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无线传感器网络

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无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。

无线传感器网络 - 概述

无线传感器网络无线传感器网络

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步,推动了现代无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络扩展了人们信息获取能力,将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起,在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络能够获取客观物理信息,具有十分广阔的应用前景,能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域。已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视,被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息,并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。
无线传感器网络(wireless sensor network)简称WSN,是一种由大量小型传感器所组成的网络。这些小型传感器一般称作sensor node(传感器节点)或者mote(灰尘)。此种网络中一般也有一个或几个基站(称作sink)用来集中从小型传感器收集的数据。

1.1无线传感器网络的体系结构

  传感器网络结构如下图1-1所示,传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。
 
传感器网络体系结构

  传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成,如图1-2所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制信息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量,通常采用微型电池。

传感器节点体系结构

随着传感器网络的深入研究,研究人员提出了多个传感器节点上的协议栈。下图1-3(a)所示是早期提出的一个协议栈,这个协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层,与互联网协议栈的五层协议相对应。另外,协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作,在节点移动的传感器网络中转发数据,并支持多任务和资源共享。

传感器网络协议栈

图1.3(b)所示的协议栈细化并改进了原始模型。定位和时间同步子层在协议栈中的位置比较特殊。它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商,同时又要为网络协议各层提供信息支持,所以在图中用倒L型描述这两个功能子层。图1.3(b)右边的诸多机制一部分融入到图1.3(a)所示的各层协议中,用以优化和管理协议流程;另一部分独立在协议外层,通过各种收集和配置接口相对应机制进行配置和监控[3]。

1.2 无线传感器网络的特征

无线自组网(mobile ad-hoc network)是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供给。
传感器网络虽然与无线自组网有相似之处,但同时也存在很大的差别。传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统,节点数目更为庞大(上千甚至上万),节点分布更为密集;由于环境影响和能量耗尽,节点更容易出现故障;环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化;通常情况下,大多数传感器节点是固定不动的。另外,传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用,其次才考虑节约能源;而传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用,这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。

1.3 无线传感器网络中的关键技术

(1)网络拓扑控制
传感器网络拓扑控制目前主要的研究问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下,通过功率控制和骨干网节点选择,删除节点之间不必要的无线通信链路,生产一个高效的数据转发的网络拓扑结构。拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓扑结构形成两个方面。功率控制方面目前已经提出了COMPOW,LINT/LILT,CBTC,LMST,RNG,DRNG和DLSS等算法,层次型拓扑控制目前提出了TopDisc,GAF,LEACH和HEED等算法。

(2) 网络协议
由于传感器网络节点的硬件资源有限和拓扑结构的动态变化,网络协议不能太复杂但又要高效。目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定检测信息的传输路径,目前提出了多种类型的协议,如多个能量感知的路由协议,定向扩散和谣传路由等基于查询的路由协议,GEAR和GEM等基于地理位置的路由协议,SPEED和ReInForM等支持的QoS的路由协议。数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构,控制传感器节点的通信过程和工作模式。目前提出了S-MAC、T-MAC和Sift等基于竞争的MAC协议,DEANA、TRAMA、DMAC和周期性调度等时分复用的MAC协议等。

(3)时间同步
时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。Jeremy Elson和Kay Romer在2002年8月的HotNets-I国际会议上首次提出并阐述了无线传感器网络中的时间同步机制的研究课题,在传感器网络研究领域引起了关注。目前已提出了多个时间同步机制,其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被认为是三个基本的同步机制。

(4)定位技术
位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分,没有位置信息的检测消息通常毫无意义。确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。目前的定位技术有基于距离的定位,如基于TOA的定位、基于AOA的定位、基于RSSI的定位等;和与距离无关的定位算法,如质心算法、DV-Hop算法、APIT算法等等。

(5)数据融合
传感器网络存在能量约束。减少传输的数据量能够有效地节省能量,因此在从各个节点收集数据的过程中,可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合,去除冗余信息,从而达到节省能量的目的。由于节点的易失效性,传感器网络也需要数据融合技术对多份数据进行综合,提高信息的准确度。但融合技术会牺牲其他方面的性能,如延迟和鲁棒性的代价。

(6)嵌入式操作系统
传感器节点是一个微型的嵌入式系统,携带非常有限的硬件资源,需要操作系统能够节能高效地使用其有限的内存、处理器和通信模块,且能够对各种特定应用提供最大的支持。在面向无线传感器网络的操作系统的支持下,多个应用可以并发地使用系统的有限资源。美国加州大学伯克利分校研发了TinyOS操作系统,在科研机构的研究中得到了比较广泛的使用,但目前仍然存在不足之处[4]。
无线传感器网络 - 构成

传感器节点是一种非常小型的计算机,一般由以下几部分组成:

1.处理器和内存(一般能力都比较有限)。
2.各类传感器(温度、湿度、声音、加速度、全球定位等)。
3.通讯设备(一般是无线电收发器或光学通信设备)。
4.电池(一般是干电池,也有使用太阳能电池的)。
5.其他设备,包括各种特定用途的芯片,串行并行接口等(USB,RS232)。
无线传感器网络 - 网络协议栈

无线传感器网络多采用五层协议标准:应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。与互联网协议栈的五层协议相对应。另外,协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作,在节点移动的传感器网络中转发数据,并支持多任务和资源共享。各层协议和平台的功能如下:

•物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术;

•数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制;

•网络层主要负责路由生成与路由选择;

•传输层负责数据流的传输控制,是保证通信服务质量的重要部分;

•应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件;

•能量管理平台管理传感器节点如何使用能源,在各个协议层都需要考虑节省能量;

•移动管理平台检测并注册传感器节点的移动,维护到汇聚节点的路由,使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置;

•任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。
无线传感器网络 - 安全需求

在设计传感器网络时,要充分考虑通信和信息安全,结合传感器网络的特点,满足其独特的安全需求。

(1) 数据机密性

数据机密性是重要的网络安全需求,要求所有敏感信息在存储和传输过程中都要保证其机密性,不得向任何非授权用户泄露信息的内容。

(2) 数据完整性

有了机密性保证,攻击者可能无法获取信息的真实内容,但接收者并不能保证其收到的数据是正确的,因为恶意的中间节点可以截获、篡改和干扰信息的传输过程。通过数据完整性鉴别,可以确保数据传输过程中没有任何改变。

(3) 数据新鲜性

数据新鲜性问题是强调每次接收的数据都是发送方最新发送的数据,以此杜绝接收重复的信息。保证数据新鲜性的主要目的是防止重放(Replay)攻击。

(4) 可用性

可用性要求传感器网络能够随时按预先设定的工作方式向系统的合法用户提供信息访问服务,但攻击者可以通过伪造和信号干扰等方式使传感器网络处于部分或全部瘫痪状态,破坏系统的可用性,如拒绝服务(Denial of Service)攻击。

(5) 鲁棒性

无线传感器网络具有很强的动态性和不确定性,包括网络拓扑的变化、节点的消失或加入、面临各种威胁等,因此,无线传感器网络对各种安全攻击应具有较强的适应性,即使某次攻击行为得逞,该性能也能保障其影响最小化。

(6) 访问控制

访问控制要求能够对访问无线传感器网络的用户身份进行确认,确保其合法性[1]。
无线传感器网络 - 主要用途

虽然无线传感器网络的大规模商业应用,由于技术等方面的制约还有待时日,但是最近几年,随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小,已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域:

环境的监测和保护

随着人们对于环境问题的关注程度越来越高,需要采集的环境数据也越来越多,无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利,并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如,英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网,以读出缅因州"大鸭岛"上的气候,用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移,研究环境变化对农作物的影响,监测海洋、大气和土壤的成分等。此外,它也可以应用在精细农业中,来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。

医疗护理

无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间,使用微尘来测量居住者的重要征兆(血压、脉搏和呼吸)、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目Center for Aging Services Technologies(CAST)的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器,帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称,"在开发家庭用护理技术方面,无线传感器网络是非常有前途的领域"。

军事领域

由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点,使其非常适合应用于恶劣的战场环境中,使其非常适合应用于恶劣的战场环境中,包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资,判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元,帮助大学进行"智能尘埃"传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测:智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从2004年的1000万美元增加到2010年的几十亿美元。

目标跟踪

DARPA支持的Scnsor IT项目探索如何将WSN技术应用于军事领域,实现所谓“超视距”战场监测。UCB的教授主持的Sensor Web是Sensor IT的一个子项目.原理性地验证了应用WSN进行战场目标跟踪的技术可行性,翼下携带WSN节点的无人机(UAV)飞到目标区域后抛下节点,最终随机布撤落在被监测区域,利用安装在节点上的地震波传感器可以探测到外部日标,如坦克、装甲车等,并根据信号的强弱估算距离,综合多个节点的观测数据,最终定位目标,并绘制出其移动的轨迹。虽然该演示系统在精度等方面还远达不到装备部队用于实战的要求,这种战场侦察模式目前还没有真正应用于实战,但随着美国国防部将其武器系统研制的主要技术目标从精确制导转向目标感知与定位,相信WSN提供的这种新颖的战场侦察模式会受到军方的关注.

其他用途

无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等,工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域,英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试,该网络由40台机器上的210个传感器组成,这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本,同时由于可以提前发现问题,因此将能够缩短停机时间,提高效率,并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段,但已经展示出了非凡的应用价值,相信随着相关技术的发展和推进,一定会得到更大的应用。[1]
 

参考资料
[1].  新加坡服务器   http://www.abcde.cn/idc/idc-14
[2].  服务器托管   http://www.abcde.cn/idct
[3].  香港服务器租用   http://www.abcde.cn/idc/idc-8
[4].  美国服务器   http://www.abcde.cn/idc/idc-9

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