無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

黃曉蓮

【摘要】 傳感器被越來越多地布置到實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，用于實(shí)現(xiàn)某些應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為了科學(xué)研究領(lǐng)域最前沿的課題之一，引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界眾多研究者的關(guān)注。通過總結(jié)相關(guān)方面的工作，綜述在不同領(lǐng)域中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用，并對具體應(yīng)用的一些重要特性進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出若干值得繼續(xù)研究的方面。

【關(guān)鍵詞】 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

隨著近距離、低功耗無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork，WSN）應(yīng)運(yùn)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(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，通過大量節(jié)點(diǎn)間的分工協(xié)作，實(shí)時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，最終傳送到需要這些信息的用戶。WSN可廣泛應(yīng)用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災(zāi)乃至商業(yè)和家庭等諸多領(lǐng)域，正受到政府、軍隊(duì)、研究機(jī)構(gòu)、商業(yè)界的廣泛關(guān)注和高度重視，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，是目前非?；钴S的一個領(lǐng)域。WSN是在移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在自組織的組網(wǎng)方式和多跳通信等方面與移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)具有相似性，但WSN在組網(wǎng)方式和具體應(yīng)用上存在一些新的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：與Adhoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的動態(tài)移動相比，WSN的節(jié)點(diǎn)位置相對固定，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾蚬?jié)點(diǎn)能量耗盡而發(fā)生變化；由于節(jié)點(diǎn)體積較小，傳感器網(wǎng)絡(luò)具有許多資源上的限制，比如有限的電池功率和有限的網(wǎng)絡(luò)通信帶寬等；傳感器節(jié)點(diǎn)間更多的是一種協(xié)作而非競爭的關(guān)系，為了完成共同目標(biāo)而相互協(xié)作；不同節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)間具有一定相關(guān)性，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)會聚以減小冗余信息的轉(zhuǎn)發(fā)，降低通信負(fù)荷；WSN中的應(yīng)用多為多對一的情形，即存在一個Sink節(jié)點(diǎn)來收集數(shù)據(jù)并與外界通信等等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其發(fā)展和應(yīng)用，將會給人類的生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)影響。發(fā)達(dá)國家，非常重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和發(fā)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(chǔ)上提出了C4KISR計劃，強(qiáng)調(diào)戰(zhàn)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(lǐng)域，設(shè)立了一系列的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目。美國自然科學(xué)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(guān)基礎(chǔ)理論的研究。在NSF的推動下，美國的加州大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、洛克維爾研究中心、加州大學(xué)洛杉磯分校等機(jī)構(gòu)開始了WSN的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。英國、日本、意大利等國家的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也紛紛開展了該領(lǐng)域的研究工作。學(xué)術(shù)界的研究主要集中在傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信協(xié)議的研究上，也開展了一些感知數(shù)據(jù)查詢處理技術(shù)的研究，取得了一些初步研究結(jié)果。

IEEE正在努力推進(jìn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，美國的《技術(shù)評論》雜志在論述未來新興十大技術(shù)時，更是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項(xiàng)未來新興技術(shù)，《商業(yè)周刊》預(yù)測的未來四大新技術(shù)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中?？梢灶A(yù)計，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛是一種必然趨勢，它的出現(xiàn)將會給人類社會帶來極大的變革。

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成

一個完整的無線傳感器網(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)測區(qū)域（云圖包圍部分），假定傳感器節(jié)點(diǎn)A有監(jiān)測數(shù)據(jù)要上報到用戶節(jié)點(diǎn)，則通過自組織路由協(xié)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(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)經(jīng)由衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)或移動通信網(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，也可采用無線方式。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)是整個網(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(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)測數(shù)據(jù)的獲取，將感知對象轉(zhuǎn)變成電信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將非數(shù)字監(jiān)測信號轉(zhuǎn)變成數(shù)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(shù)轉(zhuǎn)換送來的監(jiān)測數(shù)據(jù)。通信模塊將計算模塊的處理結(jié)果通過無線方式傳輸?shù)较乱粋€節(jié)點(diǎn)。

二、無線傳感網(wǎng)的熱點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)中，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)密集分布在一個區(qū)域里，消息可能需要經(jīng)過若干節(jié)點(diǎn)才能到達(dá)目的地，而且傳感器網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)性和多跳結(jié)構(gòu)，要求每個節(jié)點(diǎn)都應(yīng)具有路由功能。由于每個節(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)議為整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了關(guān)鍵的路由服務(wù)，安全的路由算法會直接影響無線傳感器網(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，使其只能使用對稱密鑰和Hash技術(shù)；電源能力限制，應(yīng)使其在無限傳感器網(wǎng)絡(luò)中盡量減少通信，因?yàn)橥ㄐ诺暮碾妼⒋笥谟嬎愕暮碾?；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預(yù)存的秘密信息計算會話密鑰，由于節(jié)點(diǎn)存儲和能量的限制，預(yù)配置密鑰管理方案必須考慮節(jié)省存儲空間和減少通信開銷。2）安全組播：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能設(shè)置在敵對環(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 能量問題

傳感器的節(jié)點(diǎn)分布眾多，并且需要進(jìn)行監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理等活動，而無線傳感器網(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，并且對于有成千上萬節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的生存時間長達(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)約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電池能量成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計中的核心問題?，F(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)測事件的偶發(fā)性，沒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。還可以動態(tài)調(diào)節(jié)電壓以節(jié)省能量，根據(jù)負(fù)載狀態(tài)動態(tài)調(diào)節(jié)供電電壓，形成一個閉環(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。

參考文獻(xiàn)

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