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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.
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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。
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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.
篇3
IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。
一、无线传感器网络的组成
一个完整的无线传感器网络的体系结构主要由传感器节点、汇聚节点、用户节点三部
分组成。大量传感器节点被放置在监测区域（云图包围部分），假定传感器节点A有监测数据要上报到用户节点，则通过自组织路由协议建立A，B，C，D之间的无线链路，D再通过与之连接的汇聚节点将数据经由卫星、互联网或移动通信网等传输网络送达用户节点。由于被监测区域往往不方便建立固定设施及有线链路，因此传感器节点之间的数据传输通常采取无线方式，而汇聚节点与用户节点之间的传输既可采用有线方式，也可采用无线方式。
在无线传感器网络中，传感器节点是整个网络的基础，它们担负着感知数据、处理数据、存储数据及传输数据的功能。
传感器节点主要由传感器、模数转换模块、计算模块、存储模块、通信模块、电源模块几部分组成，并在嵌人式软件系统的支持下完成传感器节点的各项功能。传感器负责各种监测数据的获取，将感知对象转变成电信号。模数转换模块将非数字监测信号转变成数字信号，方便后期处理。计算模块和存储模块主要处理传感器和模数转换送来的监测数据。通信模块将计算模块的处理结果通过无线方式传输到下一个节点。
二、无线传感网的热点研究问题
2.1 安全问题
2.1.1 安全路由
通常，在无线传感器网络中，大量的传感器节点密集分布在一个区域里，消息可能需要经过若干节点才能到达目的地，而且传感器网络具有动态性和多跳结构，要求每个节点都应具有路由功能。由于每个节点都是潜在的路由节点，因此更易受到攻击，使网络不安全。网络层路由协议为整个无线传感器网络提供了关键的路由服务，安全的路由算法会直接影响无线传感器网络的安全性和可用性。安全路由协议一般采用链路层加密和认证、多路径路由、身份认证、双向连接认证和认证广播等机制，有效提高网络抵御外部攻击的能力，增强路由的安全性。
2.1.2 安全协议
在安全保障方面主要有密钥管理和安全组播两种方式。1）密钥管理：无线传感器网络有诸多限制，例如节点能力限制，使其只能使用对称密钥和Hash技术；电源能力限制，应使其在无限传感器网络中尽量减少通信，因为通信的耗电将大于计算的耗电；传感器网络还应考虑汇聚等减少数据冗余的问题。在部署节点前，将密钥预先配置在节点中，通常，预配置的密钥方案通过预存的秘密信息计算会话密钥，由于节点存储和能量的限制，预配置密钥管理方案必须考虑节省存储空间和减少通信开销。2）安全组播：无线传感器网络可能设置在敌对环境中，为了防止供给者向网络注入伪造信息，需要在无线传感器网络中实现基于源端认证的安全组播。
2.2 能量问题
传感器的节点分布众多，并且需要进行监测、数据处理等活动，而无线传感器网络中的节点一般用电池供电，可使用的电量非常有限，并且对于有成千上万节点的无线传感器网络来说，更换电池非常困难，甚至是不可能的，但是却要求无线传感器网络的生存时间长达数月甚至数年，因此，如何在不影响功能的前提下，尽可能节约无线传感器网络的电池能量成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题。现在已有一些解决方法，在大多数网络应用中，由于传感器节点监测事件的偶发性，没有必要让所有单元均工作在正常状态下，可采用休眠模式，能自适应的休眠和唤醒，进行突发工作，节省能量。还可将所有功耗单元有机组合，形成不同状态，让传感器节点能根据需要在不同状态间切换，这样既可以满足系统需要，又节省了能源。还可以动态调节电压以节省能量，根据负载状态动态调节供电电压，形成一个闭环控制系统，节省能量。总之，在满足系统要求的情况下，采用各种方法降低耗电量非常必要。
三、总结
本文总结了当前制约无线传感器网络实际应用的因素及目前的研究热点。无线传感网络最终将成为联系信息世界和客观物理实际的接口，从而人类可以通过传感器网络获得客观物理世界的信息并采取相应措施。
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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.
篇5
无线传感器网络是一种新型的传感器网络，其主要是由大量的传感器节点组成，利用无线网络组成一个自动配置的网络系统，并将感知和收集到的信息发给管理部门。目前无线传感器网络在军事、生态环境、医疗和家居方面都有一定应用，未来无线传感器网络的发展前景将是不可估量的。
二、无线传感器网络的特点
（一）节点数量多
在监测区通常都会安置许多传感器节点，并通过分布式处理信息，这样就能够提高监测的准确性，有效获取更加精确的信息，并降低对节点传感器的精度要求[1]。此外，由于节点数量多，因此存在许多冗余节点，这样就能使系统的容错能力较强，并且节点数量多还能够覆盖到更广阔的监测区域，有效减少监测盲区。
（二）动态拓扑
无线传感器网络属于动态网络，其节点并非固定的。当某个节电出现故障或是耗尽电池后，将会退出网络，此外，还可能由于需要而被转移添加到其他的网络当中。
（三）自组织网络
无线传感器的节点位置并不能进行精确预先设定。节点之间的相互位置也无法预知，例如通过使用飞机播散节点或随意放置在无人或危险的区域内。在这种情况下，就要求传感器节点自身能够具有一定的组织能力，能够自动进行相关管理和配置。
（四）多跳路由
无线传感网络中，节点之间的距离通常都在几十到几百米，因此节点只能与其相邻的节点进行直接通信。如果需要与范围外的节点进行通信，就需要经过中间节点进行路由。无线传感网络中的多跳路由并不是专门的路由设备，所有传输工作都是由普通的节点完成的[2]。
（五）以数据为中心
无线传感网络中的节点均利用编号标识。由于节点是随机分布的，因此节点的编号和位置之间并没有联系。用户在查询事件时，只需要将事件报告给网络，并不需要告知节点编号。因此这是一种以数据为中心进行查询、传输的方式。
（六）电源能力局限性
通常都是用电池对节点进行供电，而每个节点的能源都是有限的，因此一旦电池的能量消耗完，就是造成节点无法再进行正常工作。
三、无线传感器网络的应用
（一）环境监测应用
无线传感器可以用于进行气象研究、检测洪水和火灾等，在生态环境监测中具有明显优势。随着我国市场经济的不断发展，生态环境污染问题也越来越严重。我国是一个幅员辽阔、资源丰富的农业大国，因此在进行农业生产时利用无线传感器进行对生产环境变化进行监测能够为农业生产带来许多好处，这对我国市场经济的不断发展有着重要意义[4]。
（二）医疗护理应用
无线传感器网络通过使用互联网络将收集到的信息传送到接受端口，例如一些病人身上会有一些用于监测心率、血压等的传感器节点，这样医生就可以随时了解病人的病情，一旦病人出现问题就能够及时进行临时处理和救治。在医疗领域内传感器已经有了一些成功案例，例如芬兰的技术人员设计出了一种可以穿在身上的无线传感器系统，还有SSIM（Smart Sensors and Integrated Microsystems）等。
（三）智能家居建筑应用
文物保护单位的一个重要工作就是要对具有意义的古老建筑实行保护措施。利用无线传感器网络的节点对古老建筑内的温度是、湿度、关照等进行监测，这样就能够对建筑物进行长期有效的监控。对于一些珍贵文物的保存，对保护地的位置、温度和湿度等提前进行检测，可以提高展览品或文物的保存品质。例如，英国一个博物馆基于无线传感器网络设计了一个警报系统，利用放在温度底部的节点检测灯光、振动等信息，以此来保障文物的安全[5]。
目前我国基础建设处在高速发展期，建设单位对各种建设工程的安全施工监测越来越关注。利用无线传感器网络使建筑能够检测到自身状况并将检测数据发送给管理部门，这样管理部门就能够及时掌握建筑状况并根据优先等级来处理建筑修复工作。
另外，在家具或家电汇中设置无线传感器节点，利用无线网络与互联网络，将家居环境打造成一个更加舒适方便的空间，为人们提供更加人性化和智能化的生活环境。通过实时监测屋内温度、湿度、光照等，对房间内的细微变化进行监测和感知，进而对空调、门窗等进行智能控制，这样就能够为人们提供一个更加舒适的生活环境。
（四）军事应用
无线传感器网络具有低能耗、小体积、高抗毁等特性，且其具有高隐蔽性和高度的自组织能力，这为军事侦察提供有效手段。美国在20世纪90年代就开始在军事研究中应用无线传感器网络。无线传感器网络在恶劣的战场内能够实时监控区域内敌军的装备，并对战场上的状况进行监控，对攻击目标进行定位并能够检测生化武器[3]。
目前无线传感器网络在全球许多国家的军事、研究、工业部门都得到了广泛的关注，尤其受到美国国防部和军事部门的重视，美国基于C4ISR又提出了C4KISR的计划，对战场情报的感知和信息综合能力又提出新的要求，并开设了如NSOF系统等的一系列军事无线传感器网络研究。
五、结语
随着无线传感器网络的研究不断深入和扩展，人们对无线传感器的认识也越来越清晰，然而目前无线传感器网络的在技术上还存在一定问题需要解决，例如存储能力、传输能力、覆盖率等。尽管无线传感器网络还有许多技术问题待解决使得现在无法广泛推广和运用，但相信其未来发展前景不可估量。
参考文献：
[1]肖健，吕爱琴，陈吉忠等.无线传感器网络技术中的关键性问题[J].传感器世界.2011.2（7）
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Analysis of Wireless Sensor Networks and Routing Techniques
WANG Yan-qin1, PENG Gang2, LIU Yu1
(1. Institute of Computer and Control, Guilin Uniersity of Electronic Technology, Guilin 541004, China; 2. Educational Technology Center, Guilin Air Force Academy, Guilin 541003, China)
Abstract: Correlative knowledge of wireless sensor network is briefly introduced, including the architecture, the characteristics and the application fields. After key techniques of wireless sensor network are introduced, routing technique is analyzed emphatically, and then the problems and challenges of routing techniques are discussed.
Key words: wireless sensor network; key techniques; routing technique
随着无线通信和计算技术的发展,传感器不仅能感应和监测环境,还可以处理收集到的数据,将其处理后以无线的方式传送到基站。这些具有特殊功能的廉价的无线传感器节点,通过无线链路构成灵活的多跳自组织网络,这就是无线传感器网络(WSN, Wireless Sensor Network)。[1] 无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一,它将会对人类未来的生活方式产生巨大的影响。
1 无线传感器网络
1.1 无线传感器网络节点结构与体系结构
无线传感器网络由许多个功能相同或不同的无线传感器节点组成的以数据为中心的无线自组网络。每一个传感器节点由感应模块、数据处理和控制模块、通信模块和电源模块等组成,如图1。
无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点(Sink Node)和管理节点。[2-3] 传感器节点通常散布在被监测区域中,可以通过无人飞行器、火箭等撒播,也可以通过人工布置的方式完成,自组织形式构成网络。各节点收集数据,并将数据通过多跳中继的方式路由至汇聚节点,最终借助长距离或临时建立的Sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理,体系结构如图2。
1.2 无线传感器网络的特点
无线传感器网络一般是为了某个特定的需要而设计的,有着独特的体系结构和应用背景,使它具有不同于传统网络的诸多特点。
1) 网络自组织性 无线传感器网络可以在任何时刻、任何地点、不需要任何基础网络设施的支持下,由传感器节点本身自组织形成网络,包括网络的运行、维护、管理等完全在网络内部实现。
2) 网络拓扑结构比较稳定 一般网络中的拓扑变化主要由节点的移动造成的,而无线传感器网络中的拓扑结构变化主要由于可移动节点的移动和节点能量的耗尽造成的。
3) 容错性、功能局限性 对于无线传感器网络,节点数目多,安全性比较差,因此整个网络具有容错性;节点能量主要靠电池,但受到体积的限制,使得节点的计算能力、存储空间等局限性表现非常突出。
4) 网络分布式特性 基站节点与传感器节点体现了使用集中式的控制结构,但各个传感器节点之间,是一种无中心的分布式控制网络。
5) 安全性问题严重 由于采用无限信道、有限电源、分布式控制等技术,网络主机更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺睡眠、伪造等形式的各种网络攻击,而且传感器节点往往直接暴露在外面,安全性很差。
2 无线传感器网络的关键技术[4-5]
1) 节点定位 位置信息对于无线传感器网络应用至关重要,没有位置信息的数据毫无意义。大多节点定位分为两个阶段:第一,测量未知节点到附近已知节点的距离;第二,通过这些参考距离,利用数学方法对未知节点的位置进行计算。
2) 时间同步 时间同步的基本思想是:节点以自己的时钟记录事件,随后用第三方广播的基准时间加以校正。这种同步机制应用在确定来自不同节点的监测事件的先后关系时有足够的精度。
3) 路由技术 在无线传感器网络的体系结构中,网络层的路由技术是组网的基础,是无线传感器网络通信层的核心技术,非常重要。路由技术负责将数据分组从源节点通过网络发到目的节点,主要功能是寻找源节点和目的节点间的最优化路径,并将数据分组沿着优化路径正确转发。
4) 数据管理和数据融合 数据融合是一种减少传输数据量,节省能量的策略,数据管理是为了针对无线传感器网络的物理资源受限的特点而采用的特定数据管理措施。二者都是面向具体应用的,只有面向具体应用需求设计具体的数据融合算法和数据管理策略才可以最大限度的提高效率、节省能量。
5) 网络安全 安全技术可以保证无线传感器网络各层正常和正确的运行,对于其它方面,以至于整个网络都有很重要的作用,其中对于保证数据新鲜性和有效性方面表现最为明显。目前,无线传感器网络安全主要集中在密匙管理、身份认证和数据加密方法、安全路由协议和隐私问题。
3 无线传感器网络路由技术
3.1 路由技术分类
无线传感器网络中的路由技术分为平面型协议和层次型协议两种,基本的思想是采用在节点和汇聚节点间建立连接。平面型协议中,所有节点的地位是平等的,原则上不存在瓶颈问题。其缺点是可扩充性差,维护动态变化的路由需要大量的控制信息。在层次型协议中,群成员的功能比较简单,不需要维护负责的路由信息。大大减少了网络中路由控制信息的数量,有很好的可扩充性,其缺点是群头节点可能会成为网络的瓶颈。
3.1.1 平面型路由
1) 泛洪(Flooding)是一种最早的路由技术,不要求维护网络的拓扑结构,也不需要进行路由计算,接收到消息的节点以广播形式转发分组,转发报文给所有邻居节点。虽然实现简单,但容易产生消息的内爆和重叠。
2) 信息协商传感器协议(SPIN,sensor protocol for imformation via negotiation)是以数据为中心的一系列自适应路由协议。通过使用节点间的数据协商和资源自适应机制大大节省了能量,延长了网络寿命,并通过协商机制来解决泛洪算法中的内爆和重叠问题。通过宣告有数据(ADV)、同意接收(REQ)两种报文进行协商,并利用第三种数据报文(DATA)将协商好的所需要的数据发送给指定的节点。
SPIN的优点是每个节点只需要知道它的单跳邻居节点的信息,所以拓扑结构的改变对它的影响的局部的。但还存在一定的缺陷,它不能保证数据的发送,可能出现“数据盲点”。
3) 有序分配路由(SAR,sequential assignment routing)是1999年Katayoun Sohrabi等人在DARPA支持的一个研究中提出的一种主动型平面路由协议。 在选择路径时,SAR策略充分考虑了功耗和分组优先权等特殊要求,采用局部路径恢复和多路径经备份策略,避免节点或链路失败时进行路由重计算需要的过量计算开销。
4) 定向扩散(directed diffusion)是一种典型的以数据为中心的路由协议,与已有的路由算法有截然不同的实现机制。通信是在相邻节点中进行的,每个节点具有数据汇聚和缓存能力。定向扩散一般根据需求发出查询请求,这就减少了数据发送的盲目性。从实际意义上说,能减少能量的消耗。
3.1.2 层次型路由
层次路由协议的基本原理就是根据某种规则把WSN节点划分为多个子集,每个子集成为一个簇,具有一个簇头。每个簇的簇头节点负责全局路由,其他节点通过簇头接收或发送数据。
1) 低能耗自适应分层簇结构(LEACH, low energy adaptive clustering hierarchy)是第1个基于聚簇的协议[6],该协议随机循环地为每个簇选择簇头节点。每个簇头收集本簇中所有节点的数据,聚集后传送到汇聚节点。
LEACH以轮为工作时间单位,每一轮分为两个阶段:启动阶段和稳定阶段。在启动阶段,主要是传送控制信息,建立节点群,并不发送实际的传感数据。为了提高电源效率,稳定阶段应该比启动阶段有着更长的持续时间。在稳定阶段,传感器节点以固定的速度采集数据,并向群头节点发送,群头在向网关发送数据之前,首先对这些信息进行一定程度的融合。在稳定阶段经过一定的时间后,网络重新进入启动阶段,进行下一轮的群头选择。
2) 敏感门限高效能耗传感器网络协议(TEEN, threshold sensitive energy efficient sensor network protocols)与上面介绍的LEACH算法相似,通过抑制不必要的通信来实现节省能量。[7]
TEEN通过各簇头向整个网络下发两个阈值:硬阈值和软阈值。当检测值超过了硬门限,它被立刻发送出去;如果当前检测值与上一次之差超过了软门限,也被立刻发送出去。采用这样的方法,可以监视一些突发事件和热点地区,减小网络内信息包数量。
3.2 路由技术面临的问题和挑战
无线传感器网络路由技术设计的基本特点可以概括为:能量低、规模大、移动性强、拓扑易变化、使用数据融合技术和通信的不对称,因此无线传感器网络路由技术的设计要满足以下路由机制要求。
1) 能量高效成为路由技术最重要的优化目标
低能量包括两方面的含义,首先是节点能量储备低,其次是指能源一般不能补充。传感器网络节点通常是一次部署,独立工作,所以可维护性很低。相对于传感器节点的储能,无线通信部件的功耗很高,通信功耗占了节点总功耗的绝大不部分。因此,研究低能耗的路由协议极为迫切。
2) 使用数据融合技术
在无线传感器网络中,感知节点没有必要将数据以端到端的形式传送给汇聚节点或网关节点。为了减少流量和耗能,传输过程中的转发节点经常将不同的入口报文融合成数目更少的出口报文转发给下一跳,这就是数据融合的基本含义。采用数据融合技术意味着路由协议需要做出相应的调整。
3) 通信不对称,流量分布不均匀
无线传感器网络是一个数据采集网络,绝大部分流量是由各个传感器流向汇聚节点,因此,流量分布极不均匀。体现在源节点和目的节点不对称,源节点众多而目的节点单一;传输方向不对称,以汇聚节点为目的的数据流远远超过以它为源节点的控制流。
4 无线传感器网络的应用领域
由于无线传感器网络具有配置灵活和组网方便等优势,在军事、环境保护、家庭和医疗护理、灾难拯救等方面都显示了广阔的应用前景,并将逐渐深入到人类生活的各个领域。
1) 军事 快速布置和自组织等特性使得无线传感器网络非常适合用于战场环境,不仅可以实时监控我军兵力、装备和物质等信息,也可以将大量的传感器节点部署在敌方战场上,跟踪敌人的军事行动。
2) 环境保护 随着社会各界对环境问题的关注程度越来越高,需要采集的环境数据也日趋增多,无线传感器网络的出现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,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。
3) 家庭和医疗护理 在医疗研究及护理领域,无线传感器网络也起来很大的作用。病人可以随身携带若干体积微小的传感器节点,可以对病人的心跳速率、血压等进行实时检测,若发现异常可以尽快抢救。同时还可以用于医院的药品管理,将传感器节点按药品种类分别放置,计算机系统即可帮助辨认所开药品,从而减少病人用错药的可能性。
4) 灾难拯救 在发生了地震水灾、强力暴风雨或遭受其他灾难后,固定的通信网络设施可能被全部摧毁或无法正常工作,对于抢险救灾场合来说,就需要无线传感器网络这种不依赖于任何固定网络设施、能快速布设的自组织网络技术。
无线传感器网络还被应用于其它一些领域,比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂和交通领域中作为车辆监控等;此外还可以应用于空间探索,借助于航天器在外星体撒播传感器节点,可以对星球表面进行长时间的监测。
5 结论
无线传感器网络,是一种全新的信息获取和处理技术,具有信息采集处理和传输等功能。本文对无线传感器网络做了简要的概述,并对作为组网基础的路由技术做了初步的介绍。无线传感器网络作为无线传感器的应用,尽管目前仍处于初步应用阶段,网络安全研究方面还面临着许多不确定的因素,但已经展示出了非凡的应用价值。相信在不久的将来,会对人们的生产生活起到不可估量的作用。
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Research of collaborative task allocation in wireless sensor networks
WANG Jian， WANG Fu?bao， DUAN Wei?jun， HUANG Liang
（School of Electronics and Information， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China）
Abstract：The task collaboration of wireless sensor networks （WSNs） refers to task description， decomposition， allocation， scheduling and execution. The task allocation is the main content of task collaboration. Furthermore， the scheme of task allocation directly determines the network energy consumption， and affects the network lifetime. The collaboration technology of wireless sensor networks and heuristic algorithm to solve collaborative task allocation problem are analyzed emphatically. Finally， the contents and direction for further research in future are put forward.
Keywords： wireless sensor networks； task collaboration； task allocation； heuristic algorithm
0 引 言
微机电系统（Microelectromechanical Systems，MEMS）、微处理器以及 Ad?hoc网络协议的迅猛发展孕育出了无线传感器网络[1]，无线传感器网络是由大量廉价且资源有限的传感器节点组成。由于每个传感器节点资源有限以及计算和通信能力有限，单个节点无法解决网络规模庞杂的问题，更无法解决网络全局性问题。基于以上原因，WSNs中的传感器节点要相互协同以完成任务。
WSNs协同主要包括协同资源的使用，协同任务的分配和执行以及协同信息与信号的处理[2]。任务协同中的主要部分是任务分配，因为任务分配方案直接决定着网络能耗，从而决定了网络的整体寿命。因此，WSNs协同任务分配具有重要的理论和现实意义。
1 无线传感器网络任务分配协同技术
由于WSNs具有采用射频通信、能量有限、计算和通信能力较弱以及大规模高密度部署等特点，所以传统分布式系统的协同方法并不能直接应用于WSNs，目前WSNs协同技术是来自分布式人工智能领域的多智能体理论。基于多智能体的WSNs协同技术有基于协商的方法、基于动态联盟的方法、分布式约束满足法和组织结构设计方法四种。
1.1 基于协商的方法
基于协商的方法是以多智能体中的协商理论为模型，将协商模型与拍卖方法和合同网相结合而形成，目前用于解决WSNs协同问题的主要是组合拍卖（Combinatorial Auction）和动态仲裁（Dynamic Arbitration）两种方法[2]。组合拍卖和动态仲裁采取的都是集中式的任务分配方法，即存在一个中心节点，该中心节点要和周围节点进行协商最终完成对任务的分配过程；组合拍卖对任务的组合由周围节点完成，而动态仲裁任务的组合和分配都是由中心节点完成。相对来说，后者更容易在网络中形成能量空洞。
文献[3?4]采用基于协商的方法解决任务分配，在CNP（Contract Net Protocol）中引入了推理模型和能量阈值，实现了高效节能的任务分配，减少了网络中的能量空洞，从而延长了网络的寿命。
1.2 基于动态联盟的方法
动态联盟是基于事件触发的，当节点捕获到事件时会形成一个联盟，并且由该联盟负责任务的处理；当联盟完成任务后，联盟也将随之而解散。其过程主要包括动态联盟初始化、联盟形成和联盟确认三个阶段。在当前的无线传感器网络协同任务分配机制中，动态联盟机制占据了重要的地位；由于其是基于事件触发的，能够针对任务情况动态地协同任务的分配。
针对目标跟踪问题，文献[1]提出了基于拍卖的动态联盟任务分配机制，和基于案例推理的动态联盟机制相比提高了目标跟踪的准确性并且降低了能耗；文献[5]基于动态联盟提出了EATA（Effective Adaptive Task Allocation），每个节点通过EATA可以自主调整自身参数和状态，实现了资源利用最大化并延长了网络寿命。
1.3 分布式约束满足法
分布式满足方法采用的是一种映射的思想，其将传感器节点、传感器节点行为模式以及传感器节点间的关系分别映射为变量、变量的取值以及变量间的约束关系，从而将WSNs中的协同问题转化为分布式约束满足问题进行解决。分布式约束满足法将任务分配问题映射成DCSP问题，采用DCSP方法解决问题，最终形成任务分配的方案，Pragnesh J.M等人给出将传感器网络中追踪问题转化为DCSP问题的方法。
1.4 组织结构设计方法
组织结构设计方法是根据无线传感器网络大规模部署特点提出的，其包括简单分层和垂直分层。该方法将整个网络划分为不同的区域，通过指派区域管理员负责区域内以及区域间的通信，但是该方法需要事先指定每个传感器节点的角色[6]。由于组织结构设计方法是针对无线传感器大规模特点提出的，所以能够很好地解决大规模无线传感器网络中目标跟踪问题，通常用于区域监视。
以上技术都有其应用场景及优缺点。对于小规模网络问题，协商方法和动态联盟方法比较适合，但是对于大规模网络问题则会面临组合爆炸的难题。然而，对于大规模网络问题，组织结构设计方法能够很好的解决，但是，由于节点的通信范围受到了限制，组织结构设计方法会面临边界的问题。由于将无线传感器网络任务分配问题映射成DCSP问题是个复杂、低效的过程，分布式约束满足法在传感器网络任务分配方面还不成熟。三种协同技术的性能比较见表1。
2 启发式算法解决任务分配
由于任务分配是一个NP的组合优化问题，目前已经有许多启发式算法来解决该问题。常用启发式算法有遗传算法、粒子群优化等。对于任务分配问题，启发式算法并不是单纯利用某个启发式算法解决问题，其通常与协同技术相结合。
表1 三种技术比较
文献[7]采用遗传算法对联盟中的任务进行分配，其优化了遗传算法初始种群的选择和交叉/变异运算并且引入了Metropolis准则，改善了任务分配效率的同时降低了通信开销。文献[8]针对现有任务分配算法无法解决容错问题，其引入了PB（Primary/Backup）机制，采用PSO（Particle Swarm Optimization）进行任务分配，提高了无线传感器网络任务分配的可靠性。文献[9]引入动态联盟模型，以任务执行时间和能量消耗构建适应度函数，采用改善的粒子群优化算法进行任务优化，降低了网络能耗且缩短了任务的执行时间。
WSN任务分配旨在资源和效率以及全局搜索和局部求解之间寻求平衡。为了降低网络能耗，延长网络的寿命，启发式算法适应度函数选取及优化相当重要；由于任务分配是全局寻优问题，一些启发式算法容易陷入局部最优，所以启发式算法引入了一些算子或者对算法本身已有的算子进行修正。
文献[10]在遗传算法中引入了混杂的适应度函数来进行任务分配，延长了网络的整体寿命。文献[11]引入动态联盟思想，构造了无线传感器网络的动态联盟模型，提出了一种基于离散粒子群优化的任务分配算法，引入了变异算子，在保持种群多样性的同时提高了算法的全局搜索能力，该算法在局部求解和全局寻优之间取得了较好的平衡并且降低了任务分配的时间和网络的能耗。
遗传算法和粒子群优化算法均可用于无线传感器网络任务分配的问题，一般前者可直接应用，而当适应度函数是离散时，后者需重新定义速度及位置更新公式等。由于无线传感器网络本身资源有限性的特点，二者在构造适应度函数时必须考虑无线传感器网络资源；对于有实时性需求的问题，还需考虑任务分配的执行时间，此时建议采用粒子群优化算法进行任务分配。二者优缺点比较见表2。
表2 遗传算法和粒子群优化算法比较
3 结 语
由于无线传感器网络本身所具有的节点资源有限性、动态拓扑性、数据传输不可靠性等特点，需要从节能性、实时性和可靠性等方面对无线传感器网络的任务分配进行改善。现有研究者主要从节能性的角度对无线传感器网络任务分配和调度进行相应的研究，从而最大限度地延长整个网络的寿命。但是任务分配的实时性和可靠性以及能源高效性方面的研究比较少，因此，这一部分还需要进一步地研究。
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篇8
目前，无线传感器网络技术已经广泛运用到了人们的生活、工作和学习中，甚至在国防安全方面都有着较大的运用，其重要性就不言而喻了。因此加强无线传感器网络技术的安全是无线传感器网络技术进一步发展的重中之重，特别是在国防军事和科技研究方面，一旦无线传感器网络技术出现安全问题就会对国家和社会带来不可估量的损失。另一方面，无线传感器网络在安全方面的缺陷和外来人员利用无线传感器网络对信息的窃取等都是无线传感器网络技术发展的阻碍。该文就目前的无线传感器网络的安全进行分析，并提出相关的对策。
1 无线传感器网络安全的相关问题
无线传感器网络就是采用许多的小型传感器组成一个网络，便于无线通信。但是由于无线传感器网络本身在安全方面的不足，使得无线传感器网络存在许多的安全问题：
1.1自组织性以及节点组织的随机性
无线传感器网络在实际的运用中就可以发现，它是由大量的小型传感器自组成一个网络，它在整个网络体系的组成过程中并没有实际的组织规范制度，其带有强烈的自发性和随机性。因此，这个无线传感器网络体系在使用中稳定性就得不到保障，安全性更是存在着问题。另一方面，由于整个网络体系在设置时存在着随机性，各个布置的节点就不可能事先固定，也带有自发性，使得整个无线传感器网络体系的安全就得不到保障。
1.2 通信的不可靠性
无线传感器网络在通信通道上存在着大量的不稳定因素。在通过无线传感器网络通信的过程中，多跳路由使得通信信息大大的延迟，信息传递的时间长，而且在传递过程中的安全不能得到保证，很容易在传递过程中被拦截，如果是一些重要信息的传递，那就存在着很大的危害。
1.3 能量的有限性
在无线传感器网络体系中，传感器的使用需要较大的能耗，但是当这些传感器节点在整个网络体系中布置完成后，再想进行节点的替换，其难度就非常大了，而且在这个网络体系中有些无线设备是需要进行充电的，充电的不及时也会影响到整个网络体系的运用，因此开发出低能耗的无线网络设备对无线传感器网络技术的发展至关重要。
1.4 缺乏有效的安全机制
由整个无线传感器网络的建立就可以发现，无线传感器网络体系无论是传感器的节点布置，还是在网络组织安排上都存在着极大的随机性，使得其网络通信带有很大的局限性，这些缺点使现代成熟的网络安全技术不能够在这个网络体系中进行运用。而仅仅在物理方面对这个无线网络体系进行保护并没有实质性的效果，网络通信方面隐患较大，很容易受到其他方面的攻击。
2 破坏无线传感器安全性能的相关因素
目前，我国的无线传感器网络在防御和攻击的方式如下表：
表1 传感器网络攻防手段表
[网络层次＼&防御手段＼&攻击方法＼&物理层＼&模式转换、优先级信息、区域映射、宽频＼&拥塞攻击＼&节点隐藏或者伪装、破坏感知＼&物理破坏＼&网络层＼&冗余路径、探测机制＼&丢弃和贪婪破坏＼&出口过滤、认证、监测机制＼&方向误导攻击＼&加密和逐跳认证机制＼&汇聚节点攻击＼&认证、监测、荣誉机制＼&黑洞攻击＼&链路层＼&设置竞争门限＼&耗尽攻击＼&使用短帧略和非优先级策略＼&非公平竞争＼&纠错码＼&碰撞攻击＼&传输层＼&认证＼&同步破坏攻击＼&客户端谜题＼&泛洪攻击＼&]
该表中的无线传感器网络的攻防手段对无线网络影响较大，在无线传感器网络体系的攻击手段中，拥塞攻击和碰撞攻击两种手段的作用最大。其中，拥塞攻击手段就是无线网络的破坏方获得了破坏对象的网络通信频率后，应用同一频率的无线电波进行干扰无线网络通信，对这种攻击的防御方式就是将网络频率进行更换。碰撞攻击手段就是指网络通信发送通信信息包时，无线网络的破坏方同时发送另一个数据包，使得两个数据信息重叠在一起，获取的信息错乱不堪，影响到无线网络的正常通信，而对其的防御手段就是建立一个合适的监听系统，将外来的数据包进行消除，实现通信的正常进行。此外，还有泛洪攻击，它就是利用特殊的手段对无线传感器的节点进行攻击，耗尽攻击的节点，阻断一些用户的使用。这种网络攻击的解决方式就是采用谜题技术建立一个客户端，保障节点数据在有效的范围内传播使用，可以有效的消除泛洪攻击的影响。
3 无线传感器网络安全技术的对策研究
3.1 密码技术
在无线传感器网络通信的过程中，由于无线传感器的设备布置本身存在着一定的不足，使得现展成熟的网络安全技术不能够在其中进行使用，因此网络安全隐患较大，而密码技术可以有效减小这个安全隐患，对网络安全有着巨大的帮助。在采用密码技术进行保障无线网络信息安全过程中，可以增加密码中代码的长度和复杂度，以增强无线网络信息的保护力度，实现网络通信的安全性。在日常生活中，不对称秘钥和对称秘钥的运用最为广泛，其主要原因就是这种密码技术的保护力度较强，而且在设置上较为简便快捷。
3.2 安全数据融合
无线传感器网络中使用最多的还是数据，传感器节点在收到附近的数据信息后，然后将这些数据传输到汇聚节点，在对数据信息进行整合成为了有效的信息数据后，再将这些数据传输给用户。这种方式提高了数据的有效性，减少了数据在传输过程中的冗余，使得数据传输的负载较小，提高了传输效率，减少了设备的磨损，增加了整个无线网络的使用年限。但是无线网络的攻击对这些信息数据的传输仍是一个危害，因此加强了对数据融合的研究，安全数据融合的目的就是采用随机抽样和交互式证明机制，使得在节点汇聚的数据是真实可靠的，大大增加网络通信数据融合的安全性问题。
3.3 密钥管理技术
密钥管理技术就是在无线网络安全中使用密钥技术的管理，它将处理在其使用期间的一切问题，也是整个加密系统最为关键的一个部分，一旦管理的不到位，很容易造成通信信息的泄露，对无线传感器网络的使用者造成巨大的损失。截止到目前为止，这项密钥管理技术主要对对称密钥技术有效。密钥管理技术的分配模式是概率性和确定性，而密钥模式是预共享和非预共享两种方式
3.4 安全路由技术
在无线传感器网络的使用过程中，虽然各个小型传感器的布置较为随意，但是在布置后不可以随意更换，其网络节点处的设备充电也较为不便，节约能量消耗成为了一个问题。而这个过程中，为了实现节能消耗延长无线网络的使用年限，提出了各种路
由协议便于皆能减耗，但是却忽略了路由中的信息传输安全性问题，增加了在通信中路由受到攻击的可能性。当用户将消息发送出去后，很容易使得破坏方通过泛洪攻击的方式来截取发送的信息，使得网络通信出现障碍。在实际应用中，专业人士提出了多种路由协议，包括 SPINS 协议和多路径路由机制，但是都需要进行改进，最终会实现路由技术的安全性。
4 结束语
无线传感器网络技术具有极大的优越性，它方便快捷，对人们的使用尤其有利，因此其被广泛运用到人们的学习、工作和生活中，同时在国防科技中也有较大的使用。但是由于自身的一些特点，使得无线传感器网络的安全性一直令人担忧。我们要充分重视无线网络的安全性，对影响无线网络安全性的因素要采取强力的防御手段，保证无线传感器网络通信的安全。在对无线网络的安全问题的研究中发现，将密码技术、安全数据融合技术、密钥管理技术以及安全路由技术运用到无线网络中，充分提高其安全性。
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篇9
无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）技术是随着经济和社会发展而诞生的产物，是本世纪最具有影响力和改变人类未来生活方式的高技术领域四大支柱产业之一。所谓无线传感器网络是指大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。
无线传感器网络在应用中，遇到一个难题，就是应用环境会发生移动，例如应用在泥石流运动规律的监测上或火山灰的监测上。这种环境下，无线传感器网络节点将随着监测体的移动而移动。这种环境中部署的网络，就需要改变传统的无线传感器网络的模式，而形成一种非自主性移动无线传感器网络（Non-Autonomous Mobile Wireless SensorNetwork）。
2 国内外研究状况
近年来，有研究者提出了一种应用于泥石流的非自主移动传感器网络的设计，他们把传感器放置在会发生泥石流中的区域中，当泥石流发生时，这些传感器及其构成的往网络，会随土块、沙砾等一起滚动，并存储记录的数据。等待泥石流结束后再将传感器回收，然后下载存储的数据。但由于其没有足够的空间存放泥石流产生时需要采集的大量数据，也不能实时将数据进行汇报，所以只能用于环境受控的实验中。
另有文献报道一种用于山体滑坡预防系统的传感网络，该系统由分层的传感节点组成，上层的传感节点作为聚集器与基站进行通信，整个监控过程不仅实时取样数据、可用于为专业人员提供历史预测数据，而且当山体滑坡事件到来时还能进行事件预测。
另外，也有面向湿地水环境远程实际监控的非自主移动无线传感器系统，该系统应用于湿地监测主要实现的功能是：传感器节点负责收集水环境参数，包括水温、PH值、溶解氧等，通过基站传输数据到远程终端数据中心，以做到实时处理与分析，数据中心的工作人员可以全天候监测湿地天气。此外，该系统还能对突发事件如环境污染以及水环境参数的急剧变化作出预警，各类参数可以作为防治污染的数据支持和决策依据。
3 支撑非自主性移动无线传感器网络的传感节点
考虑到非自主移动传感器网络的移动性会对节点设备带来很多碰撞和摩擦，一般传感器节点并不能胜任这种环境的部署。目前已经研发出一些特殊的移动无线传感器节点，让传感器随着泥石流一起运动，在移动过程中测量移动体内部重要数据，如流速、孔隙压力、振幅、振动频率等。测量到的数据可即时发送回接收器，这样，就可以监视泥石流的内部参数和报告实时数据了。
这种特殊的无线传感器节点，可设计为一个封装在耐磨塑料外壳中的可移动无线传感器节点，其外壳应可以抵御一定力量的碰撞、重量较轻、可以飘浮在水面上或能被泥石流携带移动，是一个低功耗的无线传感器节点。传感器中应集成有无线收发器，能够实时报告其经纬度信息。为避免传感器收集到的自身移动轨迹信息丢失，传感器节点内也可以配置一定容量的可写存储空间以保存位置信息。在一般情况下，可移动无线传感器在待机模式下运行、仅偶尔与接收器进行沟通，以便于节约能源。
当有泥石流发生并逼近时，只要任一无线传感器检测到有泥石流产生的低频振动，就将发送一个警告信息给接收器。接收器则决定是否要唤醒所有的无线传感器。如果接收器唤醒了所有的无线传感器，传感器就进入激活状态，将把所有收集到的原始数据都发送给接收器，并与后台计算机之间联络进行计算。
4 NAMWSN传感器移动模型
在移动无线网络中，经常需要合适的移动模型来进行网络路由的部署研究。随着越来越多的科学研究需要对流动液体中无线传感器节点进行部署，跟随流动液体进行非自主性移动的移动模型研究也越来越受到关注。
对于非自主性移动无线传感网络来说，如果预先得到传感器漂流的轨迹，按照轨迹来部署接收器，可以增加无线传感器与接收器通信的机会和时间。可以尝试通过构建传感器的移动模型的方法来得到传感器移动轨迹。
构建非自主移动传感器网络移动模型的主要方法是，利用基于跟踪的方法，以在真实环境中收集的信息为基础来建立移动模型。首先使用GPS收集传感器节点的移动轨迹，然后将这些轨迹转变为参数映射图，最后构建移动模型。
首先，用一个特殊的无线GPS传感器取代传统的固定传感器，无线GPS传感器可以随着水流移动。将多个无线GPS传感器投入水流中，它们可以随着水流非自主性地移动，并且记录下自身移动的轨迹。在河流的下游收集随着水流移动到此的传感器，并得到它们的移动轨迹。这个步骤可以重复多次，来收集多条轨迹信息。每条轨迹都将包含一系列的速度和方向的参数点。
然后，将收集到的GPS传感器的运动轨迹数据进行处理，去掉不合理的数据，例如，有些GPS传感器损坏无法发送回完整的轨迹信息、或者还有些GPS可能被障碍物困在河流中无法继续移动造成GPS信息始终维持某固定值而不改变等。将合理的、完整的GPS传感器运动轨迹数据进行处理，可以用于构建一个水流的参数映射图。这个参数映射图是二维的，可以展示一些重要参数，例如在河流的不同位置水流的速度和方向等。
最后，通过建立的水流的参数映射图，可以构建出以其为基础的传感器移动模型，移动模型模拟了水流、泥石流等可能的运动轨迹，从而可以得到非接收器自主移动传感器网络的优化部署位置。
这里的移动模型是一个可以及时生成水流、泥石流等在时间和空间维度的运动描述的函数。这个移动模型基于实际的水流或泥石流的运动轨迹生成，其运动可以用虚拟轨迹来描述，具体是通过算法随机方式产生每一个点的运动轨迹。
移动模型的轨迹生成算法流程如下。
（1）初始化。从起始位置任意抽取一起始点；
（2）取得当前点p'k处的速度和方向参数Vx，y和Dx，y值
（3）通过Vx，y和Dx，y得到该点的移动轨迹Movement，并得到下一点p'k+1；
（4）判断p'k+1是否属于有效区域，如果是继续（5），如果不是，转回p'k，生成一个弹跳轨迹p'k+1，再重复（4）；
（5）判断p'k+1是否已经到达目的地，如果不是，返回（2），如果是，接着（6）；
（6）输出最后生成的轨迹。
移动模型轨迹生成函数可以生成一条从起始位置开始的虚拟运动轨迹。
起始点可以从起始位置（投放GPS传感器位置）随机选取，虚拟运动轨迹中的每一点均是逐点递归生成的。若当前点为p'k，则p'k在下一秒钟的移动轨迹可以利用速度和方向参数值Vx，y、Dx，y得到，如公式1所示，通过移动轨迹movement，可以来到下一轨迹点p'k+1。
movement=Vx，y×Dx，y 公式l
判断轨迹点p'k+1是否是在有效区域内，有效区域指已经去除了有障碍、无水流通过等的部分区域。若p'k+1不属于有效区域内，则要返回p'k，生成一个弹跳轨迹。弹跳轨迹是在水流碰到障碍物或者堤岸时发生的，返回p'k时后，判断其所在位置四周轨迹点数量，取其中轨迹点数量最多的点，视其为弹跳目的地，得到位于期间的轨迹点p'k+1。
接着判断轨迹点p'k+1是否已经到达目的地（回收GPS传感器位置），若未到达目的地，则继续重复上述算法步骤，直到p'k+1到达目的地为止。
利用移动模型的轨迹生成算法，基于实际泥石流的运动轨迹，可以得到预测的虚拟泥石流运动轨迹，这样就可以得到最佳的接收器部署位置，提高和优化无线传感器网络的连通性和感应区域。
5 结语
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无线传感器网络的发展离不开传感技术、集成电路、微机电系统和无线通信技术的发展，这些技术的快速发展使得单一条件下的低成本、低功耗和多功能的传感器也逐渐向微型化、网络化和集成化、智能化的方向进步，从而发展为一项不可或缺的信息收集技术，并且在一定意义上扩大了现有网络的功效，让人们可以通过它与外部世界进行直接接触，并且被各国的政府、军方、跨国公司和科研机构等广泛应用于国防军事、医疗护理、智能家居和环境监测等方面，为了让无线传感器网络技术能够更好地为人们服务于人们生活的各个方面，我们需要对无线传感器的各方面效用进行进一步的研究。
1 无线传感器网络的发展现状
在无线传感器网络的发展历史中，美国是第一个从事无线传感器网络研究的，其发展的目的是满足军方侦查军用系统的需求，所以研究的方向主要是传感器网络中的通信和计算问题，这种最先由军事需要发展起来的无线传感器网络技术，在经过网络技术的革命和网络思想体系的革新之后变得越发的成熟，也由此推动了无线传感器网络的发展。对于我国而言，无线传感器网络的发展是比较晚的，但是我们国家对于无线传感器网络技术的发展高度重视，在短短的几十年时间内，我国在研究、应用和标准化方面已经可以和国际的先进水平相媲美，在无线传感器网络技术得到快速发展的同时，随着“感知中国”计划的提出，无线传感器网络技术已经被应用于国家层面并且已经进入到战略实施阶段，这表明“感知中国”计划的提出对中国的无线传感网络产业起到了一定的促进作用，无线传感器网络产业的发展面临着一个巨大的机遇。
1.1 无线传感器网络的特点
无线传感器网络在对传统计算机网络的计算模式和设计模式的革新过程中，渐渐地形成了一系列具有自身优势的特点，例如分布式和自组织、规模大、密度高、以数据为中心、可靠性及安全等。在分布式和自组织中，网络无控制中心并没有事先设置好的节点，并且所有的节点在无线传感器网络中所有的节点都处于一个平等的位置，各节点采用分布式算法进行协调，在没有人力因素影响的情况下节点会自行连接出一个对等式的无线网络。无线传感器网络的节点的数量一般都是巨大的，且节点分布较为密集且都聚集在一个较大的监测区域内，这是为了更好地获取到精确完整的信息。在无线传感器网络中，节点所能计算的资源非常有限，往往不能处理超出负荷的实时数据流，所以每个节点收集到的数据都会汇集于传感器网络，从而生成与某个监测区域内监测对象有关的信息；无线传感器网络的可靠性和安全性是指：传感器网络经常被应用于恶劣的环境或者是无人区域，一旦某一传感节点发生了故障就会导致整个传感器网络失效，所以为了增强无线传感器的耐用性，我们就必须保证传感器网络的节点在硬件上保持坚固不能被轻易损坏，并且能够适应各种各样未知的极端环境。同时，我们还要注意网络的通信加密和安全性，防止无线传感器网络的无线信道和分布式控制被窃听、入侵和拒绝服务等。
1.2 无线传感器网络的应用领域
无线传感网络技术的快速发展及其自身特有的性质已经被各国广泛应用于军事国防、国家安全、环境科学、交通管理、城市管理、生物医疗或者是其它危险区域远程控制等领域。在军事方面，无线传感器网络技术凭借其快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特性被用以军队获取敌对区域中的情报，在作战时，由于指挥员必须统筹全局，所以无线传感器网络技术是数字战场进行无线数据通信的首选技术。环境问题一直是我们人类关注的一个重大问题，随着人们对环境问题关注度的提高，环境科学囊括的范围也越来越大，相应的环境监测技术手段也随着问题的日益突出必须做出相应的调整，以此为研究环境监测带来更先进的方法，拓展更为广阔的研究空间。医疗与我们人类的生活息息相关，而无线传感器网络技术又与医疗系统和健康护理有着密不可分的联系，为了更好地检测人体各种生理数据，我们可以在病人身上放置可以检测人体参数的微型传感器节点，从而将病人的身体各方面数据传送给监护中心，进行及时的处理和反馈，所以为了未来远程医疗监护系统能够实现简便、低费用，我们必须与医疗事业进行更进一步的融合，才能够更好地让人们享受到更便捷的医疗服务。
1.3 无线传感器网络的关键技术
无线传感器网络作为当今信息领域的一支新秀，其研究的内容包含了许多学科的知识，在这之中，需要我们研究和解决的关键技术还有许多。在无线传感器网络的研究中，传感器节点已经成为一个核心内容，实现节点能量的有效使用的前提是保证无线传感器网络应用需求，所以我们要对无线传感器网络节点实现有效管理。除此之外，我们还应该对网络通信协议、网络安全技术、数据融合技术、和时间同步技术、定位技术、开发应用技术加大投入力度，以此对无线传感器网络技术进行进一步的研究与发展，以此无线传感器网络关键技术的实用性和技术性，从而更好地为人们的生活工作服务。
2 总结
无线传感器网络技术作为现代生活工作中应用广泛的信息技术，不但与人们生活的方方面面有紧密联系，我们更是要对无线传感器网络的无线通信模块加大注意力，以此实现无线传感器与国家军事、环境、医疗、城市交通管理等方面的对接，从而更好地服务于人类，促进人类的进步。
参考文献
[1]刘昌勇，米高扬，胡南生等.无线传感器网络若干关键技术[J].通讯世界，2016（08）：23.
篇11
Development&Application of Wireless Sensor Network
Cao Mingyi
(Sichuan Coal Industry Group,Dazhu Group,Telecommunications Branch,Dazhou635000,China)
Abstract:Over the past 10 years,wireless sensor network technology into an application technology has been rapid development.It is the expansion of remote sensing technology.The article focuses on the development of wireless sensor network(WSN),and introduce the technology maturity analysis,also focuses on description of use the precision agriculture areas.At last,wireless sensor network technology in the development of the main challenges and its environmental applications,the focus of future development were reviewed.
Keywords:wireless sensor network;Precision agriculture monitoring;
Wireless communication;Self-organizing network
一、无线传感器网络(WSN)概述
无线传感器网络(WSN)技术是集成了传感器技术、自动控制技术、数据网络传输、储存、处理与分析技术的现代信息技术,是信息科学领域中一个全新的发展方向。无线传感器网络经历了智能传感器、无线智能传感器、无线传感器网络3个阶段。智能传感器将计算能力嵌入到传感器中,使得传感器节点不仅具有数据采集能力,而且具有滤波和信息处理能力;无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力,大大延长了传感器的感知触角,降低了传感器的工程实施成本;无线传感器网络由具备记忆能力的存储器、处理器、传感器、无线通讯和电池等硬件组成,它将将网络技术引入到无线智能传感器中,使得传感器不再是单个的感知单元,而是能够交换信息、协调控制的有机结合体,实现物与物的互联,把感知触角深入世界各个角落,必将成为下一代互联网的重要组成部分。
二、无线传感器网络(WSN)技术原理
无线传感器网络(WSN)的传感器一般与小型计算机和无线发送装置集于一体(节点),可以获得关于观测对象的图像、声音、气味等特性,并进行显示、储存或分析通过网络传输到数据收集中心。它的发展及其广泛应用主要归因于传感器技术的微型化、智能化、廉价性和数据无线传输的可能性。网络传感器节点可实现相互间的网络通讯,指令和数据传输,并自动构建网络拓扑。
图1 无线传感器示意图
图2 无线传感器网络示意图
三、无线传感器网络(WSN)网络应用
WSN网络是面向应用的,其产生和发展一直都与应用相联系。WSN技术在军事领域、精细农业、安全监控等领域的应用得到了充分的肯定和展示。特别是在环境监控和精细农业方面,WSN系统应用最为广泛。美国华盛顿州20世纪80年代在全州铺设了公共农业气象系统网,华盛顿州立大学精准农业系统中心在此基础上,为了升级数据存储和传输技术,开发了2套无线传感器网络。一套是基于AWN200硬件技术的区域无线传感器网络技术,另一套是农田霜冻监测的无线传感器网络技术SS100。每个农业气象节点能够获得太阳辐射、气温、相对湿度、叶子湿度、降雨、风速、风向、土壤温度和湿度。每个节点的能量若能使用交流电就用交流电,否则用太阳能和电池相结合。图3为纽约河口实时水面风场观测与预测图,其中(a)为观测图;图4纽约港口外部定点测量时序数据及预测图。
图 3 纽约河口实时水面风场观测与预测图
图 4 纽约港口外部定点测量时序数据及预测图
四、展望
前面提到,目前无线传感器网络采集的数据主要是温度、湿度等标量数据,对摄像等视觉数据的采集和传输能力均有限。人们已经开始发展视觉传感器网络(VSN)技术。未来5-10年将是无线传感器网络技术大发展的时期,传感器多样化及系统节点微型化方面将会取得长足发展。在传感器技术方面,生物传感器有望成为一个主要的生长点。生物传感器是依靠生物机制对目标污染物或微有机物产生响应的传感器转换装置。现在监测污水中有毒污染物的生物传感器已经实现商业化,其中表面等离子共振反射测量技术的商品化会成为生物传感器发展的重要手段。
参考文献:
[1]AKYILDIZ I F,WANG X.Survey on wireless mesh networks[J].IEEE Communications Magazine,2005,43,23-30
篇12
近年来，无线传感器网络在国内外学术界和工业界得到了越来越广泛的关注与重视，随着软硬技术的飞速发展，取得了非常丰富的研究成果，很多领域都开始向实际应用方向发展，因此无线传感器网络测试技术的跟进与发展显得更加重要，尤其是评估节点状态信息的量化与控制节点网络行为的监视等功能的实现与完善，对无线传感器网络的发展起到保驾护航的作用。无论在能量资源、通信能力、运算和存储方面，无线传感器网络都受到极度限制，因此测试平台面临更多的技术难题。在无线传感器网络的运行环境中，我们需要考虑两种状态，即网络状态和节点状态。网络状态包括链路质量、能量分布以及网络拓扑变化情况等，是一个全局性的归纳和描述。节点状态主要包括节点自身的缓冲区使用情况、剩余能量以及节点间链路质量等状态。无线传感器网络通常布署在偏远恶劣的环境，由于受天气、地势以及人为等因素影响，无线传感器网络的性能很不稳定，因此无线传感器网络的评估指标不容易被量化。目前存在的无线传感器评估标准还很不规范，怎样评估网络的状态是我迫切需要解决的问题。
1 国内外研究现状
随着近些年来无线传感器网络技术研究的不断深入，出现了众多测试平台，其中典型的实现测试平台包括MoteLab[2]和Kansei[3]等。MoteLab提供了多种访问途经，为用户完成测试任务提供了方便，但对于测试评估的方法少，网络规模较小，扩展性不强，对能量的测试目前只能通过在一个节点上连接万用表实现。俄亥俄州立大学开发的 Kansei 系统，具有更多可行性，它具有实际节点与理论模拟相结合的混合模拟方法，提高了测试平台的实用性和数据的可靠性，便携网络的设计方法为测试平台扩大了规模，使网络更加丰富灵活，但是这些研究还仅处于初级阶段，混合模拟方式的效果还有待于进一步的验证。基于这些研究成果，我们更需要设计出这样一个平台，它具有Motelab与Kansei的优点，能够实现对无线传感器网络更加全面与稳定的测试。
2 无线传感器网络测试平台设计原则
无线传感器网络测试平台设计方案主要有主动式和被动式两种，上文提到的MoteLab平台就属于主动式测量，在主动式测量中测试任务由传感器节点完成，在正常通信的前提下，测试任务也要占用无线通信的信道带宽和节点的CPU、内存等资源，这在一定程度上对无线传感器网络的通信质量造成了影响，也会影响到测试结果。被动式测试平台包括侦测节点硬件平台和PC机组成，PC机作为监测试主机包含数据分析软件。侦测节点在保证正常工作不受到干扰的前提下，用数据采集器与射频模块进行数据通信的方式，将数据送至PC机。这种方式可以有效地监测无线传感器网络状态，而不占用无线通信信道带宽和节点资源，缺点是每个传感器节点需配置测试模块，在大规模网络中实现较困难。无线传感器网络测试平台试图克服这些不足，下面将从网络控制性能和网络实现功能两方面进行分析，总结出一个典型的无线传感器网络所具备的设计原则。
1）网络控制方面。
①同步操作性：在执行试验的过程中，平台要对所有参加测试的传感器节点上传试验的执行软件执行并安装到节点中，通过平台控制中心同步启动软件，统一设置时间，采集和存储目标的动作和反应记录，按规定终止试验并向用户发送通知和输出采集到的数据。
②可移植性：无线传感器网络的应用领域广泛，相对于具体的物理环境，其硬件系统必定不同，相应的无线传输过程中物理层和数据链路层的工作机制也不尽相同，完善的无线传感器网络测试平台应具备较强的硬件平台移植开发的能力。
2）实现的功能方面。
①监控网络的链路质量：无线通信易受自然环境以及人为等外界因素的干扰，表现为其不稳定性，为保证节点之间的正常通信，目前许多通信协议都会对无线传感器网络的链路质量进行测试，并提出了高效性、公平性、平衡性以及延时等性能要求。
②监控节点的能量状态：传感器节的能量状态始终处于动态的变化中，而且传感器节点的能量非常有限，并通常处在人不易触及的险要地带，确保节点的供电正常就成了一个难题。而且对节点能量状态进行测试的过程本身也消耗能量。
③显示网络的拓扑结构：由于传感器节点的能量十分有限，再加上易受到外界干扰破坏，节点很容易失效，网张的拓扑结构随时都可能发生改变，如果测试平台使得网络的拓扑结构直观可视化，便于对于整个网络的监控与及时做出调整。
3 结束语
无线传感器网络在国内外的应用虽然还处在初级阶段，随着硬软件技术的飞速发展，不断攻克了技术难关，已经取得了不少优秀的成果，由于无线传感器网络应用的多样性，对于平台进一步的改进工作可对硬件平台进行功能扩展，将协议的分析集中到软件系统中进行，这样可以增加数据通信量。另外，测试平台界面的设计也可以进行改进，使其更加美观通用。
参考文献
[1]杨宇，徐勇军，李晓维.SNAMP：支持无线传感器网络 发和调试的测试床[J].计算机科学，2011， 35（llA）：363-367.
篇13
随着传感器技术、微机电系统、通信技术及嵌入式计算技术的不断发展和完善，具备通信能力、计算能力、感知能力的微型传感器开始广泛应用于各个领域。因此，应对无线传感器网络进行详细的研究，对其进行不断完善。
1 相关概念
无线传感器网络集成了微机系统、网络和传感器三大技术，是以数据处理为中心的系统，其通过对网络覆盖范围内的感知对象信息进行感知、采集、处理，并将其转发给观察者。其是由传感器节点通过应用无线通信技术自组织构成的网络。无线传感器网络是新兴的信息技术的领域，其在民用、军事等领域的应用前景都非常的广泛。无线传感器节点的组成有计算机子系统、通信子系统、传感子系统和能量供应子系统。计算机子系统是通过微控制器和微处理器构成的，其主要负责对传感器进行控制、对传感数据的算法与执行通信协议进行相关的处理。而短距离的无线通信的无线收发电路主要由通信子系统来实现。而激励装置及传感器共同构成传感子系统。能量供应子系统主要由交直流转换器及电池组成。
一个传感器网络一般由很多个传感器节点组成，且节点的应用不同，其组成部分也各有很多差别。传感单元包括很多传感功能的D/A、A/D转换模块，并根据所需监测的对象的具体情况来判断使用单一或多功能的传感器。处理单元主要是通过存储器、嵌入式CPU、嵌入式操作系统等共同将嵌入式系统构成成立起来。传感器网络的组成结构是互联网、sink节点、分布式传感器节点、用户界面等。为获取第一手信息，会密集的投放传感器节点在待监测区域内。Sink节点其本身可进行充电，储备了很多能量，相当于网关节点。能够让信息平台和位于较远处节点所收集到的信息之间进行信息的传输或交换，如互联网或卫星。而用户界面是处理监测信息的平台，通过用户界面能够更加便捷的掌握及处理从监测区域获得的信息。传感器网络的生成及其工作方式是先将通过使用机械方法、飞行器空投方法等随机散播传感器节点并将其布置到待监测的区域。之后传感器节点将会保持在自检启动的唤醒状态。所有的传感器通过发出信号，监控并记录周围传感器节点相应对外的工作的情况。节点通过对所监测到的别的传感器节点的状况的分析，并通过组网算法形成网络。构成网络的节点要进行数据通信，则要通过路由算法对合适路径进行选择来实现。
2 无线传感器网络的热点内容
2.1 安全性。无线传感器网络的安全方面主要包括安全路由及安全协议。通常，很多节点都会密集分布在相同的区域内，而最终要到达目的地则需要通过很多的节点消息的传导。传感器具有动态性，且是多跳结构，需要每个节点都具备路由功能。且传感器节点都是一个潜在的路由，极易遭受入侵，进而造成整个无线传感器网络的安全受到威胁。网络层路由协议将关键的路由服务提供给了整个无线传感器网络，无线传感器网络的可用性与安全性也受到安全的路由算法很大的影响。安全路由协议通过使用身份认证、认证广播以及双向连接认证等机制，能够增强路由的安全性，使网络对外部攻击的抵御能力得到有效地提高。在安全保障方面有安全组播和密钥管理两种方式。安全组播是指可能在敌对环境中设置无线传感器网络，需在其里形成基于源端认证的安全组播以避免供给者将伪造的信息注入网络中。
2.2 无线传感器网络的能量问题。传感器的节点需要对待监测区域获得的消息进行分析及数据处理等，且其分布的数量多范围大，而其一般通过电池进行供电，可用电量有限。且为数量庞大的节点更换电池很困难。因此，在不影响节点功能的基础上，节约其电池能量也成为其软硬件设计的核心问题。因此，在很多网络应用中，因传感器节点监测的事件具有偶发性，不需要所有的单元都工作，可通过使用休眠模式，使节点能够自适应进行唤醒与休眠，进而达到节省能量的目的。还可将所有的功耗单元进行相应的有机组合，使众多的传感器节点形成多种不同的状态，让其根据具体情况在不同状态之间进行切换，节省其需耗损的能源。
2.3 网络结构。无线传感器网络中使用的网络拓扑结构主要有网状拓扑结构、星形拓扑结构以及网状与星形相互混合的方式。而关于网络结构种类的使用决定也需要进行多方面的考虑。如需要考虑数据传输的距离，传输的频率，节点的变化水平等多重因素。在很多节点间能够发生网状结构的业务流能，且各节点之间的通信链路能够被直接的建立起来。网络结构的健壮性很强，因节点与节点之间都连接有多条链路，当某个节点失败时，网络会重新配置此节点周围的所有节点，重新保持各节点之间的连接。但因所有节点都长期处于正常工作的状态，能量的消耗也就更为严重，处理的负担也较大。节点与基站间发生星形结构的业务流。星形结构所需要的能量少，但受到直传距离的限制。网状与星形的混合方式具备网状结构的自修复和扩展功能，还具有星形结构简单低耗的优点。在中继器或路由器的周围进行一些星形方式设置节点，并通过网络结构进行组网，这样就能在一定程度上扩大网络的覆盖范围。
3 无线传感器网络技术的应用
3.1 在军事领域的应用。无线传感器网络最早应用于军事领域，其低成本、自组织性、密集性、随机分布、强大的容错能力及抗毁性等特性都是军方所需要的。一般将大量传感器节点通过特种炮弹发射或飞机撒播等方法集中撒播到人员很难到达的观察区域。分析监测区域的目标的距离、目标的目的地及速度等，可通过被动传感器如声学、磁学、化学、光学、热学以及电气等类型的传感器及主动传感器来完成。一般情况下，传感器只需稳定工作数周，不用严格要求其功耗。但若在未知环境如需要克服气候、压力、温度等方面的恶劣环境。以及为防止其被发现及摧毁，传感器本身也应尽量小型化。应优先考虑传感器适应恶劣环境的能力及小型化的要求。
3.2 在环境领域的应用。无线传感器网络在环境方面的应用也很广泛。其可以对环境参数进行检测，也可用于野外火灾的检测。无线传感器网络在农业方面应用广泛。国外发达地区应用无线传感器网络对部分农田的土壤湿度、光照强度等进行适时的检测，来确定如何耕作土壤。环境方面的无线传感器网络部署所需要的成本低、操作也相对简单、不需要进行农田的现场维护、长期不需要进行电池的更换。而节点的密集布置，能够将微观的环境因素检测出来，这为环境的监测研究提供了新的路径
3.3 在医疗领域的应用。在医疗领域无线传感器网络的应用也十分广泛。通过将一些体温、血压等微型无线传感器安装在病人的身上，并通过其住宅内的传感器网关，医生能够远程了解病人的身体健康状况。将血压及脉搏监测设备等具有特殊功能的传感器节点安装在住院病人的身上，通过传感器网络，病人的病情可以及时反馈到医生的手中，并作出及时有效的处理。还可利用传感器网络收集从病人身上累积到的长期的生理数据来进行相关的新药品的研制。除此之外，无线传感器网络在药物管理等方面也能发挥其特殊优势，将节点与药品的类别相互对应放置，通过连接计算机系统后将所开药品辨认出来，防止拿错药或开错药的情况发生。
综上所述，传感器网络是一个新兴的包含着多学科的技术。随着无线传感器网络应用前景的不断扩大，其将受到越来越的研究和关注。无线传感器网络应用的领域也将更加广泛，必将对人们的生产及生活产生重大的影响。
参考文献：
[1]何永健.无线传感器网络技术在军事中的应用[J].物联网技术，2011（01）：56-57.
[2]王新智.无线传感器网络应用技术研究[J].科技资讯，2013（32）：90-91.
