無線傳感器網絡技術

黃曉蓮

【摘要】 傳感器被越來越多地布置到實際的網絡環境中，用于實現某些應用。無線傳感器網絡已經成為了科學研究領域最前沿的課題之一，引起了工業界和學術界眾多研究者的關注。通過總結相關方面的工作，綜述在不同領域中無線傳感器網絡的實際應用，并對具體應用的一些重要特性進行分析，在此基礎上提出若干值得繼續研究的方面。

【關鍵詞】 無線傳感器 網絡應用

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。

參考文獻

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