無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展應(yīng)用

王澤華

摘要：隨著傳感器技術(shù)以及無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究日新月異，本文首先介紹無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義與特征，其次介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)階段在軍事、科研、森林系統(tǒng)、醫(yī)療方面主要應(yīng)用，并對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)主要問(wèn)題進(jìn)行分析，最后闡述了不同的改進(jìn)算法，并描繪了WSN技術(shù)發(fā)展的美好未來(lái)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器;網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）14-0252-02

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）是一種由大量微型傳感器構(gòu)成的分布式自組織傳感網(wǎng)絡(luò)，終端由可以感知現(xiàn)實(shí)生活的傳感器組成，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)置可根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)所進(jìn)行調(diào)整，并且設(shè)備可以應(yīng)用在條件惡劣的自然環(huán)境中，通過(guò)無(wú)線連接的形式構(gòu)建多跳網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)傳送等功能，是構(gòu)建整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)出了無(wú)限的發(fā)展空間，成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域研究的科研熱點(diǎn)。

1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)階段應(yīng)用情況

由于WSN網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)節(jié)點(diǎn)采用大量的廉價(jià)傳感器，成本低廉，并且相對(duì)外接電源的傳感器功耗較低，并且大多采用飛機(jī)拋灑的方式進(jìn)行放置，在條件惡劣或野外場(chǎng)地可以極大提高傳輸效率，在工業(yè)領(lǐng)域已得到廣泛使用。以下簡(jiǎn)單闡述在工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

1.1森林預(yù)警系統(tǒng)

大面積的林場(chǎng)面臨巡視員缺乏、設(shè)備不到位等問(wèn)題，遇到火情不能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，從而錯(cuò)失最佳滅火時(shí)機(jī)，極易造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。傳統(tǒng)意義上的森林防火員的工作已經(jīng)不能滿足時(shí)代的需求，針對(duì)這種情況采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)林場(chǎng)的溫度、濕度以及著火臨界條件進(jìn)行分析以及數(shù)據(jù)采集顯得尤為重要。

無(wú)線傳感器物理上是由大量的不可充電微型傳感器終端構(gòu)成，適應(yīng)于林場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境，通過(guò)大炮或者飛機(jī)投放等方式可以將傳感器節(jié)點(diǎn)均勻的安置到林場(chǎng)當(dāng)中，通過(guò)對(duì)林場(chǎng)溫度、濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、收集與傳送，可以對(duì)火情進(jìn)行預(yù)測(cè)，給防火系統(tǒng)發(fā)出火情警告。

1.2河道預(yù)警系統(tǒng)

黃河防災(zāi)整治工作面臨泥沙河、冰凌河、渾河等惡劣的自然災(zāi)害河道情況，對(duì)于黃河防災(zāi)一直采用的派人駐堤，每年災(zāi)難多發(fā)季節(jié)需要大量人力物力的投入，對(duì)于1998年洪水而言，小浪底下游新鄉(xiāng)段水流量超過(guò)50000立方米每秒，流速極大導(dǎo)致駐堤人員不能及時(shí)完成撤離，并且由于黃河在一些地段出現(xiàn)“三年兩決口”的自然災(zāi)害情況，對(duì)工作人員的生命安全也構(gòu)成了極大的威脅。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，能夠極大減少人物力的投入，對(duì)惡劣的自然河道災(zāi)難進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，起到了不可代替的作用。

定期在黃河流域易發(fā)生災(zāi)難地段以及自然條件險(xiǎn)峻地段河床放置無(wú)線傳感器，在自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)對(duì)河水流量、河道冰凌度、泥沙密度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)過(guò)境水流進(jìn)行全天候檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)反饋指揮中心，從而第一時(shí)間做出防線抗災(zāi)措施，避免造成更大損失。

1.3智能家居設(shè)備

智能家居是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的典型應(yīng)用，在家居設(shè)備中的燈光、空調(diào)、廚具等系統(tǒng)放置傳感器設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能操作。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的方式與終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，用戶可以通過(guò)遠(yuǎn)程操控方式對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)整體家居設(shè)備自動(dòng)化與智能化。

1.4礦山檢測(cè)應(yīng)用

礦山環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，自然條件惡劣，過(guò)去采用人工檢測(cè)的方式出現(xiàn)極大的安全隱患，無(wú)線傳感器的特征表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面，在提升礦山檢測(cè)的效率的同時(shí)，避免了大量人力物力的浪費(fèi)。

1.4.1網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大

WSN網(wǎng)絡(luò)采用大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)榈V山地理位置特殊，需要采用大量的傳感器節(jié)點(diǎn)才能保證數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性。并且由于傳感器節(jié)點(diǎn)是以隨機(jī)方式進(jìn)行分布，大量的節(jié)點(diǎn)可以保證數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)偏差性，終端冗余節(jié)點(diǎn)可以保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系的容錯(cuò)性，同時(shí)減少數(shù)據(jù)采集盲區(qū)，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

1.4.2采用自組織網(wǎng)絡(luò)

由于礦山地理問(wèn)題限制，并且由于節(jié)點(diǎn)分布隨機(jī)性的問(wèn)題，傳感器節(jié)點(diǎn)的物理位置無(wú)法獲得提前定位，這樣的條件下就要求傳感器節(jié)點(diǎn)有自組織網(wǎng)絡(luò)的功能，隨著個(gè)別傳感器節(jié)點(diǎn)電量耗盡脫離網(wǎng)絡(luò)以后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢噪S時(shí)根據(jù)具體情況進(jìn)行重新組網(wǎng)。

2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在安全階段面臨的問(wèn)題

2.1節(jié)點(diǎn)能量均衡問(wèn)題

WSN網(wǎng)絡(luò)由于采用自組網(wǎng)的方式，各個(gè)節(jié)點(diǎn)采用多跳的方式將終端采集的信息發(fā)給信息基站，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)由于信息傳輸量以及信息傳輸距離造成不同節(jié)點(diǎn)能量損耗有差距，最終造成能量消耗不均衡，導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)電量提前耗盡，所以對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量均衡問(wèn)題一直都是研究熱點(diǎn)。

2.2安全問(wèn)題

由于WSN網(wǎng)絡(luò)由大量廉價(jià)傳感器組成，由于電池能源和物理設(shè)計(jì)的局限問(wèn)題，計(jì)算能力、數(shù)據(jù)傳輸、安全性能極為有限，所以相比于外接電源的固定傳感器上使用的安全算法并不能適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)的工作環(huán)境多為野外或條件惡劣的場(chǎng)所，經(jīng)常受到的攻擊有如下。

物理層可能受到的攻擊有擁塞攻擊、對(duì)撞攻擊、物理層破壞。數(shù)據(jù)鏈路層上受到的攻擊有女巫攻擊、消耗攻擊和匯集節(jié)點(diǎn)攻擊。網(wǎng)絡(luò)層中容易受到的攻擊有：黑洞攻擊、誤導(dǎo)攻擊等。這些對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)攻擊不但容易使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)崩潰，而且還會(huì)篡改數(shù)據(jù)影響最終決策，所以對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題研究也是重中之重。

2.3異常節(jié)點(diǎn)問(wèn)題

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中由于自身安全性較低，工作區(qū)域自然條件惡劣并且容易受到能量耗盡的問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)在采取數(shù)據(jù)的過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏離正常值，如果忽視非正常數(shù)據(jù)的存在，極易造成最終決策判斷出現(xiàn)嚴(yán)重失誤，如何對(duì)異常值進(jìn)行分析排除，也是現(xiàn)階段無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過(guò)程中重要的研究課題。

3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)階段出現(xiàn)問(wèn)題的解決方案

上文簡(jiǎn)單闡述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，可以看出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題主要有三個(gè)方面：節(jié)點(diǎn)能量均衡問(wèn)題、無(wú)線傳感器入侵檢測(cè)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)異常節(jié)點(diǎn)分析。下文針對(duì)以上幾個(gè)問(wèn)題闡述現(xiàn)階段常用解決方案。

3.1節(jié)點(diǎn)能量均衡問(wèn)題

針對(duì)WSN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量有限以及不同節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中因?yàn)榫嚯x和傳輸信息量導(dǎo)致能量不均衡的問(wèn)題，本文提出了基于LEACH路由算法的優(yōu)化算法，基本思路在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)階段采用LEACH算法選舉簇頭節(jié)點(diǎn)，然后采用dijkstra算法中有權(quán)圖最短路徑方法進(jìn)行多路徑選擇，最后通過(guò)代價(jià)評(píng)估函數(shù)計(jì)算候選路徑中不同節(jié)點(diǎn)之間的能量損耗、剩余節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，計(jì)算出最佳傳輸路徑，從而解決節(jié)點(diǎn)在能量傳播過(guò)程中能量不均衡的問(wèn)題。

3.2異常節(jié)點(diǎn)分析方法

針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中大量的廉價(jià)傳感器所處工作環(huán)境惡劣，并且由于電池容積問(wèn)題導(dǎo)致計(jì)算性能較差等現(xiàn)實(shí)情況提出了基于圖信號(hào)處理的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)異常節(jié)點(diǎn)分析策略。其基本思路首先采用KNN算法建立傳感器信號(hào)模型，其次對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)傳輸?shù)钠交茸龀鼋y(tǒng)計(jì)比較，最后采用數(shù)學(xué)中統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)以及判決門來(lái)判斷該節(jié)點(diǎn)是否為異常節(jié)點(diǎn)。解決了由于傳感器節(jié)點(diǎn)異常造成最終判決出現(xiàn)偏差的情況。

3.3網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題

針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題，可以通過(guò)使用安全協(xié)議來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)面對(duì)攻擊的防御程度。首先傳感器在傳輸數(shù)據(jù)中新鮮度和完整度的保障是極其重要的，所以設(shè)置有效的安全防御協(xié)議才能保證數(shù)據(jù)的安全傳輸和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全。

本文闡述一種可針對(duì)WSN網(wǎng)絡(luò)的SNEP安全協(xié)議，該協(xié)議中分為兩個(gè)不同的模塊，分別為SNEP和～TELSA。其中uTEL-SA是WSN網(wǎng)絡(luò)中廣播安全協(xié)議。SNEP是為了保證數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的機(jī)密性和完整性所建立的安全機(jī)制。該安全協(xié)議能夠極大的防御傳感器網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的攻擊行為，提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的防御能力。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著人們對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究愈發(fā)深入，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用取得了很大的進(jìn)展，致使WSN網(wǎng)絡(luò)變成專業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但在應(yīng)用的過(guò)程中也存在諸多缺陷，如何解決這些缺陷使得WSN網(wǎng)絡(luò)更好地融入現(xiàn)代科學(xué)體系的應(yīng)用是下一階段的研究熱點(diǎn)。