無線傳感器網絡大全11篇

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中圖分類號：TP393文獻標識碼：A

1概述

無線傳感器網絡是新一代的網絡，有著非常廣泛的應用前景，將來會給人類的生活和生產的各個領域帶來深遠影響。近十年來，無線傳感器網絡已經掀起了新的產業浪潮。我國未來20年預見技術的調查報告中，信息領域157項技術課題有7項與傳感器網絡直接相關。2006年初的《國家中長期科學與技術發展規劃綱要》為信息技術確定了三個前沿方向，其中兩個與無線傳感器的研究直接相關，即智能感知技術和自組織網絡技術。可以預計，無線傳感器網絡的研究與應用是一種必然趨勢，它的出現將會給人類社會帶來極大的變革。

2無線傳感器網絡的定義及體系結構

無線傳感器網絡的定義：無線傳感器網絡就是由安裝在監測區域內大量的微型傳感器組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織的網絡系統，其目的是感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。

傳感器，感知對象和觀察者是傳感器網絡的三個基本要素。

無線傳感器網絡和傳統無線網絡有著不同的體系結構。無線傳感器是由節點結構，網絡結構以及網絡協議體系結構來描述的。

傳感器節點由四部分組成：傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊，

傳感器模塊負責采集監測區域內的信息，并進行數據格式的轉換，將原始的模擬信號轉換成數字信號，將交流信號轉換成直流信號，以供后續模塊使用；處理器模塊又分成兩部分，分別是處理器和存儲器，它們分別負責處理節點的控制和數據存儲的工作；無線通信模塊專門負責節點之間的相互通信；電源模塊為傳感器節點提供能量，一般都是采用微型電池供電。

無線傳感器網絡系統是由傳感器節點、匯聚節點和管理節點組成。大量傳感器節點隨機部署在監測區域，通過自組織的方式構成網絡。傳感器節點采集的數據通過其它傳感器節點逐跳地在網絡中傳輸，傳輸過程中數據可能被多個節點處理，經過多跳后路由到匯聚節點，最后通過互聯網或者衛星到達數據處理中心。也可以沿著相反的方向，通過管理節點對傳感器網絡進行管理，監測任務以及收集監測數據。

網絡協議體系結構是網絡的協議分層以及網絡協議的集合，是對網絡及其部件應完成功能的定義與描述。由網絡通信協議、傳感器網絡管理以及應用支撐技術組成。

分層的網絡通信協議結構類似于傳統的TCP/IP協議體系結構，由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層組成。

網絡管理技術主要是對傳感器節點自身的管理以及用戶對傳感器網絡的管理。網絡管理模塊是網絡故障管理、計費管理、配置管理、性能管理的總和。其他還包括網絡安全模塊、移動控制模塊、遠程管理模塊。傳感器網絡的應用支撐技術為用戶提供各種應用支撐，包括時間同步、節點定位，以及向用戶提供應用服務接口。

3無線傳感器網絡的特點

目前常見的無線網絡包括移動通信網、無線局域網、藍牙網絡、Adhoc網絡等，與無線傳感器網絡在通信方式、動態組網以及多跳通信等方面有許多相似之處，但同時也存在很大的差別。無線傳感器網絡具有許多鮮明的特點：

3.1 電源能量有限

傳感器節點體積微小，電池的能量有限，且傳感器節點數量多，分布區域廣，部署區域環境復雜，有些區域甚至人員不能到達，所以傳感器節點通過更換電池的方式來補充能源是不現實的。如何產生新的能源，最大化網絡的生命周期，是傳感器網絡面臨的首要挑戰。

3.2 通信能力有限

傳感器網絡的通信帶寬窄而且經常變化，通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米。傳感器節點之間的通信斷接頻繁，經常容易導致通信失敗。由于傳感器網絡更多地受到高山、建筑物、障礙物等地勢地貌以及風雨雷電等自然環境的影響，傳感器可能會長時間脫離網絡，離線工作。如何在有限通信能力的條件下高質量地完成感知信息的處理與傳輸，也是傳感器網絡面臨的挑戰。

3.3 網絡規模大，分布廣且計算能力有限

傳感器網絡中的節點分布廣泛且密集，數量巨大，可能達到幾百、幾千萬，甚至更多。這一特點使得網絡的維護十分困難甚至不可維護，因此傳感器網絡的軟、硬件必須具有高強壯性和容錯性。然而傳感器節點是一種微型嵌入式設備，要求價格低功耗小，這些限制必然導致其攜帶的處理器能力比較弱，存儲器容量比較小。為了完成各種任務，傳感器節點需要完成監測數據的采集和轉換、數據的管理和處理、應答匯聚節點的任務請求和節點控制等多種工作。如何利用有限的計算和存儲資源完成諸多協同任務成為傳感器網絡設計的挑戰。

3.4 以數據為中心的網絡和自組織、動態性網絡

傳感器網絡的核心是感知數據，而不是網絡硬件。在傳感器網絡中，傳感器節點不需要地址之類的標識。所以傳感器網絡是一種以數據為中心的網絡。

在傳感器網絡應用中，傳感器節點的位置不能預先精確設定，節點之間的相互鄰居關系預先也不知道，而是通過隨機布撒的方式。這就要求傳感器節點具有自組織能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協議自動形成轉發監控數據的多跳無線網絡系統。同時，由于部分傳感器節點能量耗盡或環境因素造成失效，以及經常有新的節點加入，這就要求傳感器網絡必須具有很強的適應網絡拓撲結構的動態變化。

傳感器網絡用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量。不同的傳感器關心不同的物理量，因此對傳感器的應用系統也有多種多樣的要求。不同的應用背景對傳感器網絡的要求不同，其硬件平臺、軟件系統和網絡協議必然有很大差別，在開發傳感器網絡應用時，更關心傳感器網絡差異。針對每個具體應用來研究傳感器網絡技術，這是傳感器網絡設計不同于傳統網絡的顯著特征。

4無線傳感器網絡的關鍵技術及應用

4.1 無線傳感器網絡的關鍵技術

無線傳感器網絡目前研究的難點涉及通信、組網、管理、分布式信息處理等多個方面。主要關鍵技術如下：

4.1.1 網絡拓撲管理

無線傳感器網絡是自組織的。目前的研究方向是在滿足網絡覆蓋度和連通度的情況下，通過選擇路由路徑，生成一個能高效的轉發數據的網絡拓撲結構。拓撲管理有節點功率控制和層次型拓撲控制兩種。前一種方法是控制每個節點的發射功率，均衡節點單跳可達的鄰居數目。而層次型拓撲控制采用分簇機制，有一些節點作為簇頭，它將作為一個簇的中心，簇內每個節點的數據都要通過它來轉發。

4.1.2 網絡協議

因為傳感器節點具有計算能力、存儲能力、通信能力且攜帶的能量有限，每個節點都只能獲得局部網絡拓撲信息，在節點上運行的網絡協議也要盡可能的簡單。目前研究的重點主要集中在網絡層和MAC層上。網絡層的路由協議主要控制信息的傳輸路徑。好的路由協議不但能考慮到每個節點的能耗，還要能夠關心整個網絡的能耗均衡，使得網絡的壽命盡可能的保持的長一些。MAC層協議主要控制介質訪問，控制節點通信過程和工作模式。設計無線傳感器網絡的MAC協議首先要考慮的是節省能量和可擴展性。由于能量消耗主要發生在載波偵聽，碰撞重傳和接收到不需要的數據處理等方面，MAC層協議的研究也主要在如何減少上述3種情況從而降低能量消耗以延長網絡和節點壽命。

4.1.3 網絡安全

數據的安全性，這主要從兩個方面考慮：一方面是從維護路由安全的角度出發以保證網絡的安全。現已提出了一種叫“有安全意識的路由”的方法，其思想是找出真實值和節點之間的關系，然后利用這些真實值來生成安全的路由。另一方面是把重點放在安全協議方面。在具體的技術實現上，先假定基站總是正常工作的，并且總是安全的，滿足必要的計算速度、存儲器容量，基站功率滿足加密和路由的要求；通信模式是點到點，通過端到端的加密保證了數據傳輸的安全性。基于以上前提，典型的安全問題可以總結為：信息被非法用戶截獲；一個節點遭破壞；識別偽節點；如何向已有傳感器網絡添加合法的節點等四個方面。

4.1.4 定位技術

位置信息是傳感器節點采集數據中重要的一部分，沒有位置信息的監測消息可能毫無意義。節點定位是確定傳感器的每個節點的相對位置或絕對位置。節點定位在軍事偵察、環境檢測、緊急救援等應用中尤其重要。節點定位分為集中定位方式和分布定位方式。定位機制也必須要滿足自組織性，魯棒性，能量高效和分布式計算等要求。定位技術也主要有兩種方式：基于距離的定位和距離無關的定位。其中基于距離的定位對硬件要求比較高，通常精度也比較高。距離無關的定位對硬件要求較小，受環境因素的影響也較小，雖然誤差較大，但是其精度已經足夠滿足大多數傳感器網絡應用的要求，所以這種定位技術是研究的重點。

4.1.5 時間同步技術

傳感器網絡中的通信協議和應用，比如基于TDMA的MAC協議和敏感時間的監測任務等，要求節點間的時鐘必須保持同步。有人曾提出了一種簡單實用的同步策略。其基本思想是，節點以自己的時鐘記錄事件，隨后用第三方廣播的基準時間加以校正，精度依賴于對這段間隔時間的測量。這種同步機制應用在確定來自不同節點的監測事件的先后關系時有足夠的精度，設計高精度的時鐘同步機制是傳感網絡設計和應用中的一個技術難點。

4.1.6 數據融合

傳感器網絡為了有效的節省能量，可以在傳感器節點收集數據的過程中，利用本地計算和存儲能力將數據進行融合，取出冗余信息，從而達到節省能量的目的。數據融合可以在多個層次中進行。在應用層中，可以應用分布式數據庫技術，對數據進行篩選，達到融合效果。在網絡層中，很多路由協議結合了數據融合技術來減少數據傳輸量。MAC層也能減少發送沖突和頭部開銷來達到節省能量的目的。當然，數據融合是以犧牲延時等代價來換取能量的節約。

4.2 無線傳感器網絡的應用

無線傳感器網絡的應用前景非常廣闊，隨著無線傳感器網絡的深入研究和廣泛應用，無線傳感器網絡將逐漸深入到人類生活的各個領域。

4.2.1 軍事方面

傳感器網絡具有可快速部署，可自組織，隱蔽性強和高容錯等特點，因此非常適合在軍事上應用。傳感器網絡是由大量隨機分布的節點組成，即使一部分傳感器網絡節點被敵方破壞，剩下的節點依然能夠自組織地形成網絡。利用傳感器網絡能夠實現對敵軍兵力和裝備的監控，戰場的實時監視，目標的定位，戰場評估，核攻擊和生物化學攻擊的監測和搜索等功能。例如，傳感器網絡可以通過分析采集到的數據，得到十分準確的目標定位，從而為火控和制導系統提供準確的制導。利用生物和化學傳感器，可以準確地探測到生化武器的成分，及時提供情報信息，有助于正確防范和實施有效的反擊。

4.2.2 環境科學

隨著人們對于環境的日益關注，環境科學所涉及的范圍越來越廣泛。通過傳統方式采集原始數據是一件困難的工作。傳感器網絡為野外隨機性的研究數據獲取提供了方便，比如，跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環境變化對農作物的影響，監測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，傳感器網絡也可以應用在精細農業中，以監測農作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。傳感器網絡還有一個重要應用就是生態多樣性的描述，能夠進行動物棲息的生態監控。

4.2.3 智能家居

無線傳感器網絡還能夠應用在家居系統中。例如，2004年3月英特爾公司演示了家庭護理的無線傳感器網絡系統。該系統通過在鞋、家具以家用電器等設備中嵌入半導體傳感器，幫助老齡人士、以及殘障人士的家庭生活，利用無線通信將各傳感器聯網可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理。智能家居網絡系統是將家庭中各種與信息有關的通訊設備、家用電器和家庭保安裝置通過家庭總線技術連接到一個家庭智能化系統上進行集中的或者異地的監視、控制和家庭事務性管理，并保持家庭設施與住宅環境的和諧與協調的系統。

4.2.4 醫療健康

如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節點，如心率和血壓監測設備，利用傳感器網絡，醫生就可以隨時了解被監護病人的病情，進行及時處理。還可以利用傳感器網絡長時間地收集人的生理數據，這些數據在研制新藥品的過程中是非常有用的，而安裝在被監測對象身上的微型傳感器也不會給人的正常生活帶來不便。此外，在藥物管理等諸多方面，它也有新穎而獨特的應用。總之，傳感器網絡為未來的遠程醫療提供了更加方便、快捷的技術實現手段。

4.2.5 空間探索

探索外部星球一直是人類夢寐以求的理想，借助于航天器布撒的傳感器網絡節點實現對星球表面長時間的監測，應該是一種經濟可行的方案。NASA的JPL實驗室研制的Sensor Webs就是為將來的火星探測進行技術準備的，已在佛羅里達宇航中心周圍的環境監測項目中進行測試和完善。

4.2.6 其他商業應用

自組織、微型化和對外部世界的感知能力是傳感器網絡的三大特點，這些特點決定了傳感器網絡在商業領域應該也會有不少的機會。比如，嵌入家具和家電中的傳感器與執行機構組成的無線網絡與Internet連接在一起將會為我們提供更加舒適、方便和具有人性化的智能家居環境；城市車輛監測和跟蹤系統中成功地應用了傳感器網絡；美國某研究機構正在利用傳感器網絡技術為足球裁判研制一套輔助系統，以減小足球比賽中越位和進球的誤判率，這套設備現在已經研制成功。此外，在災難拯救、倉庫管理、交互式博物館、交互式玩具、工廠自動化生產線等眾多領域，無線傳感器網絡都將會孕育出全新的設計和應用模式。

5結束語

由于具有覆蓋區域廣闊、監測高精度、可遠程監控、可快速部署、可自組織和高容錯性等特點，盡管目前無線傳感器網絡仍處于初步應用階段，網絡安全研究等方面還面臨著許多不確定的因素和有待解決的問題，但已經展示出了非凡的應用價值。相信在不久的將來，會對人們的生產生活起到不可估量的作用。

參考文獻：

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隨著近距離、低功耗無線通信技術的發展，無線傳感器網絡（WirelessSensorNetwork，WSN）應運而生。WSN是由具有感知、計算和通信能力的微型傳感器以Adhoc方式構成的無線網絡，通過大量節點間的分工協作，實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的數據，并對這些數據進行處理，獲得詳盡而準確的信息，最終傳送到需要這些信息的用戶。WSN可廣泛應用于國防軍事、國家安全、環境監測、交通管理、醫療衛生、制造業、反恐抗災乃至商業和家庭等諸多領域，正受到政府、軍隊、研究機構、商業界的廣泛關注和高度重視，具有十分廣闊的應用前景，是目前非常活躍的一個領域。WSN是在移動AdHoc網絡的基礎上發展起來的，在自組織的組網方式和多跳通信等方面與移動Adhoc網絡具有相似性，但WSN在組網方式和具體應用上存在一些新的特點，主要表現為：與Adhoc網絡中節點的動態移動相比，WSN的節點位置相對固定，網絡拓撲會因節點能量耗盡而發生變化；由于節點體積較小，傳感器網絡具有許多資源上的限制，比如有限的電池功率和有限的網絡通信帶寬等；傳感器節點間更多的是一種協作而非競爭的關系，為了完成共同目標而相互協作；不同節點采集的數據間具有一定相關性，需要進行數據會聚以減小冗余信息的轉發，降低通信負荷；WSN中的應用多為多對一的情形，即存在一個Sink節點來收集數據并與外界通信等等。無線傳感器網絡是新一代的傳感器網絡，具有非常廣泛的應用前景，其發展和應用，將會給人類的生活和生產的各個領域帶來深遠影響。發達國家，非常重視無線傳感器網絡的研究和發展，如美國國防部和各軍事部門都對WSN給予了高度重視，在C4ISR的基礎上提出了C4KISR計劃，強調戰場情報的感知能力、信息的綜合能力和信息的利用能力，把WSN作為一個重要研究領域，設立了一系列的軍事傳感器網絡研究項目。美國自然科學基金委員會（NSF）2003年制定了WSN的研究計劃，投資3400萬美元，支持相關基礎理論的研究。在NSF的推動下，美國的加州大學伯克利分校、麻省理工學院、洛克維爾研究中心、加州大學洛杉磯分校等機構開始了WSN的基礎理論和關鍵技術的研究。英國、日本、意大利等國家的一些大學和研究機構也紛紛開展了該領域的研究工作。學術界的研究主要集中在傳感器網絡技術和通信協議的研究上，也開展了一些感知數據查詢處理技術的研究，取得了一些初步研究結果。

IEEE正在努力推進無線傳感器網絡的應用和發展，美國的《技術評論》雜志在論述未來新興十大技術時，更是將無線傳感器網絡列為第一項未來新興技術，《商業周刊》預測的未來四大新技術中，無線傳感器網絡也列入其中。可以預計，無線傳感器網絡的廣泛是一種必然趨勢，它的出現將會給人類社會帶來極大的變革。

一、無線傳感器網絡的組成

一個完整的無線傳感器網絡的體系結構主要由傳感器節點、匯聚節點、用戶節點三部

分組成。大量傳感器節點被放置在監測區域（云圖包圍部分），假定傳感器節點A有監測數據要上報到用戶節點，則通過自組織路由協議建立A，B，C，D之間的無線鏈路，D再通過與之連接的匯聚節點將數據經由衛星、互聯網或移動通信網等傳輸網絡送達用戶節點。由于被監測區域往往不方便建立固定設施及有線鏈路，因此傳感器節點之間的數據傳輸通常采取無線方式，而匯聚節點與用戶節點之間的傳輸既可采用有線方式，也可采用無線方式。

在無線傳感器網絡中，傳感器節點是整個網絡的基礎，它們擔負著感知數據、處理數據、存儲數據及傳輸數據的功能。

傳感器節點主要由傳感器、模數轉換模塊、計算模塊、存儲模塊、通信模塊、電源模塊幾部分組成，并在嵌人式軟件系統的支持下完成傳感器節點的各項功能。傳感器負責各種監測數據的獲取，將感知對象轉變成電信號。模數轉換模塊將非數字監測信號轉變成數字信號，方便后期處理。計算模塊和存儲模塊主要處理傳感器和模數轉換送來的監測數據。通信模塊將計算模塊的處理結果通過無線方式傳輸到下一個節點。

二、無線傳感網的熱點研究問題

2.1 安全問題

2.1.1 安全路由

通常，在無線傳感器網絡中，大量的傳感器節點密集分布在一個區域里，消息可能需要經過若干節點才能到達目的地，而且傳感器網絡具有動態性和多跳結構，要求每個節點都應具有路由功能。由于每個節點都是潛在的路由節點，因此更易受到攻擊，使網絡不安全。網絡層路由協議為整個無線傳感器網絡提供了關鍵的路由服務，安全的路由算法會直接影響無線傳感器網絡的安全性和可用性。安全路由協議一般采用鏈路層加密和認證、多路徑路由、身份認證、雙向連接認證和認證廣播等機制，有效提高網絡抵御外部攻擊的能力，增強路由的安全性。

2.1.2 安全協議

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：無線傳感器網絡有諸多限制，例如節點能力限制，使其只能使用對稱密鑰和Hash技術；電源能力限制，應使其在無限傳感器網絡中盡量減少通信，因為通信的耗電將大于計算的耗電；傳感器網絡還應考慮匯聚等減少數據冗余的問題。在部署節點前，將密鑰預先配置在節點中，通常，預配置的密鑰方案通過預存的秘密信息計算會話密鑰，由于節點存儲和能量的限制，預配置密鑰管理方案必須考慮節省存儲空間和減少通信開銷。2）安全組播：無線傳感器網絡可能設置在敵對環境中，為了防止供給者向網絡注入偽造信息，需要在無線傳感器網絡中實現基于源端認證的安全組播。

2.2 能量問題

傳感器的節點分布眾多，并且需要進行監測、數據處理等活動，而無線傳感器網絡中的節點一般用電池供電，可使用的電量非常有限，并且對于有成千上萬節點的無線傳感器網絡來說，更換電池非常困難，甚至是不可能的，但是卻要求無線傳感器網絡的生存時間長達數月甚至數年，因此，如何在不影響功能的前提下，盡可能節約無線傳感器網絡的電池能量成為無線傳感器網絡軟硬件設計中的核心問題。現在已有一些解決方法，在大多數網絡應用中，由于傳感器節點監測事件的偶發性，沒有必要讓所有單元均工作在正常狀態下，可采用休眠模式，能自適應的休眠和喚醒，進行突發工作，節省能量。還可將所有功耗單元有機組合，形成不同狀態，讓傳感器節點能根據需要在不同狀態間切換，這樣既可以滿足系統需要，又節省了能源。還可以動態調節電壓以節省能量，根據負載狀態動態調節供電電壓，形成一個閉環控制系統，節省能量。總之，在滿足系統要求的情況下，采用各種方法降低耗電量非常必要。

三、總結

本文總結了當前制約無線傳感器網絡實際應用的因素及目前的研究熱點。無線傳感網絡最終將成為聯系信息世界和客觀物理實際的接口，從而人類可以通過傳感器網絡獲得客觀物理世界的信息并采取相應措施。

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無線傳感器網絡WSN（Wireless Sensor Network）是一種由傳感器節點構成的網絡，能夠實時監測、感知和采集節點部署區觀察者感興趣的感知對象的各種信息（如光強、溫度、濕度等物理現象），并對這些信息進行處理后以無線的方式 發送。無線傳感器網絡在軍事偵察、環境監測、醫療護理、智能家居、工業生產控制等領域有著廣闊的應用前景。在低功耗的無線傳感器網絡中，傳感器節點一般采用電池供電，而有限的電池能量限制了傳感器節點的工作壽命，從而影響整個傳感器網絡的生存周期。為了擺脫傳感器節點對電池的依賴，作者做了大量工作。本書介紹了無線能量傳輸技術在傳統電池供電的傳感器網絡應用的簡明指南。

全書共6章：1. 引言：包括相關背景和基本概念的介紹，如無線充電技術、電磁輻射、磁耦合共振等內容；2.網絡結構和原理：包括網絡組件、無線充電傳感器網絡設計原則，有能源設計、節點壽命估計、自適應充電閾值，最后進行了總結；3.分布式節點狀態報告：主要介紹其協議的設計，包括狀態請求、狀態報告和補給、應急報告和補給、層次維護等；4.充電調度：包括緊急補給調度問題、正常補給調度、自適應充電調度算法和加權算法等相關內容；5.績效評估：包括參數設置、充電調度算法的比較、能量演化、充電車輛的運動能量消耗、與靜態優化方法的比較等；6.結論：對全書內容進行總結，對工作成果及局限性進行了分析，并提出了未來研究的目標。

作者楊元元現任紐約州立大學石溪分校終身教授。長期擔任紐約州立大學石溪分校電子與計算機工程系研究生部主任、紐約州無線與信息技術中心通信與設備部主任等職務。在網絡交換技術，無線網絡和光網絡等領域進行了深入研究并做出了突破貢獻，在此領域已發表230多篇學術論文，其中在IEEE Transactions on Computer、IEEE/ACM Transactions on Networking，IEEE Transactions on Communications等頂級國際期刊上60多篇。擔任許多重大國際會議如IEEE INFOCOM，GLOBECOM，ICC等的主席，程序委員會主席、分會主席。2009 年當選為IEEE Fellow。

本書討論了如何利用新的無線可充電技術為傳統的無線傳感器網絡提供持久的能量來源。書中提供了無線充電技術及其影響的最新文獻綜述；通過描述網絡組件和它們的特征，介紹了無線充電傳感器網絡架構的兩個調度算法，進行了模擬，并從性能方面對模擬結果進行了比較。本書適用于網絡、無線通信、能源技術和信息技術的專業人員及工作人員，電氣工程和計算機科學高水平的學生。

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1.前言

現在隨著人們傳感器的要求的提高，并且我國一些物理研究的高速發展，進而可以更好的幫助我國進行無線傳感器網絡應用的研發，讓我們提早的進入無線傳感器時代，再加上傳感器的廉價，讓我們幾乎人人都可以接觸到無線傳感器的網絡應用，但隨著科技的進步，無線傳感器的一些不足也出現在了人們的面前。所以本研究通過分析無線傳感器網絡應用存在的一些問題，提出了加大無線傳感器網絡的能量投入，進一步開發傳感器的計算能力，加大傳感器節點保護力度等針對性解決方案，希望能在以后我國無線傳感器網絡應用中有所幫助。

2.況無線傳感器網絡應用中存在的一些問題

2.1 無線傳感器網絡中能量受限問題

無線傳感器網站中的能量受限問題是傳感現在面臨的一個非常棘手的問題，這也是所有自組織網絡共同的特點。隨著傳感器的用途越來越廣，它的能力受限問題主要是由于電量供電不足造成的，目前為止無線傳感器網絡通常由電量有限且不可更換的電池供電，所以傳感器的電源能量極其有限。往往會造成供電不足的現象，這是經常會因為電源能量問題而放棄某些節點，造成無線傳感器網絡應用受到阻斷或是限制。電源能量約束是阻礙無線傳感器網絡的嚴重問題。節點傳感、處理數據及通信都需要消耗很多能量，而當前民用無線發送接收器電源遠遠不能滿足無線傳感器網絡需要，這就造成了無線傳感器網絡應用中的許多麻煩。因此，如何在不影響網絡工作前提下節省能量，使網絡及節點生命周期最大化，也是無線傳感器網絡設計、部署過程中面臨的又一問題，只有解決了這一問題[1]，無線傳感器才能更好的服務于我們。

2.2 計算中存在的能力受限問題

傳感器作為新型的信息獲取和處理技術，首先要處理許多來自不同地方的各種信息，在這處理過程中不可避免的要用到傳感器的計算能力，而無線傳感器的計算主要是網絡中傳感器節點內都有嵌入式處理器與存儲器。這些傳感器具有一定的計算能力，可以完成一定量的數據處理工作。然而嵌入式處理器與存儲器計算能力與容量畢竟有限，在加上現在傳感器的用途被人們進一步的開發，所以傳感器的計算能力也在人們的要求中不斷的加強，來適合這個高信息化的時代，所以面對傳感器有限的計算能力是往往不能夠到達要求的，所以會在一個高峰期或是一個比較繁忙的時間出現一些錯誤的現象，這些都是造成一些嚴重的損失，并且常常都是不可避免的，因此，如何進行批量數據處理是無線傳感器網絡存在的又一問題。

2.3 傳感節點中的問題

傳感節點作為無線傳感器網絡中的一個關鍵部位，但也是一個比較危險的部分，人們往往建成網絡節點后就把它放在了一個自由的環境中。這樣就會有許多危險隱患，還有就是當傳感節點部署區域一般接近或直接處于敵對環境下[2]，因此極有可能被敵方俘獲。而一旦傳感節點被俘獲，那么敵人可以不用很困難就得到傳感節點加密密鑰，并進而進行各種攻擊，如重發攻擊、竄改攻擊等等。而傳感節點能力實在有限，連自毀等防護措施都很難實現，即使能夠實現也會因造價太高而無法使用。因此，只能靠一些物理偽裝來降低俘獲概率。另外，因為無法區分正常節點與被俘獲節點，對節點的信任也很成問題。

3.針對無線傳感器網絡應用中存在的一些問題的解決措施

3.1 加大無線傳感器網絡的能量投入

無線傳感器中的能量問題我們首先要解決的是容量的問題，這時我們可以開發一些優良的電池，這就要提升一些電池的物理和化學的性質，我們在化學方面可以運用一些化學電池，運用一些離子的濃度差來提供能量，這樣一方面可以提供更多的能量，另一方面還可以節約資源，保護環境。在物理方面，我們可以使用一些先進的材料來減少我們能量運輸過程中的電阻等一些阻力的問題，這樣可以讓我們產生的能量更加有效率的傳到我們的傳感器應用中，讓我們的傳感器能量更加持久，我們還要改善傳感器的接受效率，運用先進的無線接收器來完成無線的傳感器網絡的信號，只有先進的無線接受器才會在更好的接受信號的同時來完成能量的節省，這樣才會保證無線傳感器網絡的應用更加有保證，更加流利。

3.2 進一步開發傳感器的計算能力

我們只有保證了傳感器的計算能力才能，才能完成無線傳感器的網絡應用，計算能力是無線傳感器的前提，對于計算能力[3]，我們要開發一些新型的計算模式，一些新型的計算程序來完成我們的計算需求，這就需要我們培養一些計算程序的技術人員，計算機在西方比較發達，我們可以引用一些西方國家的先進計算機理論，我們可以研究西方的計算機理論和我國的計算機理論相結合，在這些基礎上我們可以有更大的機會進行創新來研發新的計算程序來適應高速發展的信息處理時代，如果有條件的話，我們可以給一些高等院校進行合作，我們提供資金來支持高校的計算程序研究，來可以派一些技術人員去國外進行深造來進一步提高研發水平，只有我們研發出更好的計算程序，才會從根本上解決傳感器的計算能力問題，才能讓傳感器更好的工作。另一方面我們還可以安裝更多的嵌入式處理器與存儲器來保證計算的速度，可以保證在網絡高峰的時期來進行高速的計算，讓信息可以更及時的傳達到人們的面前，讓傳感器網絡更好的應用。

3.3 加大傳感器節點的保護力度

關于傳感器節點的保護措施我們首先要建立一個明確的保護系統，我們要采取跟蹤保護的方法，不能再完成節點建設后就把它放在一個自由的環境中，要對節點進行追蹤保護，要時刻檢查節點，防止其他軟件的侵入，造成必要信息的丟失，另一方面還要加大對節點的保密建設，要對傳感器節點進行密碼保護，及時對方獲取到了我們的傳感器節點，但是在沒有密碼的情況下，也不能進行查看或是入侵，這樣就加大了保護的力度，還有就是要增大保護的范圍，不但要保護傳感器節點的安全性，也要保護傳感器其他部分的安全性，這樣一方面可以給我們傳感器工作創造一個良好的氛圍環境，另一方面還能加大他人對傳感器節點的入侵難度，除了保護之外，我們還要定時的對傳感器節點等進行修復，查殺看看有么有潛在的威脅，如果有的話，要立刻進行修復，只有時刻的檢查才會讓我們的傳感器在一個安全的網絡環境中進行信息的傳遞等一系列的任務。

4.無線傳感器網絡的原理

無線傳感器網絡一般都包括一臺主機或者“網關”，其通過一個無線電通信鏈路與大量無線傳感器進行通信。數據收集工作在無線傳感器節點完成，被壓縮后，直接傳輸給網關，或者如果有要求，也可以利用其他無線傳感器節點來將數據傳遞給網關。之后，網關保證該數據是系統的輸入數據。

每個無線傳感器都被看作一個節點，擁有無線通信能力，同時還具有一定的信號處理與網絡數據的智能。根據應用的類型，每個節點都可以有一個指定的地址。如圖1所示。

圖1

5.無線傳感器網絡的研究現狀

現 狀國際上無線傳感器網絡的研究主要是以美國這些發達國家為首，并且加拿大，英國，德國等國家也相繼加入到了無線傳感器網絡的研究隊伍中來了，并且都投入了大量的資金，主要是給高等學府進行投資，結合高等學府的科研力量來完成對無線傳感網絡的開發，而無線傳感器網絡的開發也在我國取得了很大的成功，我國的無線傳感器網絡開發起源于中國科學院，并在中國科學院的基礎上相繼在各大研究所和高校展開，并都取得了相應的進展，尤其是在清華大學，哈爾濱工業大學，北京郵電大學這些計算機專業先進的院校取得了很大的進展。

6.結語

無線傳感器網絡的應用已經越來越廣泛，影響范圍越來越廣。本文簡單的介紹了我國無線傳感器網絡應用中的一些問題，無線傳感器作為一個傳遞信息的載體，現也取得了很大的成功，并且幫助我們節省很大的人力和物力，讓我們的生活更有了效率，但是在我們對無線傳感器網絡應用探究的同時，也發現了無線傳感器的的一些問題。所以本研究通過分析無線傳感器網絡應用存在的一些問題，提出了加大無線傳感器網絡的能量投入，進一步開發傳感器的計算能力，加大傳感器節點保護力度等針對性解決方案，希望能在以后我國無線傳感器網絡應用中有所幫助。

參考文獻

[1]紀陽，張平.無線傳感器網絡的體系結構[J].中興通訊技術，2012（08）.

[2]王建平，史浩山.無線傳感器網絡的拒絕服務攻擊[J].信息安全與通信保密，2012（09）.

[3]楊偉豐，湯德佑，孫星明.傳感器網絡安全研究術[J].計算機應用研究，2012（06）.

[4]司海飛，楊忠，王.無線傳感器網絡研究現狀與應用[J].機電工程，2011（01）.

[5]杜曉明，陳巖.無線傳感器網絡研究現狀與應用[J].北京工商大學學報（自然科學版），2008（01）.

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中圖分類號:TP393 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2010)03-552-03

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

隨著無線通信和計算技術的發展,傳感器不僅能感應和監測環境,還可以處理收集到的數據,將其處理后以無線的方式傳送到基站。這些具有特殊功能的廉價的無線傳感器節點,通過無線鏈路構成靈活的多跳自組織網絡,這就是無線傳感器網絡(WSN, Wireless Sensor Network)。[1] 無線傳感器網絡被認為是21世紀最重要的技術之一,它將會對人類未來的生活方式產生巨大的影響。

1 無線傳感器網絡

1.1 無線傳感器網絡節點結構與體系結構

無線傳感器網絡由許多個功能相同或不同的無線傳感器節點組成的以數據為中心的無線自組網絡。每一個傳感器節點由感應模塊、數據處理和控制模塊、通信模塊和電源模塊等組成,如圖1。

無線傳感器網絡通常包括傳感器節點、匯聚節點(Sink Node)和管理節點。[2-3] 傳感器節點通常散布在被監測區域中,可以通過無人飛行器、火箭等撒播,也可以通過人工布置的方式完成,自組織形式構成網絡。各節點收集數據,并將數據通過多跳中繼的方式路由至匯聚節點,最終借助長距離或臨時建立的Sink鏈路將整個區域內的數據傳送到遠程中心進行集中處理,體系結構如圖2。

1.2 無線傳感器網絡的特點

無線傳感器網絡一般是為了某個特定的需要而設計的,有著獨特的體系結構和應用背景,使它具有不同于傳統網絡的諸多特點。

1) 網絡自組織性 無線傳感器網絡可以在任何時刻、任何地點、不需要任何基礎網絡設施的支持下,由傳感器節點本身自組織形成網絡,包括網絡的運行、維護、管理等完全在網絡內部實現。

2) 網絡拓撲結構比較穩定 一般網絡中的拓撲變化主要由節點的移動造成的,而無線傳感器網絡中的拓撲結構變化主要由于可移動節點的移動和節點能量的耗盡造成的。

3) 容錯性、功能局限性 對于無線傳感器網絡,節點數目多,安全性比較差,因此整個網絡具有容錯性;節點能量主要靠電池,但受到體積的限制,使得節點的計算能力、存儲空間等局限性表現非常突出。

4) 網絡分布式特性 基站節點與傳感器節點體現了使用集中式的控制結構,但各個傳感器節點之間,是一種無中心的分布式控制網絡。

5) 安全性問題嚴重 由于采用無限信道、有限電源、分布式控制等技術,網絡主機更加容易受到被動竊聽、主動入侵、拒絕服務、剝奪睡眠、偽造等形式的各種網絡攻擊,而且傳感器節點往往直接暴露在外面,安全性很差。

2 無線傳感器網絡的關鍵技術[4-5]

1) 節點定位 位置信息對于無線傳感器網絡應用至關重要,沒有位置信息的數據毫無意義。大多節點定位分為兩個階段:第一,測量未知節點到附近已知節點的距離;第二,通過這些參考距離,利用數學方法對未知節點的位置進行計算。

2) 時間同步 時間同步的基本思想是:節點以自己的時鐘記錄事件,隨后用第三方廣播的基準時間加以校正。這種同步機制應用在確定來自不同節點的監測事件的先后關系時有足夠的精度。

3) 路由技術 在無線傳感器網絡的體系結構中,網絡層的路由技術是組網的基礎,是無線傳感器網絡通信層的核心技術,非常重要。路由技術負責將數據分組從源節點通過網絡發到目的節點,主要功能是尋找源節點和目的節點間的最優化路徑,并將數據分組沿著優化路徑正確轉發。

4) 數據管理和數據融合 數據融合是一種減少傳輸數據量,節省能量的策略,數據管理是為了針對無線傳感器網絡的物理資源受限的特點而采用的特定數據管理措施。二者都是面向具體應用的,只有面向具體應用需求設計具體的數據融合算法和數據管理策略才可以最大限度的提高效率、節省能量。

5) 網絡安全 安全技術可以保證無線傳感器網絡各層正常和正確的運行,對于其它方面,以至于整個網絡都有很重要的作用,其中對于保證數據新鮮性和有效性方面表現最為明顯。目前,無線傳感器網絡安全主要集中在密匙管理、身份認證和數據加密方法、安全路由協議和隱私問題。

3 無線傳感器網絡路由技術

3.1 路由技術分類

無線傳感器網絡中的路由技術分為平面型協議和層次型協議兩種,基本的思想是采用在節點和匯聚節點間建立連接。平面型協議中,所有節點的地位是平等的,原則上不存在瓶頸問題。其缺點是可擴充性差,維護動態變化的路由需要大量的控制信息。在層次型協議中,群成員的功能比較簡單,不需要維護負責的路由信息。大大減少了網絡中路由控制信息的數量,有很好的可擴充性,其缺點是群頭節點可能會成為網絡的瓶頸。

3.1.1 平面型路由

1) 泛洪(Flooding)是一種最早的路由技術,不要求維護網絡的拓撲結構,也不需要進行路由計算,接收到消息的節點以廣播形式轉發分組,轉發報文給所有鄰居節點。雖然實現簡單,但容易產生消息的內爆和重疊。

2) 信息協商傳感器協議(SPIN,sensor protocol for imformation via negotiation)是以數據為中心的一系列自適應路由協議。通過使用節點間的數據協商和資源自適應機制大大節省了能量,延長了網絡壽命,并通過協商機制來解決泛洪算法中的內爆和重疊問題。通過宣告有數據(ADV)、同意接收(REQ)兩種報文進行協商,并利用第三種數據報文(DATA)將協商好的所需要的數據發送給指定的節點。

SPIN的優點是每個節點只需要知道它的單跳鄰居節點的信息,所以拓撲結構的改變對它的影響的局部的。但還存在一定的缺陷,它不能保證數據的發送,可能出現“數據盲點”。

3) 有序分配路由(SAR,sequential assignment routing)是1999年Katayoun Sohrabi等人在DARPA支持的一個研究中提出的一種主動型平面路由協議。 在選擇路徑時,SAR策略充分考慮了功耗和分組優先權等特殊要求,采用局部路徑恢復和多路徑經備份策略,避免節點或鏈路失敗時進行路由重計算需要的過量計算開銷。

4) 定向擴散(directed diffusion)是一種典型的以數據為中心的路由協議,與已有的路由算法有截然不同的實現機制。通信是在相鄰節點中進行的,每個節點具有數據匯聚和緩存能力。定向擴散一般根據需求發出查詢請求,這就減少了數據發送的盲目性。從實際意義上說,能減少能量的消耗。

3.1.2 層次型路由

層次路由協議的基本原理就是根據某種規則把WSN節點劃分為多個子集,每個子集成為一個簇,具有一個簇頭。每個簇的簇頭節點負責全局路由,其他節點通過簇頭接收或發送數據。

1) 低能耗自適應分層簇結構(LEACH, low energy adaptive clustering hierarchy)是第1個基于聚簇的協議[6],該協議隨機循環地為每個簇選擇簇頭節點。每個簇頭收集本簇中所有節點的數據,聚集后傳送到匯聚節點。

LEACH以輪為工作時間單位,每一輪分為兩個階段:啟動階段和穩定階段。在啟動階段,主要是傳送控制信息,建立節點群,并不發送實際的傳感數據。為了提高電源效率,穩定階段應該比啟動階段有著更長的持續時間。在穩定階段,傳感器節點以固定的速度采集數據,并向群頭節點發送,群頭在向網關發送數據之前,首先對這些信息進行一定程度的融合。在穩定階段經過一定的時間后,網絡重新進入啟動階段,進行下一輪的群頭選擇。

2) 敏感門限高效能耗傳感器網絡協議(TEEN, threshold sensitive energy efficient sensor network protocols)與上面介紹的LEACH算法相似,通過抑制不必要的通信來實現節省能量。[7]

TEEN通過各簇頭向整個網絡下發兩個閾值:硬閾值和軟閾值。當檢測值超過了硬門限,它被立刻發送出去;如果當前檢測值與上一次之差超過了軟門限,也被立刻發送出去。采用這樣的方法,可以監視一些突發事件和熱點地區,減小網絡內信息包數量。

3.2 路由技術面臨的問題和挑戰

無線傳感器網絡路由技術設計的基本特點可以概括為:能量低、規模大、移動性強、拓撲易變化、使用數據融合技術和通信的不對稱,因此無線傳感器網絡路由技術的設計要滿足以下路由機制要求。

1) 能量高效成為路由技術最重要的優化目標

低能量包括兩方面的含義,首先是節點能量儲備低,其次是指能源一般不能補充。傳感器網絡節點通常是一次部署,獨立工作,所以可維護性很低。相對于傳感器節點的儲能,無線通信部件的功耗很高,通信功耗占了節點總功耗的絕大不部分。因此,研究低能耗的路由協議極為迫切。

2) 使用數據融合技術

在無線傳感器網絡中,感知節點沒有必要將數據以端到端的形式傳送給匯聚節點或網關節點。為了減少流量和耗能,傳輸過程中的轉發節點經常將不同的入口報文融合成數目更少的出口報文轉發給下一跳,這就是數據融合的基本含義。采用數據融合技術意味著路由協議需要做出相應的調整。

3) 通信不對稱,流量分布不均勻

無線傳感器網絡是一個數據采集網絡,絕大部分流量是由各個傳感器流向匯聚節點,因此,流量分布極不均勻。體現在源節點和目的節點不對稱,源節點眾多而目的節點單一;傳輸方向不對稱,以匯聚節點為目的的數據流遠遠超過以它為源節點的控制流。

4 無線傳感器網絡的應用領域

由于無線傳感器網絡具有配置靈活和組網方便等優勢,在軍事、環境保護、家庭和醫療護理、災難拯救等方面都顯示了廣闊的應用前景,并將逐漸深入到人類生活的各個領域。

1) 軍事 快速布置和自組織等特性使得無線傳感器網絡非常適合用于戰場環境,不僅可以實時監控我軍兵力、裝備和物質等信息,也可以將大量的傳感器節點部署在敵方戰場上,跟蹤敵人的軍事行動。

2) 環境保護 隨著社會各界對環境問題的關注程度越來越高,需要采集的環境數據也日趨增多,無線傳感器網絡的出現可以避免傳統數據收集方式給環境帶來的侵入式破壞。比如,跟蹤候鳥和昆蟲的遷移、研究環境變化對農作物的影響、監測海洋、大氣和土壤的成分等。

3) 家庭和醫療護理 在醫療研究及護理領域,無線傳感器網絡也起來很大的作用。病人可以隨身攜帶若干體積微小的傳感器節點,可以對病人的心跳速率、血壓等進行實時檢測,若發現異常可以盡快搶救。同時還可以用于醫院的藥品管理,將傳感器節點按藥品種類分別放置,計算機系統即可幫助辨認所開藥品,從而減少病人用錯藥的可能性。

4) 災難拯救 在發生了地震水災、強力暴風雨或遭受其他災難后,固定的通信網絡設施可能被全部摧毀或無法正常工作,對于搶險救災場合來說,就需要無線傳感器網絡這種不依賴于任何固定網絡設施、能快速布設的自組織網絡技術。

無線傳感器網絡還被應用于其它一些領域,比如一些危險的工業環境如井礦、核電廠和交通領域中作為車輛監控等;此外還可以應用于空間探索,借助于航天器在外星體撒播傳感器節點,可以對星球表面進行長時間的監測。

5 結論

無線傳感器網絡,是一種全新的信息獲取和處理技術,具有信息采集處理和傳輸等功能。本文對無線傳感器網絡做了簡要的概述,并對作為組網基礎的路由技術做了初步的介紹。無線傳感器網絡作為無線傳感器的應用,盡管目前仍處于初步應用階段,網絡安全研究方面還面臨著許多不確定的因素,但已經展示出了非凡的應用價值。相信在不久的將來,會對人們的生產生活起到不可估量的作用。

參考文獻:

[1] 崔遜學,左從菊.無線傳感器網絡簡明教程[M].北京:清華大學出版社,2009.

[2] 陳瑞,王青云.無線傳感器網絡的路由協議研究[J].現代電子技術,2006,17.

[3] 康啟濤,陶滔.無線傳感器網絡綜述[J].應用安全,2008,2.

[4] 馬建慶.無線傳感器網絡安全的關鍵技術研究[D].上海:復旦大學計算機信息與技術系,2007.

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中圖分類號:TP399文獻標識碼:A

1 引 言

眾所周知,中國是一個具有五千年悠久歷史的文明古國,文物分布遍及全國,文物保護任務復雜而艱巨｡當前,因技術､資金和管理等方面的原因,導致很多文物被損壞或丟失,如何科學而有效地對文物進行保護和管理是文物管理部門面臨的巨大挑戰｡

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks.簡稱WSNs)是計算､通信和傳感器三項技術相結合的產物,目前成為計算機科學領域一個活躍的研究分支｡2003年2月份的美國技術評論雜志(《Technology Review》)評出對人類未來生活產生深遠影響的十大新技術,傳感器網絡被列為第一[1]｡隨著無線通信技術和電子器件技術的進步,促進了低成本､低功耗､體積小､多功能(感知､處理､通信功能)傳感器的發展,從而使得開發低成本的傳感器網絡成為可能,從而使其具有更加廣泛的應用領域｡

無線傳感器網絡被視為環境監測､建筑監測的一個發展方向｡它不需要固定網絡支持,具有快速展開,抗毀性強等特點｡無線傳感器網絡典型工作方式是:使用飛行器將大量傳感器節點(數量從幾百到幾千個)拋撒到感興趣區域,節點通過自組織快速形成一個無線網絡｡節點既是信息的采集和發出者,也充當信息的路由者,采集的數據通過多跳路由到達網關｡網關是一個特殊的節點,可以通過Internet､移動通信網絡､衛星等與監控中心通信｡

無線傳感器網絡十分適用于文物儲藏室環境監測､防盜與古建筑結構健康監測｡對于文物儲藏室的環境監測,將傳感器節點合理部署在展室或儲藏室內,可以測得文物存放環境的溫度､濕度､光照和振動等數據,如果不合要求及時向監控中心報警,以便通知相關人員及時處理｡利用加速度傳感器測量振動,如果有振動異常,就會立即報警,監控中心收到報警信息后,立即派人到現場查看是否有穿墻､挖地洞等偷盜文物的行為發生或古建筑結構有異常變化｡因此,將無線傳感器網絡用于文物保護,既能提高文物的保護水平又能節省人力資源,降低勞動強度｡

2 網絡拓撲結構和工作原理

本文提出的無線傳感器網絡用于構建博物館或文物保護單位的文物保護系統,用GPRS及Internet網絡進行數據通信,GPRS(General Packet Radio Service,通用分組無線業務)是第2.5代移動通信技術,網絡覆蓋范圍廣,適合突發數據應用業務,一般GPRS模塊的數據傳輸率為115.2Kbps;同時采用支持Zigbee規范的傳感器網絡｡網絡由大量分布在各個文物展室的無線傳感器節點､匯節點和博物館監控中心等3個部分組成,如圖1所示,每個展室內安放幾個傳感器節點,由展室面積大小等因素決定｡這是一個基于簇(Cluster)的分層結構,它具有天然的分布式處理能力,簇頭就是分布式處理中心即無線傳感器網絡的一個匯節點,物理位置臨近的若干個展室設置一個匯節點｡每個簇成員(即各展室內的傳感器節點)都把數據傳給相應簇頭,簇頭將數據融合后,直接將數據傳送到博物館監控中心｡博物館監控中心通過GPRS及Internet網絡與多個匯節點連接,匯節點和展室內的傳感器節點之間通過Zigbee技術實現無線的信息交換,帶有射頻收發器的無線傳感器節點負責對數據的采集和處理并傳送給匯節點;博物館監控中心通過GPRS及Internet網絡從匯節點獲取采集到的相關信息,實現對展室的監測｡

計算技術與自動化2007年6月第26卷第2期何文德等:無線傳感器網絡在文物保護中的應用

3 傳感器節點的設計

無線傳感器網絡微型節點被放置在各個文物展室中,測量文物所處環境的溫度､濕度､光照和振動等參數,并將其傳送給對應的匯節點｡節點的硬件主要由數據采集､數據處理､數據傳輸和電源管理4部分電路組成,如圖2所示｡

數據采集部分負責文物展室內的環境數據采集和數據轉換,數據采集部分包括溫度傳感器MLX90601､濕度傳感器DS18B20､光強度傳感器TSL2550D､兩維數字加速度計ADXL202 AE共四個傳感器,分別采集文物展室內的溫度､濕度､光照和振動等參數｡

數據處理部分由Atmel公司的ATmega128L微控制器實現,它采用低功耗COMS工藝生產､是基于RISC結構的8位微控制器,功能強大,負責控制整個節點的處理操作､路由協議､同步定位､功耗管理､任務管理等;數據傳輸單元負責與匯節點進行無線通信,交換控制消息和收發采集數據｡ATmega128L微控制器具有片內128KB的程序Flash,4KB的數據SRAM,可外擴到64KB的E2PROM｡此外,它還有8個10位ADC通道,2個8位和2個16位硬件定時/計數器,并可在多種不同的模式下工作;8個PWM通道､可編程看門狗定時器和片上振蕩器､片上模擬比較器;UART､SPI､I2C總線接口､JTAG接口｡除了正常操作模式外,還具有六種不同等級的低功耗操作模式,每種模式具有不同的功耗｡

射頻模塊選用由Chipcon公司生產的低功耗､短距離無線通信模塊CC2420組成｡這是一款符合ZigBee技術規范的高集成度工業用射頻收發器件,其MAC層和PHY層協議符合802.15.4規范,工作于2.4GHz頻段｡該芯片只需很少器件,可確保短距離通信的有效性和可靠性｡數據傳輸模塊支持的數據傳輸率高達250kbps,可以實現多點對多點的快速組網,系統體積小､功耗小,適于電池供電[2]｡

在用于文物保護的無線傳感器網絡中,節點的供電不宜采用常規的交流供電方式,因為在展室內鋪設電線會增加展室的火災安全隱患以及增加施工量,所以節點電源由兩節1.5V堿性電池組成｡電源管理單元用于選通所用到的傳感器,本課題采用多路器芯片ADG715BRU,在I2C總線的控制下選通所用到的傳感器,即讓傳感器在使用時才帶電,使節點更節能｡

在節點的硬件設計方面,應該盡量采用低功耗器件,在沒有通信任務時,切斷射頻部分的電源供應;在節點的軟件設計方面,各個層次的通信協議都要以節能為中心｡

4 其它部分設計

4.1 匯節點的設計

網絡的匯節點(Sink Node),用于收集物理位置相對集中的一些展室內的傳感器節點上報的數據,將這些數據聚集后,通過GPRS無線網絡,傳送給監控中心;監控中心也可以通過匯節點向各個展室內的傳感器節點查詢和監視命令,傳感器節點對命令作響應,采集數據,并將結果通過匯節點反饋給監控中心｡匯節點的硬件構成如圖3所示｡

4.2 博物館監控中心軟件設計

博物館監控中心軟件由管理員登陸､配置管理､監控管理､故障管理和數據庫五個模塊組成,如圖4所示｡它通過GPRS及Internet網絡,與多個分布在博物館內不同物理位置的匯節點間接連接在一起,監控模塊通過對計算機網絡的實時監控,實現對分布式匯節點上報信息的及時接收､解析､處理以及發送控制信令給不同ID的匯節點,實現對分布在各個文物展室內傳感器節點的間接､實時監控和數據采集｡監控中心軟件就是一個MIS系統,后臺數據庫采用Microsoft公司的SQL Server 2000數據庫進行開發,軟件的前臺采用C#編程語言開發｡數據通信可靠性和實時性兩者的平衡,由本課題自定義的應用層網絡通信協議來保證｡

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中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）15-0060-02

當前互聯網中，無線傳感器網絡組成形式主要為大量廉價、精密的節點組成的一種自組織網絡系統，這種網絡的主要功能是對被檢測區域內的參數進行監測和感知，并感知所在環境內的溫度、濕度以及紅外線等信息，在此基礎上利用無線傳輸功能 將信息發送給檢測人員實施信息檢測，完整對整個區域內的檢測。很多類似微型傳感器共同構成無線傳感器網絡。由于無線傳感器網絡節點具有無線通信能力與微處理能力，所以無線傳感器的應用前景極為廣闊，具體表現在環境監測、軍事監測、智能建筑以及醫療等領域。

1無線傳感器網絡安全問題分析

徹底、有效解決網絡中所存在的節點認證、完整性、可用性等問題，此為無線傳感器網絡安全的一個關鍵目標，基于無線傳感器網絡特性，對其安全目標予以早期實現，往往不同于普通網絡，在對不同安全技術進行研究與移植過程中，應重視一下約束條件：①功能限制。部署節點結束后，通常不容易替換和充電。在這種情況下，低能耗就成為無線傳感器自身安全算法設計的關鍵因素之一。②相對有限的運行空間、存儲以及計算能力。從根本上說，傳感器節點用于運行、存儲代碼進空間極為有限，其CPU運算功能也無法和普通計算機相比[1]；③通信缺乏可靠性。基于無線信道通信存在不穩定特性。而且與節點也存在通信沖突的情況，所以在對安全算法進行設計過程中一定要對容錯問題予以選擇，對節點通信進行合理協調；④無線網絡系統存在漏洞。隨著近些年我國經濟的迅猛發展，使得無線互聯網逐漸提升了自身更新速度，無線互聯網應用與發展在目前呈現普及狀態，而且在實際應用期間通常受到技術缺陷的制約與影響，由此就直接損害到互聯網的可靠性與安全性。基于國內技術制約，很多技術必須從國外進購，這就很容易出現不可預知的安全患，主要表現為錯誤的操作方法導致病毒與隱性通道的出現，且能夠恢復密鑰密碼，對計算機無線網安全運行產生很大程度的影響[2]。

2攻擊方法與防御手段

傳感器網絡在未來互聯網中發揮著非常重要的作用。因為物理方面極易被捕獲與應用無線通信，及受到能源、計算以及內存等因素的限制，所以傳感器互聯網安全性能極為重要。對無線傳感器網絡進行部署，其規模必須在不同安全舉措中認真判斷與均衡。現階段，在互聯網協議棧不同層次內部，傳感器網絡所受攻擊與防御方法見表1。該章節主要分析與介紹代表性比較強的供給與防御方法。

3熱點安全技術研究

3.1有效發揮安全路由器技術的功能

無線互聯網中，應用主體互聯網優勢比較明顯，存在較多路由器種類。比方說，各個科室間有效連接無線網絡，還能實現實時監控流量等優點，這就對互聯網信息可靠性與安全性提出更大保障與更高要求[3]。以此為前提，無線互聯網還可以對外來未知信息進行有效阻斷，以將其安全作用充分發揮出來。

3.2對無線數據加密技術作用進行充分發揮

在實際應用期間，校園無線網絡必須對很多保密性資料進行傳輸，在實際傳輸期間，必須對病毒氣侵入進行有效防范，所以，在選擇無線互聯網環節，應該對加密技術進行選擇，以加密重要的資料，研究隱藏信息技術，采用這一加密技術對無線數據可靠性與安全性進行不斷提升。除此之外，在加密數據期間，數據信息收發主體還應該隱藏資料，保證其數據可靠性與安全性得以實現。

3.3對安全MAC協議合理應用

無線傳感器網絡的形成和發展與傳統網絡形式有一定的差異和區別，它有自身發展優勢和特點，比如傳統網絡形式一般是利用動態路由技術和移動網絡技術為客戶提供更好網絡的服務。隨著近些年無線通信技術與電子器件技術的迅猛發展，使多功能、低成本與低功耗的無線傳感器應用與開發變成可能。這些微型傳感器一般由數據處理部件、傳感部件以及通信部件共同組成[4]。就當前情況而言，僅僅考慮有效、公平應用信道是多數無線傳感器互聯網的通病，該現象極易攻擊到無線傳感器互聯網鏈路層，基于該現狀，無線傳感器網絡MAC安全體制可以對該問題進行有效解決，從而在很大程度上提升無線傳感器互聯網本身的安全性能，確保其能夠更高效的運行及應用[5]。

3.4不斷加強網絡安全管理力度

實際應用環節，首先應該不斷加強互聯網安全管理的思想教育，同時嚴格遵循該制度。因此應該選擇互聯網使用體制和控制方式，不斷提高技術維護人員的綜合素質，從而是無線互聯網實際安全應用水平得到不斷提升[6]。除此之外，為對其技術防御意識進行不斷提升，還必須培訓相關技術工作者，對其防范意識予以不斷提升；其次是應該對網絡信息安全人才進行全面培養，在對校園無線網絡進行應用過程中，安全運行互聯網非常關鍵[7]。所以，應該不斷提升無線互聯網技術工作者的技術能力，以此使互聯網信息安全運行得到不斷提升。

4結束語

無線傳感器網絡技術是一種應用比較廣泛的新型網絡技術，比傳統網絡技術就有較多優勢，不但對使用主體內部資料的保存和傳輸帶來了方便，而且也大大提升了國內無線互聯網技術的迅猛發展。從目前使用情況來看，依舊存在問題，負面影響較大，特別是無線傳感器網絡的安全防御方面。網絡信息化是二十一世紀的顯著特征，也就是說，國家與國家間的競爭就是信息化的競爭，而無線網絡信息化可將我國信息實力直接反映與體現出來，若無線傳感網絡系統遭到破壞，那么就會導致一些機密文件與資料信息的泄露，引發不必要的經濟損失與人身安全，私自截獲或篡改互聯網機密信息，往往會造成互聯網系統出現癱瘓現象。因此，應該進一步強化無線傳感器互聯網信息安全性。

參考文獻：

[1] 周賢偉，覃伯平.基于能量優化的無線傳感器網絡安全路由算法[J].電子學報，2007，35（1）：54-57.

[2] 羅常.基于RC5加密算法的無線傳感器網絡安全通信協議實現技術[J].電工程技術，2014（3）：15-18.

[3] AL-JAOUFI MOHAMMED AHMED AHMED，劉云.試析生物免疫原理的新型無線傳感器網絡安全算法研究[J].科技創新導報，2015（3）：33-33.

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1 引言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，簡稱WSN）技術是隨著經濟和社會發展而誕生的產物，是本世紀最具有影響力和改變人類未來生活方式的高技術領域四大支柱產業之一。所謂無線傳感器網絡是指大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，目的是協作地采集、處理和傳輸網絡覆蓋地域內感知對象的監測信息，并報告給用戶。

無線傳感器網絡在應用中，遇到一個難題，就是應用環境會發生移動，例如應用在泥石流運動規律的監測上或火山灰的監測上。這種環境下，無線傳感器網絡節點將隨著監測體的移動而移動。這種環境中部署的網絡，就需要改變傳統的無線傳感器網絡的模式，而形成一種非自主性移動無線傳感器網絡（Non-Autonomous Mobile Wireless SensorNetwork）。

2 國內外研究狀況

近年來，有研究者提出了一種應用于泥石流的非自主移動傳感器網絡的設計，他們把傳感器放置在會發生泥石流中的區域中，當泥石流發生時，這些傳感器及其構成的往網絡，會隨土塊、沙礫等一起滾動，并存儲記錄的數據。等待泥石流結束后再將傳感器回收，然后下載存儲的數據。但由于其沒有足夠的空間存放泥石流產生時需要采集的大量數據，也不能實時將數據進行匯報，所以只能用于環境受控的實驗中。

另有文獻報道一種用于山體滑坡預防系統的傳感網絡，該系統由分層的傳感節點組成，上層的傳感節點作為聚集器與基站進行通信，整個監控過程不僅實時取樣數據、可用于為專業人員提供歷史預測數據，而且當山體滑坡事件到來時還能進行事件預測。

另外，也有面向濕地水環境遠程實際監控的非自主移動無線傳感器系統，該系統應用于濕地監測主要實現的功能是：傳感器節點負責收集水環境參數，包括水溫、PH值、溶解氧等，通過基站傳輸數據到遠程終端數據中心，以做到實時處理與分析，數據中心的工作人員可以全天候監測濕地天氣。此外，該系統還能對突發事件如環境污染以及水環境參數的急劇變化作出預警，各類參數可以作為防治污染的數據支持和決策依據。

3 支撐非自主性移動無線傳感器網絡的傳感節點

考慮到非自主移動傳感器網絡的移動性會對節點設備帶來很多碰撞和摩擦，一般傳感器節點并不能勝任這種環境的部署。目前已經研發出一些特殊的移動無線傳感器節點，讓傳感器隨著泥石流一起運動，在移動過程中測量移動體內部重要數據，如流速、孔隙壓力、振幅、振動頻率等。測量到的數據可即時發送回接收器，這樣，就可以監視泥石流的內部參數和報告實時數據了。

這種特殊的無線傳感器節點，可設計為一個封裝在耐磨塑料外殼中的可移動無線傳感器節點，其外殼應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，是一個低功耗的無線傳感器節點。傳感器中應集成有無線收發器，能夠實時報告其經緯度信息。為避免傳感器收集到的自身移動軌跡信息丟失，傳感器節點內也可以配置一定容量的可寫存儲空間以保存位置信息。在一般情況下，可移動無線傳感器在待機模式下運行、僅偶爾與接收器進行溝通，以便于節約能源。

當有泥石流發生并逼近時，只要任一無線傳感器檢測到有泥石流產生的低頻振動，就將發送一個警告信息給接收器。接收器則決定是否要喚醒所有的無線傳感器。如果接收器喚醒了所有的無線傳感器，傳感器就進入激活狀態，將把所有收集到的原始數據都發送給接收器，并與后臺計算機之間聯絡進行計算。

4 NAMWSN傳感器移動模型

在移動無線網絡中，經常需要合適的移動模型來進行網絡路由的部署研究。隨著越來越多的科學研究需要對流動液體中無線傳感器節點進行部署，跟隨流動液體進行非自主性移動的移動模型研究也越來越受到關注。

對于非自主性移動無線傳感網絡來說，如果預先得到傳感器漂流的軌跡，按照軌跡來部署接收器，可以增加無線傳感器與接收器通信的機會和時間。可以嘗試通過構建傳感器的移動模型的方法來得到傳感器移動軌跡。

構建非自主移動傳感器網絡移動模型的主要方法是，利用基于跟蹤的方法，以在真實環境中收集的信息為基礎來建立移動模型。首先使用GPS收集傳感器節點的移動軌跡，然后將這些軌跡轉變為參數映射圖，最后構建移動模型。

首先，用一個特殊的無線GPS傳感器取代傳統的固定傳感器，無線GPS傳感器可以隨著水流移動。將多個無線GPS傳感器投入水流中，它們可以隨著水流非自主性地移動，并且記錄下自身移動的軌跡。在河流的下游收集隨著水流移動到此的傳感器，并得到它們的移動軌跡。這個步驟可以重復多次，來收集多條軌跡信息。每條軌跡都將包含一系列的速度和方向的參數點。

然后，將收集到的GPS傳感器的運動軌跡數據進行處理，去掉不合理的數據，例如，有些GPS傳感器損壞無法發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法繼續移動造成GPS信息始終維持某固定值而不改變等。將合理的、完整的GPS傳感器運動軌跡數據進行處理，可以用于構建一個水流的參數映射圖。這個參數映射圖是二維的，可以展示一些重要參數，例如在河流的不同位置水流的速度和方向等。

最后，通過建立的水流的參數映射圖，可以構建出以其為基礎的傳感器移動模型，移動模型模擬了水流、泥石流等可能的運動軌跡，從而可以得到非接收器自主移動傳感器網絡的優化部署位置。

這里的移動模型是一個可以及時生成水流、泥石流等在時間和空間維度的運動描述的函數。這個移動模型基于實際的水流或泥石流的運動軌跡生成，其運動可以用虛擬軌跡來描述，具體是通過算法隨機方式產生每一個點的運動軌跡。

移動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；

（2）取得當前點p'k處的速度和方向參數Vx，y和Dx，y值

（3）通過Vx，y和Dx，y得到該點的移動軌跡Movement，并得到下一點p'k+1；

（4）判斷p'k+1是否屬于有效區域，如果是繼續（5），如果不是，轉回p'k，生成一個彈跳軌跡p'k+1，再重復（4）；

（5）判斷p'k+1是否已經到達目的地，如果不是，返回（2），如果是，接著（6）；

（6）輸出最后生成的軌跡。

移動模型軌跡生成函數可以生成一條從起始位置開始的虛擬運動軌跡。

起始點可以從起始位置（投放GPS傳感器位置）隨機選取，虛擬運動軌跡中的每一點均是逐點遞歸生成的。若當前點為p'k，則p'k在下一秒鐘的移動軌跡可以利用速度和方向參數值Vx，y、Dx，y得到，如公式1所示，通過移動軌跡movement，可以來到下一軌跡點p'k+1。

movement=Vx，y×Dx，y 公式l

判斷軌跡點p'k+1是否是在有效區域內，有效區域指已經去除了有障礙、無水流通過等的部分區域。若p'k+1不屬于有效區域內，則要返回p'k，生成一個彈跳軌跡。彈跳軌跡是在水流碰到障礙物或者堤岸時發生的，返回p'k時后，判斷其所在位置四周軌跡點數量，取其中軌跡點數量最多的點，視其為彈跳目的地，得到位于期間的軌跡點p'k+1。

接著判斷軌跡點p'k+1是否已經到達目的地（回收GPS傳感器位置），若未到達目的地，則繼續重復上述算法步驟，直到p'k+1到達目的地為止。

利用移動模型的軌跡生成算法，基于實際泥石流的運動軌跡，可以得到預測的虛擬泥石流運動軌跡，這樣就可以得到最佳的接收器部署位置，提高和優化無線傳感器網絡的連通性和感應區域。

5 結語

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中圖分類號：F626 文獻標識碼：A 文章編號

Abstract: this paper summarizes the wireless sensor network hardware node of the design principle, put forward a kind of wireless sensor network general node the basic framework of the equipment, design realized based on low power consumption processor Atmega128L and rf chip CC2420 of wireless sensor network node equipment, its network of system has stable performance, communication with high efficiency, low power consumption, and can be widely used in control, signal acquisition and transmission, and other fields.

Keywords: wireless sensor network, node design, communication network technology

1 引言

隨著通信技術、嵌入式計算技術和傳感器技術的飛速發展和日益成熟，具有感知能力、計算能力和通信能力的微型傳感器開始在世界范圍內出現。

本文就是面向具體的應用，以實現無線傳感器網絡無所不能的感知能力為目標，研究無線傳感器節點的系統結構、組成和實現技術。

通過總結無線傳感器網絡硬件節點的設計原則，提出了一種無線傳感器網絡通用節點設備的基本構架，設計實現了基于超低功耗處理器Atmega128L和射頻芯片CC2420的無線傳感器網絡節點設備。該設備具有能量自檢測功能，并可以改變通用硬件接口上的數據采集部分實現多種不同類型的應用。采用模塊化軟件設計，引入有限狀態機進行系統模式調度，設計實現了既能獨立運行又支持嵌入式操作系統的節點適應層軟件。

2 無線傳感器網絡硬件結構及通信

2.1 傳感器網絡硬件結構

無線傳感器網絡典型的體系結構如圖1所示。傳感器節點分布于網絡的各個部分，用于收集數據，并且將數據路由至信息收集節點（Sink）。信息收集節點與信息處理節點通過廣域網絡（如Internet網絡或衛星網絡）進行通信，從而對收集到的數據進行處理。

圖1 無線傳感器網絡通信體系結構圖

無線傳感器網絡節點一般由4個部分組成：傳感器模塊、處理模塊、無線收發模塊和能量供應模塊，如圖2所示。其中，傳感器模塊負責信息采集和數據轉換；處理模塊控制整個傳感器節點的操作，處理本身采集的數據和其他節點發來的數據，運行高層網絡協議；無線收發模塊負責與其他傳感器節點進行通信；能量供應模塊為傳感器節點提供運行所需的能量，通常是微型蓄電池。

圖2 傳感器節點的體系結構

2.2 無線傳感器網絡通信

2.2.1 數據采集

最底層的傳感數據采集應用由自主的傳感器節點提供的。每個傳感器節點收集關于它周圍環境的即時數據。由于傳感器節點離觀察點很近，故對傳感器的精度要求并不高，降低了成本。高的空間分辨率可以通過布置密集的傳感器節點來達到。而傳統的傳感應用方法是使用一些有著精密復雜的信號處理能力的高質量傳感器。無線傳感器網絡結構則通過布置密集的傳感器節點提供較高的健壯性，單個節點阻塞和組件失效不會造成太大的破壞。

2.2.2 傳感數據到Internet

我們可以將來自傳感器節點的數據傳輸到Internet上，這些數據可能是原始的，或者被過濾過，或者被處理過。建立到每個傳感器節點的直接的廣域網的連接是不可行的，因為設備代價太昂貴，它需要消耗傳感器節點大量的能量，設備安裝也容易對環境帶來一些很大的干擾。因此在我們的傳感器網絡的系統結構中，到廣域網的連接功能由基站完成，我們為基站設備提供足夠的能量和存儲空間。基站可以使用無線局域網與布置了傳感器的小塊領域通信（通過silk節點）。為了向終端用戶提供數據，基站提供WAN連接，并且為傳感器區域集合提供了永久性數據存儲。

3 節點系統設計

3.1 節點系統結構

節點硬件采取模塊化結構設計如圖3所示，由運算及通信子板、傳感器子板、充電及狀態顯示子板構成。運算及通信子板由微處理器、數據存儲電路、無線通信模塊、電源管理模塊等組成，主要作用是儲存、處理數據，完成節點間的無線通信，并為系統提供能量。傳感器子板由若干傳感器組成，負責監測區域內信息的采集。充電及狀態顯示子板由充電模塊和LCD 液晶顯示模塊組成，用來顯示節點電池充電情況節點的工作狀態以及電池的電量。

圖3 節點系統接口

（1）微處理器電路采用Atmel公司的ATmega128L微控制器[9]，它采用低功耗CMOS工藝生產，基于RISC結構，具有片內128KB的程序存儲器(Flash)、4KB的數據存儲器(SRAM)和4KB的EEPROM；

（2）數據存儲電路選用512KB串行FLASH AT45DB041存儲數據。與普通的數據存儲器相比，該芯片具有功耗低、體積小、串行接口、外部電路簡單等特點，適合傳感器節點使用。

（3）無線通信模塊采用無線射頻CC2420[11-12]模塊。它是Chipcon公司在2003年底推出的一款兼容2.4GHz IEEE802.15.4標準的無線收發模塊，基于Chipcon公司的SmartRF03技術，使用CMOS工藝生產，工作電壓低、能耗低、體積小，具有輸出強度和收發頻率可編程等特點。

篇（10）

在這些節點中，存在著大量的冗余節點。這樣設計的無線傳感器網絡，不僅能夠使檢測的范圍大大增加，而且能夠減少盲區，還能提高系統的容錯性能。我們使用分布式來采集很多信息，這樣即使降低單個節點的精度，整個系統的精度也還是會很高。

1.2自組織網絡

一般情況下，無線傳感器網絡中，不僅傳感器的位置是不能事先確定的，而且傳感器之間相鄰的關系也是不能確定的。鑒于此，要求傳感器能夠自組織，自動管理和配置。

1.3以數據為主

傳感器網絡中的節點設計十分靈活，利用標號識別節點，而網絡通信協議的設計決定了節點的編號在全網中是不唯一的。傳感器的布置完全是隨機的，這就使得節點編號與傳感器網絡之間的關系是隨機動態的，節點的位置和編號之間沒有確定關系。因此，對于無線傳感器網絡通信來說，傳感器所采集的事件比確定編號節點更加重要，也就是以數據為中心。

1.4受電源的限制

各種傳感器都是使用電能的，當電源能力耗盡時，傳感器節點就會停止工作。

2無線傳感器網絡的組成結構

無線傳感器網絡通信體系與互聯網體系相比，具有許多新的特性和需求。這些新的特性和需求表現在網絡協議棧上，就是與以太網協議棧的不同。總體來說，WSN協議棧具有五層協議，即應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層。此外，WSN協議棧還具有許多特殊的管理器，比如拓撲管理器、任務管理器和能量管理器。正是有了這些管理器，傳感器節點才能夠高效地互相協調完成工作。

3無線傳感器網絡的主要應用

3.1軍事應用

美國早在1990年就已經開始了對無線傳感器網絡通信體系的軍事研究項目。無線傳感器網絡能夠對戰場上的各種狀況進行實時監測，同時能夠實現精確定位目標和敵軍的兵力和裝備等功能，所以無線傳感器網絡通信體系非常適合軍事方面的應用。

3.2醫療衛生方面的應用

無線傳感器網絡通信在室內有著更加穩定的性能，近年來在醫療領域，包括病人看護、遠程管理等領域，發展迅速。此外，無線傳感器網絡通信還能夠對病人進行緊急救護，采集病人的生命體征數據。

3.3智能家居

在智能家居的應用主要表現在兩個方面。第一就是體現在古建筑物的保護上。無線傳感器網絡通信能夠將采集濕度、壓力、溫度和光照等傳感器節點，分布到古建筑物中去，進而能夠對古建筑物的各項指標性能進行分析，幫助工作人員采取相應的措施。第二就是在居家生活等方面。無線傳感器網絡通信可以在家居或者家電里加入傳感器節點，通過互聯網和無線網絡連接，使人們的生活更加舒適和智能。

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中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）20-0011-01

近年來，無線傳感器網絡在國內外學術界和工業界得到了越來越廣泛的關注與重視，隨著軟硬技術的飛速發展，取得了非常豐富的研究成果，很多領域都開始向實際應用方向發展，因此無線傳感器網絡測試技術的跟進與發展顯得更加重要，尤其是評估節點狀態信息的量化與控制節點網絡行為的監視等功能的實現與完善，對無線傳感器網絡的發展起到保駕護航的作用。無論在能量資源、通信能力、運算和存儲方面，無線傳感器網絡都受到極度限制，因此測試平臺面臨更多的技術難題。在無線傳感器網絡的運行環境中，我們需要考慮兩種狀態，即網絡狀態和節點狀態。網絡狀態包括鏈路質量、能量分布以及網絡拓撲變化情況等，是一個全局性的歸納和描述。節點狀態主要包括節點自身的緩沖區使用情況、剩余能量以及節點間鏈路質量等狀態。無線傳感器網絡通常布署在偏遠惡劣的環境，由于受天氣、地勢以及人為等因素影響，無線傳感器網絡的性能很不穩定，因此無線傳感器網絡的評估指標不容易被量化。目前存在的無線傳感器評估標準還很不規范，怎樣評估網絡的狀態是我迫切需要解決的問題。

1 國內外研究現狀

隨著近些年來無線傳感器網絡技術研究的不斷深入，出現了眾多測試平臺，其中典型的實現測試平臺包括MoteLab[2]和Kansei[3]等。MoteLab提供了多種訪問途經，為用戶完成測試任務提供了方便，但對于測試評估的方法少，網絡規模較小，擴展性不強，對能量的測試目前只能通過在一個節點上連接萬用表實現。俄亥俄州立大學開發的 Kansei 系統，具有更多可行性，它具有實際節點與理論模擬相結合的混合模擬方法，提高了測試平臺的實用性和數據的可靠性，便攜網絡的設計方法為測試平臺擴大了規模，使網絡更加豐富靈活，但是這些研究還僅處于初級階段，混合模擬方式的效果還有待于進一步的驗證。基于這些研究成果，我們更需要設計出這樣一個平臺，它具有Motelab與Kansei的優點，能夠實現對無線傳感器網絡更加全面與穩定的測試。

2 無線傳感器網絡測試平臺設計原則

無線傳感器網絡測試平臺設計方案主要有主動式和被動式兩種，上文提到的MoteLab平臺就屬于主動式測量，在主動式測量中測試任務由傳感器節點完成，在正常通信的前提下，測試任務也要占用無線通信的信道帶寬和節點的CPU、內存等資源，這在一定程度上對無線傳感器網絡的通信質量造成了影響，也會影響到測試結果。被動式測試平臺包括偵測節點硬件平臺和PC機組成，PC機作為監測試主機包含數據分析軟件。偵測節點在保證正常工作不受到干擾的前提下，用數據采集器與射頻模塊進行數據通信的方式，將數據送至PC機。這種方式可以有效地監測無線傳感器網絡狀態，而不占用無線通信信道帶寬和節點資源，缺點是每個傳感器節點需配置測試模塊，在大規模網絡中實現較困難。無線傳感器網絡測試平臺試圖克服這些不足，下面將從網絡控制性能和網絡實現功能兩方面進行分析，總結出一個典型的無線傳感器網絡所具備的設計原則。

1）網絡控制方面。

①同步操作性：在執行試驗的過程中，平臺要對所有參加測試的傳感器節點上傳試驗的執行軟件執行并安裝到節點中，通過平臺控制中心同步啟動軟件，統一設置時間，采集和存儲目標的動作和反應記錄，按規定終止試驗并向用戶發送通知和輸出采集到的數據。

②可移植性：無線傳感器網絡的應用領域廣泛，相對于具體的物理環境，其硬件系統必定不同，相應的無線傳輸過程中物理層和數據鏈路層的工作機制也不盡相同，完善的無線傳感器網絡測試平臺應具備較強的硬件平臺移植開發的能力。

2）實現的功能方面。

①監控網絡的鏈路質量：無線通信易受自然環境以及人為等外界因素的干擾，表現為其不穩定性，為保證節點之間的正常通信，目前許多通信協議都會對無線傳感器網絡的鏈路質量進行測試，并提出了高效性、公平性、平衡性以及延時等性能要求。

②監控節點的能量狀態：傳感器節的能量狀態始終處于動態的變化中，而且傳感器節點的能量非常有限，并通常處在人不易觸及的險要地帶，確保節點的供電正常就成了一個難題。而且對節點能量狀態進行測試的過程本身也消耗能量。

③顯示網絡的拓撲結構：由于傳感器節點的能量十分有限，再加上易受到外界干擾破壞，節點很容易失效，網張的拓撲結構隨時都可能發生改變，如果測試平臺使得網絡的拓撲結構直觀可視化，便于對于整個網絡的監控與及時做出調整。

3 結束語

無線傳感器網絡在國內外的應用雖然還處在初級階段，隨著硬軟件技術的飛速發展，不斷攻克了技術難關，已經取得了不少優秀的成果，由于無線傳感器網絡應用的多樣性，對于平臺進一步的改進工作可對硬件平臺進行功能擴展，將協議的分析集中到軟件系統中進行，這樣可以增加數據通信量。另外，測試平臺界面的設計也可以進行改進，使其更加美觀通用。

參考文獻

[1]楊宇，徐勇軍，李曉維.SNAMP：支持無線傳感器網絡 發和調試的測試床[J].計算機科學，2011， 35（llA）：363-367.