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引論：我們?yōu)槟砹?3篇無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)范文，供您借鑒以豐富您的創(chuàng)作。它們是您寫作時(shí)的寶貴資源，期望它們能夠激發(fā)您的創(chuàng)作靈感，讓您的文章更具深度。
篇1
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的具有特定功能的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的無(wú)線通訊方式,相互傳遞信息,協(xié)同的完成特定功能的智能專用網(wǎng)絡(luò)[1]。它可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè),感知和采集網(wǎng)絡(luò)所監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息,并對(duì)收集到的信息進(jìn)行處理后傳送給終端用戶。
二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基本包括傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor node),匯聚節(jié)點(diǎn)(sink node)和管理節(jié)點(diǎn),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。大量的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)的布置在檢測(cè)區(qū)域,節(jié)點(diǎn)以自組織的形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò),通過(guò)多條中繼方式將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn),最后通過(guò)Internet或其他網(wǎng)絡(luò)通訊方式將檢測(cè)信息傳送到管理節(jié)點(diǎn)。同樣的,用戶可以通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行命令的,告知傳感器節(jié)點(diǎn)收集檢測(cè)信息[2]。
傳感器節(jié)點(diǎn)是一個(gè)具有信息采集,處理和通信能力的微型嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),但是受限于攜帶電池能量有限的原因,其處理能力相對(duì)較弱。結(jié)構(gòu)如圖2所示。從網(wǎng)絡(luò)功能上看,每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)除了要處理本地的信息,還需要協(xié)助其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和處理信息。
三、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的幾個(gè)具體關(guān)鍵問(wèn)題
(一)物理層協(xié)議。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)開放系統(tǒng)互聯(lián),按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的規(guī)定,為數(shù)據(jù)流傳輸所需的物理連接的建立、維護(hù)和釋放提供的機(jī)械的、電氣的、功能和規(guī)程性的模塊就叫做物理層。從這個(gè)定義可以看出,物理層需要承擔(dān)為數(shù)據(jù)終端提供數(shù)據(jù)傳輸通路、傳輸數(shù)據(jù)和完成管理工作的職責(zé)。具體到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是介質(zhì)的選擇、頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)以及擴(kuò)頻技術(shù)。因?yàn)槭菬o(wú)線網(wǎng)絡(luò),傳輸介質(zhì)自然要選電磁波了。不過(guò),源信號(hào)要依靠電磁波傳輸必需要通過(guò)調(diào)制技術(shù)變成高頻信號(hào),當(dāng)?shù)诌_(dá)接受端時(shí),又通過(guò)解調(diào)技術(shù)還原成原始信號(hào)。目前采用的調(diào)制方法分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種。它們的區(qū)別就在于調(diào)制信號(hào)所用的基帶信號(hào)的模式不同而已(一為數(shù)字,一為模擬)。
(二)MAC層協(xié)議[3]。信號(hào)的傳輸要靠信道,因此信道也就成為了一種寶貴的資源。怎樣合理有效的分配信道,就是數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC子層要解決的問(wèn)題了。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常使用的有三種MAC協(xié)議:傳感器協(xié)議(S-MAC),分布式能量意識(shí)協(xié)議(DE-MAC)和協(xié)調(diào)設(shè)備協(xié)議。S-MAC協(xié)議通過(guò)調(diào)配節(jié)點(diǎn)的休眠方式來(lái)有效地分配信道;DE-MAC則采用周期性監(jiān)聽和休眠機(jī)制,避免空閑監(jiān)聽和串音,其目的是減少能耗和增加網(wǎng)絡(luò)的生存周期;MD協(xié)議則能為大規(guī)模、低占空比運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)提供了不需要高精度時(shí)鐘的可靠通信。
總體來(lái)說(shuō),無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議在分配信道的同時(shí)還要保證系統(tǒng)的能耗最低。
(三)路由。在具備底層傳輸協(xié)議的保障后,信息怎樣快速地從源傳輸?shù)侥康牡鼐褪怯陕酚蓞f(xié)議來(lái)解決了。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),路由要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基本功能:確定最佳路徑和通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸信息。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩酱嬗诼酚杀?由路由算法初始化并負(fù)責(zé)維護(hù)。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與普通的網(wǎng)絡(luò)不同,它有自己的特點(diǎn):比如能量受限,通信方式以數(shù)據(jù)為中心,相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)有著相似性,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也在不斷的變化等。與此對(duì)應(yīng),常規(guī)網(wǎng)絡(luò)的路由并不一定能適應(yīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
下面來(lái)介紹幾種常見(jiàn)的路由協(xié)議:
1.泛洪式路由。這是一種非常傳統(tǒng)的路由協(xié)議。泛洪式路由不進(jìn)行維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜拖嚓P(guān)路由計(jì)算,只負(fù)責(zé)以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,因此效率并不高。
2.SPIN。SPIN是一組基于協(xié)商并且具有能量自適應(yīng)功能的協(xié)議。節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)協(xié)商來(lái)確定是否有發(fā)送信號(hào)的必要,并實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的能量負(fù)載來(lái)改變工作模式。以上兩種協(xié)議都是平面路由協(xié)議,依照這種協(xié)議,節(jié)點(diǎn)并不進(jìn)行分區(qū)歸類。
3.LEACH。LEACH是一種分層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,它以循環(huán)的方式隨機(jī)選擇簇首節(jié)點(diǎn),將全網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn),從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗的目的。這里要解釋一下簇,簇是分層路由協(xié)議的概念,根據(jù)分層路由協(xié)議,網(wǎng)絡(luò)被劃分成不同簇,每一個(gè)簇由一個(gè)簇首和簇成員組成,多個(gè)簇首形成高級(jí)的網(wǎng)絡(luò),簇首節(jié)點(diǎn)不僅負(fù)責(zé)其轄下簇內(nèi)信息的收集和融合處理,還負(fù)責(zé)簇之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。
4.PEGASIS。PEGASIS可謂LEACH的升級(jí)版本。按照其規(guī)定,只有最為鄰近的節(jié)點(diǎn)才相互通信,節(jié)點(diǎn)與匯聚點(diǎn)輪流通信,當(dāng)所有的節(jié)點(diǎn)都與匯聚點(diǎn)通信后,節(jié)點(diǎn)再進(jìn)行新一回合的輪流通信。
(四)軟件的支持[4]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也有一個(gè)屬于自己的操作系統(tǒng)TinyOS。這個(gè)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)意義上的操作系統(tǒng),它更像一個(gè)編程構(gòu)架,在此構(gòu)架下,搭配一組必要的組件,就能方便地編譯出面向特定應(yīng)用的操作系統(tǒng)。
TinyOS由眾多組件組成,包括了主組件、應(yīng)用組件、執(zhí)行組件、傳感組件、通信組件和硬件抽象組件。每一個(gè)組件在其內(nèi)部都封裝了命令處理程序和事件處理程序,它們通過(guò)接口聲明所調(diào)用的命令和將要觸發(fā)的事件。調(diào)度器則負(fù)責(zé)根據(jù)任務(wù)的輕重緩急來(lái)安排系統(tǒng)的工作。
四、結(jié)束語(yǔ)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)這種新興的技術(shù)發(fā)展迅猛,已經(jīng)成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)。在全球范圍內(nèi)此技術(shù)目前基本處于理論研究和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段,國(guó)內(nèi)的研究起步也開始不久,從理論上和實(shí)際應(yīng)用都有待于深入研究。
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篇2
Network Management of Wireless Sensor Networks
DU Jing-lin1,SHI Lan2
(1.Nanjing University of Information Science and Technology Department of Electronic and information Engineering,Nanjing 21004,China;2. Department of Remote sensing,Nanjing 21004,China)
Abstract:Wireless sensor networks are networks consisting of small sensors that are limited in both power and processing. These sensor networks are often used in monitoring applications, such as the environment, structures and animal habitats. Network management is key function in all of networks, including sensor networks. The nature of wireless sensor networks makes networks management a more difficult than that of traditional networks. One main property of network management of sensor networks is topology management. This paper gives a brief background on network management and how it is used into sensor networks. It provides a more detailed look at topology management and some existing topology management algorithms.
Key words:Wireless sensor networks;network management;topology management;Energy conserving
1 概述
無(wú)線傳感器網(wǎng)路是由許多能量和處理能力有限的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。這種網(wǎng)絡(luò)能夠用在許多不同的應(yīng)用，包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事應(yīng)用、結(jié)構(gòu)控制與監(jiān)測(cè)、野生動(dòng)物習(xí)性的監(jiān)測(cè)等。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在這些應(yīng)用面臨著許多挑戰(zhàn)，其中最主要的問(wèn)題是能力消耗問(wèn)題。傳感器網(wǎng)絡(luò)是典型的無(wú)人看護(hù)網(wǎng)絡(luò)，并且緊靠有限電池供電，因此節(jié)省能量是部署傳感器網(wǎng)絡(luò)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。
所有類型的網(wǎng)絡(luò)都需要管理和維護(hù)。所有的網(wǎng)絡(luò)管理都需要一些網(wǎng)絡(luò)的管理形式，不同類型網(wǎng)絡(luò)可能強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)管理的不同方面。在網(wǎng)絡(luò)的管理上通常有以下幾種的不同的管理結(jié)構(gòu)：集中式的管理、層次式的管理結(jié)構(gòu)，分布式的管理結(jié)構(gòu)。在集中式管理中，一個(gè)中心服務(wù)器用來(lái)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用角色；在層次式管理中，包括多個(gè)管理平臺(tái)，通常有一個(gè)服務(wù)器和多個(gè)客戶端組成網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用；為了實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)管理功能需要分布式管理體系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)也適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理，在這種結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)利用多個(gè)對(duì)等平臺(tái)來(lái)共同管理任務(wù)。這種結(jié)構(gòu)可以提供更好的擴(kuò)展性、可用性和可靠性。
2 網(wǎng)絡(luò)管理
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理相似，有著相同的管理任務(wù)不同的管理方式。例如，性能管理也包括監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋與連接。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的安全管理非常困難，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的自組織特點(diǎn)，采用無(wú)線通信以及資源有限。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的管理一個(gè)主要目標(biāo)是自主性，特別是在故障管理和自動(dòng)配置中十分重要。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)是無(wú)人看護(hù)網(wǎng)絡(luò)，自主發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，自主修復(fù)的能力就非常重要；另一個(gè)主要問(wèn)題是，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)效后，不能影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的操作，不像傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備出現(xiàn)故障后會(huì)影響一些用戶甚至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)管理有一些新的功能，其中包括拓?fù)涔芾怼⒛芰抗芾硪约熬幊坦芾怼９?jié)省能量是傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要方面。節(jié)能可以在網(wǎng)絡(luò)管理的不同層面和不同方式下進(jìn)行。其中最通用的辦法是當(dāng)節(jié)點(diǎn)空閑關(guān)閉電源，現(xiàn)在又許多協(xié)議和算法建立都是為了節(jié)省能力。例如，為傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的特別的MAC協(xié)議和路由協(xié)議，當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，高效的節(jié)省電池的能量。編程和代碼管理是傳感器網(wǎng)絡(luò)中的另一個(gè)主要功能。傳統(tǒng)的程序升級(jí)等功能是通過(guò)把節(jié)點(diǎn)連接到手提電腦或者PDA等設(shè)備上來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是在大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)管理中，這種方式很不顯示現(xiàn)實(shí)，這就需要當(dāng)某些節(jié)點(diǎn)需要更新程序時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把有限的數(shù)據(jù)報(bào)通過(guò)自組織網(wǎng)絡(luò)傳送過(guò)去。目前在程序升級(jí)領(lǐng)域也是一個(gè)非常活躍的研究方向。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理中還有一些主要的思想與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同。節(jié)省能量是傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要問(wèn)題，次之就是如何高效利用帶寬。一種方法就是通過(guò)提取網(wǎng)絡(luò)一部分節(jié)點(diǎn)的管理信息來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理。節(jié)省能力和有效利用帶寬的一個(gè)主要辦法就是數(shù)據(jù)聚集。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和其鄰居節(jié)點(diǎn)都采集數(shù)據(jù)，通過(guò)比較和數(shù)據(jù)聚集的辦法，只傳送一個(gè)數(shù)據(jù)信息，消除冗余節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，采用一定的數(shù)據(jù)收集策略，就可以大大減少數(shù)據(jù)信息的傳送量，起到節(jié)省能量和帶寬的目的。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理是集中式的應(yīng)用，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是分布式的架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)管理不應(yīng)該就是收集所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后無(wú)線的傳送到中心管理節(jié)點(diǎn)上，在中更應(yīng)該采用網(wǎng)內(nèi)處理辦法，采用合適的數(shù)據(jù)聚集算法，來(lái)減少數(shù)據(jù)傳輸，減少能量消耗和帶寬的開銷。
3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)管理
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要問(wèn)題是節(jié)能，而這也正是拓?fù)涔芾淼闹饕哪繕?biāo)。拓?fù)涔芾淼牧硪粋€(gè)主要目標(biāo)是拓?fù)淇刂疲簿褪潜ＷC網(wǎng)絡(luò)的連通性。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)涔芾碇饕腥齻€(gè)方面的想法：拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、睡眠周期管理和成簇管理方法。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，可知在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)涔芾碇饕幸韵铝鶄€(gè)特點(diǎn)：1）對(duì)稱性2）連通性3）生成性4）分散性5）低度性6）低干擾性。
3.1拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)
拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)包括一個(gè)基站和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組織。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的物理連接情況或者節(jié)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系信息傳輸?shù)焦芾砉?jié)點(diǎn)上，用來(lái)維護(hù)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。基站或者管理站點(diǎn)向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)出拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)信息傳送回來(lái)。在拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)中主要兩種方法，一種方法是采用直接的辦法，節(jié)點(diǎn)一旦接受請(qǐng)求信息就立即傳送包含特定節(jié)點(diǎn)信息的響；另一種方法是采用聚集的辦法，這種辦法中，節(jié)點(diǎn)不是立即響應(yīng)，而是等待其子孫節(jié)點(diǎn)將信息傳回來(lái)后，通過(guò)聚集然后將信息會(huì)傳給初始化節(jié)點(diǎn)。
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現(xiàn)有一些對(duì)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)問(wèn)題的解決方法。例如TopDisc[1]算法使用樹結(jié)構(gòu)，樹的根節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，用來(lái)發(fā)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洹．?dāng)一個(gè)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)的請(qǐng)求被傳送出去，節(jié)點(diǎn)的鄰居集就創(chuàng)建了。TopDisc算法在節(jié)點(diǎn)中創(chuàng)建了簇，并且標(biāo)識(shí)簇頭節(jié)點(diǎn)用來(lái)報(bào)告整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這是一個(gè)近似于貪心的算法來(lái)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋集，算法的開始是通過(guò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請(qǐng)求包，然后在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳播來(lái)實(shí)現(xiàn)的。TopDisc算法是近似于集中式的工作方式。該算法有一些可能的應(yīng)用，如其可以用來(lái)報(bào)告幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)圖，包括網(wǎng)絡(luò)連通圖、網(wǎng)絡(luò)可達(dá)圖等，還可以用來(lái)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量分布圖以及節(jié)點(diǎn)使用分布圖。
3.2睡眠周期管理
在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有些協(xié)議和算法通過(guò)讓一些冗余節(jié)點(diǎn)周期性的休眠來(lái)達(dá)到網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的目的。這些算法主要是在一定周期內(nèi)來(lái)決定選取哪些節(jié)點(diǎn)集進(jìn)入休眠狀態(tài)，而當(dāng)休眠期結(jié)束，必須通過(guò)一定的機(jī)制來(lái)喚醒，以使其在下一輪進(jìn)入工作狀態(tài)。因此維護(hù)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的睡眠周期是這類算法協(xié)議的主要職責(zé)。
這種拓?fù)涔芾碇械囊粋€(gè)算法是STEM算法[4，5]，該算法中，節(jié)點(diǎn)在大部分時(shí)間里用來(lái)感知數(shù)據(jù)，一旦把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，就把節(jié)點(diǎn)無(wú)線發(fā)射裝置關(guān)閉，因?yàn)闊o(wú)線通信是最主要的耗能源，等需要有數(shù)據(jù)時(shí)在開始通性設(shè)備。通常在這種算法要在傳感器節(jié)點(diǎn)上裝有兩個(gè)無(wú)線通信設(shè)備，其中第二個(gè)無(wú)線設(shè)備為低負(fù)載裝置，主要用來(lái)發(fā)送喚醒消息。在STEM算法中最主要的問(wèn)題是延時(shí)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)要通過(guò)一個(gè)休眠節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，必須等待其被喚醒才可以實(shí)現(xiàn)，帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)的延遲，而在一些應(yīng)用中，實(shí)時(shí)性是非常關(guān)鍵的。
3.3基于簇的管理
在現(xiàn)在有許多基于簇管理的算法用來(lái)拓?fù)涔芾怼＿@些算法可以根據(jù)許多方式進(jìn)行分類，如：基于位置信息和不基于位置信息的；分布式和集中的；基于節(jié)點(diǎn)ID和節(jié)點(diǎn)度的。我們通過(guò)對(duì)于基于簇的拓?fù)涔芾硭惴ǚ治隹偨Y(jié)，按照一定特點(diǎn)歸結(jié)為表1。
3.4拓?fù)涔芾砻媾R的挑戰(zhàn)
傳感器網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)議和算法的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)都是節(jié)能，這也是拓?fù)涔芾硭惴ǖ哪繕?biāo)。通過(guò)減少能量的消耗來(lái)最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期。算法的維護(hù)開銷應(yīng)該最小化，如果算法中不要求位置信息和時(shí)間同步，這將是對(duì)能量節(jié)省是非常有利的。在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，移動(dòng)性是需要的，因此在未來(lái)的研究中，能夠支持移動(dòng)性以及由于某些節(jié)點(diǎn)實(shí)效而要求算法的魯棒性都是十分必要的。
4 總結(jié)與展望
網(wǎng)絡(luò)管理是所有類型網(wǎng)絡(luò)中都非常關(guān)鍵的功能。在傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)管理是由服務(wù)器控制的典型集中式結(jié)構(gòu)，主要包括了網(wǎng)絡(luò)故障管理、配置管理、安全管理、性能管理以及賬戶的管理。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包括有許多傳感器節(jié)點(diǎn)，并且受到了電源和能量的制約。網(wǎng)絡(luò)管理在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是非常關(guān)鍵的，采用分布式的運(yùn)行方式更為實(shí)際。傳感器網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)管理主要包括了能量管理、編程管理以及拓?fù)涔芾怼６谕負(fù)涔芾碇兄饕梢酝ㄟ^(guò)定時(shí)讓一些節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠周期來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的，通過(guò)簇管理算法來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與節(jié)點(diǎn)。目前已經(jīng)有了許多相關(guān)的算法，未來(lái)需要更加魯棒、更加節(jié)能的算法，在該領(lǐng)域還有許多工作亟待解決。
表1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇結(jié)構(gòu)算法
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篇3
IEEE正在努力推進(jìn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，美國(guó)的《技術(shù)評(píng)論》雜志在論述未來(lái)新興十大技術(shù)時(shí)，更是將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來(lái)新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》預(yù)測(cè)的未來(lái)四大新技術(shù)中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中。可以預(yù)計(jì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛是一種必然趨勢(shì)，它的出現(xiàn)將會(huì)給人類社會(huì)帶來(lái)極大的變革。
一、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成
一個(gè)完整的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、用戶節(jié)點(diǎn)三部
分組成。大量傳感器節(jié)點(diǎn)被放置在監(jiān)測(cè)區(qū)域（云圖包圍部分），假定傳感器節(jié)點(diǎn)A有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)要上報(bào)到用戶節(jié)點(diǎn)，則通過(guò)自組織路由協(xié)議建立A，B，C，D之間的無(wú)線鏈路，D再通過(guò)與之連接的匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)經(jīng)由衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)等傳輸網(wǎng)絡(luò)送達(dá)用戶節(jié)點(diǎn)。由于被監(jiān)測(cè)區(qū)域往往不方便建立固定設(shè)施及有線鏈路，因此傳感器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸通常采取無(wú)線方式，而匯聚節(jié)點(diǎn)與用戶節(jié)點(diǎn)之間的傳輸既可采用有線方式，也可采用無(wú)線方式。
在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，它們擔(dān)負(fù)著感知數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)及傳輸數(shù)據(jù)的功能。
傳感器節(jié)點(diǎn)主要由傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、計(jì)算模塊、存儲(chǔ)模塊、通信模塊、電源模塊幾部分組成，并在嵌人式軟件系統(tǒng)的支持下完成傳感器節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)功能。傳感器負(fù)責(zé)各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取，將感知對(duì)象轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將非數(shù)字監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，方便后期處理。計(jì)算模塊和存儲(chǔ)模塊主要處理傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換送來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通信模塊將計(jì)算模塊的處理結(jié)果通過(guò)無(wú)線方式傳輸?shù)较乱粋€(gè)節(jié)點(diǎn)。
二、無(wú)線傳感網(wǎng)的熱點(diǎn)研究問(wèn)題
2.1 安全問(wèn)題
2.1.1 安全路由
通常，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)密集分布在一個(gè)區(qū)域里，消息可能需要經(jīng)過(guò)若干節(jié)點(diǎn)才能到達(dá)目的地，而且傳感器網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)性和多跳結(jié)構(gòu)，要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)都應(yīng)具有路由功能。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是潛在的路由節(jié)點(diǎn)，因此更易受到攻擊，使網(wǎng)絡(luò)不安全。網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議為整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了關(guān)鍵的路由服務(wù)，安全的路由算法會(huì)直接影響無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性和可用性。安全路由協(xié)議一般采用鏈路層加密和認(rèn)證、多路徑路由、身份認(rèn)證、雙向連接認(rèn)證和認(rèn)證廣播等機(jī)制，有效提高網(wǎng)絡(luò)抵御外部攻擊的能力，增強(qiáng)路由的安全性。
2.1.2 安全協(xié)議
在安全保障方面主要有密鑰管理和安全組播兩種方式。1）密鑰管理：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有諸多限制，例如節(jié)點(diǎn)能力限制，使其只能使用對(duì)稱密鑰和Hash技術(shù)；電源能力限制，應(yīng)使其在無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)中盡量減少通信，因?yàn)橥ㄐ诺暮碾妼⒋笥谟?jì)算的耗電；傳感器網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)考慮匯聚等減少數(shù)據(jù)冗余的問(wèn)題。在部署節(jié)點(diǎn)前，將密鑰預(yù)先配置在節(jié)點(diǎn)中，通常，預(yù)配置的密鑰方案通過(guò)預(yù)存的秘密信息計(jì)算會(huì)話密鑰，由于節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)和能量的限制，預(yù)配置密鑰管理方案必須考慮節(jié)省存儲(chǔ)空間和減少通信開銷。2）安全組播：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能設(shè)置在敵對(duì)環(huán)境中，為了防止供給者向網(wǎng)絡(luò)注入偽造信息，需要在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)基于源端認(rèn)證的安全組播。
2.2 能量問(wèn)題
傳感器的節(jié)點(diǎn)分布眾多，并且需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理等活動(dòng)，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一般用電池供電，可使用的電量非常有限，并且對(duì)于有成千上萬(wàn)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，更換電池非常困難，甚至是不可能的，但是卻要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)月甚至數(shù)年，因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能節(jié)約無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電池能量成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計(jì)中的核心問(wèn)題。現(xiàn)在已有一些解決方法，在大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，由于傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)事件的偶發(fā)性，沒(méi)有必要讓所有單元均工作在正常狀態(tài)下，可采用休眠模式，能自適應(yīng)的休眠和喚醒，進(jìn)行突發(fā)工作，節(jié)省能量。還可將所有功耗單元有機(jī)組合，形成不同狀態(tài)，讓傳感器節(jié)點(diǎn)能根據(jù)需要在不同狀態(tài)間切換，這樣既可以滿足系統(tǒng)需要，又節(jié)省了能源。還可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓以節(jié)省能量，根據(jù)負(fù)載狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)供電電壓，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，節(jié)省能量。總之，在滿足系統(tǒng)要求的情況下，采用各種方法降低耗電量非常必要。
三、總結(jié)
本文總結(jié)了當(dāng)前制約無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的因素及目前的研究熱點(diǎn)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)最終將成為聯(lián)系信息世界和客觀物理實(shí)際的接口，從而人類可以通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得客觀物理世界的信息并采取相應(yīng)措施。
篇4
ZigBee技術(shù)是一種低成本的雙向通信技術(shù)，與其他無(wú)線通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)突出表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：通信速率高、使用掌握該技術(shù)簡(jiǎn)單、能耗低、傳輸速率雖低但相對(duì)其他無(wú)線傳輸技術(shù)速率有較大提高、安全性能較高。
ZigBee協(xié)議棧自上而下由應(yīng)用層、應(yīng)用支持子層、網(wǎng)絡(luò)層、介質(zhì)訪問(wèn)層和物理層組成。其中，每一層都由下層來(lái)提供服務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)由數(shù)據(jù)實(shí)體來(lái)提供，而其余服務(wù)由管理實(shí)體來(lái)提供。通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)SAP，服務(wù)實(shí)體給上層提供接口，而每個(gè)SAP都會(huì)支持一定數(shù)目的服務(wù)原語(yǔ)，從而完成所需要的功能。ZigBee的分層架構(gòu)是在OSI七層模型的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際應(yīng)用制定的。
2 組網(wǎng)流程
本設(shè)計(jì)采用星型結(jié)構(gòu)。中心節(jié)點(diǎn)是由全功能設(shè)備協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)的，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要是建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)與終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換。而終端節(jié)點(diǎn)在該網(wǎng)絡(luò)中是下位機(jī)，主要完成數(shù)據(jù)采集，以及向協(xié)調(diào)器發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的大概順序?yàn)椋?/p>
（1）協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)；
（2）終端節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)；
（3）終端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器響應(yīng)該請(qǐng)求；
（4）節(jié)點(diǎn)間開始數(shù)據(jù)通信。
其組網(wǎng)流程圖如圖1所示。
在TI公司推出的Z-stack的協(xié)議棧里應(yīng)經(jīng)定義了三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞降恼Z(yǔ)句，只需要在頭文件里調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)就能實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)功能。
3 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)中的首要設(shè)備，負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，僅僅可以存在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，但允許有多個(gè)路由器和終端設(shè)備存在。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)主要包括協(xié)調(diào)器新建網(wǎng)絡(luò)、向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)及接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。
4 終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)一般只能收發(fā)數(shù)據(jù)，它主要接收并處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，并發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器或路由節(jié)點(diǎn)。它的軟件設(shè)計(jì)主要包含傳感器采集部分和網(wǎng)絡(luò)通信部分，即數(shù)據(jù)的收和發(fā)，該部分設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器部分基本類似。傳感器節(jié)點(diǎn)不能維持網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)采集數(shù)據(jù)不被需要時(shí)，可以睡眠或者也可以喚醒。使傳感器節(jié)點(diǎn)初始化是先為參數(shù)設(shè)置初始值，然后啟動(dòng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)再選取適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)與其相連接。
5 總結(jié)
本文通過(guò)分析大量參考文獻(xiàn)，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及ZigBee技術(shù)等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了深入的學(xué)習(xí)和理解，在全面探討系統(tǒng)各個(gè)影響因素的基礎(chǔ)上，分析研究了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信方式、ZigBee協(xié)議棧，并采用CC2530無(wú)線射頻芯片完成了節(jié)點(diǎn)之間的相互通信，完成系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的要求和預(yù)期效果。
參考文獻(xiàn)
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篇5
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新型的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其主要是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)自動(dòng)配置的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并將感知和收集到的信息發(fā)給管理部門。目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、生態(tài)環(huán)境、醫(yī)療和家居方面都有一定應(yīng)用，未來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景將是不可估量的。
二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)
（一）節(jié)點(diǎn)數(shù)量多
在監(jiān)測(cè)區(qū)通常都會(huì)安置許多傳感器節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)分布式處理信息，這樣就能夠提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，有效獲取更加精確的信息，并降低對(duì)節(jié)點(diǎn)傳感器的精度要求[1]。此外，由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，因此存在許多冗余節(jié)點(diǎn)，這樣就能使系統(tǒng)的容錯(cuò)能力較強(qiáng)，并且節(jié)點(diǎn)數(shù)量多還能夠覆蓋到更廣闊的監(jiān)測(cè)區(qū)域，有效減少監(jiān)測(cè)盲區(qū)。
（二）動(dòng)態(tài)拓?fù)?/p>
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)并非固定的。當(dāng)某個(gè)節(jié)電出現(xiàn)故障或是耗盡電池后，將會(huì)退出網(wǎng)絡(luò)，此外，還可能由于需要而被轉(zhuǎn)移添加到其他的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。
（三）自組織網(wǎng)絡(luò)
無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)位置并不能進(jìn)行精確預(yù)先設(shè)定。節(jié)點(diǎn)之間的相互位置也無(wú)法預(yù)知，例如通過(guò)使用飛機(jī)播散節(jié)點(diǎn)或隨意放置在無(wú)人或危險(xiǎn)的區(qū)域內(nèi)。在這種情況下，就要求傳感器節(jié)點(diǎn)自身能夠具有一定的組織能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)管理和配置。
（四）多跳路由
無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)之間的距離通常都在幾十到幾百米，因此節(jié)點(diǎn)只能與其相鄰的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。如果需要與范圍外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，就需要經(jīng)過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由并不是專門的路由設(shè)備，所有傳輸工作都是由普通的節(jié)點(diǎn)完成的[2]。
（五）以數(shù)據(jù)為中心
無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)均利用編號(hào)標(biāo)識(shí)。由于節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)分布的，因此節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和位置之間并沒(méi)有聯(lián)系。用戶在查詢事件時(shí)，只需要將事件報(bào)告給網(wǎng)絡(luò)，并不需要告知節(jié)點(diǎn)編號(hào)。因此這是一種以數(shù)據(jù)為中心進(jìn)行查詢、傳輸?shù)姆绞健?/p>
（六）電源能力局限性
通常都是用電池對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能源都是有限的，因此一旦電池的能量消耗完，就是造成節(jié)點(diǎn)無(wú)法再進(jìn)行正常工作。
三、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
（一）環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用
無(wú)線傳感器可以用于進(jìn)行氣象研究、檢測(cè)洪水和火災(zāi)等，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中具有明顯優(yōu)勢(shì)。隨著我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，生態(tài)環(huán)境污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。我國(guó)是一個(gè)幅員遼闊、資源豐富的農(nóng)業(yè)大國(guó)，因此在進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時(shí)利用無(wú)線傳感器進(jìn)行對(duì)生產(chǎn)環(huán)境變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)能夠?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)許多好處，這對(duì)我國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展有著重要意義[4]。
（二）醫(yī)療護(hù)理應(yīng)用
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)使用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將收集到的信息傳送到接受端口，例如一些病人身上會(huì)有一些用于監(jiān)測(cè)心率、血壓等的傳感器節(jié)點(diǎn)，這樣醫(yī)生就可以隨時(shí)了解病人的病情，一旦病人出現(xiàn)問(wèn)題就能夠及時(shí)進(jìn)行臨時(shí)處理和救治。在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)傳感器已經(jīng)有了一些成功案例，例如芬蘭的技術(shù)人員設(shè)計(jì)出了一種可以穿在身上的無(wú)線傳感器系統(tǒng)，還有SSIM（Smart Sensors and Integrated Microsystems）等。
（三）智能家居建筑應(yīng)用
文物保護(hù)單位的一個(gè)重要工作就是要對(duì)具有意義的古老建筑實(shí)行保護(hù)措施。利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)對(duì)古老建筑內(nèi)的溫度是、濕度、關(guān)照等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這樣就能夠?qū)ㄖ镞M(jìn)行長(zhǎng)期有效的監(jiān)控。對(duì)于一些珍貴文物的保存，對(duì)保護(hù)地的位置、溫度和濕度等提前進(jìn)行檢測(cè)，可以提高展覽品或文物的保存品質(zhì)。例如，英國(guó)一個(gè)博物館基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一個(gè)警報(bào)系統(tǒng)，利用放在溫度底部的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)燈光、振動(dòng)等信息，以此來(lái)保障文物的安全[5]。
目前我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)處在高速發(fā)展期，建設(shè)單位對(duì)各種建設(shè)工程的安全施工監(jiān)測(cè)越來(lái)越關(guān)注。利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)使建筑能夠檢測(cè)到自身狀況并將檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給管理部門，這樣管理部門就能夠及時(shí)掌握建筑狀況并根據(jù)優(yōu)先等級(jí)來(lái)處理建筑修復(fù)工作。
另外，在家具或家電匯中設(shè)置無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，將家居環(huán)境打造成一個(gè)更加舒適方便的空間，為人們提供更加人性化和智能化的生活環(huán)境。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)屋內(nèi)溫度、濕度、光照等，對(duì)房間內(nèi)的細(xì)微變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)和感知，進(jìn)而對(duì)空調(diào)、門窗等進(jìn)行智能控制，這樣就能夠?yàn)槿藗兲峁┮粋€(gè)更加舒適的生活環(huán)境。
（四）軍事應(yīng)用
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低能耗、小體積、高抗毀等特性，且其具有高隱蔽性和高度的自組織能力，這為軍事偵察提供有效手段。美國(guó)在20世紀(jì)90年代就開始在軍事研究中應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)內(nèi)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)敵軍的裝備，并對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)上的狀況進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)攻擊目標(biāo)進(jìn)行定位并能夠檢測(cè)生化武器[3]。
目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在全球許多國(guó)家的軍事、研究、工業(yè)部門都得到了廣泛的關(guān)注，尤其受到美國(guó)國(guó)防部和軍事部門的重視，美國(guó)基于C4ISR又提出了C4KISR的計(jì)劃，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)的感知和信息綜合能力又提出新的要求，并開設(shè)了如NSOF系統(tǒng)等的一系列軍事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究。
五、結(jié)語(yǔ)
隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究不斷深入和擴(kuò)展，人們對(duì)無(wú)線傳感器的認(rèn)識(shí)也越來(lái)越清晰，然而目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的在技術(shù)上還存在一定問(wèn)題需要解決，例如存儲(chǔ)能力、傳輸能力、覆蓋率等。盡管無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還有許多技術(shù)問(wèn)題待解決使得現(xiàn)在無(wú)法廣泛推廣和運(yùn)用，但相信其未來(lái)發(fā)展前景不可估量。
參考文獻(xiàn)：
[1]肖健，呂愛(ài)琴，陳吉忠等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的關(guān)鍵性問(wèn)題[J].傳感器世界.2011.2（7）
篇6
Analysis of Wireless Sensor Networks and Routing Techniques
WANG Yan-qin1, PENG Gang2, LIU Yu1
(1. Institute of Computer and Control, Guilin Uniersity of Electronic Technology, Guilin 541004, China; 2. Educational Technology Center, Guilin Air Force Academy, Guilin 541003, China)
Abstract: Correlative knowledge of wireless sensor network is briefly introduced, including the architecture, the characteristics and the application fields. After key techniques of wireless sensor network are introduced, routing technique is analyzed emphatically, and then the problems and challenges of routing techniques are discussed.
Key words: wireless sensor network; key techniques; routing technique
隨著無(wú)線通信和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,傳感器不僅能感應(yīng)和監(jiān)測(cè)環(huán)境,還可以處理收集到的數(shù)據(jù),將其處理后以無(wú)線的方式傳送到基站。這些具有特殊功能的廉價(jià)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn),通過(guò)無(wú)線鏈路構(gòu)成靈活的多跳自組織網(wǎng)絡(luò),這就是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN, Wireless Sensor Network)。[1] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一,它將會(huì)對(duì)人類未來(lái)的生活方式產(chǎn)生巨大的影響。
1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與體系結(jié)構(gòu)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多個(gè)功能相同或不同的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成的以數(shù)據(jù)為中心的無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)。每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由感應(yīng)模塊、數(shù)據(jù)處理和控制模塊、通信模塊和電源模塊等組成,如圖1。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink Node)和管理節(jié)點(diǎn)。[2-3] 傳感器節(jié)點(diǎn)通常散布在被監(jiān)測(cè)區(qū)域中,可以通過(guò)無(wú)人飛行器、火箭等撒播,也可以通過(guò)人工布置的方式完成,自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。各節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)通過(guò)多跳中繼的方式路由至匯聚節(jié)點(diǎn),最終借助長(zhǎng)距離或臨時(shí)建立的Sink鏈路將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程中心進(jìn)行集中處理,體系結(jié)構(gòu)如圖2。
1.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般是為了某個(gè)特定的需要而設(shè)計(jì)的,有著獨(dú)特的體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用背景,使它具有不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的諸多特點(diǎn)。
1) 網(wǎng)絡(luò)自組織性 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)、不需要任何基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持下,由傳感器節(jié)點(diǎn)本身自組織形成網(wǎng)絡(luò),包括網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、維護(hù)、管理等完全在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。
2) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定 一般網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)渥兓饕晒?jié)點(diǎn)的移動(dòng)造成的,而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化主要由于可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)和節(jié)點(diǎn)能量的耗盡造成的。
3) 容錯(cuò)性、功能局限性 對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)數(shù)目多,安全性比較差,因此整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有容錯(cuò)性;節(jié)點(diǎn)能量主要靠電池,但受到體積的限制,使得節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間等局限性表現(xiàn)非常突出。
4) 網(wǎng)絡(luò)分布式特性 基站節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)體現(xiàn)了使用集中式的控制結(jié)構(gòu),但各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間,是一種無(wú)中心的分布式控制網(wǎng)絡(luò)。
5) 安全性問(wèn)題嚴(yán)重 由于采用無(wú)限信道、有限電源、分布式控制等技術(shù),網(wǎng)絡(luò)主機(jī)更加容易受到被動(dòng)竊聽、主動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)、剝奪睡眠、偽造等形式的各種網(wǎng)絡(luò)攻擊,而且傳感器節(jié)點(diǎn)往往直接暴露在外面,安全性很差。
2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)[4-5]
1) 節(jié)點(diǎn)定位 位置信息對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用至關(guān)重要,沒(méi)有位置信息的數(shù)據(jù)毫無(wú)意義。大多節(jié)點(diǎn)定位分為兩個(gè)階段:第一,測(cè)量未知節(jié)點(diǎn)到附近已知節(jié)點(diǎn)的距離;第二,通過(guò)這些參考距離,利用數(shù)學(xué)方法對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行計(jì)算。
2) 時(shí)間同步 時(shí)間同步的基本思想是:節(jié)點(diǎn)以自己的時(shí)鐘記錄事件,隨后用第三方廣播的基準(zhǔn)時(shí)間加以校正。這種同步機(jī)制應(yīng)用在確定來(lái)自不同節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)事件的先后關(guān)系時(shí)有足夠的精度。
3) 路由技術(shù) 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)中,網(wǎng)絡(luò)層的路由技術(shù)是組網(wǎng)的基礎(chǔ),是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信層的核心技術(shù),非常重要。路由技術(shù)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn),主要功能是尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的最優(yōu)化路徑,并將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。
4) 數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)融合 數(shù)據(jù)融合是一種減少傳輸數(shù)據(jù)量,節(jié)省能量的策略,數(shù)據(jù)管理是為了針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理資源受限的特點(diǎn)而采用的特定數(shù)據(jù)管理措施。二者都是面向具體應(yīng)用的,只有面向具體應(yīng)用需求設(shè)計(jì)具體的數(shù)據(jù)融合算法和數(shù)據(jù)管理策略才可以最大限度的提高效率、節(jié)省能量。
5) 網(wǎng)絡(luò)安全 安全技術(shù)可以保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)各層正常和正確的運(yùn)行,對(duì)于其它方面,以至于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有很重要的作用,其中對(duì)于保證數(shù)據(jù)新鮮性和有效性方面表現(xiàn)最為明顯。目前,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全主要集中在密匙管理、身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)加密方法、安全路由協(xié)議和隱私問(wèn)題。
3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)
3.1 路由技術(shù)分類
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由技術(shù)分為平面型協(xié)議和層次型協(xié)議兩種,基本的思想是采用在節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)間建立連接。平面型協(xié)議中,所有節(jié)點(diǎn)的地位是平等的,原則上不存在瓶頸問(wèn)題。其缺點(diǎn)是可擴(kuò)充性差,維護(hù)動(dòng)態(tài)變化的路由需要大量的控制信息。在層次型協(xié)議中,群成員的功能比較簡(jiǎn)單,不需要維護(hù)負(fù)責(zé)的路由信息。大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量,有很好的可擴(kuò)充性,其缺點(diǎn)是群頭節(jié)點(diǎn)可能會(huì)成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。
3.1.1 平面型路由
1) 泛洪(Flooding)是一種最早的路由技術(shù),不要求維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),也不需要進(jìn)行路由計(jì)算,接收到消息的節(jié)點(diǎn)以廣播形式轉(zhuǎn)發(fā)分組,轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文給所有鄰居節(jié)點(diǎn)。雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但容易產(chǎn)生消息的內(nèi)爆和重疊。
2) 信息協(xié)商傳感器協(xié)議(SPIN,sensor protocol for imformation via negotiation)是以數(shù)據(jù)為中心的一系列自適應(yīng)路由協(xié)議。通過(guò)使用節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)協(xié)商和資源自適應(yīng)機(jī)制大大節(jié)省了能量,延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命,并通過(guò)協(xié)商機(jī)制來(lái)解決泛洪算法中的內(nèi)爆和重疊問(wèn)題。通過(guò)宣告有數(shù)據(jù)(ADV)、同意接收(REQ)兩種報(bào)文進(jìn)行協(xié)商,并利用第三種數(shù)據(jù)報(bào)文(DATA)將協(xié)商好的所需要的數(shù)據(jù)發(fā)送給指定的節(jié)點(diǎn)。
SPIN的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需要知道它的單跳鄰居節(jié)點(diǎn)的信息,所以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變對(duì)它的影響的局部的。但還存在一定的缺陷,它不能保證數(shù)據(jù)的發(fā)送,可能出現(xiàn)“數(shù)據(jù)盲點(diǎn)”。
3) 有序分配路由(SAR,sequential assignment routing)是1999年Katayoun Sohrabi等人在DARPA支持的一個(gè)研究中提出的一種主動(dòng)型平面路由協(xié)議。 在選擇路徑時(shí),SAR策略充分考慮了功耗和分組優(yōu)先權(quán)等特殊要求,采用局部路徑恢復(fù)和多路徑經(jīng)備份策略,避免節(jié)點(diǎn)或鏈路失敗時(shí)進(jìn)行路由重計(jì)算需要的過(guò)量計(jì)算開銷。
4) 定向擴(kuò)散(directed diffusion)是一種典型的以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議,與已有的路由算法有截然不同的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。通信是在相鄰節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行的,每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)匯聚和緩存能力。定向擴(kuò)散一般根據(jù)需求發(fā)出查詢請(qǐng)求,這就減少了數(shù)據(jù)發(fā)送的盲目性。從實(shí)際意義上說(shuō),能減少能量的消耗。
3.1.2 層次型路由
層次路由協(xié)議的基本原理就是根據(jù)某種規(guī)則把WSN節(jié)點(diǎn)劃分為多個(gè)子集,每個(gè)子集成為一個(gè)簇,具有一個(gè)簇頭。每個(gè)簇的簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)全局路由,其他節(jié)點(diǎn)通過(guò)簇頭接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。
1) 低能耗自適應(yīng)分層簇結(jié)構(gòu)(LEACH, low energy adaptive clustering hierarchy)是第1個(gè)基于聚簇的協(xié)議[6],該協(xié)議隨機(jī)循環(huán)地為每個(gè)簇選擇簇頭節(jié)點(diǎn)。每個(gè)簇頭收集本簇中所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),聚集后傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。
LEACH以輪為工作時(shí)間單位,每一輪分為兩個(gè)階段:啟動(dòng)階段和穩(wěn)定階段。在啟動(dòng)階段,主要是傳送控制信息,建立節(jié)點(diǎn)群,并不發(fā)送實(shí)際的傳感數(shù)據(jù)。為了提高電源效率,穩(wěn)定階段應(yīng)該比啟動(dòng)階段有著更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。在穩(wěn)定階段,傳感器節(jié)點(diǎn)以固定的速度采集數(shù)據(jù),并向群頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送,群頭在向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)之前,首先對(duì)這些信息進(jìn)行一定程度的融合。在穩(wěn)定階段經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后,網(wǎng)絡(luò)重新進(jìn)入啟動(dòng)階段,進(jìn)行下一輪的群頭選擇。
2) 敏感門限高效能耗傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(TEEN, threshold sensitive energy efficient sensor network protocols)與上面介紹的LEACH算法相似,通過(guò)抑制不必要的通信來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)省能量。[7]
TEEN通過(guò)各簇頭向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)下發(fā)兩個(gè)閾值:硬閾值和軟閾值。當(dāng)檢測(cè)值超過(guò)了硬門限,它被立刻發(fā)送出去;如果當(dāng)前檢測(cè)值與上一次之差超過(guò)了軟門限,也被立刻發(fā)送出去。采用這樣的方法,可以監(jiān)視一些突發(fā)事件和熱點(diǎn)地區(qū),減小網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息包數(shù)量。
3.2 路由技術(shù)面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn)可以概括為:能量低、規(guī)模大、移動(dòng)性強(qiáng)、拓?fù)湟鬃兓⑹褂脭?shù)據(jù)融合技術(shù)和通信的不對(duì)稱,因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的設(shè)計(jì)要滿足以下路由機(jī)制要求。
1) 能量高效成為路由技術(shù)最重要的優(yōu)化目標(biāo)
低能量包括兩方面的含義,首先是節(jié)點(diǎn)能量?jī)?chǔ)備低,其次是指能源一般不能補(bǔ)充。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常是一次部署,獨(dú)立工作,所以可維護(hù)性很低。相對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)的儲(chǔ)能,無(wú)線通信部件的功耗很高,通信功耗占了節(jié)點(diǎn)總功耗的絕大不部分。因此,研究低能耗的路由協(xié)議極為迫切。
2) 使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)
在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,感知節(jié)點(diǎn)沒(méi)有必要將數(shù)據(jù)以端到端的形式傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。為了減少流量和耗能,傳輸過(guò)程中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)經(jīng)常將不同的入口報(bào)文融合成數(shù)目更少的出口報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳,這就是數(shù)據(jù)融合的基本含義。采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)意味著路由協(xié)議需要做出相應(yīng)的調(diào)整。
3) 通信不對(duì)稱,流量分布不均勻
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò),絕大部分流量是由各個(gè)傳感器流向匯聚節(jié)點(diǎn),因此,流量分布極不均勻。體現(xiàn)在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)不對(duì)稱,源節(jié)點(diǎn)眾多而目的節(jié)點(diǎn)單一;傳輸方向不對(duì)稱,以匯聚節(jié)點(diǎn)為目的的數(shù)據(jù)流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)以它為源節(jié)點(diǎn)的控制流。
4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域
由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有配置靈活和組網(wǎng)方便等優(yōu)勢(shì),在軍事、環(huán)境保護(hù)、家庭和醫(yī)療護(hù)理、災(zāi)難拯救等方面都顯示了廣闊的應(yīng)用前景,并將逐漸深入到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。
1) 軍事 快速布置和自組織等特性使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合用于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)控我軍兵力、裝備和物質(zhì)等信息,也可以將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)部署在敵方戰(zhàn)場(chǎng)上,跟蹤敵人的軍事行動(dòng)。
2) 環(huán)境保護(hù) 隨著社會(huì)各界對(duì)環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注程度越來(lái)越高,需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也日趨增多,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來(lái)的侵入式破壞。比如,跟蹤候鳥和昆蟲的遷移、研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響、監(jiān)測(cè)海洋、大氣和土壤的成分等。
3) 家庭和醫(yī)療護(hù)理 在醫(yī)療研究及護(hù)理領(lǐng)域,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也起來(lái)很大的作用。病人可以隨身攜帶若干體積微小的傳感器節(jié)點(diǎn),可以對(duì)病人的心跳速率、血壓等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),若發(fā)現(xiàn)異常可以盡快搶救。同時(shí)還可以用于醫(yī)院的藥品管理,將傳感器節(jié)點(diǎn)按藥品種類分別放置,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)即可幫助辨認(rèn)所開藥品,從而減少病人用錯(cuò)藥的可能性。
4) 災(zāi)難拯救 在發(fā)生了地震水災(zāi)、強(qiáng)力暴風(fēng)雨或遭受其他災(zāi)難后,固定的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施可能被全部摧毀或無(wú)法正常工作,對(duì)于搶險(xiǎn)救災(zāi)場(chǎng)合來(lái)說(shuō),就需要無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)這種不依賴于任何固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、能快速布設(shè)的自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還被應(yīng)用于其它一些領(lǐng)域,比如一些危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠和交通領(lǐng)域中作為車輛監(jiān)控等;此外還可以應(yīng)用于空間探索,借助于航天器在外星體撒播傳感器節(jié)點(diǎn),可以對(duì)星球表面進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)。
5 結(jié)論
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),是一種全新的信息獲取和處理技術(shù),具有信息采集處理和傳輸?shù)裙δ堋１疚膶?duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)做了簡(jiǎn)要的概述,并對(duì)作為組網(wǎng)基礎(chǔ)的路由技術(shù)做了初步的介紹。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為無(wú)線傳感器的應(yīng)用,盡管目前仍處于初步應(yīng)用階段,網(wǎng)絡(luò)安全研究方面還面臨著許多不確定的因素,但已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng)用價(jià)值。相信在不久的將來(lái),會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)生活起到不可估量的作用。
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篇7
Research of collaborative task allocation in wireless sensor networks
WANG Jian， WANG Fu?bao， DUAN Wei?jun， HUANG Liang
（School of Electronics and Information， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China）
Abstract：The task collaboration of wireless sensor networks （WSNs） refers to task description， decomposition， allocation， scheduling and execution. The task allocation is the main content of task collaboration. Furthermore， the scheme of task allocation directly determines the network energy consumption， and affects the network lifetime. The collaboration technology of wireless sensor networks and heuristic algorithm to solve collaborative task allocation problem are analyzed emphatically. Finally， the contents and direction for further research in future are put forward.
Keywords： wireless sensor networks； task collaboration； task allocation； heuristic algorithm
0 引 言
微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectromechanical Systems，MEMS）、微處理器以及 Ad?hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的迅猛發(fā)展孕育出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量廉價(jià)且資源有限的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。由于每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)資源有限以及計(jì)算和通信能力有限，單個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)法解決網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐雜的問(wèn)題，更無(wú)法解決網(wǎng)絡(luò)全局性問(wèn)題。基于以上原因，WSNs中的傳感器節(jié)點(diǎn)要相互協(xié)同以完成任務(wù)。
WSNs協(xié)同主要包括協(xié)同資源的使用，協(xié)同任務(wù)的分配和執(zhí)行以及協(xié)同信息與信號(hào)的處理[2]。任務(wù)協(xié)同中的主要部分是任務(wù)分配，因?yàn)槿蝿?wù)分配方案直接決定著網(wǎng)絡(luò)能耗，從而決定了網(wǎng)絡(luò)的整體壽命。因此，WSNs協(xié)同任務(wù)分配具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)分配協(xié)同技術(shù)
由于WSNs具有采用射頻通信、能量有限、計(jì)算和通信能力較弱以及大規(guī)模高密度部署等特點(diǎn)，所以傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)的協(xié)同方法并不能直接應(yīng)用于WSNs，目前WSNs協(xié)同技術(shù)是來(lái)自分布式人工智能領(lǐng)域的多智能體理論。基于多智能體的WSNs協(xié)同技術(shù)有基于協(xié)商的方法、基于動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的方法、分布式約束滿足法和組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法四種。
1.1 基于協(xié)商的方法
基于協(xié)商的方法是以多智能體中的協(xié)商理論為模型，將協(xié)商模型與拍賣方法和合同網(wǎng)相結(jié)合而形成，目前用于解決WSNs協(xié)同問(wèn)題的主要是組合拍賣（Combinatorial Auction）和動(dòng)態(tài)仲裁（Dynamic Arbitration）兩種方法[2]。組合拍賣和動(dòng)態(tài)仲裁采取的都是集中式的任務(wù)分配方法，即存在一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，該中心節(jié)點(diǎn)要和周圍節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)商最終完成對(duì)任務(wù)的分配過(guò)程；組合拍賣對(duì)任務(wù)的組合由周圍節(jié)點(diǎn)完成，而動(dòng)態(tài)仲裁任務(wù)的組合和分配都是由中心節(jié)點(diǎn)完成。相對(duì)來(lái)說(shuō)，后者更容易在網(wǎng)絡(luò)中形成能量空洞。
文獻(xiàn)[3?4]采用基于協(xié)商的方法解決任務(wù)分配，在CNP（Contract Net Protocol）中引入了推理模型和能量閾值，實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能的任務(wù)分配，減少了網(wǎng)絡(luò)中的能量空洞，從而延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的壽命。
1.2 基于動(dòng)態(tài)聯(lián)盟的方法
動(dòng)態(tài)聯(lián)盟是基于事件觸發(fā)的，當(dāng)節(jié)點(diǎn)捕獲到事件時(shí)會(huì)形成一個(gè)聯(lián)盟，并且由該聯(lián)盟負(fù)責(zé)任務(wù)的處理；當(dāng)聯(lián)盟完成任務(wù)后，聯(lián)盟也將隨之而解散。其過(guò)程主要包括動(dòng)態(tài)聯(lián)盟初始化、聯(lián)盟形成和聯(lián)盟確認(rèn)三個(gè)階段。在當(dāng)前的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)同任務(wù)分配機(jī)制中，動(dòng)態(tài)聯(lián)盟機(jī)制占據(jù)了重要的地位；由于其是基于事件觸發(fā)的，能夠針對(duì)任務(wù)情況動(dòng)態(tài)地協(xié)同任務(wù)的分配。
針對(duì)目標(biāo)跟蹤問(wèn)題，文獻(xiàn)[1]提出了基于拍賣的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟任務(wù)分配機(jī)制，和基于案例推理的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟機(jī)制相比提高了目標(biāo)跟蹤的準(zhǔn)確性并且降低了能耗；文獻(xiàn)[5]基于動(dòng)態(tài)聯(lián)盟提出了EATA（Effective Adaptive Task Allocation），每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)EATA可以自主調(diào)整自身參數(shù)和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了資源利用最大化并延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。
1.3 分布式約束滿足法
分布式滿足方法采用的是一種映射的思想，其將傳感器節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)行為模式以及傳感器節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系分別映射為變量、變量的取值以及變量間的約束關(guān)系，從而將WSNs中的協(xié)同問(wèn)題轉(zhuǎn)化為分布式約束滿足問(wèn)題進(jìn)行解決。分布式約束滿足法將任務(wù)分配問(wèn)題映射成DCSP問(wèn)題，采用DCSP方法解決問(wèn)題，最終形成任務(wù)分配的方案，Pragnesh J.M等人給出將傳感器網(wǎng)絡(luò)中追蹤問(wèn)題轉(zhuǎn)化為DCSP問(wèn)題的方法。
1.4 組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模部署特點(diǎn)提出的，其包括簡(jiǎn)單分層和垂直分層。該方法將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的區(qū)域，通過(guò)指派區(qū)域管理員負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)以及區(qū)域間的通信，但是該方法需要事先指定每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的角色[6]。由于組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是針對(duì)無(wú)線傳感器大規(guī)模特點(diǎn)提出的，所以能夠很好地解決大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)跟蹤問(wèn)題，通常用于區(qū)域監(jiān)視。
以上技術(shù)都有其應(yīng)用場(chǎng)景及優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，協(xié)商方法和動(dòng)態(tài)聯(lián)盟方法比較適合，但是對(duì)于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題則會(huì)面臨組合爆炸的難題。然而，對(duì)于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法能夠很好的解決，但是，由于節(jié)點(diǎn)的通信范圍受到了限制，組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法會(huì)面臨邊界的問(wèn)題。由于將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)分配問(wèn)題映射成DCSP問(wèn)題是個(gè)復(fù)雜、低效的過(guò)程，分布式約束滿足法在傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)分配方面還不成熟。三種協(xié)同技術(shù)的性能比較見(jiàn)表1。
2 啟發(fā)式算法解決任務(wù)分配
由于任務(wù)分配是一個(gè)NP的組合優(yōu)化問(wèn)題，目前已經(jīng)有許多啟發(fā)式算法來(lái)解決該問(wèn)題。常用啟發(fā)式算法有遺傳算法、粒子群優(yōu)化等。對(duì)于任務(wù)分配問(wèn)題，啟發(fā)式算法并不是單純利用某個(gè)啟發(fā)式算法解決問(wèn)題，其通常與協(xié)同技術(shù)相結(jié)合。
表1 三種技術(shù)比較
文獻(xiàn)[7]采用遺傳算法對(duì)聯(lián)盟中的任務(wù)進(jìn)行分配，其優(yōu)化了遺傳算法初始種群的選擇和交叉/變異運(yùn)算并且引入了Metropolis準(zhǔn)則，改善了任務(wù)分配效率的同時(shí)降低了通信開銷。文獻(xiàn)[8]針對(duì)現(xiàn)有任務(wù)分配算法無(wú)法解決容錯(cuò)問(wèn)題，其引入了PB（Primary/Backup）機(jī)制，采用PSO（Particle Swarm Optimization）進(jìn)行任務(wù)分配，提高了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)分配的可靠性。文獻(xiàn)[9]引入動(dòng)態(tài)聯(lián)盟模型，以任務(wù)執(zhí)行時(shí)間和能量消耗構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)，采用改善的粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行任務(wù)優(yōu)化，降低了網(wǎng)絡(luò)能耗且縮短了任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。
WSN任務(wù)分配旨在資源和效率以及全局搜索和局部求解之間尋求平衡。為了降低網(wǎng)絡(luò)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命，啟發(fā)式算法適應(yīng)度函數(shù)選取及優(yōu)化相當(dāng)重要；由于任務(wù)分配是全局尋優(yōu)問(wèn)題，一些啟發(fā)式算法容易陷入局部最優(yōu)，所以啟發(fā)式算法引入了一些算子或者對(duì)算法本身已有的算子進(jìn)行修正。
文獻(xiàn)[10]在遺傳算法中引入了混雜的適應(yīng)度函數(shù)來(lái)進(jìn)行任務(wù)分配，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的整體壽命。文獻(xiàn)[11]引入動(dòng)態(tài)聯(lián)盟思想，構(gòu)造了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟模型，提出了一種基于離散粒子群優(yōu)化的任務(wù)分配算法，引入了變異算子，在保持種群多樣性的同時(shí)提高了算法的全局搜索能力，該算法在局部求解和全局尋優(yōu)之間取得了較好的平衡并且降低了任務(wù)分配的時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)的能耗。
遺傳算法和粒子群優(yōu)化算法均可用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)分配的問(wèn)題，一般前者可直接應(yīng)用，而當(dāng)適應(yīng)度函數(shù)是離散時(shí)，后者需重新定義速度及位置更新公式等。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身資源有限性的特點(diǎn)，二者在構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)時(shí)必須考慮無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源；對(duì)于有實(shí)時(shí)性需求的問(wèn)題，還需考慮任務(wù)分配的執(zhí)行時(shí)間，此時(shí)建議采用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行任務(wù)分配。二者優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表2。
表2 遺傳算法和粒子群優(yōu)化算法比較
3 結(jié) 語(yǔ)
由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身所具有的節(jié)點(diǎn)資源有限性、動(dòng)態(tài)拓?fù)湫浴?shù)據(jù)傳輸不可靠性等特點(diǎn)，需要從節(jié)能性、實(shí)時(shí)性和可靠性等方面對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)分配進(jìn)行改善。現(xiàn)有研究者主要從節(jié)能性的角度對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)分配和調(diào)度進(jìn)行相應(yīng)的研究，從而最大限度地延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。但是任務(wù)分配的實(shí)時(shí)性和可靠性以及能源高效性方面的研究比較少，因此，這一部分還需要進(jìn)一步地研究。
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篇8
目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用到了人們的生活、工作和學(xué)習(xí)中，甚至在國(guó)防安全方面都有著較大的運(yùn)用，其重要性就不言而喻了。因此加強(qiáng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的安全是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重中之重，特別是在國(guó)防軍事和科技研究方面，一旦無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)出現(xiàn)安全問(wèn)題就會(huì)對(duì)國(guó)家和社會(huì)帶來(lái)不可估量的損失。另一方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在安全方面的缺陷和外來(lái)人員利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息的竊取等都是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的阻礙。該文就目前的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全進(jìn)行分析，并提出相關(guān)的對(duì)策。
1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的相關(guān)問(wèn)題
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是采用許多的小型傳感器組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，便于無(wú)線通信。但是由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身在安全方面的不足，使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在許多的安全問(wèn)題：
1.1自組織性以及節(jié)點(diǎn)組織的隨機(jī)性
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際的運(yùn)用中就可以發(fā)現(xiàn)，它是由大量的小型傳感器自組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系的組成過(guò)程中并沒(méi)有實(shí)際的組織規(guī)范制度，其帶有強(qiáng)烈的自發(fā)性和隨機(jī)性。因此，這個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系在使用中穩(wěn)定性就得不到保障，安全性更是存在著問(wèn)題。另一方面，由于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系在設(shè)置時(shí)存在著隨機(jī)性，各個(gè)布置的節(jié)點(diǎn)就不可能事先固定，也帶有自發(fā)性，使得整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系的安全就得不到保障。
1.2 通信的不可靠性
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在通信通道上存在著大量的不穩(wěn)定因素。在通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的過(guò)程中，多跳路由使得通信信息大大的延遲，信息傳遞的時(shí)間長(zhǎng)，而且在傳遞過(guò)程中的安全不能得到保證，很容易在傳遞過(guò)程中被攔截，如果是一些重要信息的傳遞，那就存在著很大的危害。
1.3 能量的有限性
在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系中，傳感器的使用需要較大的能耗，但是當(dāng)這些傳感器節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系中布置完成后，再想進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的替換，其難度就非常大了，而且在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系中有些無(wú)線設(shè)備是需要進(jìn)行充電的，充電的不及時(shí)也會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系的運(yùn)用，因此開發(fā)出低能耗的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。
1.4 缺乏有效的安全機(jī)制
由整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立就可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系無(wú)論是傳感器的節(jié)點(diǎn)布置，還是在網(wǎng)絡(luò)組織安排上都存在著極大的隨機(jī)性，使得其網(wǎng)絡(luò)通信帶有很大的局限性，這些缺點(diǎn)使現(xiàn)代成熟的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)不能夠在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系中進(jìn)行運(yùn)用。而僅僅在物理方面對(duì)這個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體系進(jìn)行保護(hù)并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的效果，網(wǎng)絡(luò)通信方面隱患較大，很容易受到其他方面的攻擊。
2 破壞無(wú)線傳感器安全性能的相關(guān)因素
目前，我國(guó)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在防御和攻擊的方式如下表：
表1 傳感器網(wǎng)絡(luò)攻防手段表
[網(wǎng)絡(luò)層次＼&防御手段＼&攻擊方法＼&物理層＼&模式轉(zhuǎn)換、優(yōu)先級(jí)信息、區(qū)域映射、寬頻＼&擁塞攻擊＼&節(jié)點(diǎn)隱藏或者偽裝、破壞感知＼&物理破壞＼&網(wǎng)絡(luò)層＼&冗余路徑、探測(cè)機(jī)制＼&丟棄和貪婪破壞＼&出口過(guò)濾、認(rèn)證、監(jiān)測(cè)機(jī)制＼&方向誤導(dǎo)攻擊＼&加密和逐跳認(rèn)證機(jī)制＼&匯聚節(jié)點(diǎn)攻擊＼&認(rèn)證、監(jiān)測(cè)、榮譽(yù)機(jī)制＼&黑洞攻擊＼&鏈路層＼&設(shè)置競(jìng)爭(zhēng)門限＼&耗盡攻擊＼&使用短幀略和非優(yōu)先級(jí)策略＼&非公平競(jìng)爭(zhēng)＼&糾錯(cuò)碼＼&碰撞攻擊＼&傳輸層＼&認(rèn)證＼&同步破壞攻擊＼&客戶端謎題＼&泛洪攻擊＼&]
該表中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的攻防手段對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)影響較大，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系的攻擊手段中，擁塞攻擊和碰撞攻擊兩種手段的作用最大。其中，擁塞攻擊手段就是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的破壞方獲得了破壞對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)通信頻率后，應(yīng)用同一頻率的無(wú)線電波進(jìn)行干擾無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，對(duì)這種攻擊的防御方式就是將網(wǎng)絡(luò)頻率進(jìn)行更換。碰撞攻擊手段就是指網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)送通信信息包時(shí)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的破壞方同時(shí)發(fā)送另一個(gè)數(shù)據(jù)包，使得兩個(gè)數(shù)據(jù)信息重疊在一起，獲取的信息錯(cuò)亂不堪，影響到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的正常通信，而對(duì)其的防御手段就是建立一個(gè)合適的監(jiān)聽系統(tǒng)，將外來(lái)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行消除，實(shí)現(xiàn)通信的正常進(jìn)行。此外，還有泛洪攻擊，它就是利用特殊的手段對(duì)無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行攻擊，耗盡攻擊的節(jié)點(diǎn)，阻斷一些用戶的使用。這種網(wǎng)絡(luò)攻擊的解決方式就是采用謎題技術(shù)建立一個(gè)客戶端，保障節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)在有效的范圍內(nèi)傳播使用，可以有效的消除泛洪攻擊的影響。
3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的對(duì)策研究
3.1 密碼技術(shù)
在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的過(guò)程中，由于無(wú)線傳感器的設(shè)備布置本身存在著一定的不足，使得現(xiàn)展成熟的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)不能夠在其中進(jìn)行使用，因此網(wǎng)絡(luò)安全隱患較大，而密碼技術(shù)可以有效減小這個(gè)安全隱患，對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全有著巨大的幫助。在采用密碼技術(shù)進(jìn)行保障無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息安全過(guò)程中，可以增加密碼中代碼的長(zhǎng)度和復(fù)雜度，以增強(qiáng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息的保護(hù)力度，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的安全性。在日常生活中，不對(duì)稱秘鑰和對(duì)稱秘鑰的運(yùn)用最為廣泛，其主要原因就是這種密碼技術(shù)的保護(hù)力度較強(qiáng)，而且在設(shè)置上較為簡(jiǎn)便快捷。
3.2 安全數(shù)據(jù)融合
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用最多的還是數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)在收到附近的數(shù)據(jù)信息后，然后將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，在對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合成為了有效的信息數(shù)據(jù)后，再將這些數(shù)據(jù)傳輸給用戶。這種方式提高了數(shù)據(jù)的有效性，減少了數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的冗余，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢?fù)載較小，提高了傳輸效率，減少了設(shè)備的磨損，增加了整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的使用年限。但是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的攻擊對(duì)這些信息數(shù)據(jù)的傳輸仍是一個(gè)危害，因此加強(qiáng)了對(duì)數(shù)據(jù)融合的研究，安全數(shù)據(jù)融合的目的就是采用隨機(jī)抽樣和交互式證明機(jī)制，使得在節(jié)點(diǎn)匯聚的數(shù)據(jù)是真實(shí)可靠的，大大增加網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)融合的安全性問(wèn)題。
3.3 密鑰管理技術(shù)
密鑰管理技術(shù)就是在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全中使用密鑰技術(shù)的管理，它將處理在其使用期間的一切問(wèn)題，也是整個(gè)加密系統(tǒng)最為關(guān)鍵的一個(gè)部分，一旦管理的不到位，很容易造成通信信息的泄露，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用者造成巨大的損失。截止到目前為止，這項(xiàng)密鑰管理技術(shù)主要對(duì)對(duì)稱密鑰技術(shù)有效。密鑰管理技術(shù)的分配模式是概率性和確定性，而密鑰模式是預(yù)共享和非預(yù)共享兩種方式
3.4 安全路由技術(shù)
在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用過(guò)程中，雖然各個(gè)小型傳感器的布置較為隨意，但是在布置后不可以隨意更換，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處的設(shè)備充電也較為不便，節(jié)約能量消耗成為了一個(gè)問(wèn)題。而這個(gè)過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能消耗延長(zhǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的使用年限，提出了各種路
由協(xié)議便于皆能減耗，但是卻忽略了路由中的信息傳輸安全性問(wèn)題，增加了在通信中路由受到攻擊的可能性。當(dāng)用戶將消息發(fā)送出去后，很容易使得破壞方通過(guò)泛洪攻擊的方式來(lái)截取發(fā)送的信息，使得網(wǎng)絡(luò)通信出現(xiàn)障礙。在實(shí)際應(yīng)用中，專業(yè)人士提出了多種路由協(xié)議，包括 SPINS 協(xié)議和多路徑路由機(jī)制，但是都需要進(jìn)行改進(jìn)，最終會(huì)實(shí)現(xiàn)路由技術(shù)的安全性。
4 結(jié)束語(yǔ)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有極大的優(yōu)越性，它方便快捷，對(duì)人們的使用尤其有利，因此其被廣泛運(yùn)用到人們的學(xué)習(xí)、工作和生活中，同時(shí)在國(guó)防科技中也有較大的使用。但是由于自身的一些特點(diǎn)，使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性一直令人擔(dān)憂。我們要充分重視無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的安全性，對(duì)影響無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全性的因素要采取強(qiáng)力的防御手段，保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的安全。在對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題的研究中發(fā)現(xiàn)，將密碼技術(shù)、安全數(shù)據(jù)融合技術(shù)、密鑰管理技術(shù)以及安全路由技術(shù)運(yùn)用到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，充分提高其安全性。
參考文獻(xiàn)：
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篇9
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，簡(jiǎn)稱WSN）技術(shù)是隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展而誕生的產(chǎn)物，是本世紀(jì)最具有影響力和改變?nèi)祟愇磥?lái)生活方式的高技術(shù)領(lǐng)域四大支柱產(chǎn)業(yè)之一。所謂無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息，并報(bào)告給用戶。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中，遇到一個(gè)難題，就是應(yīng)用環(huán)境會(huì)發(fā)生移動(dòng)，例如應(yīng)用在泥石流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的監(jiān)測(cè)上或火山灰的監(jiān)測(cè)上。這種環(huán)境下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將隨著監(jiān)測(cè)體的移動(dòng)而移動(dòng)。這種環(huán)境中部署的網(wǎng)絡(luò)，就需要改變傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的模式，而形成一種非自主性移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Non-Autonomous Mobile Wireless SensorNetwork）。
2 國(guó)內(nèi)外研究狀況
近年來(lái)，有研究者提出了一種應(yīng)用于泥石流的非自主移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，他們把傳感器放置在會(huì)發(fā)生泥石流中的區(qū)域中，當(dāng)泥石流發(fā)生時(shí)，這些傳感器及其構(gòu)成的往網(wǎng)絡(luò)，會(huì)隨土塊、沙礫等一起滾動(dòng)，并存儲(chǔ)記錄的數(shù)據(jù)。等待泥石流結(jié)束后再將傳感器回收，然后下載存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。但由于其沒(méi)有足夠的空間存放泥石流產(chǎn)生時(shí)需要采集的大量數(shù)據(jù)，也不能實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯報(bào)，所以只能用于環(huán)境受控的實(shí)驗(yàn)中。
另有文獻(xiàn)報(bào)道一種用于山體滑坡預(yù)防系統(tǒng)的傳感網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)由分層的傳感節(jié)點(diǎn)組成，上層的傳感節(jié)點(diǎn)作為聚集器與基站進(jìn)行通信，整個(gè)監(jiān)控過(guò)程不僅實(shí)時(shí)取樣數(shù)據(jù)、可用于為專業(yè)人員提供歷史預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，而且當(dāng)山體滑坡事件到來(lái)時(shí)還能進(jìn)行事件預(yù)測(cè)。
另外，也有面向濕地水環(huán)境遠(yuǎn)程實(shí)際監(jiān)控的非自主移動(dòng)無(wú)線傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用于濕地監(jiān)測(cè)主要實(shí)現(xiàn)的功能是：傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集水環(huán)境參數(shù)，包括水溫、PH值、溶解氧等，通過(guò)基站傳輸數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)中心，以做到實(shí)時(shí)處理與分析，數(shù)據(jù)中心的工作人員可以全天候監(jiān)測(cè)濕地天氣。此外，該系統(tǒng)還能對(duì)突發(fā)事件如環(huán)境污染以及水環(huán)境參數(shù)的急劇變化作出預(yù)警，各類參數(shù)可以作為防治污染的數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。
3 支撐非自主性移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感節(jié)點(diǎn)
考慮到非自主移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備帶來(lái)很多碰撞和摩擦，一般傳感器節(jié)點(diǎn)并不能勝任這種環(huán)境的部署。目前已經(jīng)研發(fā)出一些特殊的移動(dòng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，讓傳感器隨著泥石流一起運(yùn)動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中測(cè)量移動(dòng)體內(nèi)部重要數(shù)據(jù)，如流速、孔隙壓力、振幅、振動(dòng)頻率等。測(cè)量到的數(shù)據(jù)可即時(shí)發(fā)送回接收器，這樣，就可以監(jiān)視泥石流的內(nèi)部參數(shù)和報(bào)告實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)了。
這種特殊的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，可設(shè)計(jì)為一個(gè)封裝在耐磨塑料外殼中的可移動(dòng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，其外殼應(yīng)可以抵御一定力量的碰撞、重量較輕、可以飄浮在水面上或能被泥石流攜帶移動(dòng)，是一個(gè)低功耗的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器中應(yīng)集成有無(wú)線收發(fā)器，能夠?qū)崟r(shí)報(bào)告其經(jīng)緯度信息。為避免傳感器收集到的自身移動(dòng)軌跡信息丟失，傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)也可以配置一定容量的可寫存儲(chǔ)空間以保存位置信息。在一般情況下，可移動(dòng)無(wú)線傳感器在待機(jī)模式下運(yùn)行、僅偶爾與接收器進(jìn)行溝通，以便于節(jié)約能源。
當(dāng)有泥石流發(fā)生并逼近時(shí)，只要任一無(wú)線傳感器檢測(cè)到有泥石流產(chǎn)生的低頻振動(dòng)，就將發(fā)送一個(gè)警告信息給接收器。接收器則決定是否要喚醒所有的無(wú)線傳感器。如果接收器喚醒了所有的無(wú)線傳感器，傳感器就進(jìn)入激活狀態(tài)，將把所有收集到的原始數(shù)據(jù)都發(fā)送給接收器，并與后臺(tái)計(jì)算機(jī)之間聯(lián)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算。
4 NAMWSN傳感器移動(dòng)模型
在移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)常需要合適的移動(dòng)模型來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)路由的部署研究。隨著越來(lái)越多的科學(xué)研究需要對(duì)流動(dòng)液體中無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行部署，跟隨流動(dòng)液體進(jìn)行非自主性移動(dòng)的移動(dòng)模型研究也越來(lái)越受到關(guān)注。
對(duì)于非自主性移動(dòng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，如果預(yù)先得到傳感器漂流的軌跡，按照軌跡來(lái)部署接收器，可以增加無(wú)線傳感器與接收器通信的機(jī)會(huì)和時(shí)間。可以嘗試通過(guò)構(gòu)建傳感器的移動(dòng)模型的方法來(lái)得到傳感器移動(dòng)軌跡。
構(gòu)建非自主移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)模型的主要方法是，利用基于跟蹤的方法，以在真實(shí)環(huán)境中收集的信息為基礎(chǔ)來(lái)建立移動(dòng)模型。首先使用GPS收集傳感器節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)軌跡，然后將這些軌跡轉(zhuǎn)變?yōu)閰?shù)映射圖，最后構(gòu)建移動(dòng)模型。
首先，用一個(gè)特殊的無(wú)線GPS傳感器取代傳統(tǒng)的固定傳感器，無(wú)線GPS傳感器可以隨著水流移動(dòng)。將多個(gè)無(wú)線GPS傳感器投入水流中，它們可以隨著水流非自主性地移動(dòng)，并且記錄下自身移動(dòng)的軌跡。在河流的下游收集隨著水流移動(dòng)到此的傳感器，并得到它們的移動(dòng)軌跡。這個(gè)步驟可以重復(fù)多次，來(lái)收集多條軌跡信息。每條軌跡都將包含一系列的速度和方向的參數(shù)點(diǎn)。
然后，將收集到的GPS傳感器的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去掉不合理的數(shù)據(jù)，例如，有些GPS傳感器損壞無(wú)法發(fā)送回完整的軌跡信息、或者還有些GPS可能被障礙物困在河流中無(wú)法繼續(xù)移動(dòng)造成GPS信息始終維持某固定值而不改變等。將合理的、完整的GPS傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以用于構(gòu)建一個(gè)水流的參數(shù)映射圖。這個(gè)參數(shù)映射圖是二維的，可以展示一些重要參數(shù)，例如在河流的不同位置水流的速度和方向等。
最后，通過(guò)建立的水流的參數(shù)映射圖，可以構(gòu)建出以其為基礎(chǔ)的傳感器移動(dòng)模型，移動(dòng)模型模擬了水流、泥石流等可能的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而可以得到非接收器自主移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化部署位置。
這里的移動(dòng)模型是一個(gè)可以及時(shí)生成水流、泥石流等在時(shí)間和空間維度的運(yùn)動(dòng)描述的函數(shù)。這個(gè)移動(dòng)模型基于實(shí)際的水流或泥石流的運(yùn)動(dòng)軌跡生成，其運(yùn)動(dòng)可以用虛擬軌跡來(lái)描述，具體是通過(guò)算法隨機(jī)方式產(chǎn)生每一個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。
移動(dòng)模型的軌跡生成算法流程如下。
（1）初始化。從起始位置任意抽取一起始點(diǎn)；
（2）取得當(dāng)前點(diǎn)p'k處的速度和方向參數(shù)Vx，y和Dx，y值
（3）通過(guò)Vx，y和Dx，y得到該點(diǎn)的移動(dòng)軌跡Movement，并得到下一點(diǎn)p'k+1；
（4）判斷p'k+1是否屬于有效區(qū)域，如果是繼續(xù)（5），如果不是，轉(zhuǎn)回p'k，生成一個(gè)彈跳軌跡p'k+1，再重復(fù)（4）；
（5）判斷p'k+1是否已經(jīng)到達(dá)目的地，如果不是，返回（2），如果是，接著（6）；
（6）輸出最后生成的軌跡。
移動(dòng)模型軌跡生成函數(shù)可以生成一條從起始位置開始的虛擬運(yùn)動(dòng)軌跡。
起始點(diǎn)可以從起始位置（投放GPS傳感器位置）隨機(jī)選取，虛擬運(yùn)動(dòng)軌跡中的每一點(diǎn)均是逐點(diǎn)遞歸生成的。若當(dāng)前點(diǎn)為p'k，則p'k在下一秒鐘的移動(dòng)軌跡可以利用速度和方向參數(shù)值Vx，y、Dx，y得到，如公式1所示，通過(guò)移動(dòng)軌跡movement，可以來(lái)到下一軌跡點(diǎn)p'k+1。
movement=Vx，y×Dx，y 公式l
判斷軌跡點(diǎn)p'k+1是否是在有效區(qū)域內(nèi)，有效區(qū)域指已經(jīng)去除了有障礙、無(wú)水流通過(guò)等的部分區(qū)域。若p'k+1不屬于有效區(qū)域內(nèi)，則要返回p'k，生成一個(gè)彈跳軌跡。彈跳軌跡是在水流碰到障礙物或者堤岸時(shí)發(fā)生的，返回p'k時(shí)后，判斷其所在位置四周軌跡點(diǎn)數(shù)量，取其中軌跡點(diǎn)數(shù)量最多的點(diǎn)，視其為彈跳目的地，得到位于期間的軌跡點(diǎn)p'k+1。
接著判斷軌跡點(diǎn)p'k+1是否已經(jīng)到達(dá)目的地（回收GPS傳感器位置），若未到達(dá)目的地，則繼續(xù)重復(fù)上述算法步驟，直到p'k+1到達(dá)目的地為止。
利用移動(dòng)模型的軌跡生成算法，基于實(shí)際泥石流的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以得到預(yù)測(cè)的虛擬泥石流運(yùn)動(dòng)軌跡，這樣就可以得到最佳的接收器部署位置，提高和優(yōu)化無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通性和感應(yīng)區(qū)域。
5 結(jié)語(yǔ)
篇10
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展離不開傳感技術(shù)、集成電路、微機(jī)電系統(tǒng)和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，這些技術(shù)的快速發(fā)展使得單一條件下的低成本、低功耗和多功能的傳感器也逐漸向微型化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化、智能化的方向進(jìn)步，從而發(fā)展為一項(xiàng)不可或缺的信息收集技術(shù)，并且在一定意義上擴(kuò)大了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功效，讓人們可以通過(guò)它與外部世界進(jìn)行直接接觸，并且被各國(guó)的政府、軍方、跨國(guó)公司和科研機(jī)構(gòu)等廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍事、醫(yī)療護(hù)理、智能家居和環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面，為了讓無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠更好地為人們服務(wù)于人們生活的各個(gè)方面，我們需要對(duì)無(wú)線傳感器的各方面效用進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀
在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史中，美國(guó)是第一個(gè)從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的，其發(fā)展的目的是滿足軍方偵查軍用系統(tǒng)的需求，所以研究的方向主要是傳感器網(wǎng)絡(luò)中的通信和計(jì)算問(wèn)題，這種最先由軍事需要發(fā)展起來(lái)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的革命和網(wǎng)絡(luò)思想體系的革新之后變得越發(fā)的成熟，也由此推動(dòng)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。對(duì)于我國(guó)而言，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是比較晚的，但是我們國(guó)家對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展高度重視，在短短的幾十年時(shí)間內(nèi)，我國(guó)在研究、應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化方面已經(jīng)可以和國(guó)際的先進(jìn)水平相媲美，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到快速發(fā)展的同時(shí)，隨著“感知中國(guó)”計(jì)劃的提出，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于國(guó)家層面并且已經(jīng)進(jìn)入到戰(zhàn)略實(shí)施階段，這表明“感知中國(guó)”計(jì)劃的提出對(duì)中國(guó)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)起到了一定的促進(jìn)作用，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨著一個(gè)巨大的機(jī)遇。
1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算模式和設(shè)計(jì)模式的革新過(guò)程中，漸漸地形成了一系列具有自身優(yōu)勢(shì)的特點(diǎn)，例如分布式和自組織、規(guī)模大、密度高、以數(shù)據(jù)為中心、可靠性及安全等。在分布式和自組織中，網(wǎng)絡(luò)無(wú)控制中心并沒(méi)有事先設(shè)置好的節(jié)點(diǎn)，并且所有的節(jié)點(diǎn)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)都處于一個(gè)平等的位置，各節(jié)點(diǎn)采用分布式算法進(jìn)行協(xié)調(diào)，在沒(méi)有人力因素影響的情況下節(jié)點(diǎn)會(huì)自行連接出一個(gè)對(duì)等式的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的數(shù)量一般都是巨大的，且節(jié)點(diǎn)分布較為密集且都聚集在一個(gè)較大的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，這是為了更好地獲取到精確完整的信息。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)所能計(jì)算的資源非常有限，往往不能處理超出負(fù)荷的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)都會(huì)匯集于傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而生成與某個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)對(duì)象有關(guān)的信息；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性是指：傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常被應(yīng)用于惡劣的環(huán)境或者是無(wú)人區(qū)域，一旦某一傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)生了故障就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)失效，所以為了增強(qiáng)無(wú)線傳感器的耐用性，我們就必須保證傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)在硬件上保持堅(jiān)固不能被輕易損壞，并且能夠適應(yīng)各種各樣未知的極端環(huán)境。同時(shí)，我們還要注意網(wǎng)絡(luò)的通信加密和安全性，防止無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線信道和分布式控制被竊聽、入侵和拒絕服務(wù)等。
1.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域
無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展及其自身特有的性質(zhì)已經(jīng)被各國(guó)廣泛應(yīng)用于軍事國(guó)防、國(guó)家安全、環(huán)境科學(xué)、交通管理、城市管理、生物醫(yī)療或者是其它危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。在軍事方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)憑借其快速部署、可自組織、隱蔽性強(qiáng)和高容錯(cuò)性的特性被用以軍隊(duì)獲取敵對(duì)區(qū)域中的情報(bào)，在作戰(zhàn)時(shí)，由于指揮員必須統(tǒng)籌全局，所以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是數(shù)字戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)通信的首選技術(shù)。環(huán)境問(wèn)題一直是我們?nèi)祟愱P(guān)注的一個(gè)重大問(wèn)題，隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題關(guān)注度的提高，環(huán)境科學(xué)囊括的范圍也越來(lái)越大，相應(yīng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)手段也隨著問(wèn)題的日益突出必須做出相應(yīng)的調(diào)整，以此為研究環(huán)境監(jiān)測(cè)帶來(lái)更先進(jìn)的方法，拓展更為廣闊的研究空間。醫(yī)療與我們?nèi)祟惖纳钕⑾⑾嚓P(guān)，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)又與醫(yī)療系統(tǒng)和健康護(hù)理有著密不可分的聯(lián)系，為了更好地檢測(cè)人體各種生理數(shù)據(jù)，我們可以在病人身上放置可以檢測(cè)人體參數(shù)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，從而將病人的身體各方面數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)護(hù)中心，進(jìn)行及時(shí)的處理和反饋，所以為了未來(lái)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)便、低費(fèi)用，我們必須與醫(yī)療事業(yè)進(jìn)行更進(jìn)一步的融合，才能夠更好地讓人們享受到更便捷的醫(yī)療服務(wù)。
1.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域的一支新秀，其研究的內(nèi)容包含了許多學(xué)科的知識(shí)，在這之中，需要我們研究和解決的關(guān)鍵技術(shù)還有許多。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究中，傳感器節(jié)點(diǎn)已經(jīng)成為一個(gè)核心內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)能量的有效使用的前提是保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求，所以我們要對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)有效管理。除此之外，我們還應(yīng)該對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、和時(shí)間同步技術(shù)、定位技術(shù)、開發(fā)應(yīng)用技術(shù)加大投入力度，以此對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究與發(fā)展，以此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)用性和技術(shù)性，從而更好地為人們的生活工作服務(wù)。
2 總結(jié)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為現(xiàn)代生活工作中應(yīng)用廣泛的信息技術(shù)，不但與人們生活的方方面面有緊密聯(lián)系，我們更是要對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信模塊加大注意力，以此實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器與國(guó)家軍事、環(huán)境、醫(yī)療、城市交通管理等方面的對(duì)接，從而更好地服務(wù)于人類，促進(jìn)人類的進(jìn)步。
參考文獻(xiàn)
[1]劉昌勇，米高揚(yáng)，胡南生等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)[J].通訊世界，2016（08）：23.
篇11
Development&Application of Wireless Sensor Network
Cao Mingyi
(Sichuan Coal Industry Group,Dazhu Group,Telecommunications Branch,Dazhou635000,China)
Abstract:Over the past 10 years,wireless sensor network technology into an application technology has been rapid development.It is the expansion of remote sensing technology.The article focuses on the development of wireless sensor network(WSN),and introduce the technology maturity analysis,also focuses on description of use the precision agriculture areas.At last,wireless sensor network technology in the development of the main challenges and its environmental applications,the focus of future development were reviewed.
Keywords:wireless sensor network;Precision agriculture monitoring;
Wireless communication;Self-organizing network
一、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)概述
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)是集成了傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸、儲(chǔ)存、處理與分析技術(shù)的現(xiàn)代信息技術(shù),是信息科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)全新的發(fā)展方向。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了智能傳感器、無(wú)線智能傳感器、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)3個(gè)階段。智能傳感器將計(jì)算能力嵌入到傳感器中,使得傳感器節(jié)點(diǎn)不僅具有數(shù)據(jù)采集能力,而且具有濾波和信息處理能力;無(wú)線智能傳感器在智能傳感器的基礎(chǔ)上增加了無(wú)線通信能力,大大延長(zhǎng)了傳感器的感知觸角,降低了傳感器的工程實(shí)施成本;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由具備記憶能力的存儲(chǔ)器、處理器、傳感器、無(wú)線通訊和電池等硬件組成,它將將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到無(wú)線智能傳感器中,使得傳感器不再是單個(gè)的感知單元,而是能夠交換信息、協(xié)調(diào)控制的有機(jī)結(jié)合體,實(shí)現(xiàn)物與物的互聯(lián),把感知觸角深入世界各個(gè)角落,必將成為下一代互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。
二、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)原理
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的傳感器一般與小型計(jì)算機(jī)和無(wú)線發(fā)送裝置集于一體(節(jié)點(diǎn)),可以獲得關(guān)于觀測(cè)對(duì)象的圖像、聲音、氣味等特性,并進(jìn)行顯示、儲(chǔ)存或分析通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)收集中心。它的發(fā)展及其廣泛應(yīng)用主要?dú)w因于傳感器技術(shù)的微型化、智能化、廉價(jià)性和數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)目赡苄浴＞W(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)相互間的網(wǎng)絡(luò)通訊,指令和數(shù)據(jù)傳輸,并自動(dòng)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>
圖1 無(wú)線傳感器示意圖
圖2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖
三、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用
WSN網(wǎng)絡(luò)是面向應(yīng)用的,其產(chǎn)生和發(fā)展一直都與應(yīng)用相聯(lián)系。WSN技術(shù)在軍事領(lǐng)域、精細(xì)農(nóng)業(yè)、安全監(jiān)控等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了充分的肯定和展示。特別是在環(huán)境監(jiān)控和精細(xì)農(nóng)業(yè)方面,WSN系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。美國(guó)華盛頓州20世紀(jì)80年代在全州鋪設(shè)了公共農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)網(wǎng),華盛頓州立大學(xué)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中心在此基礎(chǔ)上,為了升級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸技術(shù),開發(fā)了2套無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。一套是基于AWN200硬件技術(shù)的區(qū)域無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),另一套是農(nóng)田霜凍監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)SS100。每個(gè)農(nóng)業(yè)氣象節(jié)點(diǎn)能夠獲得太陽(yáng)輻射、氣溫、相對(duì)濕度、葉子濕度、降雨、風(fēng)速、風(fēng)向、土壤溫度和濕度。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量若能使用交流電就用交流電,否則用太陽(yáng)能和電池相結(jié)合。圖3為紐約河口實(shí)時(shí)水面風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)與預(yù)測(cè)圖,其中(a)為觀測(cè)圖;圖4紐約港口外部定點(diǎn)測(cè)量時(shí)序數(shù)據(jù)及預(yù)測(cè)圖。
圖 3 紐約河口實(shí)時(shí)水面風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)與預(yù)測(cè)圖
圖 4 紐約港口外部定點(diǎn)測(cè)量時(shí)序數(shù)據(jù)及預(yù)測(cè)圖
四、展望
前面提到,目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)主要是溫度、濕度等標(biāo)量數(shù)據(jù),對(duì)攝像等視覺(jué)數(shù)據(jù)的采集和傳輸能力均有限。人們已經(jīng)開始發(fā)展視覺(jué)傳感器網(wǎng)絡(luò)(VSN)技術(shù)。未來(lái)5-10年將是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大發(fā)展的時(shí)期,傳感器多樣化及系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)微型化方面將會(huì)取得長(zhǎng)足發(fā)展。在傳感器技術(shù)方面,生物傳感器有望成為一個(gè)主要的生長(zhǎng)點(diǎn)。生物傳感器是依靠生物機(jī)制對(duì)目標(biāo)污染物或微有機(jī)物產(chǎn)生響應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)換裝置。現(xiàn)在監(jiān)測(cè)污水中有毒污染物的生物傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化,其中表面等離子共振反射測(cè)量技術(shù)的商品化會(huì)成為生物傳感器發(fā)展的重要手段。
參考文獻(xiàn):
[1]AKYILDIZ I F,WANG X.Survey on wireless mesh networks[J].IEEE Communications Magazine,2005,43,23-30
篇12
近年來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注與重視，隨著軟硬技術(shù)的飛速發(fā)展，取得了非常豐富的研究成果，很多領(lǐng)域都開始向?qū)嶋H應(yīng)用方向發(fā)展，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試技術(shù)的跟進(jìn)與發(fā)展顯得更加重要，尤其是評(píng)估節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息的量化與控制節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)行為的監(jiān)視等功能的實(shí)現(xiàn)與完善，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展起到保駕護(hù)航的作用。無(wú)論在能量資源、通信能力、運(yùn)算和存儲(chǔ)方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)都受到極度限制，因此測(cè)試平臺(tái)面臨更多的技術(shù)難題。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行環(huán)境中，我們需要考慮兩種狀態(tài)，即網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)包括鏈路質(zhì)量、能量分布以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓闆r等，是一個(gè)全局性的歸納和描述。節(jié)點(diǎn)狀態(tài)主要包括節(jié)點(diǎn)自身的緩沖區(qū)使用情況、剩余能量以及節(jié)點(diǎn)間鏈路質(zhì)量等狀態(tài)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常布署在偏遠(yuǎn)惡劣的環(huán)境，由于受天氣、地勢(shì)以及人為等因素影響，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能很不穩(wěn)定，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估指標(biāo)不容易被量化。目前存在的無(wú)線傳感器評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)還很不規(guī)范，怎樣評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)是我迫切需要解決的問(wèn)題。
1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著近些年來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的不斷深入，出現(xiàn)了眾多測(cè)試平臺(tái)，其中典型的實(shí)現(xiàn)測(cè)試平臺(tái)包括MoteLab[2]和Kansei[3]等。MoteLab提供了多種訪問(wèn)途經(jīng)，為用戶完成測(cè)試任務(wù)提供了方便，但對(duì)于測(cè)試評(píng)估的方法少，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，擴(kuò)展性不強(qiáng)，對(duì)能量的測(cè)試目前只能通過(guò)在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上連接萬(wàn)用表實(shí)現(xiàn)。俄亥俄州立大學(xué)開發(fā)的 Kansei 系統(tǒng)，具有更多可行性，它具有實(shí)際節(jié)點(diǎn)與理論模擬相結(jié)合的混合模擬方法，提高了測(cè)試平臺(tái)的實(shí)用性和數(shù)據(jù)的可靠性，便攜網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法為測(cè)試平臺(tái)擴(kuò)大了規(guī)模，使網(wǎng)絡(luò)更加豐富靈活，但是這些研究還僅處于初級(jí)階段，混合模擬方式的效果還有待于進(jìn)一步的驗(yàn)證。基于這些研究成果，我們更需要設(shè)計(jì)出這樣一個(gè)平臺(tái)，它具有Motelab與Kansei的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)更加全面與穩(wěn)定的測(cè)試。
2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)原則
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)方案主要有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種，上文提到的MoteLab平臺(tái)就屬于主動(dòng)式測(cè)量，在主動(dòng)式測(cè)量中測(cè)試任務(wù)由傳感器節(jié)點(diǎn)完成，在正常通信的前提下，測(cè)試任務(wù)也要占用無(wú)線通信的信道帶寬和節(jié)點(diǎn)的CPU、內(nèi)存等資源，這在一定程度上對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量造成了影響，也會(huì)影響到測(cè)試結(jié)果。被動(dòng)式測(cè)試平臺(tái)包括偵測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)和PC機(jī)組成，PC機(jī)作為監(jiān)測(cè)試主機(jī)包含數(shù)據(jù)分析軟件。偵測(cè)節(jié)點(diǎn)在保證正常工作不受到干擾的前提下，用數(shù)據(jù)采集器與射頻模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的方式，將數(shù)據(jù)送至PC機(jī)。這種方式可以有效地監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，而不占用無(wú)線通信信道帶寬和節(jié)點(diǎn)資源，缺點(diǎn)是每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)需配置測(cè)試模塊，在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)較困難。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)試圖克服這些不足，下面將從網(wǎng)絡(luò)控制性能和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功能兩方面進(jìn)行分析，總結(jié)出一個(gè)典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具備的設(shè)計(jì)原則。
1）網(wǎng)絡(luò)控制方面。
①同步操作性：在執(zhí)行試驗(yàn)的過(guò)程中，平臺(tái)要對(duì)所有參加測(cè)試的傳感器節(jié)點(diǎn)上傳試驗(yàn)的執(zhí)行軟件執(zhí)行并安裝到節(jié)點(diǎn)中，通過(guò)平臺(tái)控制中心同步啟動(dòng)軟件，統(tǒng)一設(shè)置時(shí)間，采集和存儲(chǔ)目標(biāo)的動(dòng)作和反應(yīng)記錄，按規(guī)定終止試驗(yàn)并向用戶發(fā)送通知和輸出采集到的數(shù)據(jù)。
②可移植性：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，相對(duì)于具體的物理環(huán)境，其硬件系統(tǒng)必定不同，相應(yīng)的無(wú)線傳輸過(guò)程中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的工作機(jī)制也不盡相同，完善的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)應(yīng)具備較強(qiáng)的硬件平臺(tái)移植開發(fā)的能力。
2）實(shí)現(xiàn)的功能方面。
①監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的鏈路質(zhì)量：無(wú)線通信易受自然環(huán)境以及人為等外界因素的干擾，表現(xiàn)為其不穩(wěn)定性，為保證節(jié)點(diǎn)之間的正常通信，目前許多通信協(xié)議都會(huì)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鏈路質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，并提出了高效性、公平性、平衡性以及延時(shí)等性能要求。
②監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)：傳感器節(jié)的能量狀態(tài)始終處于動(dòng)態(tài)的變化中，而且傳感器節(jié)點(diǎn)的能量非常有限，并通常處在人不易觸及的險(xiǎn)要地帶，確保節(jié)點(diǎn)的供電正常就成了一個(gè)難題。而且對(duì)節(jié)點(diǎn)能量狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程本身也消耗能量。
③顯示網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：由于傳感器節(jié)點(diǎn)的能量十分有限，再加上易受到外界干擾破壞，節(jié)點(diǎn)很容易失效，網(wǎng)張的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)都可能發(fā)生改變，如果測(cè)試平臺(tái)使得網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直觀可視化，便于對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控與及時(shí)做出調(diào)整。
3 結(jié)束語(yǔ)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用雖然還處在初級(jí)階段，隨著硬軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，不斷攻克了技術(shù)難關(guān)，已經(jīng)取得了不少優(yōu)秀的成果，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的多樣性，對(duì)于平臺(tái)進(jìn)一步的改進(jìn)工作可對(duì)硬件平臺(tái)進(jìn)行功能擴(kuò)展，將協(xié)議的分析集中到軟件系統(tǒng)中進(jìn)行，這樣可以增加數(shù)據(jù)通信量。另外，測(cè)試平臺(tái)界面的設(shè)計(jì)也可以進(jìn)行改進(jìn)，使其更加美觀通用。
參考文獻(xiàn)
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篇13
隨著傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、通信技術(shù)及嵌入式計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，具備通信能力、計(jì)算能力、感知能力的微型傳感器開始廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。因此，應(yīng)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)的研究，對(duì)其進(jìn)行不斷完善。
1 相關(guān)概念
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)集成了微機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和傳感器三大技術(shù)，是以數(shù)據(jù)處理為中心的系統(tǒng)，其通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的感知對(duì)象信息進(jìn)行感知、采集、處理，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給觀察者。其是由傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)應(yīng)用無(wú)線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的信息技術(shù)的領(lǐng)域，其在民用、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用前景都非常的廣泛。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的組成有計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、傳感子系統(tǒng)和能量供應(yīng)子系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)是通過(guò)微控制器和微處理器構(gòu)成的，其主要負(fù)責(zé)對(duì)傳感器進(jìn)行控制、對(duì)傳感數(shù)據(jù)的算法與執(zhí)行通信協(xié)議進(jìn)行相關(guān)的處理。而短距離的無(wú)線通信的無(wú)線收發(fā)電路主要由通信子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而激勵(lì)裝置及傳感器共同構(gòu)成傳感子系統(tǒng)。能量供應(yīng)子系統(tǒng)主要由交直流轉(zhuǎn)換器及電池組成。
一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)一般由很多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，且節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用不同，其組成部分也各有很多差別。傳感單元包括很多傳感功能的D/A、A/D轉(zhuǎn)換模塊，并根據(jù)所需監(jiān)測(cè)的對(duì)象的具體情況來(lái)判斷使用單一或多功能的傳感器。處理單元主要是通過(guò)存儲(chǔ)器、嵌入式CPU、嵌入式操作系統(tǒng)等共同將嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成成立起來(lái)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)是互聯(lián)網(wǎng)、sink節(jié)點(diǎn)、分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、用戶界面等。為獲取第一手信息，會(huì)密集的投放傳感器節(jié)點(diǎn)在待監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)。Sink節(jié)點(diǎn)其本身可進(jìn)行充電，儲(chǔ)備了很多能量，相當(dāng)于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。能夠讓信息平臺(tái)和位于較遠(yuǎn)處節(jié)點(diǎn)所收集到的信息之間進(jìn)行信息的傳輸或交換，如互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星。而用戶界面是處理監(jiān)測(cè)信息的平臺(tái)，通過(guò)用戶界面能夠更加便捷的掌握及處理從監(jiān)測(cè)區(qū)域獲得的信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)的生成及其工作方式是先將通過(guò)使用機(jī)械方法、飛行器空投方法等隨機(jī)散播傳感器節(jié)點(diǎn)并將其布置到待監(jiān)測(cè)的區(qū)域。之后傳感器節(jié)點(diǎn)將會(huì)保持在自檢啟動(dòng)的喚醒狀態(tài)。所有的傳感器通過(guò)發(fā)出信號(hào)，監(jiān)控并記錄周圍傳感器節(jié)點(diǎn)相應(yīng)對(duì)外的工作的情況。節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)所監(jiān)測(cè)到的別的傳感器節(jié)點(diǎn)的狀況的分析，并通過(guò)組網(wǎng)算法形成網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，則要通過(guò)路由算法對(duì)合適路徑進(jìn)行選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)內(nèi)容
2.1 安全性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全方面主要包括安全路由及安全協(xié)議。通常，很多節(jié)點(diǎn)都會(huì)密集分布在相同的區(qū)域內(nèi)，而最終要到達(dá)目的地則需要通過(guò)很多的節(jié)點(diǎn)消息的傳導(dǎo)。傳感器具有動(dòng)態(tài)性，且是多跳結(jié)構(gòu)，需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備路由功能。且傳感器節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)潛在的路由，極易遭受入侵，進(jìn)而造成整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全受到威脅。網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議將關(guān)鍵的路由服務(wù)提供給了整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用性與安全性也受到安全的路由算法很大的影響。安全路由協(xié)議通過(guò)使用身份認(rèn)證、認(rèn)證廣播以及雙向連接認(rèn)證等機(jī)制，能夠增強(qiáng)路由的安全性，使網(wǎng)絡(luò)對(duì)外部攻擊的抵御能力得到有效地提高。在安全保障方面有安全組播和密鑰管理兩種方式。安全組播是指可能在敵對(duì)環(huán)境中設(shè)置無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，需在其里形成基于源端認(rèn)證的安全組播以避免供給者將偽造的信息注入網(wǎng)絡(luò)中。
2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量問(wèn)題。傳感器的節(jié)點(diǎn)需要對(duì)待監(jiān)測(cè)區(qū)域獲得的消息進(jìn)行分析及數(shù)據(jù)處理等，且其分布的數(shù)量多范圍大，而其一般通過(guò)電池進(jìn)行供電，可用電量有限。且為數(shù)量龐大的節(jié)點(diǎn)更換電池很困難。因此，在不影響節(jié)點(diǎn)功能的基礎(chǔ)上，節(jié)約其電池能量也成為其軟硬件設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。因此，在很多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，因傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的事件具有偶發(fā)性，不需要所有的單元都工作，可通過(guò)使用休眠模式，使節(jié)點(diǎn)能夠自適應(yīng)進(jìn)行喚醒與休眠，進(jìn)而達(dá)到節(jié)省能量的目的。還可將所有的功耗單元進(jìn)行相應(yīng)的有機(jī)組合，使眾多的傳感器節(jié)點(diǎn)形成多種不同的狀態(tài)，讓其根據(jù)具體情況在不同狀態(tài)之間進(jìn)行切換，節(jié)省其需耗損的能源。
2.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及網(wǎng)狀與星形相互混合的方式。而關(guān)于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)種類的使用決定也需要進(jìn)行多方面的考慮。如需要考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x，傳輸?shù)念l率，節(jié)點(diǎn)的變化水平等多重因素。在很多節(jié)點(diǎn)間能夠發(fā)生網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的業(yè)務(wù)流能，且各節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路能夠被直接的建立起來(lái)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的健壯性很強(qiáng)，因節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間都連接有多條鏈路，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)失敗時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)重新配置此節(jié)點(diǎn)周圍的所有節(jié)點(diǎn)，重新保持各節(jié)點(diǎn)之間的連接。但因所有節(jié)點(diǎn)都長(zhǎng)期處于正常工作的狀態(tài)，能量的消耗也就更為嚴(yán)重，處理的負(fù)擔(dān)也較大。節(jié)點(diǎn)與基站間發(fā)生星形結(jié)構(gòu)的業(yè)務(wù)流。星形結(jié)構(gòu)所需要的能量少，但受到直傳距離的限制。網(wǎng)狀與星形的混合方式具備網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的自修復(fù)和擴(kuò)展功能，還具有星形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單低耗的優(yōu)點(diǎn)。在中繼器或路由器的周圍進(jìn)行一些星形方式設(shè)置節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，這樣就能在一定程度上擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。
3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用
3.1 在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，其低成本、自組織性、密集性、隨機(jī)分布、強(qiáng)大的容錯(cuò)能力及抗毀性等特性都是軍方所需要的。一般將大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)特種炮彈發(fā)射或飛機(jī)撒播等方法集中撒播到人員很難到達(dá)的觀察區(qū)域。分析監(jiān)測(cè)區(qū)域的目標(biāo)的距離、目標(biāo)的目的地及速度等，可通過(guò)被動(dòng)傳感器如聲學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)以及電氣等類型的傳感器及主動(dòng)傳感器來(lái)完成。一般情況下，傳感器只需穩(wěn)定工作數(shù)周，不用嚴(yán)格要求其功耗。但若在未知環(huán)境如需要克服氣候、壓力、溫度等方面的惡劣環(huán)境。以及為防止其被發(fā)現(xiàn)及摧毀，傳感器本身也應(yīng)盡量小型化。應(yīng)優(yōu)先考慮傳感器適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力及小型化的要求。
3.2 在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境方面的應(yīng)用也很廣泛。其可以對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，也可用于野外火災(zāi)的檢測(cè)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用廣泛。國(guó)外發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)部分農(nóng)田的土壤濕度、光照強(qiáng)度等進(jìn)行適時(shí)的檢測(cè)，來(lái)確定如何耕作土壤。環(huán)境方面的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署所需要的成本低、操作也相對(duì)簡(jiǎn)單、不需要進(jìn)行農(nóng)田的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)、長(zhǎng)期不需要進(jìn)行電池的更換。而節(jié)點(diǎn)的密集布置，能夠?qū)⑽⒂^的環(huán)境因素檢測(cè)出來(lái)，這為環(huán)境的監(jiān)測(cè)研究提供了新的路徑
3.3 在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。在醫(yī)療領(lǐng)域無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也十分廣泛。通過(guò)將一些體溫、血壓等微型無(wú)線傳感器安裝在病人的身上，并通過(guò)其住宅內(nèi)的傳感器網(wǎng)關(guān)，醫(yī)生能夠遠(yuǎn)程了解病人的身體健康狀況。將血壓及脈搏監(jiān)測(cè)設(shè)備等具有特殊功能的傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在住院病人的身上，通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)，病人的病情可以及時(shí)反饋到醫(yī)生的手中，并作出及時(shí)有效的處理。還可利用傳感器網(wǎng)絡(luò)收集從病人身上累積到的長(zhǎng)期的生理數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行相關(guān)的新藥品的研制。除此之外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在藥物管理等方面也能發(fā)揮其特殊優(yōu)勢(shì)，將節(jié)點(diǎn)與藥品的類別相互對(duì)應(yīng)放置，通過(guò)連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)后將所開藥品辨認(rèn)出來(lái)，防止拿錯(cuò)藥或開錯(cuò)藥的情況發(fā)生。
綜上所述，傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)新興的包含著多學(xué)科的技術(shù)。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景的不斷擴(kuò)大，其將受到越來(lái)越的研究和關(guān)注。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的領(lǐng)域也將更加廣泛，必將對(duì)人們的生產(chǎn)及生活產(chǎn)生重大的影響。
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