购物车(0)
无线传感器网络篇1
一、无线传感器网络的定义
无线传感器网络是由大量的具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通讯方式,相互传递信息,协同的完成特定功能的智能专用网络[1]。它可以实时的监测,感知和采集网络所监控区域内的各种环境或监测对象的信息,并对收集到的信息进行处理后传送给终端用户。
二、无线传感器网络的结构
无线传感器网络系统基本包括传感器节点(sensor node),汇聚节点(sink node)和管理节点,其结构如图1所示。大量的传感器节点随机的布置在检测区域,节点以自组织的形式构成网络,通过多条中继方式将检测到的数据传送到汇聚节点,最后通过Internet或其他网络通讯方式将检测信息传送到管理节点。同样的,用户可以通过管理节点进行命令的,告知传感器节点收集检测信息[2]。
传感器节点是一个具有信息采集,处理和通信能力的微型嵌入式计算机系统,但是受限于携带电池能量有限的原因,其处理能力相对较弱。结构如图2所示。从网络功能上看,每个传感器节点除了要处理本地的信息,还需要协助其他节点进行转发和处理信息。
三、无线传感器网络的几个具体关键问题
(一)物理层协议。无线传感器网络是一个开放系统互联,按照国际标准化组织(ISO)的规定,为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做物理层。从这个定义可以看出,物理层需要承担为数据终端提供数据传输通路、传输数据和完成管理工作的职责。具体到无线传感器网络就是介质的选择、频段的选择、调制技术以及扩频技术。因为是无线网络,传输介质自然要选电磁波了。不过,源信号要依靠电磁波传输必需要通过调制技术变成高频信号,当抵达接受端时,又通过解调技术还原成原始信号。目前采用的调制方法分为模拟调制和数字调制两种。它们的区别就在于调制信号所用的基带信号的模式不同而已(一为数字,一为模拟)。
(二)MAC层协议[3]。信号的传输要靠信道,因此信道也就成为了一种宝贵的资源。怎样合理有效的分配信道,就是数据链路层中的MAC子层要解决的问题了。
无线传感器网络经常使用的有三种MAC协议:传感器协议(S-MAC),分布式能量意识协议(DE-MAC)和协调设备协议。S-MAC协议通过调配节点的休眠方式来有效地分配信道;DE-MAC则采用周期性监听和休眠机制,避免空闲监听和串音,其目的是减少能耗和增加网络的生存周期;MD协议则能为大规模、低占空比运行的节点提供了不需要高精度时钟的可靠通信。
总体来说,无线传感器网络的MAC协议在分配信道的同时还要保证系统的能耗最低。
(三)路由。在具备底层传输协议的保障后,信息怎样快速地从源传输到目的地就是由路由协议来解决了。简单来说,路由要实现两个基本功能:确定最佳路径和通过网络传输信息。数据传输的途径存于路由表,由路由算法初始化并负责维护。
无线传感器网络与普通的网络不同,它有自己的特点:比如能量受限,通信方式以数据为中心,相邻节点的数据有着相似性,拓扑结构也在不断的变化等。与此对应,常规网络的路由并不一定能适应无线传感器网络。
下面来介绍几种常见的路由协议:
1.泛洪式路由。这是一种非常传统的路由协议。泛洪式路由不进行维护网络拓扑和相关路由计算,只负责以广播形式转发数据包,因此效率并不高。
2.SPIN。SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协议。节点之间通过协商来确定是否有发送信号的必要,并实时监控网络中的能量负载来改变工作模式。以上两种协议都是平面路由协议,依照这种协议,节点并不进行分区归类。
3.LEACH。LEACH是一种分层网络协议,它以循环的方式随机选择簇首节点,将全网络的能量负载平均分配到每个传感器节点,从而达到降低网络能源消耗的目的。这里要解释一下簇,簇是分层路由协议的概念,根据分层路由协议,网络被划分成不同簇,每一个簇由一个簇首和簇成员组成,多个簇首形成高级的网络,簇首节点不仅负责其辖下簇内信息的收集和融合处理,还负责簇之间数据的转发。
4.PEGASIS。PEGASIS可谓LEACH的升级版本。按照其规定,只有最为邻近的节点才相互通信,节点与汇聚点轮流通信,当所有的节点都与汇聚点通信后,节点再进行新一回合的轮流通信。
(四)软件的支持[4]。无线传感器网络也有一个属于自己的操作系统TinyOS。这个系统不同于传统意义上的操作系统,它更像一个编程构架,在此构架下,搭配一组必要的组件,就能方便地编译出面向特定应用的操作系统。
TinyOS由众多组件组成,包括了主组件、应用组件、执行组件、传感组件、通信组件和硬件抽象组件。每一个组件在其内部都封装了命令处理程序和事件处理程序,它们通过接口声明所调用的命令和将要触发的事件。调度器则负责根据任务的轻重缓急来安排系统的工作。
四、结束语
无线传感器网络这种新兴的技术发展迅猛,已经成为无线网络研究的热点。在全球范围内此技术目前基本处于理论研究和实验室试验阶段,国内的研究起步也开始不久,从理论上和实际应用都有待于深入研究。
参考文献:
[1]孙利民,无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.
[2]赵志强,无线传感器网络结构及关键技术介绍[J].苏州职业大学学报,2007.
[3]林小兰、肖明波,无线传感器网络MAC层协议的分析比较[J].现代电子技术,2007.
[4]李世晗、白跃宾、钱德沛,无线传感器网络软件技术研究[J].计算机应用研究,2007.
无线传感器网络篇2
无线传感器网络使人们实现了耳听八方、眼看千里的梦想，在现代卫星技术出现以后，人们实现了洞察全局、明察细微设备的使用，也就职把许许多多的传感器节点等待在指定的区域，将数据借助无线电波进行传播，然后回到监控中心，在监控区域内就会收到所有的信息。
1 无线传感器网络的组成和特点
1.1 无线传感器网络组成
可以将无线传感器网络分为控制管理中心、数据分布网络和数据获取三部分。它主要有传感器、通信模块以及数据处理单元的节点进行集成，各个节点遵循自己的协议，构成了一个分布式的网络，进一步对采集到的数据进行优化，再通过无线电波传到信息处理的中心。
1.2 无线传感器网络的特点
无线传感器网络中具有较多的节点，并且它们是不断地变化的，这使它具有了和其它普通传感器网络不同的独特“个性”。
1）自行组网及没有中心的特性。在无线传感器网络中，所有节点具有平等的地位，这一网络没有预设的中心，更不会指定任何中心，各个节点借助分布式算法完成他们之间的协调，在没有人看守时，各个节点就会对网络自发组织起来，进行具体测量。2）动态变化呈网络拓扑结构。网络中的节点的变化是无时不有，无处不在的，在这种变化的环境中，它的状态也会发生相应的变化，再加上无线通信信道具有不稳定的特性，网络拓扑结构也会因此自行调整，发生一定的变化。3）有限的传输能力。无线传感器网络借助无线电波对数据完成传输，这样可以省去布线的麻烦，但是与有线网络相比较，它的不足是带宽低，这一点还需要在技术方面进行克服。然而，由于单个的节点对数据进行传输的量较小，这个缺点产生的不足还很小，人们可以接受。4）受限的能量。为了测量出比较真实的具体值，各个节点在需要测量区域呈密集性地分布，一般不采取人工补充能量的方法。每个节点自身储备了可以长期使用的能量，有的可以在外界获取相应的能量，比如太阳能的汲取。5）存在安全隐患。无线传感器网络最容易受到外界的攻击，这主要是因为分布式控制、有限的能量、无线信道的干扰。所以出现了主动入侵、被动窃听、拒绝服务等常见的攻击方式。
2 无线传感器网络的应用
2.1 军事方面的应用。对无线传感器网络进行研究，较早应用是在军事领域。因为他具有可较快地部署、自行组织、较强的隐蔽性及容错性较高的特性，所以它可以完成对敌军地形的侦察，也可以完成对兵力的布防以及对装备的侦察，还可以完成对战场的实时监视、定位，还可以完成战场评估、核攻击以及生物化学攻击的监测与搜索的功能。
2.2 环境方面的应用。对无线传感器网络的应用，可以涉及到气象及地理方面，人们对自然与人为灾害进行监测，人们要对农作物的浇和土壤、空气的变化、家禽及牲畜所在的环境情况进行监视，并通过它做大面积的地表检测，还要通过它对自然界中的各种鸟类、动物以及昆虫进行无线跟踪，对濒危种群做进一步的研究等。
美国在ALERT的计划中，研究人员对多种传感器进行了开发，并用它来对降雨量进行监测，对河水水位及土壤水分做出监测，并依据所得出的数据对一些自然灾害进行预防。
2.3 医疗方面的应用。无线传感器网络还可以对人体的各项生理数据及健康情况做出检没，借助它对医院的药品做好管理工作，并将它应用到远程医疗等相关的医疗领域。在SSIM这个项目中，医生将100个微型传感器放入病人的眼里，使盲人能够有一定程度的视觉提高。科学家还大胆地借助它对“智能医疗之家”进行了创建，也就是在一个5间房的小区住宅内，利用无线传感器网络对生命体征进行测量，住户的主要生命体征，比如血压、脉搏、呼吸、睡觉姿势以及每天的活动情况都被测量并进行了数据保存，利用无线传感器网络对搜集到的数据被整理，送到相应的医疗机构，进行相应的研究。比如哈佛大学的一个研究小组就是利用无线传感器网络络构，建立了一个医疗监测平台。
2.4 家庭中的应用。技术人员可以将无线传感器嵌入到家具及家电中，将传感器与执行单元组成的无线网络还有Internet相连接，可以为人们提供比较舒服、便得以及人性化的智能家居环境。用户还可以更方便简洁地对家电做到远程监控，比如在下班前对家里的电饭锅、电话机、微波炉、录像机、电脑等家电进行摇控，按照容量的大小和时间的安排，设置煮饭、烧菜的时间，并安排好对电话留言的查收，对电视节目的选择，和网络资料的下载等工作。在对家居环境进行控制时，把传感器的节点安放在各自不同的房间，让他产生不同的感应。另外，我们可以对各个房间的环境温度做到局部的控制，甚至利用无线传感器网络还能够对幼儿的早期教育环境做出监测，对儿童的活动范围进行跟踪，使这里的研究人员、儿童的父母或者是他们的老师对他们进行全面地了解，并对儿童的学习过程地行行之有效的指导。
2.5 工业方面的应用。无线传感器网络可以对车辆进行跟踪、对机械故障做出正确的诊断、对工业生产进行计划地监控、对建筑物的状态进行监测等。将无线传感器网络与RFID技术相融合，可以实现智能交通。可以把它就用在较危险的工作环境，比如在石油钻井、煤矿、核电厂等的运用，利用无线传感器网络以后，可以对工作现场的比较重要信息进行探测。
2.6 机械故障诊断方面的应用。Intel公司做过一项实验，就是对芯片制造设备做节点的安装，借助所安装的200个传感器节点，对设备的振动情况进行监控，当测量结果超过了相关数值时，无线传感器会提供一份监测报告。在美国的贝克特营建集团公司早已经在伦敦的地铁系统中大胆地对无线传感器网络做了检测。对无线传感器网络的应用，可以使大楼、桥梁以及其他建筑物进行感知，并对自身的状态信息做出汇报。
3 结束语
总而言之，传感器网络在当前是国内外的热点项目，它具有广阔的发展空间，它的未来应用更广泛，对技术要求较高。在近几年的研究中，人们对传感器网络自身的特点得到了更深刻的认识，在技术上积累了经验，有所进步。它是一门先进的技术，对它的研究还需要科技工作者不断的努力。在国内外专家的努力下，无线传感器网络一定会以全新的局面展现在大家面前，必将更好、更广地应用于各行各业，并造福于人类、造福于社会。
参考文献：
无线传感器网络篇3
无线磁场传感器网络技术是WSN技术中的一个重要分支，由于钢铁类铁磁性材料在各种日常生活用品、汽车、船舶、飞机中广泛使用，无线磁场传感器网络在对这些目标的监控方面有很大应用前景。国际上美国在这方面工作做得较为突出，主要源自本身在实用领域、尤其是军事方面的迫切需求。通过无线磁场传感器网络技术对战场实施监控可以获得许多珍贵的态势情报，从而增强己方的战斗力。美国国防部支持大学等研究机构研发名为智慧微尘（smart dust）的陆地武器装备探测系统。该研究的核心磁敏感元件为磁阻元件，通过微机电技术将磁场传感器和相应电路集成化、微型化，研制小尺寸的传感器节点。然后将这些节点组成网络布置在作战区域，在敌方极难察觉的情况下侦探测查敌方武器装备。但和国外相比，起步还较晚，较多的工作还集中在理论模拟方面，实用器件方面的研究还相对较少。从无线磁场传感器网络技术的发展趋势来看主要分两个方面。首先是提高探测节点的分辨率和测量精度。这是决定无线磁场传感器网络测量能力的最核心和最根本的问题。只有磁性传感器的性能提高了才能测量更加微小的磁场变化，从而测量更小、更远的物体。其次是减小探测节点的尺寸和功耗。
巨磁阻抗效应（GMI）是指即磁性材料的交流阻抗在外加直流磁场的作用下发生显著变化的现象。最经几年GMI效应传感器由于其极高的分辨率被人们寄予厚望。研究者们开始尝试将其引入到人体生物学测量的应用范围中来。在T. Uchiyama、K. Mohri、N.Hamada等人的努力下，基于非晶丝材料和CMOS IC工艺的GMI效应传感器分辨率达到了令人兴奋的几百pT的GMI传感器。而且GMI效应元件对环境的要求不高，不需要任何屏蔽条件就能正常工作，这大大方便了在实际应用中GMI效应传感器的使用。
1 磁场无线传感器网络
本文采用GMI传感器为网络节点布置传感器网络，对进入其中的车辆目标进行检测。首先各个磁场传感器节点测量其周围的磁场分布，其次各个节点的信息通过传输模块汇聚到网关，之后由网管送入终端PC或网络。在终端中，这些信息被融合成一张磁场地图，实时的监控着测量范围之内的磁场变化情况。当有铁磁性的目标进入监控区域时，区域内的磁场会被测量目标所扰动，从而在磁场地图上反应出相应的变化。
应用该传感器W络对进入其测量范围的目标进行测量，信号响应如图1所示。Bx1、By1、Bz1、Bx2、By2、Bz2分别为布置在位置1和位置2的传感器对空间三轴磁感应强度分量的测量结果。从图中可以分析出当目标靠近某个传感器的时候，目标会对该传感器所在位置的地磁场产生扰动。该扰动信号就会被传感器记录下来并传输到数据终端。以Bx1、Bx2为例，可以认为当信号出现最大值的时候，目标距离传感器的位置最近。在数据终端中记录了各个网络节点布置时的位置信息结合测量到的不同节点响应信号的时间信息就可以分析出目标的轨迹、速度等信息。
2 结论
无线磁场传感器网络能够通过测量监控范围内地磁场的扰动，来测量进入其中的目标的信息。将测量的的多节点的磁场变化信号结合网络节点位置信息可以对目标的轨迹、速度等多种信息进行检测。
参考文献
[1]B.Chen.Wireless sensor networks and application development，Wind Technology，1，30-35.，2010.
[2]X.M.Du，Y.Chen，Research in wireless sensor networks and applica tions，Science News，1，41-44，2008.
[3]Y.Zhou，D.Z.Tan，Wireless sensor network applications and research status，Sensors World，5，35-39，2009.
作者简介
无线传感器网络篇4
Network Management of Wireless Sensor Networks
DU Jing-lin1,SHI Lan2
(1.Nanjing University of Information Science and Technology Department of Electronic and information Engineering,Nanjing 21004,China;2. Department of Remote sensing,Nanjing 21004,China)
Abstract:Wireless sensor networks are networks consisting of small sensors that are limited in both power and processing. These sensor networks are often used in monitoring applications, such as the environment, structures and animal habitats. Network management is key function in all of networks, including sensor networks. The nature of wireless sensor networks makes networks management a more difficult than that of traditional networks. One main property of network management of sensor networks is topology management. This paper gives a brief background on network management and how it is used into sensor networks. It provides a more detailed look at topology management and some existing topology management algorithms.
Key words:Wireless sensor networks;network management;topology management;Energy conserving
1 概述
无线传感器网路是由许多能量和处理能力有限的传感器节点组成。这种网络能够用在许多不同的应用，包括环境监测、军事应用、结构控制与监测、野生动物习性的监测等。无线传感器网络在这些应用面临着许多挑战，其中最主要的问题是能力消耗问题。传感器网络是典型的无人看护网络，并且紧靠有限电池供电，因此节省能量是部署传感器网络非常关键的问题。
所有类型的网络都需要管理和维护。所有的网络管理都需要一些网络的管理形式，不同类型网络可能强调网络网络管理的不同方面。在网络的管理上通常有以下几种的不同的管理结构：集中式的管理、层次式的管理结构，分布式的管理结构。在集中式管理中，一个中心服务器用来执行网络管理应用角色；在层次式管理中，包括多个管理平台，通常有一个服务器和多个客户端组成网络管理应用；为了实现分布式网络管理功能需要分布式管理体系结构，这种结构也适合无线传感器网络的网络管理，在这种结构中，网络结构利用多个对等平台来共同管理任务。这种结构可以提供更好的扩展性、可用性和可靠性。
2 网络管理
无线传感器网络的网络管理与传统网络的网络管理相似，有着相同的管理任务不同的管理方式。例如，性能管理也包括监测网络保证网络的覆盖与连接。传感器网络中的安全管理非常困难，因为网络的自组织特点，采用无线通信以及资源有限。传感器网络中的管理一个主要目标是自主性，特别是在故障管理和自动配置中十分重要。由于传感器网络是无人看护网络，自主发现错误，自主修复的能力就非常重要；另一个主要问题是，当网络中一个节点实效后，不能影响整个网络的操作，不像传统网络设备出现故障后会影响一些用户甚至整个网络。
在传感器网络中的网络管理有一些新的功能，其中包括拓扑管理、能量管理以及编程管理。节省能量是传感器网络中的一个重要方面。节能可以在网络管理的不同层面和不同方式下进行。其中最通用的办法是当节点空闲关闭电源，现在又许多协议和算法建立都是为了节省能力。例如，为传感器网络开发的特别的MAC协议和路由协议，当传输数据时，高效的节省电池的能量。编程和代码管理是传感器网络中的另一个主要功能。传统的程序升级等功能是通过把节点连接到手提电脑或者PDA等设备上来实现，但是在大规模的网络管理中，这种方式很不显示现实，这就需要当某些节点需要更新程序时，通过网络把有限的数据报通过自组织网络传送过去。目前在程序升级领域也是一个非常活跃的研究方向。在无线传感器网络的网络管理中还有一些主要的思想与传统网络不同。节省能量是传感器网络的主要问题，次之就是如何高效利用带宽。一种方法就是通过提取网络一部分节点的管理信息来实现整个网络的管理。节省能力和有效利用带宽的一个主要办法就是数据聚集。在传感器网络中一个网络节点和其邻居节点都采集数据，通过比较和数据聚集的办法，只传送一个数据信息，消除冗余节点的数据，采用一定的数据收集策略，就可以大大减少数据信息的传送量，起到节省能量和带宽的目的。传统网络管理是集中式的应用，而无线传感器网络是分布式的架构。网络管理不应该就是收集所有节点的数据，然后无线的传送到中心管理节点上，在中更应该采用网内处理办法，采用合适的数据聚集算法，来减少数据传输，减少能量消耗和带宽的开销。
3 网络拓扑结构管理
无线传感器网络的主要问题是节能，而这也正是拓扑管理的主要的目标。拓扑管理的另一个主要目标是拓扑控制，也就是保证网络的连通性。在无线传感器网络中拓扑管理主要有三个方面的想法：拓扑发现、睡眠周期管理和成簇管理方法。根据文献[3]，可知在无线传感器网络中的拓扑管理主要有以下六个特点：1）对称性2）连通性3）生成性4）分散性5）低度性6）低干扰性。
3.1拓扑发现
拓扑发现包括一个基站和整个网络节点网络的拓扑结构和组织。网络中节点之间的物理连接情况或者节点之间的逻辑关系信息传输到管理节点上，用来维护整个传感器网络的拓扑结构图。基站或者管理站点向整个网络发出拓扑发现请求，网络上的节点通过网络将相关信息传送回来。在拓扑发现中主要两种方法，一种方法是采用直接的办法，节点一旦接受请求信息就立即传送包含特定节点信息的响；另一种方法是采用聚集的办法，这种办法中，节点不是立即响应，而是等待其子孙节点将信息传回来后，通过聚集然后将信息会传给初始化节点。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文
现有一些对拓扑发现问题的解决方法。例如TopDisc[1]算法使用树结构，树的根节点是网络监测节点，用来发现整个网络的拓扑。当一个拓扑发现的请求被传送出去，节点的邻居集就创建了。TopDisc算法在节点中创建了簇，并且标识簇头节点用来报告整个网络的拓扑结构。这是一个近似于贪心的算法来发现网络的覆盖集，算法的开始是通过监测节点广播一个拓扑发现请求包，然后在整个网络中传播来实现的。TopDisc算法是近似于集中式的工作方式。该算法有一些可能的应用，如其可以用来报告几个网络图，包括网络连通图、网络可达图等，还可以用来产生网络节点的能量分布图以及节点使用分布图。
3.2睡眠周期管理
在无线传感器网络有些协议和算法通过让一些冗余节点周期性的休眠来达到网络节能的目的。这些算法主要是在一定周期内来决定选取哪些节点集进入休眠状态，而当休眠期结束，必须通过一定的机制来唤醒，以使其在下一轮进入工作状态。因此维护传感器网络中节点的睡眠周期是这类算法协议的主要职责。
这种拓扑管理中的一个算法是STEM算法[4，5]，该算法中，节点在大部分时间里用来感知数据，一旦把数据发送出去，就把节点无线发射装置关闭，因为无线通信是最主要的耗能源，等需要有数据时在开始通性设备。通常在这种算法要在传感器节点上装有两个无线通信设备，其中第二个无线设备为低负载装置，主要用来发送唤醒消息。在STEM算法中最主要的问题是延时，当网络中一个节点要通过一个休眠节点将数据发送出去，必须等待其被唤醒才可以实现，带来网络的延迟，而在一些应用中，实时性是非常关键的。
3.3基于簇的管理
在现在有许多基于簇管理的算法用来拓扑管理。这些算法可以根据许多方式进行分类，如：基于位置信息和不基于位置信息的；分布式和集中的；基于节点ID和节点度的。我们通过对于基于簇的拓扑管理算法分析总结，按照一定特点归结为表1。
3.4拓扑管理面临的挑战
传感器网络中的协议和算法的主要设计目标都是节能，这也是拓扑管理算法的目标。通过减少能量的消耗来最大化网络的生命周期。算法的维护开销应该最小化，如果算法中不要求位置信息和时间同步，这将是对能量节省是非常有利的。在实际的应用场景中，移动性是需要的，因此在未来的研究中，能够支持移动性以及由于某些节点实效而要求算法的鲁棒性都是十分必要的。
4 总结与展望
网络管理是所有类型网络中都非常关键的功能。在传统的有线网络中，网络管理是由服务器控制的典型集中式结构，主要包括了网络故障管理、配置管理、安全管理、性能管理以及账户的管理。
无线传感器网络中包括有许多传感器节点，并且受到了电源和能量的制约。网络管理在无线传感器网络是非常关键的，采用分布式的运行方式更为实际。传感器网络中网络管理主要包括了能量管理、编程管理以及拓扑管理。而在拓扑管理中主要可以通过定时让一些节点进入休眠周期来达到节能的目的，通过簇管理算法来实现网络的稳定性与节点。目前已经有了许多相关的算法，未来需要更加鲁棒、更加节能的算法，在该领域还有许多工作亟待解决。
表1 无线传感器网络簇结构算法
参考文献：
[1]B.Deb,S.Bhatnagar,and B.Nath."A topology discovery algorithm for sensor networks with applications to networks management". Technical Report dcs-tr-441. Rutgers University,May 2001.
[2]W.R.Heinzelman, A.Chandrakasan, and H.Balakrishnan."Energy efficient communication protocol for wireless microsensor networks".Proceedings of the 333rd Annual Hawail International Conference on System Sciences,2000.4-7Jan,2000.
[3]J.Kim,S.Kim,D.Kim and W.Lee. "Low-energy localized clustering:an adaptive cluster radius configuration scheme for topology control in wireless sensor networks”. IEEE 61st Vehicular Technology Conference,2005.(VTC 2005). 30 May-1 June,2005. Volume:4. page(s):2546-2550.
[4]C.Schurgers,V.Tsiatsis,S.Ganeriwal and M.Srivastava, "Optimizing sensor networks in the energy-latency-density design space", IEEE Transactions on Mobile Computing, Vol.1, January-March 2002.
[5]C.Schurges, V.Tsiatsis, S. Ganeriwal and M. Srivastava, "Topology management for sensor networks: exploiting latency and density", MOBIHOC' 02, Lausanne, Switzerland, ACM, June 9-11 2002.
[6]M.Ye,C.Li,G.Chen,and J. Wu."EECS: and energy efficient clustering scheme in wireless sensor networks", 24th IEEE International Performance, Computing, and Communications Conference, 2005. (IPCCC 2005). 7-9 April 2005. page(s):535-540.
无线传感器网络篇5
一、物联网与无线传感器网络
利用识别技术、感知技术和通信技术等多种技术，物联网可以借助互联网实现信息资源共享，所以能够在一定程度上促进信息产业的发展。而无线传感器网络是一种感知网络，可以利用传感器对外界环境进行感知，然后利用无线网络实现信息传输。在无线传感器网络中，需要进行高性能的系统平台的配备，以便使网络安全能够得到保障[1]。所以，物联网的出现虽然能够为人们的信息交流提供方便，但是借助无线传感器网络才能够使人们安全进行信息交流。
二、面向物联网的无线传感器网络
2.1网络通信协议
在网络运行的过程中，需要遵循网络协议的规定，才能够确保网络通信的正常进行。在缺乏统一的网络通信协议的情况下，就会导致网络信息传输受阻。所以，面向物联网的无线传感器网络首先需要对网络通信协议进行有效规定，以便确保网络通信的正常进行。为此，需要以TCP和IP协议为网络基础协议，从而为无线传感器网络的信息传输提供便利。在网络传输的过程中，还要利用路由进行协议的传输。考虑到协议传输将产生节点消耗的问题，还要使用路由协议进行每个节点的有效利用，从而使网络性能得到提高。此外，在物联网中，信息处理是重要的网络工具。同时，数据处理也是无线传感器网络的核心，所以还需要同时满足两个网络的数据处理需求[2]。因此，在处理数控信息时，需要对网络协议和路由协议进行有效规定。
2.2网络拓扑控制
在连接网络传输设备时，需要进行网络的物理布局，以便使网络结构中的点与点按照一定顺序连接。针对无线传感器网络，还要确保网络拓扑能过满足网络运行需求，并且可以利用节点消除冗余网络线路，继而使网络信息传输效率得到保证。所以，还需对网络拓扑进行控制，以便实现无线传感器网络的通信。而由于该网络的节点具有一对一和一对多的特点，所以可以利用传感器节点进行节点控制。而采取这种控制方式，能够形成层次型拓扑结构，继而使网络传输功率得到提高。
2.3网络安全技术
就目前来看，网络安全问题是人们利用物联网进行信息交流时主要需要考虑的问题。一旦重要的信息被恶意窃取，就容易给人们造成巨大的损失。而无线传感器网络使用了网络加密技术，可以使网络信息传输安全得到保障。此外，在无线传感器进行网络信息传输时，其本身需要实现最基本的安全机制。而通过应用信息加密处理、水印技术和消息认证技术等多种安全技术，则能够使信息的完整性得到保证。
2.4网络定位技术
利用网络信息的交互性，能够对用户某一目标的位置进行通知请求，从而使用户的需求得到满足。而使用GPS技术，可以实现目标位置的精准定位。但就目前来看，只有拥有专门客户端的少数用户才能使用该技术。而不同于传统定位技术，无线传感器网络的成本较低，并且具有较高的定位精度。在该网络中，可以利用测距定位算法和非测距定位算法进行目标位置定位，从而帮助用户找到想要的目标物。其中，测距定位算法精度较高，但是成本相对较大。而非测距定位算法成本较低，但精确度也较低。
2.5数据融合技术
作为功能性较强的网络，无线传感器网络不仅需要完成数据传输，同时也需要进行数据的融合、压缩和控制。而通过节点配置，可以使网络能量和宽带等资源得到有效分配，从而为数据融合提供更多的保障。在物联网中，利用无线传感器网络可以对不同应用场景和控制对象的不同节点的传输数据进行融合，以以便使数据满足网络运行要求。而利用节点对数据进行融合，并且将多余信息删除，则能够使数据传输的通畅性得到提高。
结论：总而言之，在物联网中进行无线传感器网络的应用，可以为物联网的运行和发展提供更多的保障。因此，相信随着无线传感器网络技术的不断发展，该技术将能在物联网中得到广泛的应用，从而在确保物联网数据传输安全的同时，提高物联网资源的利用效率。
无线传感器网络篇6
ZigBee技术是一种低成本的双向通信技术，与其他无线通信技术相比，ZigBee技术的优点突出表现在以下几个方面：通信速率高、使用掌握该技术简单、能耗低、传输速率虽低但相对其他无线传输技术速率有较大提高、安全性能较高。
ZigBee协议栈自上而下由应用层、应用支持子层、网络层、介质访问层和物理层组成。其中，每一层都由下层来提供服务，数据传输服务由数据实体来提供，而其余服务由管理实体来提供。通过服务接入点SAP，服务实体给上层提供接口，而每个SAP都会支持一定数目的服务原语，从而完成所需要的功能。ZigBee的分层架构是在OSI七层模型的基础上根据实际应用制定的。
2 组网流程
本设计采用星型结构。中心节点是由全功能设备协调器实现的，协调器节点主要是建立网络和管理网络，同时还可以实现与终端节点的数据交换。而终端节点在该网络中是下位机，主要完成数据采集，以及向协调器发送采集到的数据。
ZigBee网络实现的大概顺序为：
（1）协调器建立网络；
（2）终端节点发现网络；
（3）终端节点申请加入网络，协调器响应该请求；
（4）节点间开始数据通信。
其组网流程图如图1所示。
在TI公司推出的Z-stack的协议栈里应经定义了三种网络拓扑方式的语句，只需要在头文件里调用相应的函数就能实现组网功能。
3 协调节点程序设计
网络协调器是网络中的首要设备，负责启动整个网络。在一个ZigBee网络中，仅仅可以存在一个网络协调器，但允许有多个路由器和终端设备存在。网络协调器的软件设计主要包括协调器新建网络、向上位机传输数据及接收传感器节点发送数据。
4 终端节点程序设计
ZigBee传感器节点一般只能收发数据，它主要接收并处理传感器采集的数据，并发送数据到网络协调器或路由节点。它的软件设计主要包含传感器采集部分和网络通信部分，即数据的收和发，该部分设计与网络协调器部分基本类似。传感器节点不能维持网络的结构，因此当采集数据不被需要时，可以睡眠或者也可以唤醒。使传感器节点初始化是先为参数设置初始值，然后启动发现网络再选取适当的网络与其相连接。
5 总结
本文通过分析大量参考文献，对无线传感器网络技术及ZigBee技术等相关知识进行了深入的学习和理解，在全面探讨系统各个影响因素的基础上，分析研究了ZigBee网络的拓扑结构、通信方式、ZigBee协议栈，并采用CC2530无线射频芯片完成了节点之间的相互通信，完成系统的开发与调试，能够达到设计的要求和预期效果。
参考文献
[1]李道亮.农业物联网导论[M].北京:科学出版社,2012.
无线传感器网络篇7
无线传感器网络（无线传感器网络），为类移动特设网络（MANET），是无线网络组成的空间分布的大量的传感器节点合作监测身体或环境条件，如温度，压力，振动，声音，运动或污染物。传统的自组织网络，一般来说，不可能更换或充电电池。因此，节约能源是一个关键因素研究。严重的硬件和能源限制排除使用开发的协议支持，这相对拥有更多的资源。严格要求，无线传感器网络协议是尽可能多的节能。
1传输功率控制
传输功率控制（台电）技术提高网络性能的几个方面。首先，功率控制技术提高可靠性的一个环节。在检测到链路可靠性低于某个阈值时，该协议增加发射功率，提高成功的概率的数据传输。其次，只有节点必须共享相同的空间将争夺访问中，减少了大量的碰撞中的网络。这提高网络利用率，降低了延迟时间和降低了概率的隐藏终端和暴露。最后，使用较高的传输功率，可以使用物理层调制和编码方案与更高的比特/波特比，增加带宽的存在工作量繁重，或减少它最大限度地节约能源。能源效率是最重要的一个问题，碰撞是第一个源能源浪费。当数据包传输在同一时间和碰撞，他们成为损坏，必须丢弃。后续重发消耗能量得到。另一个来源是空闲侦听，它发生在电台收听到信道接收数据。许多协议总是听通道激活时，假设完全断电装置将由用户如果没有数据发送。三分之一个来源是无意中听到的，听到不必要的交通可以是一个主导因素，能源浪费，当网络负载较重时，节点密度高。最后，我们考虑的主要来源是控制包开销。发送，接收，和听力控制数据包消耗能量。已经发现，传感器节点消耗很大比例的能源多余的遥感和空闲侦听。研究人员提出将传感器和/或无线传感器节点睡眠（他们）以节约能源。任务调度时，该传感器和/或收音机需要在睡眠/主动模式被称为睡眠调度。传感器睡觉会导致有趣的事件被错过的网络或可能导致较低的数据质量检测。无线电睡觉可能导致通信时延的网络。
2不同的算法介绍
基于位置的系统解决的问题是分配发送功率值独立节点在无线传感器网络，该网络连接。这些功率值对应的距离上可以进行交流，从而确定节点的数目与一种特定的节点可以直接沟通。在下面，五个不同位置的所有算法的介绍，分为三种类型根据规模节点的位置信息来分配功率值在无线传感器网络。1）non-tpc档案（固定的传输功率）是最简单的算法，这是分配一个任意选择的传输功率水平，所有传感器节点，就像它会做的生产时间的传感器，没有权力控制在所有；2）global-tpc金属（对等传输功率）。对等传输功率（塑料）算法还指定一个均匀的所有节点，而选择最小值，确保完全连接网络这一特定情况下。找到最小传输功率；3）桌面排版（不同的传输功率）。球的解决方案与不同的传输功率（排版）算法创建一个网络连接，但没有设定所有的传输范围相同的值。相反，它试图找到一个最低的功率水平为每一个节点分别。该算法以下列方式：其中节点对尚未连接，选择一个具有最小距离。发射功率设定这些节点的值足够的连接，检查连接所产生的网络；4）local-tpc喉罩（局部平均算法）所有节点开始与相同的初始传输功率。每个节点定期广播lifemsg。这些节点，然后计算数量的反应（noderesp）他们收到；5）林梦（当地邻居算法）。地平均邻居算法（低分子量）类似于喉罩除外，它增加了一些信息，它定义的lifeackmsg noderesp以不同的方式。除了地址从收到的lifeackmsg lifemsg，也包含它自己的计算。
实验表明，在local-tpc解寿命优于使用简单的固定作业（non-tpc）和一系列对称算法（塑料）利用全球知识。而出现局部算法不能够超越全球，他们的表现通常在一两个因素的一生。特别是，这些地方的算法实际上是可行的和可扩展的。
3比较
无线传感器网络篇8
Wireless sensor network security technology in Internet of Things
LIU Ming-jun1，2
（1.School of Electronic Engineering， Xidian University， Xi’an 710071， China； 2. Unit 95844 of PLA， Jiuquan 735018， China）
Abstract： The Internet of Things is known as the third wave of the information revolution， and its development has huge social and economic benefits. With the successful application of the Internet of Things in various fields， the security problem has become increasingly apparent. Wireless sensor networks， which play an important role in linking traditional network in Internet of Things， have prominent security problems. Through the analysis of the structure， characteristics of the wireless sensor network， the paper analyzes the security challenges IOT facing， and studies key security technologies.
Keywords： Internet of Things； wireless sensor networks； security； key management
0 引 言
最近几年，物联网之所以能成为研究的热点，究其原因：一是物联网是新一代信息技术的重要组成部分，将对社会的发展起到推动作用；二是物联网的应用将产生巨大的经济效益，据有关专家估算，物联网的产值将达到万亿级别。
伴随着物联网在各个领域的成功应用，物联网的安全问题也变得越来越重要，由于无线传感器网络（WSN）在物联网体系中担当着链接传统网络的重任，因此其安全问题尤其突出。可以说，不解决安全问题，物联网是没有明天的。
1 WSN的结构特点
1.1 WSN的结构
WSN以感知为目的，通过各种方式将节点部署在被感知对象的内部或附近，获取物理世界的各种信息。被部署的节点通过自组织方式构成的网络，其节点中集成有传感器、数据处理单元和通信单元。WSN借助于节点中的传感器来测量周围环境，可以探测温度、湿度、噪声、速度、光强度、电磁波等各种环境参数。
WSN在物联网中的作用就像一个虚拟的皮肤，它能感受到一切物理世界的信息，并与观察者分享这些信息。
一个典型的WSN体系结构如图1所示。
图1 无线传感器网体系结构图
该体系包括分布式传感器节点、目标节点（sink）、Internet和用户端。sink也就是数据中心，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，可连通传感器网络与外部网络，从而实现协议栈之间的通信转换。每个散布在网络中的节点通过多跳路由的方式将感知数据传送到sink，用户可以通过Internet或者卫星与sink进行通讯。
1.2 WSN的网络特征
为了使WSN成为物联网的一个内在组成部分，通常需要考虑各种挑战，包括从适应现有的互联网标准到互操作的协议创造和发展以及支持机制等。其中的挑战之一就是安全性，主要是因为WSN不能够直接适用于现有以Internet为中心的安全机制。无线传感器网络有其固有特性。
（1） 资源更有限。由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力比普通的计算机功能要弱很多。
（2） 网络规模更大，覆盖更广。为了获得精确的信息，通常会在被监测区域部署大量的传感器节点，传感器节点的数量数以万计，节点的分布更加密集。
（3） 网络自组。网络的布设和展开不依赖于预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，自动组成一个独立的网络。
（4） 能量更有限。由于受到硬件条件的影响，无线传感器节点一般采用电池供电，电源能量更加有限，因此，无线传感网络节点的通信距离更短，通常只有几十米。
（5） 干扰更强。相对于传统网络，无线传感器网络的工作环境更加恶劣，再加上传感器节点分布更加密集，其环境噪声干扰和节点之间的干扰更强。
（6） 多跳路由。网络中节点的通信距离有限，节点只能与它的邻节点直接通信。如果希望与其传输覆盖范围之外的节点进行通信，就需要通过多跳路由进行通信。多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。因此，网络中的每个节点，既是终端又是路由器。
（7） 动态拓扑。无线传感器网络拓扑结构会随着时间的推移发生改变，主要是因为节点可能会因故障失效。由于监测区域的变化，新节点会添加到现有的网络中，因此，无线传感器网络具有动态拓扑重构功能。
（8） 无线传感器网络是一个以数据为中心的网络。它不像传统的网络那样以连接为中心，而是以数据为中心的网络，因此，需要节点进行数据聚合、融合、缓存和压缩等处理。
2 WSN各层主要面临的安全挑战
WSN的协议栈包括物理层、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。WSN面临的安全问题也就是协议栈中各层面临的问题。
2.1 物理层
物理层主要负责载波频率的产生、信号的调制和解调等工作。物理层中的安全问题主要是干扰攻击和节点俘获。干扰攻击是指干扰WSN中节点所使用的无线电频率。节点俘获是指攻击者捕获节点，知道节点上所保存的任何信息，从而代替这个节点进行通信。
2.2 数据链路层
数据链路层主要负责媒体访问和错误控制。在介质访问控制协议中，节点通过监测邻近节点是否发送数据来确定自身是否能访问通信信道，这种载波监听的方式容易遭到拒绝服务攻击（DoS）。DoS是指当存在网络流量冲击或者外界恶意攻击时，可能产生“雪崩”效应，此时网络性能急剧下降，甚至会由于网络拥塞导致停止服务。
2.3 网络层
网络层主要负责路由的发现和维护，是无线传感器网络的重要因素。针对路由的攻击可能导致整个网络的瘫痪。针对网络层的攻击方式有伪造路由信息、选择性转发、黑洞攻击和Sybil攻击。
2.4 传输层
传输层主要负责将无线传感器网络采集的数据提供给外部网络。泛洪攻击和异步攻击是针对这个层次的主要攻击手段。
2.5 应用层
应用层主要负责实现特定应用所需的功能，如将采集的数据进行融合处理及其他应用任务。应对这个层的攻击一般可根据具体任务而定。
3 WSN中的安全技术
面对WSN中出现的种种安全问题，主要可采用以下几种技术予以解决：
（1） 入侵检测技术。入侵检测可对网内的节点行为进行监测，及时发现可疑节点行为。入侵检测系统基于一个合理假设：恶意节点的行为与网内其它节点存在明显的不同，以至于入侵检测系统可以根据预先设定规则将其识别出来。
（2） 干扰控制。干扰控制用于对付无线电干扰攻击。由于敌人无法进行长期持续的全频攻击，所以，通信节点可以采取跳频传输和扩频传输的方法来解决信号干扰攻击。
（3） 安全路由。根据不同应用的特点，制定合适的安全路由协议，以保证数据安全地到达目标节点，同时尽可能少地消耗节点资源。安全路由技术中广泛采用SPINS安全框架协议，包括SNEP协议和?TESLA协议，其中SNEP协议用以实现通信的机密性、完整性、新鲜性和点到点的认证，?TESLA协议用以实现点到多点的广播认证。
（4） 密钥管理。密钥管理是无线传感器网络关键安全技术的核心，主要有四种密钥分布协议：简单密钥分布协议、密钥预分布协议、动态密钥管理协议、分层密钥管理协议。简单密钥分布协议网内所有节点都保存同一个密钥用于数据的加解密，其内存需求是所有密钥管理协议中最低的，但是它的安全性也最低。密钥预分布协议中的节点在被部署到监控区域前，将被预先载入一些密钥。当节点被部署好后，传感器节点通过执行共享密钥发现过程来为安全链路的形成建立共享密钥。动态密钥管理协议可以根据用户要求周期性地改变节点的管理密钥，使用动态密钥管理协议可以改善网络面临攻击时的生存性。分层密钥管理协议采用LEAP协议，是一种典型的确定性密钥管理技术，使用的是多种密钥机制。LEAP在每个节点上维护四个密钥：分别是基站单独共享的身份密钥（预分布）、网内节点共享的组密钥（预分布）、邻居节点共享的邻居密钥以及簇头共享的簇头密钥。
（5） 密钥算法。密钥算法主要包括对称密钥算法与非对称密钥算法，非对称密钥算法主要有Rabin’s cheme、NtuEncrypt、RAS和椭圆曲线算反ECC，对称算法主要有Skipjack和RC5。相比较而言，对称密钥算法与非对称密钥算法相比具有计算量小、代码短和能耗低的特点，因此，对称密钥算法在WSN应用较广。
（6） 数据融合。数据融合是节省能量、增强所收集数据的准确性以及提高数据收集效率的重要手段。数据融合主要有两种方式：一种是在发送节点和汇聚节点之间使用端到端的加密方式，汇聚节点先对收到的数据进行解密，然后再进行数据融和；另一种方法是对密文数据直接进行数据融合，这要求加密时采用特定的数据转换方法。
WSN协议栈中各层所面临的安全问题一般不是采用单一安全措施就可以解决的，往往需要多种措施并用。协议栈中各层采取的安全技术如图2所示。
4 结 语
WSN虽然出现得较早，但对它的研究也是随着物联网概念的兴起才成为热点。事实上，WSN网络还不成熟，安全漏洞很多。研究者应该为它们制定相应的安全协议，并尽可能地减小安全技术所引入的副作用，促进WSN健康发展。
图2 无线传感器网中安全技术与网络层次关系图
参 考 文 献
[1] ROMAN Rodrigo， ALCARAZ Cristina. Key management systems for sensor networks in the context of the Internet of Things [J]. Computers and Electrical Engineering ， 2011（37）： 147-159.
[2] AKYILDIZ I， SU W. Wireless sensor networks： a survey [J]. Comput Networks， 2002， 38（4）： 393-422.
[3] CHRISTIN D， REINHARDT A， MOGRE P， et al. Wireless sensor networks and the Internet of Things： selected challenges [C]// Proceedings of the 8th GI/ITG KuVS Fachgesprach Drahtlose Sensornetze. Hamburg： FGSN， 2009： 11-20.
[4] ALCARAZ C， LOPEZ J. A security analysis for wireless sensor mesh networks in highly critical systems [J]. IEEE Trans. on Systems， Man and Cybernetics， Part C： Applications and Reviews， 2010， 40（4）： 419-428.
[5] 马春光，尚治国，王慧强.无线传感器网络密钥管理问题研究综述[C].计算机科学（第一届中国无线传感器网络会议论文集）， 2007，34 （专刊）：158-161
[6] 唐尧华，黄欢.物联网安全关键技术研究[J].河北省科学院学报，2011，28（4）：49-52.
[7] 李振汕.物联网安全性研究[J].技术研究，2011（4）：75-77.
无线传感器网络篇9
文章编号:1004-373X(2009)21-076-03
Design of Transmission Circuit on Wireless Sensor Network System
CHEN Hong1,LI Wei2
(1.Nanjing College of Information Technology, Nanjing,210046,China;2.Jiangsu Provincial Electric Power Test Research Institute Company, Nanjing,210036,China)
Abstract:Wireless multi-sensor network system is composed of command center and lots of detection units.It mainly includes the following items: design of the data communication by wireless channel,design of the image sampling system and design of different units developed to system including the modem and unit of radio interface.According to the system requirement,the research has constructed under the monolithic integrated circuit control modem module,the modem and the wireless military station′s interface module in the wireless data transmission system aspect.
Keywords:wireless multi-sensor network;modem;image transmission;single chip computer
0 引 言
无线传感器网络就是一种RGS系统(远程地面传感器系统),它是一种利用多种传感器作为综合情报采集元件,进行数据融合、编码等处理后,发送给指挥中心,处理还原后在监控平台显示出来的探测系统。它集传感器技术、图像探测技术、震动探测技术、声音探测技术、无线通信技术、数字编码压缩技术、信息融合技术及计算机技术为一体,是由多种高新技术集成的综合性技术[1,2]。无线多传感器网络系统主要由以下几部分组成:
(1) 系统前端传感器[3]及GPS模块――信号采集部分:主要是由图像、声音、震动以及红外传感器组成的探测单元和GPS模块构成,负责完成战场信息监测任务。
(2) 信息传输部分:主要负责将采集到的信息压缩编码和进行远距离无线传输。
(3) 指挥中心测控平台部分:主要完成对监测单元的远程控制及信号接收任务,并对搜集到的各种信息进行融合处理、分析。将处理结果提供给指挥中心人员,使他们能及时准确地把握战场态势,做出相应的决策。本文主要是对无线传感器网络中图像传输系统[4]的硬件设计与软件编程的思想。
1 发射端调制解调器硬件电路设计和工作原理
调制解调器硬件电路在发射方和接收方,由于所需完成的任务不同,实际上是不一样的。发射方调制解调器电路原理图如图1所示。
系统使用+5 V的电源由无线电台的电池变换后供给。MSM7512B[5]使用专用的3.579 545 MHz的晶体,由于其内部有接地电容,不用外接补偿元件;单片机使用频率为11.059 2 MHz的晶体,主要是为了在波特率设置时,可以取得准确的波特率,能有效避免定时器工作产生的积累误差,外接的补偿元件是二个30 pF电容。为了防止单片机程序运行时的误操作,应将单片机EA/VPP端(31脚)置高电平,确保单片机访问内部的程序存储器。由于调制解调芯片MSM75l2B和单片机W77E58都支持TTL电平,所以单片机的第一串行通信口TXD,RXD可以直接与MSM75125B的XD和RD相连;单片机的P1.0,P1.1分别连接MSM7512B的MOD2和MOD1,按通信的要求,在收发之间转换,以控制调制解调芯片的工作状态;P1.4则控制无线电台收/发状态的转换(PTT)。MSM75125B的AO和AI分别通过接口电路与无线电台的送/受话器相连。作为系统外部监视的显示电路全部由发光二极管和电阻构成,其中红色发光二极管D1为电源指示,
亮则表示系统的初始化过程正确;黄色发光二极管D2为发送正确指示,系统每正确完成一次数据发送任务,它应闪烁一次; D3为载波检测指示,如果亮则表示调制解调器检测到了信道中的有效载波信号;D4为数据传输指示,系统在发送数据时它就开始闪烁,直至数据发送完毕。如果前端传感器有数据需要传送时,产生一个下降沿脉冲,触发单片机的外部中断INT0(P3.2),单片机响应中断后,将前方来的8位并行数据由P2口(P2.0～P2.5)读入,由于P2口内部有上拉电阻,因此作为输入口时,可用TTL或MOS电路驱动,而不要外加上拉电阻。W77E58的串行通信口2可留作系统的扩展口备用。
2 接收方调制解调器与单片机的接口电路
接收方调制解调器电路与战场传感器方调制解调器电路在单片机和调制解调芯片的使用[6]和控制是一样的。所不同的是:单片机的第二串行口通过电平转换电路与计算机的RS 232C口相连,把接收到的数字信号传送给微机。接收方调制解调器与单片机的接口电路[7]如图2所示。发光二极管显示电路作用也不完全相同,其中D1～D8为接收数据显示,它能把正确接收的数据以二进数的形式显示出来,D9为系统的电源指示,D10为发送正确指示,D11为载波检测指示,D12为数据传送指示。
图2 接收方调制解调器与单片机的接口电路
3 调制解调器与PC机接口电路的设计
调制解调器与PC机接口实际上也就是调制解调器中单片机W77E58与PC机的接口电路,W77E58支持TTL电平,而微机串行通信口RS 232C支持EIA电平,因此在实现它们之间的串行通信时,必须设计电平转换电路,以满足它们各自的需要。
电平转换电路是指挥中心方调制解调器与微机的接口电路,它也是数据无线传输系统硬件电路(指挥中心方)的一个组成部分。其工作过程如下:由调制解调器解调出来的数字信号[8],由单片机处理后,从W77E58的串行通信口2,经电平转换芯片MAX232、PC机的RS 232C口(DB9)和微机内部的UART,最后传递给CPU,在监控平台上显示出来。其电路原理图如图3所示。
4 图像无线传输软件设计
程序共分五个部分,三个主程序为:发送方单片机程序、接收方单片机程序和微机接收程序;两个子程序为:差错处理子程序、发送延时子程序。
收、发双方及单片机与PC机之间的联络均采用软件“握手”信号联络。所有联络“握手”信号均为#0AAH,接收正确后应答信号为#00H,接收错误则应答为#0FFH。
传感器一方在无数据需要传输时,通过单片机的编程控制使MSM7512B工作在省电模式,此时调制解调芯片(不含W77E58)的功耗仅为0.1 mW,可以最大限度地延长电池的使用时间。
单片机与MSM7512B的逻辑控制关系:P1.0MOD2,P1.1MOD1,P1.5AOG,另外P1.4电台PTT,单片机控制MSM7512B和电台进行收、发转换。前端传感器有数据传输时,产生一个下降沿的脉冲信号启动整个系统的程序运行,数据传输完毕后,系统返回初始状态。单片机的P1.5口控制选择MSM7512B的的输出电平。
设定单片机的2个串行口都工作于串行口工作方式1;定时器T1工作于方式2(自动重装初值)[9],作波特率发生器,通过调整T1的初装值,用来选择1 200 b/s,600 b/s和300 b/s三种速率;定时器T2工作于方式1,作定时器,用来设计安排延时。
在系统的设计过程中,为了减少电台灵敏度不高和信道质量差误码等影响,发送方需连续发5次“握手”联络信号,接收方在连续2次收到正确的联络信号以后,才确认是有效的联络予以响应,否则认为是干扰信号,不予以响应。这样既能减少各类原因造成的接收机程序不启动运行导致漏报的可能性,又能保证接收机不因干扰信号而误操作,减少误报的机率。另外综合考虑电台的收发转换和调制解调芯片的收发转化所需的各类延时时间,在设计程序时专门安排了一个延时时间。经过大量的实验,得出一个比较合适的延时时间,即不论通信哪一方,在由收转为发状态后,都先延时70 ms,因为时间太短了系统不能正常工作,太长了可能会影响数据的传输速率,降低数据传输的时性。系统数据发射端和接收端单片机程序流程图如图4所示。
5 结 语
通过对MSM7512B调制解调芯片性能特点的了解,设计出了发射端和接收端调制解调器的实际电路,然后简单介绍了具有双串口功能的单片机W77E58的性能特点后,给出了数据无线传输系统的接收方单片机与PC机之间串行通信的硬件电路图,并描述了Modem与电台接口电路的设计过程,最后叙述了整个系统单片机软件的特点。从整体上给出了无线传感器网络数据无线传输系统的设计原理图。
无线传感器网络涉及传感器技术、网络通讯技术、无线传输技术、嵌入式计算技术、微电子制造技术、软件编程技术等领域,具有跨学科的特点,在军事、民防、环境、生态、农业、健康、家庭和其他领域都有广阔的应用前景,在空间探索和灾难救助等特殊领域,传感器网络业有其得天独厚的技术优势。
参考文献
[1]纪阳,张平.无线传感器网络的体系结构[J].中兴通讯技术,2005(4):32-35.
[2]盛敏,田野,李建东.无线传感器网络与自组织网络的研究现状[J].中兴通讯技术,2005(4):24-27.
[3]王家桢,王俊杰.传感器技术[M].北京:清华大学出版社,1996.
[4]毕厚杰.图像通信工程[M].北京:人民邮电出版社,1995.
[5]陆赛珍.无线数据通信中调制解调器的设计[J].通信技术与发展,1991(3):40-43.
[6]李键,王立宁.803l单片机控制调制解调器远程数据传输技术[J].电子技术应用,1999(5):37-39.
[7]黄宜适.单片FSK调制解调芯片MSM7512B及其应用[J].电子技术应用,1998(9):4-7.
无线传感器网络篇10
现在广泛应用的传感器是由许多体积小、价格低廉、用电池供电的具有无线通信功能和检测能力的传感器节点组合而成的。无线传感器网络涉及了传感技术、嵌入式计算技术以及无线通信技术等多个领域的内容，成为了当前国际上关注度较高的、多学科交叉的研究热点。无线传感器网络可以通过各个微型传感器之间的相互协作，完成实时的监测和采集信息的任务，然后将汇总的信息以无线的方式发送出去，通过网络到达系统的终端用户处，从而在物理领域、计算机领域和人类社会三者之间建立联系。
无线传感器网络目前已经得到了广泛的应用。无论是在军事国防、工农业领域，还是在生物医疗、环境监测、抢险救灾领域，无线传感器网络都收到了良好的效果。现在国内外的学术界和工业界的很多人都把目光聚集在了无线传感器网络技术的进一步开发和利用上，无线传感器网络已经产生了巨大的使用价值，它被认为是将对21世纪产生重大影响的科技之一。
1 无线传感器网络的技术特点
1.1 无线传感器网络所使用的传感器耗能少、体积小、价格低、集成度高。无线传感器网络技术并不是简单的将原有的传感器通过无线网络连接在一起。微机电系统技术和低耗能电子技术的不断发展，成就了新型的传感器节点。这些新型节点耗能少、体积小、价格低，并且具有微型的传感器、执行器和处理器等多种功能部件。和以前的传统传感器相比，无线传感器网络节点的优势更加明显，具有能少、体积小、价格低、集成度高等传统传感器无法比拟的特点。
1.2 无线传感器网络的节点分布更为密集。无线传感器网络的一个重要特点就是在需要进行监测的范围内密集的放置数量较多的相同或是不同类型的传感器节点。通过这种密集的节点布置，可以将获取区域更详细的信息或是对统一对象获取多个角度的信息，然后将获取的大量信息进行处理，从而提高监测的精准程度，降低对单一传感器节点的精度要求。通过在监测区域设置了密集的节点，其中一部分节点并不必要，这些冗余的节点会产生一定的容错能力，从而降低了对某一个单一节点稳定性的要求。除此之外，密布的节点还可以让各个节点得到合理的休息和调整，从而延长整个无线传感器网络的使用寿命。
1.3 无线传感器网络采用的是自组织网络环境。无线传感器网络的自组织性质是由自身的特点所决定的。第一，无线传感器网络使用过程中往往没有固定的网络提供支持；第二，无线传感器网络的传感器较多，布置地点随机进行选择，其具体的相对位置关系无法提前确定；第三，传感器受外界环境或是自身因素影响，可能会出现失效情况，亦或是出于增加精度和弥补失效节点的目的，在监测中途增加补充一些新的节点，无线传感器网络处于一个动态的变化之中。由于以上所述的三点原因，无线传感器网络需要节点之间自动进行管理和调节，从而适应不断变化的各种环境，保证无线传感器网络整体工作的连续性与高效性。
2 无线传感器网络的发展历史
传感器网络已经经历了四代的发展。第一代的传感器网络诞生在上世纪70年代，使用的传感器具有简单的信号获取能力，通过点到点的传输方式，与控制器连接在一起，形成传感器网络；第二代的传感器网络功能得到了较大提升，可以获取多种不同的信息信号，通过串联或是并联接口与相应的控制器连接，从而构成一个能够接受多种综合信息的传感器网络系统；当传感器网络发展到第三代时，传感器不但可以收集各种不同的信息信号，还采用了现场总线连接的方式与控制器连接，形成了具有一定智能化的传感器网络。无线传感器网络目前还处于研发、探索阶段，它将是传感器网络的第四代产品。无线传感器网络应用的传感器数量大、功能多，并且能够获取多种信号，采用无线自组织接入网络，与传感器网络控制器连接。
无线传感器网络是一个整个兴起的传感器网络，正逐步受到各方面的关注。目前，美国的许多规模较大的IT公司开始通过与高等学校合作的方式，加大对无线传感器网络技术的研究工作。美国的许多著名高校也启动了相应的计划，在无线传感器网络方面开展深入的研究。我国对无线传感器网络的研究工作也在发展之中，从本世纪初，国家自然科学基金委员会就已经批准了大量有无线传感器网络有关的课题，国家发改委也出台了计划，对无线传感器网络的相关课题进行了专门部署。
3 无线传感器网络的研究与应用现状
目前无线传感器网络的研究主要是在通信、节能和网络控制三个领域，且都取得了一定的进展，为无线传感器网投入实际生产奠定了良好的理论基础。无线传感器网络具有成本低、耗能少的有点，这样就可以在一个很大的范围能进行分散布置，即便不利于是在不利于人类活动的地方，利用无线传感器网络技术都可以取得良好的工作效果，应用领域十分广泛。就目前我国的研究应用情况来看，无线传感器网络可以应用于军事、环境监测、医疗健康、空间探测、工业生产等领域。
4 无线传感器网络研究的热点和方向
4.1 通信协议。通信协议可分为三个研究方向：物理层通信协议、数据链路层协议、网络层协议和信息层协议。其中物理层主要研究传感器网络的传输媒体、频段选择、调制方式等，数据链主要研究网络拓扑、信道接入方式、混合结构和Mesb等多种结构。网络层协议主演研究路由协议，传输层协议的研究视为网络提供可靠的数据和恢复功能。
4.2 网络管理。网路管理主要分为两种：能量管理和安全管理。能量管理是为了减少节点的耗能，在不降低工作性能的基础上，对网络进行优化，平衡网络的能量消耗；安全管理主要关注的是无线传感器网络的安全问题，包括认证、防干扰信息等。
4.3 硬件资源。无线传感器网络的硬件发展方式向市微型化、低成本和新型能源。无线传感器网络微型化主要是要将使用节点的体积减小；降低成本则需要在不影响性能的基础上减少硬件花费；通过太阳能等新能源的开发利用，可以解决无线传感器网络发展中遇到的能源问题。
参考文献
无线传感器网络篇11
无线传感器网络，通常指的是由大量的高密度部署的传感器节点所组成的一个网络化应用系统。无线传感器网络是计算机技术、通信技术以及传感器技术的结合物，它的主要功能是实现对于信息的无线传感，同时通过传感器网络的通信网络将信息传送到制定的终端。近几年，随着经济社会发展程度的不断提高，同时加之人们对于无线感知的认识不断增强，因此对于普及无线传感器网络的需求越来越旺盛，同时无线传感器网络的发展和建设也极大的推动了相关的传感器和信息传输技术的发展，对于推动传感器技术的发展，推动各个应用领域的进一步改善和发展有着十分积极的意义。
一、无线传感器网络的原理
通常情况下，无线传感器主要包括四个基本的组成部分，分别是传感器的目标、汇集节点、传感器节点以及具体的感知环境，同时无线传感器网络还需要对具有的无线传感器应用网络进行合适的网络部署以及用户单元的具体化描述，因此无线传感器网络是一个较为复杂的传感器网络，其涉及到的技术众多，同时还需要对所使用的不同技术进行合理的调节。无线传感器网络的实现原理即是通过对某个特定的区域大量的部署无线传感器，实现对于该区域的具体目标的感知。其具体的实现方式是由众多的无线传感器收集具体的目标信息，然后对信息进行汇总，再通过无线传感器网络的外部通信网络实现对于节点信息的传输和存储。因此，用户可以通过无线传感器网络对具体的目标实现自由的感知，有利于用户对特定区域的目标实现有关数据的检测和收集，对于降低用户的数据收集工作量、提高用户数据采集效率有着十分重要的意义。在无线传感器网络中，其核心的部分是无线传感器的网络节点，每个网络节点都是由微处理器组成的，通常情况下报考数据的采集、处理、无线通信以及电源供应模块。具体来讲，数据采集模块主要是通过无线传感器对特定区域的目标实现无线感知，同时将无线传感器的信号转化为特定的信息形式；控制模块主要由一些微处理器实现，其主要的功能是实现对于节点无线传感器的控制，同时对节点的存储、信息处理等实现控制；无线传感器模块则主要负责无线传感器网络的外部无线通信，其包括特定频率的无线收发模块，同时嵌入特定的无线通信协议，是信息的传输、交换的基础；电源供应模块主要负责对整个的无线传感器网络进行供电，为传感器网络的各个节点实现能量的供应，以保证无线传感器网络的正常运行。
二、无线传感器网络的应用研究
无线传感器网络的应用取得了巨大的发展，并且取得了大规模的应用，其主要应用在以下几个领域：
（一）军事领域。军事领域的应用是无线传感器网络产生的重要推动力量，同时也是无线传感器网络应用最为广泛的领域。在军事领域的应用最早可以追溯到越南战争时期美军用于进行侦查的无线传感器。无线传感器网络在军事领域的大规模应用主要得益于其灵活的区域部署能力、较强的隐蔽性能、易于实现密集分布等，使得无线传感器网络更加适合在复杂的战场环境下应用，其在军事领域的应用具体包括对于战场的侦查、装备物资部署情况分析、战场损伤评估等。
（二）医疗领域。无线传感器网络在医疗领域的应用也是一个重要的方面，其具体的应用包括利用无线传感器网络实现对于医疗机构药品的管理、辅助诊断、病人定位以及远程医疗的实现等，并且已经取得了很大的成功。在无线传感器网络组成的医疗环境下可以对病人的各个方面的生命体征实现感知，并且可以通过事先设置的参数对病人的病情进行判断，可以实现对病人健康状况的实时化检测，在未来的医疗发展中会有着更加广阔的应用。
（三）环境保护领域。随着生态环境的日益恶化，人们对于环境保护的意识越来越强，这也为无线传感器网络在环境保护领域的应用带来了机遇。通常情况下，在环境保护领域需要对海洋、火山、森林等恶劣环境实现定期的检测，传统的检测方式需要耗费巨大的人力物力，而无线传感器网络的应用大幅度的降低了环境检测的难度，同时也在很大程度上提高了环境检测数据准确性。例如由我国研制的具备自主知识产权的无线传感器网络已经实现了对南极洲的环境检测，这是环境检测领域的重大突破，对于提高人们掌握地球环境变化、提高人们的环境保护意识有着重要的意义。
（四）工农业领域。无线传感器网络在农业领域的应用主要是实现对于农产品的检测以及农田环境的检测，并且在检测的过程中获得作物和土壤成分的具体信息，对于指导农作物管理、提高农业的现代化水平有着十分积极的意义。同时无线传感器还大规模的应用于农业的土壤灌溉领域，对于节约水资源有着重要意义。在工业领域，无线传感器网络也有着十分重要的应用，主要实现对于工业生产线的检测，对于降低生产线的成本、提高工业产品的质量有着积极的作用。
（五）智能家居领域。随着人们生活水平的提高，对于智能家居有着更加旺盛的需求，而无线传感器网络的应用也极大的推动力智能家居的发展和推广。无线传感器网络主要实现对智能家居系统的环境检测、家居环境安全性检测以及对家居的舒适度的检测和控制等。因此，无线传感器网络是实现智能家居系统设计的基础环节，其设计的好坏直接影响着智能家居系统设计的好坏，对于提高智能家居的用户体验有着至关重要的作用。
三、结束语
无线传感器网络的发展对于推动经济社会发展、提高人们的生活水平有着十分重要的意义，同时需要在无线传感器网络的应用过程中注意到无线传感器网络的安全性，并且需要采取积极的措施进行预防。
参考文献：
无线传感器网络篇12
无线通信网络；传感器；终端节点；网关节点
随着我国经济的发展，环境资源污染严重，需要实时监测，提高控制成效。另外，一些重工业生产环境比较恶劣和复杂，不利于人们进行工作，而采用有线光缆不利于组网，并且易于损坏，因此需要使用传感器、ZigBee、WiFi和6LoWPAN等技术构建一个传感器无线通信网络，进一步改进传感器无线网络组网的灵活性[1]。传感器、无线网络的快速发展和应用可以满足环境资源监测、工业制造智能监控、公共安全监控等需要，具有重要的作用和意义[2]。
目前，常用的无线通信技术包括ZigBee、WiFi、RFID、6LoWPAN和4G移动通信等无线通信技术，可以大幅度提高组网的灵活性，实现传感器信息采集、发送和接收。每一种无线通信技术应用描述如下：（1）ZigBee技术。ZigBee技术是一种低速率、短距离无线通信技术，其可以将部署于重工业环境中的传感器连接在一起，形成一个良好的自组织通信网络。网络通信可靠性较高，具有较低的节点功耗，可实现重工业生产数据的集中式共享、传输管理[3]。（2）6LoWPAN技术。6LoWPAN（IPv6overIEEE802.15.4）是一种基于IPv6的低速无线个域网通信标准，其可以把传统的无线通信协议扩展到IP链路上进行网络通信，提高了重工业生产环境数据通信的可靠性[4]。（3）WiFi技术。WiFi是一种灵活的无线数据通信系统，其可以在短距离内实现设备组网，可以作为有线局域网的延伸，也可以单独组网，实现移动计算机服务器、终端设备等实现数据传输和共享[5]。（4）RFID技术。RFID是一种无线射频识别技术，该技术采用非接触式数据传输功能，能够实时地采集工业生产环境的设备信息，并且将这些信息保存在RFID服务器中，实现数据流的实时化传输和共享。（5）4G移动通信技术。4G通信技术已经成为当前无线移动通信的主流技术，该技术使用OFDM的多址接入模式，可以有效地增强无线链路通信技术，采用高可靠性的软件无线电技术和高校的调制解调技术，有效地提高了数据传输的速率。
1.传感器在无线通信网络中的应用
无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）通常是指部署在检测区域内的一些数据采集传感器构成的、能够通过无线通信网络进行数据传输的一种具有多跳特征的自组织网络。无线传感器网络可以互相协作，采集和处理网络覆盖区域内的各种可以感知的对象信息，并且将其发送至观察者。在无线传感器网络中，传感器节点是网络的基本组成元素，其可以部署在不同的位置，并且将采集、预处理的数据发送到汇聚节点，这些数据可以包括覆盖区域的各类环境信息，比如湿度、温度、光强度、噪声、压力等一些人们感兴趣的物质现象。无线传感器网络中的汇聚节点可以负责收集、汇总网络覆盖区域所有节点的数据，是整个无线传感器网络的中心节点，其负责管理、组织传感器网络节点，也可以与其他的汇聚节点、功能模块单元共同构成一个功能更加强的网络，比如4G通信模块、远程数据采集模块等，实现人们实时的监控环境信息，具有重要的作用和意义。
2.无线通信网络传感器节点设计
无线传感器网络主要包括两种节点，分别是终端节点和网关节点。终端节点是组成无线传感器网络的传感器节点。在无线传感器网络中，传感器节点可以完成数据采集、数据传输，因此传感器节点的硬件部分主要由电源模块、电源管理模块、时钟模块、射频天线单元、LED显示模块、信号调理模块和传感器模块共同构成。传感器节点上的射频天线单元、时钟模块、LED显示模块的主要功能与路由器节点的功能是完全一致的，因此，部分硬件功能的电路设计过程中可以进行通用。电源管理单元可以为传感器提供工作电压，并且在设计过程中可以降低每一个节点的工作能耗，有效节约电源。另外，电源管理单位还可以控制工作电压的开关，并且保证系统采集数据时能够有效地管理电压，使得数据采集部分的能耗为零，能够优化传感器的部署节点，保证传感器模块将采集的信号转换为数字信号，提高了无线传感器室内监测的准确度。终端节点如图1所示。网关节点又被称为路由器节点。网关节点的主要作用是实现数据汇聚和转发功能。在无线传感器网络中，网关节点可以自由灵活放置，网关节点的主要能量也是来源于电池，因此网关节点的硬件电路结构相对比较简单，主要由电源模块、时钟模块、CC2350、射频天线单元、LED显示模块共同组成。网关节点的组成模块如图2所示。目前，无线传感器节点通常可以采用德州仪器生产的传感器CC2350芯片，其集成了信息射频收发和MCU控制功能，拥有一颗强大的32MHz晶振及其他相关的阻容器件。同时，CC2350芯片采用板载PCB板天线设计，采用巴伦匹配电路，因此传感器的接受灵敏度可以达到-97dB，在接口设计与德州仪器官方的CC2350EM完全融合在一起，具有极其强大的软件开发功能，并且在室外进行通信的条件下，其可以覆盖250m左右的距离。如果覆盖在室内，其可以穿透非混凝土墙，距离可以达到10m左右，并且这种传输距离完全可以满足室内监控的需求。
3.结束语
无线传感器网络作为一种新兴网络，是下一代传感器网络发展的重要方向。无线传感器网络的应用前景广阔，具有较高的商业价值，国内外许多科技企业、高校机构等组织都非常重视无线传感器网络的研究和发展，从而有效促进了无线传感器的快速改进，在传感器节点部署、能量供给、处理数据能力等方面取得了显著的成效。当前，无线传感器网络已经在军事战场指挥网络、土地环境监测、水源环境监测、交通管理、医疗卫生救治、工业控制和抗震救灾等多个领域得到了广泛的应用，其可以主动地采集应用领域的温度、湿度、污染程度、视频图像等信息，并且通过无线传感器网络节点实现实时化、自动化数据发送和传输，有助于扩展人类认知、认识客观世界的渠道，进一步感知生活环境信息，改善人类工作、生活的信息化水平。
【参考文献】
[1]陈旿,孙建华,于振兴,等.基于IEEE1588的无线传感器网络时钟同步方法[J].系统工程与电子技术,2014,36(3):564-574.
[2]汪华斌,罗中良,陈治明,等.基于WIFI+GPRS的无线传感器网络监控系统[J].计算机系统应用,2014,23(3):224-227.
[3]张会新,陈德沅,彭晴晴,等.一种改进的TDOA无线传感器网络节点定位算法[J].传感技术学报,2015(3):412-415.
无线传感器网络篇13
随着微机电技术、无线通信技术和数字信息处理技术的发展,低成本、低功耗、多功能、小尺寸的传感节点变成现实,此类节点包含有传感、数据处理和通信功能,传感节点可以在短距离内进行通信。与传统传感器不同的是,此类传感器依赖于大量传感节点的协同工作,传感器网络是对传统传感器的一大革新[1]。传感器网络被美国的《商业周刊》评为影响21世纪的21个方面[2],被美国麻省理工学院《技术评论》评为即将改变世界的十大技术[3]。
1无线传感器网络的发展
无线传感器网络的构想最初由美国军方提出,美国国防部高级研究所计划署于1978年开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络的研究,这被看成是无线传感器网络的雏形。此后,类似的项目在全美高校间广泛展开,著名的有uc berkeley的smart dust项目、ucla的wins项目以及多所机构联合攻关的sensit计划[4]等。在这些项目取得进展的同时,其应用也从军用转向民用。在森林火灾、洪水监测等环境应用中,在人体生理数据监测、药品管理等医疗应用中,在家庭环境的智能化应用及商务应用中都已形成。
2无线传感器网络的组成
2.1无线传感器网络的节点结构
无线传感器的网络节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成(见图1)[5]。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,交换控制消息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。
2.2无线传感器网络的网络结构
传感器网络是由大量的传感节点组成,传感节点部署在检测区域的附件传感器网络结构如图2所示,传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。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,监测任务以及收集监测数据。
3无线传感器网络的特点
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;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使用,这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一[6]。因为无线传感器网络的节点数量巨大,每个传感节点的尺寸和成本的的限制,而且还处在随时变化的环境中,这就使它有着不同于普通传感器网络的独特“个性”。
3.1无中心和自组网特性
在无线传感器网络中,所有节点的地位都是平等的,没有预先指定的中心,各节点通过分布式算法来相互协调,在无人值守的情况下,节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没有中心,网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。
3.2网络拓扑的动态变化性
网络中的节点是处于不断变化的环境中,它的状态也在相应地发生变化,加之无线通信信道的不稳定性,网络拓扑因此也在不断地调整变化,而这种变化方式是无人能准确预测出来的。
3.3传输能力的有限性
无线传感器网络通过无线电波进行数据传输,虽然省去了布线的烦恼,但是相对于有线网络,低带宽则成为它的天生缺陷。同时,信号之间还存在相互干扰,信号自身也在不断地衰减。
3.4能量的限制
为了测量真实世界的具体值,各个节点会密集地分布于待测区域内,人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量,或者从自身以外汲取能量(如太阳能)。
3.5安全性的问题
无线信道、有限的能量,分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此,安全性在网络的设计中至关重要。
4无线传感器网络的关键技术
4.1物理层技术
无线传感器网络是一个开放系统互联,按照国际标准化组织(iso)的规定,为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做物理层。从这个定义可以看出,物理层需要承担为数据终端提供数据传输通路、传输数据和完成管理工作的职责。具体到无线传感器网络就是介质的选择、频段的选择、调制技术以及扩频技术[7]。由于是无线网络,传输介质自然要选电磁波。不过,源信号要依靠电磁波传输必须通过调制技术变成高频信号,当抵达接受端时,又通过解调技术还原成原始信号。
在物理层面上,无线传感器网络遵从的主要是ieee 802.15.4标准。依照此标准,其物理层主要进行如下工作:激活和去活无线收发器,检测当前信道的能量,发送指示,信道频率的选择,数据发送与接收。ieee 802.15.4标准规划了几个工作频段。其中,2.4ghz频段的物理层可提供250kb/s的数据传输率,适用于高吞吐量、低延时或低作业周期的场合;工作在869/915mhz频段的物理层则能提供20kb/s的数据传输率,适用于低速率、高灵敏度和大覆盖面积的场合。依据ieee 802.15.4标准的协议被称为zigee,其传输带宽虽然不及wi-fi和blue tooth,但是能耗较低,非常适合无线传感器网络[8]。图3为各无线协议工作的频段。
4.2mac层协议
信号的传输要靠信道,因此信道也就成为了一种宝贵的资源。如何合理有效地分配信道,是数据链路层中的mac子层要解决的问题。
无线传感器网络经常使用的有3种mac协议,即传感器协议(s-mac)、分布式能量意识协议(de-mac)和协调设备协议[9]。s-mac协议通过调配节点的休眠方式来有效地分配信道;de-mac则采用周期性监听和休眠机制,避免空闲监听和串音,其目的是减少能耗和增加网络的生存周期;md协议则能为大规模、低占空比运行的节点提供不需要高精度时钟的可靠通信。总体来说,无线传感器网络的mac协议在分配信道的同时还要保证系统的能耗最低。
4.3路由协议
在具备底层传输协议的保障后,信息如何快速地从源传输到目的地是由路由协议来解决的。路由要实现2个基本功能,即确定最佳路径和通过网络传输信息。数据传输的途径存于路由表,由路由算法初始化并负责维护[8]。无线传感器网络与普通的网络不同,它具有能量受限、通信方式以数 据为中心、相邻节点的数据具有相似性、拓扑结构也在不断变化等特点。与此对应,常规网络的路由并不一定能适应无线传感器网络。
4.4能量管理
能耗是无线传感器网络所面临的最大问题,因为节点长期处于无人值守的状况下,有效的能耗策略必不可少。目前最常使用的策略是休眠机制,即在节点空闲时,使其处于休眠状态,此时其能耗降到最低。但是休眠的节点在转回正常状态的时候,往往会消耗大量的能量,因此寻找合理的状态转换策略是确保休眠机制成功的关键[10]。数据融合是另一项节能技术。多个邻近节点经常会采集同样的信息,发送这些冗余信息就给系统增加了不必要的负担。因此,通过本地计算和筛选,确保发送出最有效的信息就是数据融合的任务。其他能量管理策略还有冲突避免和纠错以及多跳短距离通信等。
4.5软件支持
tinyos是uc berkeley针对其无线传感器网络节点开发的操作系统。该系统不同于传统意义上的操作系统,它更像一个编程构架,在此构架下,搭配一组必要的组件,就能方便地编译出面向特定应用的操作系统。tinyos由众多组件组成,包括了主组件、应用组件、执行组件、传感组件、通信组件和硬件抽象组件。每一个组件在其内部都封装了命令处理程序和事件处理程序,它们通过接口声明所调用的命令和将要触发的事件。调度器则负责根据任务的轻重缓急来安排系统的工作。crossbow公司生产的mica传感器平台上就使用了tinyos系统[11]。实践证明,其基本应用只占用很少的系统资源,能圆满的完成数据采集、处理和通信组网以及数据传输等任务。
5无线传感器网络的应用
商业化的无线传感器产品中最常见的就是智能节点。uc berkeley是无线传感器研究开展较早的美国高校。基于他们研发成果的无线传感器器件被称为mote,这也是目前最为通用的一种无线传感器网络产品,是由crossbow公司生产的。最基本的mote组件是mica系列处理器+无线模块,完全符合ieee 802.15.4标准。最新型的mica2可以工作在868/916、433、315mhz 3个频带,数据速率为40kb/s,通信范围可达304.8m。其配备了128kb的编程用闪存和512kb的测量用闪存,4kb的eeprom,串行通信接口为uart模式。著名的芯片公司ti也推出了基于其低功耗处理器msp430单片机的无线传感器网络的组件和模块。
从应用的情况来看,北美的状况最好,在楼宇自动化、环境监控等方面,无线传感器网络已经开始大范围应用。但对于整理
6参考文献
[1] akyildiz i f,su w,sankarasubramaniam y,et al. wireless sensor networks:a survey[j]. comput netw,2002,38(4):393-422.
[2] 杨少军,史浩山,刘晨亮.面向应用的无线自组传感器网络研究[j].计算机工程与应用,2004,40(35):7-9.
[3] 吴选忠,宋执环.无线传感器络在周界防范系统中的应用[j].低压电器,2008(6):29-32,44.
[4] chong c y,kumar s p. sensor networks:evolution,opportunities,and challenges[j]. proceedings of the ieee,2003,91(8):1247-1256.
[5] 孙利民,李建中,陈渝.无线传感器网络[m].北京:清华大学出版社,2005.
[6] 李晓延.浅谈无线传感器网络[j].今日电子,2006(9):57-59.
[7] 蒋峥峥,王汝传,孙力娟.基于移动agent无线传感器网络节点自定位算法[j].计算机技术与发展,2007,17(6):1-4,8.
[8] 田鹰.无线传感器网络路由协议关键技术的研究[d].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2009.
