案。运动神经导致较强的连接比喉罩。运动神经，喉罩，和对象执行相当类似的网络寿命。基于时间的所有重点调度的唤醒周期的无线传感器网络的节点。主要目的是平衡权衡可用的节点之间的通信网络中，能量消耗最小化为每个节点分配。

4 结论

传输功率控制的无线传感器网络的一个重要部分是由于有限的能源供应网络。不同算法表明，该系统可以分为2类：基于位置和时间的位置。所有侧重于拓扑传感器网络节点和分配不同的功率水平，保证每个节点在最浪费能源的模式，而基于时间的台电工程交换节点的状态之间的活动和睡眠得到最好的节能技术。这两者都可以实现的目标，尽量减少能源消耗和每一个在某些方面优于其他。

摘要：沟通是最耗能的事件在无线传感器网络(WSN)。显著降低能耗将传输功率控制(台电)技术动态调整传输功率,给出了2类的技术:基于位置和时间的无线传感器网络的算法基础。