无线视觉传感器网络

无线视觉传感器网络（精选12篇）

无线视觉传感器网络 篇1

1月24日，康耐视公司宣布其获奖的视觉传感器产品系列中又新增Checker R 4G系列。康耐视的新型Checker4G视觉传感器的设置同样强大且简单。Checker的重要特征有，可通过以太网络进行远程设置和监控、通过以太网/IP和PRO-FINET进行PLC通信以及将每次检测的图像保存到FTP服务器上……所有这些的费用还不到1000美元。

使用Checker 4G时，用户可将该传感器配置为存在传感器或测量传感器以对生产过程进行检测和防止出现错误。存在传感器用于验证相应特征是否存在。而测量传感器用于验证相应特征是否为具有适当的高度、宽度和/或直径。无论使用何种模式，每台Checker传感器能够“检查”的元件特征数都不会受限制。利用具有专利的元件检测技术，Checker传感器还能以每分钟超过6000个元件的速度检测生产线上不同位置的元件。克服元件的不精确定位并提供一致、准确的合格/不合格检测结果，这是其他任何传感器、视觉传感器或视觉系统无法做到的。

“有了新型Checker 4G系列，客户可通过以太网实现网络视觉传感器的许多优势，包括在整个生产过程中与工厂自动化设备通信、远程监控和管理视觉传感器操作。”视觉传感器产品部门的经理Pascal Dorster介绍说。

Checker 4G系列有高速和高分辨率两种型号，其主要特征为：在工业I P 6 7外壳内集成照明、光学和I/O元件;远程设置并通过计算机显示;元件检测专利技术;检查多个元件特征是否存在或其尺寸是否正确;以太网/IP工业协议及RSLogix5000 TM AOP;PROFINET工业协议;保存图像到FTP服务器;用于定制输出的逻辑方式;多达32个任务变更;多达4个离散输出;基于编码器的元件跟踪;彩色滤镜。

新型Checker 4G系列是当前Checker 3G系列的补充，Checker 3G具有简易的USB连接方式且通过Sensor View R Teach Pendant无需计算机设置。对于所有Checker型号产品，即使是第一次使用的用户都可以在几分钟内构建一个防错解决方案。Checker 4G现已上市。

全球目前共安装有50多万个康耐视系统，每天能够检验数十亿件产品，帮助各个行业部门的生产商分离缺陷工件，优化生产流程和实施全面的跟踪计划。康耐视总部位于马萨诸塞州的Natick，办事处遍布美洲、日本、欧洲和亚洲地区。

无线视觉传感器网络 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

无线自组网和无线传感器网络研究 篇4

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) .

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[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) .

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[8]王春霞.Ad hoc网络技术研究[J].菏泽学院学报, 2007, (2) .

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。

无线传感器网络综述 篇7

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在世界范围内出现,由这些微型无线传感器构成的无线传感器网络引起了人们的极大关注。这种无线传感器网络综合了传感器技术[1]、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得详尽而准确的信息,传送到需要这些信息的用户。例如,传感器网络可以向正在准备进行登陆作战的部队指挥官报告敌方岸滩的详实特征信息,如丛林地带的地面坚硬度、干湿度等,为制定作战方案提供可靠的信息。传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息。因此,这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。传感器网络是信息感知和采集的一场革命。

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,国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道,但是,这些研究成果处于起步阶段,距离实际需求还相差甚远。我国在传感器网络方面的研究工作还很少,目前,哈尔滨工业大学、清华大学等已经开始了该领域的研究工作,无线传感器网络的研究任重而道远。

1 无线传感器网络的基本概念及特点

1.1 基本概念

图一所示为一个典型的无线传感器网络的系统结构[3],包括分布式传感器节点[4](群)、接收发送器、互联网和用户界面等。其中,传感器网络节点[5]的基本组成包括如下4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(包括CPU、存储器、嵌人式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)以及电源。

传感器网络节点为一个微型化的嵌人式系统构成了无线传感器网络的基础层支持平台。目前国内外已经出现了许多种网络节点的设计,它们在实现原理上是相似的,只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信或协议方式。

1.2 无线传感器网络的特点

(1)硬件资源有限[3]。节点由于受价格、体积和功耗的限制,其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。

(2)电源容量有限。网络节点由电池供电,电池的容量一般不是很大。

(3)无中心。无线传感器网络中没有严格的控制中心,所有节点地位平等,是一个对等式网络。

(4)自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施。

(5)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。

(6)动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络,节点可以随处移动。

(7)节点数量众多,分布密集。为了对一个区域执行监测任务,往往有成千上万传感器节点。

2 无线传感器的研究现状

2.1 军事领域的研究进展情况

美国陆军2001年提出了“灵巧传感器网络通信”计划[7],被批准为2001财政年度的一项科学技术研究计划,并在2001~2005财政年度期间实施。

美国陆军近期又确立了“无人值守地面传感器群”项目,其主要目标是使基层部队指挥员具有在他们所希望部署传感器的任何地方灵活地部署传感器的能力。

美国海军最近开展的网状传感器系统CEC(cooperative engagement capability)是一项革命性的技术,CEC是一个无线网络,其感知数据是原始的雷达数据。

2.2 民用领域的研究进展情况

1995年,美国交通部提出了“国家智能交通系统项目规划”,预计到2025年全面投入使用。该计划试图把先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、控制技术及计算机处理技术有效地集成运用于整个地面交通管理,建立一个在大范围内、全方位发挥作用的,实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。

2002年10月24日,美国英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。今后,英特尔将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的应用。实现该计划需要3个阶段,即物理阶段、实现阶段和应用阶段。

2.3 学术界的研究进展

学术界的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上,也开展了一些感知数据查询处理技术的研究,取得了一些初步研究结果。目前的研究工作还处于起步阶段,大量的问题还没有涉及到,未来的研究工作任重而道远。下面,我们介绍一下目前的主要研究进展.

2.3.1 传感器网络技术的研究

加州大学伯克利分校提出了应用网络连通性重构传感器位置的方法、传感器网络上的数据分布式存储的地理Hash表方法、确定传感器网络中节点位置的分布式算法等。

加州大学洛杉矶分校开发了一个无线传感器网络和一个无线传感器网络模拟环境,用于考察传感器网络各方面的问题。

斯坦福大学提出了在传感器网络中事件跟踪和传感器资源管理的对偶空间方法以及由无线网连接的传感器和控制器构成的闭环控制系统的框架。

2.3.2 传感器网络通信协议的研究

人们首先对已有的因特网和Ad Hoc无线网络的通信协议进行了研究,发现这些协议不适用于传感器网络。其原因如下:(1)传感器网络中的传感器节点数量远大于Ad Hoc网络中的节点数;(2)感知节点出现故障的频率要大于Ad Hoc网络;(3)感知节点要比因特网和Ad Hoc网络中的节点简单。

2.3.3 感知数据查询处理技术的研究

康奈尔大学在感知数据查询处理技术方面开展的研究工作较多。他们研制了一个测试感知数据查询技术性能的COUGAR系统,提出了在传感器网络上计算聚集函数的容错和可扩展算法。

哈尔滨工业大学和黑龙江大学在传感器数据管理系统方面开展了研究工作,提出了以数据为中心的传感器网络的数据模型、一系列的能源有效的感知数据操作算法和感知数据查询处理技术,并研制了一个传感器网络数据管理系统。

3 目前研究热点

在通信协议方面,包括物理层协议[8](研究传感器网络采用的传输媒体、频段选择及调制方式);数据链路层协议;网络层协议(主要指路由协议;平面路由协议等)。在传感器网络管理方面,主要的研究热点是能量管理,数据传送所带来的能耗最大,研究休眠、唤醒,以及采用发送功率低的RF等。控制节点对能量的使用,在各层上都可使用,如操作系统、物理层、链路层、路由协议等内容。另外,还有安全管理的内容,包括传统的无线电电磁干扰方式和对路由机制进行攻击;侵入节点发送误警数据,侵入节点致使网络的某些节点和某些网段互发大量的无用数据,使能量很快耗尽;传感器网络分立,形成监测黑洞,无法完成正常监测工作。在研究中,可以探索采用扩频通信、传感器节点接入认证、鉴权、数据水印和数据加密等技术提高网络的安全性。

4 存在的问题

就目前的技术程度来说,让无线传感器网正常运行并大批投入应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接洽中,信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响,怎样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,需要应用数量宏大的微型传感器,这样的话成本会制约其发展。

(3)系统能量供给问题。目前重要的解决方案有:应用高能电池;降低传感功率;此外还有传感器网络的自我能量收集技巧和电池无线充电技巧。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巧,有多种形态和方法,合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。在这里面,还包含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,无线传感器网络利用远景非常诱人。无线传感器网络(WSN)被认为是影响人类未来生活的重要技巧之一,这一新兴技巧为人们供给了一种全新的获取信息、处理信息的道路。由于WSN本身的特点,使得它与现有的传统网络技巧之间存在较大的差别,给人们提出了很多新的要求。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,盼望能够引起测控领域对这一新兴技术的器重,推动对这一具有国家战略意义的新技术的研究、利用和发展。

参考文献

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[7]周雅琴,谭定忠.无线传感器网络应用及研究现状[J].传感器世界,2009(05):35-40.

初识无线传感器网络 篇8

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

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[6]任丰原, 黄海宁, 林闯.无线传感器网络[J].软件学报, 2003 (07) .

无线传感器网络的应用 篇9

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

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[6]于海斌.智能无线传感器网络系统[M].科学出版社, 2006.

无线传感器网络研究概述 篇10

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.

无线视觉传感器网络 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.

无线传感器网络中的网络管理 篇12

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。