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關(guān)鍵詞:傳感器;物聯(lián)網(wǎng);無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)
中圖分類(lèi)號(hào):TP393
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
1.引言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)是比較新的技術(shù)領(lǐng)域,而且受到全社會(huì)的普遍關(guān)注。近年來(lái),世界上某些發(fā)達(dá)國(guó)家加大投入,研究開(kāi)發(fā)這方面的應(yīng)用,積極攻克在標(biāo)準(zhǔn)上、技術(shù)和應(yīng)用上的尖端技術(shù)。我國(guó)也把這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展列入國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃,以致當(dāng)前的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)得以飛速發(fā)展。在實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展過(guò)程中,應(yīng)該認(rèn)清形勢(shì),積極創(chuàng)造條件,加快發(fā)展和應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)。
2.無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成
2.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、量化、處理、融合和傳輸。它綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù),能夠協(xié)同的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息,并對(duì)其進(jìn)行處理。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的。應(yīng)用和監(jiān)測(cè)物理信號(hào)的不同決定了傳感器的類(lèi)型,另外節(jié)點(diǎn)的功能和組成也不盡相同。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成和功能包括如下幾個(gè)單元:傳感單元(由各種不同類(lèi)型的傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成)、處理單元(由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成,包括CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等)、通信單元(由無(wú)線(xiàn)通信模塊組成)、以及電源部分。也可以選擇其它功能單元如定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)等。
2.2 物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成
物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things),是指通過(guò)各種手段,將現(xiàn)實(shí)世界的物理信息進(jìn)行自動(dòng)化、實(shí)時(shí)性、大范圍、全天候的標(biāo)記、采集、匯總和分析,并在必要時(shí)進(jìn)行反饋控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議,依靠自動(dòng)識(shí)別技術(shù),通過(guò)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)識(shí)別和信息的共享?;蛘吆?jiǎn)單的說(shuō),即是通過(guò)裝置在各類(lèi)物體上的電子標(biāo)簽或稱(chēng)射頻識(shí)別(RFID),傳感器、二維碼等,經(jīng)過(guò)接口與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相連,從而給物體賦予智能和通訊能力,這種將物體聯(lián)接起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)被稱(chēng)為“物聯(lián)網(wǎng)”。
物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是多種技術(shù)的綜合應(yīng)用。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用到的技術(shù)主要包括:傳感器技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、二維碼技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)等。物聯(lián)網(wǎng)主要由六方面組成:EPC編碼、EPC標(biāo)簽、射頻識(shí)讀器、Savant(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件)、對(duì)象名解析服務(wù)(Object Naming Ser-vice,ONS)和實(shí)體標(biāo)記語(yǔ)言(Physical Markup Language, PML)。
2.2.1 EPC編碼
EPC編碼是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。它是對(duì)實(shí)體及實(shí)體的相關(guān)信息進(jìn)行代碼化.通過(guò)統(tǒng)一并規(guī)范化的編碼建立全球通用的信息交換語(yǔ)言。
2.2.2 射頻識(shí)讀器
在射頻識(shí)別系統(tǒng)中,射頻讀寫(xiě)器是將標(biāo)簽中的信息讀出,或?qū)?biāo)簽所需要存儲(chǔ)的信息寫(xiě)入標(biāo)簽的裝置。讀寫(xiě)器讀出的標(biāo)簽的信息通過(guò)計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行管理和信息傳輸。
2.2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件(Savant)
每件產(chǎn)品都加上射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽之后,在產(chǎn)品的生產(chǎn)、運(yùn)輸和銷(xiāo)售過(guò)程中,識(shí)讀器將不斷收到一連串的產(chǎn)品電子編碼。整個(gè)過(guò)程中最為重要、同時(shí)也是最困難的環(huán)節(jié)就是傳送和管理這些數(shù)據(jù)。Auto-ID中心提出一種名叫Savant的軟件中間件技術(shù),相當(dāng)于該新式網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)系統(tǒng),負(fù)責(zé)處理各種不同應(yīng)用的數(shù)據(jù)讀取和傳輸。
2.2.4 對(duì)象名解析服務(wù)(Object Name Service,ONS)
EPC標(biāo)簽對(duì)于一個(gè)開(kāi)放式的、全球性的追蹤物品的網(wǎng)絡(luò)需要一些特殊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因?yàn)闃?biāo)簽中只存儲(chǔ)了產(chǎn)品電子代碼,計(jì)算機(jī)還需要一些將產(chǎn)品電子代碼匹配到相應(yīng)商品信息的方法。這個(gè)角色就由對(duì)象名稱(chēng)解析服務(wù)擔(dān)當(dāng),它是一個(gè)自動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)。
2.2.5 實(shí)體標(biāo)記語(yǔ)言(Physical Mark up Language,PML)
EPC產(chǎn)品電子代碼識(shí)別單品,但是所有關(guān)于產(chǎn)品有用的信息都用一種新型的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言— 實(shí)體標(biāo)記語(yǔ)言(PML)所書(shū)寫(xiě),PML是基于為人們廣為接受的可擴(kuò)展標(biāo)識(shí)語(yǔ)言(XML)發(fā)展而來(lái)的。PML提供了一個(gè)描述自然物體,過(guò)程和環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn),并可供工業(yè)和商業(yè)中的軟件開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析工具之用。它將提供一種動(dòng)態(tài)的環(huán)境,使與物體相關(guān)的靜態(tài)的、暫時(shí)的、動(dòng)態(tài)的和統(tǒng)計(jì)加工過(guò)的數(shù)據(jù)可以互相交換。它將會(huì)成為描述所有自然物體、過(guò)程和環(huán)境的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),PML的應(yīng)用將會(huì)非常廣泛,并且進(jìn)入到所有行業(yè)。
3.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀
雖然物聯(lián)網(wǎng)的概念在我國(guó)最近才得到廣泛關(guān)注,但物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用很早就在我國(guó)開(kāi)展。在RFID方面,2009年中國(guó)RFID產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)110億元,相比2008年增長(zhǎng)36.8%,已用于物流、城市交通、工業(yè)生產(chǎn)、食品追溯、移動(dòng)支付等方面。
隨著3G網(wǎng)絡(luò)的使用,各運(yùn)營(yíng)商推出了移動(dòng)支付方式。如中國(guó)電信目前采用RFID技術(shù)的UIM卡開(kāi)通移動(dòng)支付永久免費(fèi)優(yōu)惠活動(dòng)。該項(xiàng)技術(shù)預(yù)計(jì)未來(lái)年增長(zhǎng)率將超過(guò)60%,在智能樓宇、路燈監(jiān)控等方面得到廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò);應(yīng)用;前景
中圖分類(lèi)號(hào):TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-7712 (2013) 14-0000-01
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò),通常指的是由大量的高密度部署的傳感器節(jié)點(diǎn)所組成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用系統(tǒng)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及傳感器技術(shù)的結(jié)合物,它的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)于信息的無(wú)線(xiàn)傳感,同時(shí)通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳送到制定的終端。近幾年,隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展程度的不斷提高,同時(shí)加之人們對(duì)于無(wú)線(xiàn)感知的認(rèn)識(shí)不斷增強(qiáng),因此對(duì)于普及無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求越來(lái)越旺盛,同時(shí)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和建設(shè)也極大的推動(dòng)了相關(guān)的傳感器和信息傳輸技術(shù)的發(fā)展,對(duì)于推動(dòng)傳感器技術(shù)的發(fā)展,推動(dòng)各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步改善和發(fā)展有著十分積極的意義。
一、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的原理
通常情況下,無(wú)線(xiàn)傳感器主要包括四個(gè)基本的組成部分,分別是傳感器的目標(biāo)、匯集節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)以及具體的感知環(huán)境,同時(shí)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)還需要對(duì)具有的無(wú)線(xiàn)傳感器應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合適的網(wǎng)絡(luò)部署以及用戶(hù)單元的具體化描述,因此無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)較為復(fù)雜的傳感器網(wǎng)絡(luò),其涉及到的技術(shù)眾多,同時(shí)還需要對(duì)所使用的不同技術(shù)進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)原理即是通過(guò)對(duì)某個(gè)特定的區(qū)域大量的部署無(wú)線(xiàn)傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)于該區(qū)域的具體目標(biāo)的感知。其具體的實(shí)現(xiàn)方式是由眾多的無(wú)線(xiàn)傳感器收集具體的目標(biāo)信息,然后對(duì)信息進(jìn)行匯總,再通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的外部通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)于節(jié)點(diǎn)信息的傳輸和存儲(chǔ)。因此,用戶(hù)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)具體的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)自由的感知,有利于用戶(hù)對(duì)特定區(qū)域的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)有關(guān)數(shù)據(jù)的檢測(cè)和收集,對(duì)于降低用戶(hù)的數(shù)據(jù)收集工作量、提高用戶(hù)數(shù)據(jù)采集效率有著十分重要的意義。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中,其核心的部分是無(wú)線(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都是由微處理器組成的,通常情況下報(bào)考數(shù)據(jù)的采集、處理、無(wú)線(xiàn)通信以及電源供應(yīng)模塊。具體來(lái)講,數(shù)據(jù)采集模塊主要是通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器對(duì)特定區(qū)域的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)感知,同時(shí)將無(wú)線(xiàn)傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)化為特定的信息形式;控制模塊主要由一些微處理器實(shí)現(xiàn),其主要的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)于節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)傳感器的控制,同時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)、信息處理等實(shí)現(xiàn)控制;無(wú)線(xiàn)傳感器模塊則主要負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的外部無(wú)線(xiàn)通信,其包括特定頻率的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊,同時(shí)嵌入特定的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議,是信息的傳輸、交換的基礎(chǔ);電源供應(yīng)模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電,為傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)能量的供應(yīng),以保證無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。
二、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用取得了巨大的發(fā)展,并且取得了大規(guī)模的應(yīng)用,其主要應(yīng)用在以下幾個(gè)領(lǐng)域:
(一)軍事領(lǐng)域。軍事領(lǐng)域的應(yīng)用是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的重要推動(dòng)力量,同時(shí)也是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域。在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用最早可以追溯到越南戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期美軍用于進(jìn)行偵查的無(wú)線(xiàn)傳感器。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用主要得益于其靈活的區(qū)域部署能力、較強(qiáng)的隱蔽性能、易于實(shí)現(xiàn)密集分布等,使得無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)更加適合在復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下應(yīng)用,其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用具體包括對(duì)于戰(zhàn)場(chǎng)的偵查、裝備物資部署情況分析、戰(zhàn)場(chǎng)損傷評(píng)估等。
(二)醫(yī)療領(lǐng)域。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也是一個(gè)重要的方面,其具體的應(yīng)用包括利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)于醫(yī)療機(jī)構(gòu)藥品的管理、輔助診斷、病人定位以及遠(yuǎn)程醫(yī)療的實(shí)現(xiàn)等,并且已經(jīng)取得了很大的成功。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)組成的醫(yī)療環(huán)境下可以對(duì)病人的各個(gè)方面的生命體征實(shí)現(xiàn)感知,并且可以通過(guò)事先設(shè)置的參數(shù)對(duì)病人的病情進(jìn)行判斷,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)病人健康狀況的實(shí)時(shí)化檢測(cè),在未來(lái)的醫(yī)療發(fā)展中會(huì)有著更加廣闊的應(yīng)用。
(三)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域。隨著生態(tài)環(huán)境的日益惡化,人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)的意識(shí)越來(lái)越強(qiáng),這也為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)了機(jī)遇。通常情況下,在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域需要對(duì)海洋、火山、森林等惡劣環(huán)境實(shí)現(xiàn)定期的檢測(cè),傳統(tǒng)的檢測(cè)方式需要耗費(fèi)巨大的人力物力,而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用大幅度的降低了環(huán)境檢測(cè)的難度,同時(shí)也在很大程度上提高了環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。例如由我國(guó)研制的具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)南極洲的環(huán)境檢測(cè),這是環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域的重大突破,對(duì)于提高人們掌握地球環(huán)境變化、提高人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí)有著重要的意義。
(四)工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品的檢測(cè)以及農(nóng)田環(huán)境的檢測(cè),并且在檢測(cè)的過(guò)程中獲得作物和土壤成分的具體信息,對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)作物管理、提高農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化水平有著十分積極的意義。同時(shí)無(wú)線(xiàn)傳感器還大規(guī)模的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的土壤灌溉領(lǐng)域,對(duì)于節(jié)約水資源有著重要意義。在工業(yè)領(lǐng)域,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)也有著十分重要的應(yīng)用,主要實(shí)現(xiàn)對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)的檢測(cè),對(duì)于降低生產(chǎn)線(xiàn)的成本、提高工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量有著積極的作用。
(五)智能家居領(lǐng)域。隨著人們生活水平的提高,對(duì)于智能家居有著更加旺盛的需求,而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也極大的推動(dòng)力智能家居的發(fā)展和推廣。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居系統(tǒng)的環(huán)境檢測(cè)、家居環(huán)境安全性檢測(cè)以及對(duì)家居的舒適度的檢測(cè)和控制等。因此,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié),其設(shè)計(jì)的好壞直接影響著智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞,對(duì)于提高智能家居的用戶(hù)體驗(yàn)有著至關(guān)重要的作用。
三、結(jié)束語(yǔ)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展對(duì)于推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、提高人們的生活水平有著十分重要的意義,同時(shí)需要在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用過(guò)程中注意到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性,并且需要采取積極的措施進(jìn)行預(yù)防。
參考文獻(xiàn):
[1]屈峰,楊華,王立軍.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用[J].四川兵工學(xué)報(bào),2013,2.
關(guān)鍵詞:無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò);概述;運(yùn)用;方面;利用
隨著互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展和深入,以技術(shù)延伸和市場(chǎng)信息采集等重要因素的影響下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生,并且以其獨(dú)有的特點(diǎn)和科技優(yōu)點(diǎn)使其應(yīng)運(yùn)越來(lái)越廣泛,對(duì)于經(jīng)濟(jì)和生活的很多領(lǐng)域都具有重大的影響和革命性的作用。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興網(wǎng)絡(luò),它采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),由微小的傳感器組成,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具備感應(yīng)能力、信息處理能力和無(wú)線(xiàn)通信能力,使無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)有廣闊的應(yīng)用前景,可廣泛用于軍事、環(huán)境、醫(yī)療保健、空間探索及各種商業(yè)應(yīng)用,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是新的研究領(lǐng)域[1]。同時(shí),無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)在國(guó)際上被認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的第二大網(wǎng)絡(luò),不難看出,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)既是今后社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步的核心動(dòng)力,也同樣是國(guó)家和個(gè)人必須發(fā)展和掌握的科技項(xiàng)目。在此,對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)概述及應(yīng)用提出了我個(gè)人的見(jiàn)解和思考,歸納總結(jié)如下。
1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)概述
1.1 技術(shù)信息介紹
無(wú)線(xiàn)傳感器通過(guò)大量的傳感器以自組織或者多跳的方式,通過(guò)對(duì)所覆蓋區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸,從而將這些信息傳送給網(wǎng)絡(luò)所有者。
1.2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)
(1)規(guī)模大。在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi),可以布置成千上萬(wàn)的大量傳感器節(jié)點(diǎn),這樣的密集程度對(duì)各個(gè)視角和方位所能夠獲取的信息量有了極大的提升,提高信息采集的全面性和可靠性,即獲取信息的容錯(cuò)性和準(zhǔn)確性。
(2)自組織。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的布置是一種預(yù)先性動(dòng)作,當(dāng)擺放位置不能很好接受信息時(shí)、當(dāng)需要布置到一些人類(lèi)不能到達(dá)的危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)或者當(dāng)一些節(jié)點(diǎn)自身不能正常工作時(shí),這對(duì)于節(jié)點(diǎn)的有效排列組合工作需要其自行完成,從而更好適應(yīng)現(xiàn)實(shí)的需要,進(jìn)行有效的工作。
(3)動(dòng)態(tài)性。大量的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效的工作是需要相互之間以一種動(dòng)態(tài)形式相互配合來(lái)更好完成的過(guò)程,對(duì)于一些可能發(fā)生的情況從而導(dǎo)致工作無(wú)法正常有效的進(jìn)行要提前設(shè)置和安排,這就突顯出其動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)。例如某個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)法正常工作、新節(jié)點(diǎn)的加入安排、某些環(huán)境因素導(dǎo)致的無(wú)線(xiàn)通信的變化或者中斷、感知對(duì)象的移動(dòng)等等,針對(duì)復(fù)雜多變的內(nèi)外因因素的影響,這對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)有了更高層次的要求,通過(guò)其具有的動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)來(lái)更好的完成工作。
(4)可靠性。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)組成的以數(shù)據(jù)為中心的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò).匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)一個(gè)或多個(gè)源節(jié)點(diǎn)傳送的采集數(shù)據(jù)對(duì)事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)和判斷,而數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃灾苯佑绊懙奖O(jiān)測(cè)和判斷的準(zhǔn)確性.在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中,一方面,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)變化的,數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān);另一方面,網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)是能量受限的,因此傳輸?shù)目煽啃赃€與節(jié)點(diǎn)的能量密切相關(guān)[2]。其主要受節(jié)點(diǎn)復(fù)雜的工作環(huán)境的影響,既可能面對(duì)雨雪風(fēng)霜,也可能面對(duì)風(fēng)吹日曬或者是人和動(dòng)物的破壞等,需要節(jié)點(diǎn)自身非常堅(jiān)固,從而能夠適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境要求。同樣,如此眾多的節(jié)點(diǎn)其維護(hù)和保護(hù)工作異常巨大,工作人員不可能做到面面俱到,因此,考慮到節(jié)點(diǎn)可能存在的被偵測(cè)和信息的被截取等情況,需要節(jié)點(diǎn)自身以及無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都必須具有一定的防御性和容錯(cuò)性,提高自身保密工作從而更好地工作。
(5)以數(shù)據(jù)為中心的特征。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)終端系統(tǒng)為基礎(chǔ)展開(kāi)的,通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)傳遞任務(wù)指令和傳回信息的雙向性鏈接方式。在此過(guò)程中,這種數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)思想更接近于人與人的自然交流。
2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)有著許多各式各樣的應(yīng)用方式,包括視頻監(jiān)視、交通監(jiān)視、汽車(chē)和工業(yè)自動(dòng)化等各個(gè)方面。列舉如下:
2.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)
針對(duì)當(dāng)前城市環(huán)境保護(hù)與在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的需要,提出了一種利用具有自組織特性的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSN)對(duì)溫度、濕度和噪聲等環(huán)境變量進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的方法.該方法采用了對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、低功耗微小網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、基于拓?fù)錁?shù)的網(wǎng)絡(luò)初始化配置算法以及基于地理位置特性的路由算法,不僅解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法中網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)復(fù)雜、精度有限的問(wèn)題,而且具有實(shí)時(shí)性和容錯(cuò)性強(qiáng)等特點(diǎn).仿真結(jié)果表明,在1 000個(gè)節(jié)點(diǎn)、通信距離為100 m的條件下,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)延遲時(shí)間
2.2 醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用
針對(duì)當(dāng)下大部分人群身體處于亞健康狀態(tài),結(jié)合相關(guān)醫(yī)學(xué)技術(shù),對(duì)每個(gè)人的生活習(xí)慣進(jìn)行監(jiān)測(cè)和反饋,從而提出相對(duì)應(yīng)的改正措施。另外,對(duì)于護(hù)理工作中,對(duì)病人進(jìn)行全面實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè),從而提供及時(shí)有效的幫助。
2.3 軍事領(lǐng)域應(yīng)用
在軍事活動(dòng)中,利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到敵軍部署和變動(dòng),了解對(duì)方的實(shí)力情況和定位,這種“超視力”的觀(guān)察模式必定是掌握戰(zhàn)場(chǎng)先機(jī)的關(guān)鍵所在。
2.4 災(zāi)難監(jiān)測(cè)和預(yù)防
在生活中,火災(zāi)、洪澇災(zāi)害等影響對(duì)于人民生產(chǎn)生活造成了極大的破壞性影響。對(duì)此,利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),對(duì)于一些災(zāi)害的監(jiān)測(cè)可以做更加及時(shí)有效的反饋,從而將損失降到最低。
總之,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以其獨(dú)有的特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)點(diǎn),受到社會(huì)更廣泛的認(rèn)知和重視,其運(yùn)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛。作為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)下的技術(shù)衍生品,以其極具生命力的技術(shù)品質(zhì)迅速在全球傳播和布局,并深入各行各業(yè)。我們需要認(rèn)真學(xué)習(xí)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特征及運(yùn)用,并與創(chuàng)新精神相結(jié)合,以更加務(wù)實(shí)且先進(jìn)的實(shí)業(yè)態(tài)度,謀求無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新應(yīng)用,推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步和生活品質(zhì)的提高。
參考文獻(xiàn):
[1]韓立鋒.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[J].電信快報(bào),2005(04).
【關(guān)鍵詞】無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò);優(yōu)化;覆蓋
0 引言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是結(jié)合微機(jī)電技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、分布式信息處理、無(wú)線(xiàn)電通信、傳感器技術(shù)等諸多技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的一門(mén)多學(xué)科交叉的新興信息感知處理技術(shù)。無(wú)線(xiàn)傳感器具有低耗能、體積小、支持短距離通信、價(jià)格便宜等特點(diǎn),能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理等處理。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方便、靈活能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、感知和收集目標(biāo)區(qū)域的相關(guān)信息,并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上傳終端實(shí)現(xiàn)信息的自動(dòng)收集。利用各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的收集、傳輸、處理能力,感知目標(biāo)區(qū)域的熱能、音頻、可見(jiàn)光和電磁波等信號(hào),進(jìn)而得到目標(biāo)區(qū)域的溫度、濕度、壓力、光感強(qiáng)度、噪聲等信息。傳感器節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中不僅只有收集和反射數(shù)據(jù)的功能,同時(shí)還承擔(dān)數(shù)據(jù)路由的角色,將收集到的數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)關(guān)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)極大的延伸了人們的信息收集能力,為人們提供真實(shí)直接有效的目標(biāo)信息。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力,尤其在資源少、環(huán)境惡劣的無(wú)人區(qū)域具有較好的應(yīng)用前景。該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用與城市管理、軍事國(guó)防、抗震救災(zāi)、消防反恐、環(huán)境監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)等諸多的區(qū)域。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比較,傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要是提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)和高效的帶寬利用。而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)則是以收集目標(biāo)信息為主要目的,具備監(jiān)測(cè)、收集、處理、傳輸目標(biāo)信息的能力,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)更強(qiáng)調(diào)能源的高校利用。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋是該技術(shù)研究的基本問(wèn)題,網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要是指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)對(duì)被檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域的空間覆蓋,對(duì)于目標(biāo)區(qū)域的物理信息進(jìn)行感知、收集。單個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知能力有限,需要很多節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)合作才能實(shí)現(xiàn)對(duì)于目標(biāo)信息的收集。因此,傳感器節(jié)點(diǎn)的感知模型和節(jié)點(diǎn)的空間分布是網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重點(diǎn)元素,直接影響到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作能力。
1 高效能網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化
1.1 虛擬力算法
圖1 節(jié)點(diǎn)受力分析圖
虛擬力方法是常用的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署方法,該算法最早來(lái)源于移動(dòng)機(jī)器人規(guī)避障礙物的勢(shì)力場(chǎng)算法,是將圓盤(pán)覆蓋理論與勢(shì)力場(chǎng)算法結(jié)合起來(lái)的,將傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)成勢(shì)力場(chǎng)中的粒子,粒子對(duì)周?chē)牧W佑兄Φ淖饔?。?dāng)節(jié)點(diǎn)距離較近時(shí),節(jié)點(diǎn)之間的作用力是排斥力,當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間的達(dá)到一定距離時(shí),節(jié)點(diǎn)之間的作用表現(xiàn)為吸引力,在吸引力的作用下節(jié)點(diǎn)相互靠近。在實(shí)際部署中按照一定規(guī)則設(shè)定節(jié)點(diǎn)之間的距離與作用力之間的關(guān)系,節(jié)點(diǎn)在計(jì)算節(jié)點(diǎn)合力后,做出相應(yīng)的移動(dòng),從而實(shí)際部署當(dāng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)過(guò)于稀疏或者密集。這樣覆蓋算法能夠使得整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)分布均勻,使得網(wǎng)絡(luò)達(dá)到高效部署。節(jié)點(diǎn)的受力分析如圖1所示:
其中k為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。
1.2 多目標(biāo)多重覆蓋算法
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行信息采集時(shí),很多時(shí)候需要對(duì)ROI中的一些信息點(diǎn)進(jìn)行多重覆蓋,以便能獲得更加準(zhǔn)確、全面的信息。然而,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能源消耗的觀(guān)點(diǎn)看,整個(gè)ROI被覆蓋顯然不利于能源的節(jié)約。因此,在保障ROI的基本覆蓋的基礎(chǔ)上,適當(dāng)調(diào)整某些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)重?cái)?shù)使其重?cái)?shù)少于預(yù)定重?cái)?shù),其他節(jié)點(diǎn)保持原來(lái)的覆蓋重?cái)?shù)不變,這樣能很大程度的節(jié)約傳感器能量。在虛擬力算法的基礎(chǔ)上,假設(shè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的被監(jiān)測(cè)點(diǎn)(Point of Interest)對(duì)該點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)有相互作用力,根據(jù)節(jié)點(diǎn)間作用力的性質(zhì)和節(jié)點(diǎn)被周?chē)?jié)點(diǎn)覆蓋的情況來(lái)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的覆蓋情況,以達(dá)到對(duì)一些節(jié)點(diǎn)多重覆蓋的目的。該算法數(shù)據(jù)計(jì)算量較小,能在滿(mǎn)足ROI完整覆蓋監(jiān)測(cè)的情況下,對(duì)某些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一定數(shù)目的多重覆蓋。
在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi),如果某個(gè)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)在n個(gè)節(jié)點(diǎn)的覆蓋區(qū)域內(nèi),則稱(chēng)該點(diǎn)n重覆蓋,被監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)為(xa,ya),傳感器節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(x1,y1),定義CWa為節(jié)點(diǎn)A的覆蓋重?cái)?shù),則有CWa
的表達(dá)式如下:
假設(shè)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)(POI)跟附近節(jié)點(diǎn)有力的作用,對(duì)周?chē)?jié)點(diǎn)有力的作用,該點(diǎn)需要幾重覆蓋就選擇該點(diǎn)附近的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行覆蓋。根據(jù)覆蓋重?cái)?shù)的要求,被監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇就近的幾個(gè)節(jié)點(diǎn),計(jì)算節(jié)點(diǎn)到該點(diǎn)之間的距離,判斷這些節(jié)點(diǎn)能否達(dá)到覆蓋要求,如果能夠滿(mǎn)足覆蓋要求則這些節(jié)點(diǎn)保持不動(dòng),在不能滿(mǎn)足覆蓋要求時(shí),節(jié)點(diǎn)與被監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離不大于2倍感知距離時(shí),將節(jié)點(diǎn)向被監(jiān)測(cè)點(diǎn)移動(dòng),并移動(dòng)原來(lái)距離的二分之一以上,然后,在判斷節(jié)點(diǎn)能否滿(mǎn)(下轉(zhuǎn)第68頁(yè))(上接第93頁(yè))足覆蓋要求。這樣能避免移動(dòng)距離過(guò)大造成能源消耗。在小范圍利用虛擬力算法進(jìn)行覆蓋處理,使覆蓋節(jié)點(diǎn)均勻分布。對(duì)于監(jiān)測(cè)區(qū)域的其他節(jié)點(diǎn)利用虛擬力算法進(jìn)行部署,優(yōu)化節(jié)點(diǎn)分布。該算法能夠充分考慮到某些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高密度監(jiān)測(cè),同時(shí)能夠兼顧到整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的優(yōu)化分布。該算法中被監(jiān)測(cè)點(diǎn)與周?chē)?jié)點(diǎn)力的作用表達(dá)式為:
2 結(jié)束語(yǔ)
無(wú)線(xiàn)傳感器是隨著傳感器技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信、微機(jī)電技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型的信息收集處理技術(shù)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠有效地收集客觀(guān)世界的信息,特別是環(huán)境惡劣、無(wú)人區(qū)域的環(huán)境當(dāng)中有很好的應(yīng)用前景。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有展開(kāi)速度快、覆蓋區(qū)域廣、監(jiān)測(cè)精度高、抗摧毀性強(qiáng)等特點(diǎn)已成為當(dāng)下信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋是該技術(shù)研究的基本問(wèn)題,網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要是指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)對(duì)被檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域的空間覆蓋,對(duì)于目標(biāo)區(qū)域的物理信息進(jìn)行感知、收集。單個(gè)節(jié)點(diǎn)的感知能力有限,需要很多節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)合作才能實(shí)現(xiàn)對(duì)于目標(biāo)信息的收集,優(yōu)化感應(yīng)器節(jié)點(diǎn)分布,能節(jié)約傳感器能源消耗,提高目標(biāo)點(diǎn)的感應(yīng)密度。因此,傳感器節(jié)點(diǎn)的感知模型和節(jié)點(diǎn)的空間分布是網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重點(diǎn)元素,直接影響到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作能力。
【參考文獻(xiàn)】
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關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò);無(wú)線(xiàn)傳感器;安全;研究
當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)中,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)組成形式主要為大量廉價(jià)、精密的節(jié)點(diǎn)組成的一種自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),這種網(wǎng)絡(luò)的主要功能是對(duì)被檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和感知,并感知所在環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度以及紅外線(xiàn)等信息,在此基礎(chǔ)上利用無(wú)線(xiàn)傳輸功能將信息發(fā)送給檢測(cè)人員實(shí)施信息檢測(cè),完整對(duì)整個(gè)區(qū)域內(nèi)的檢測(cè)。很多類(lèi)似微型傳感器共同構(gòu)成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有無(wú)線(xiàn)通信能力與微處理能力,所以無(wú)線(xiàn)傳感器的應(yīng)用前景極為廣闊,具體表現(xiàn)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事監(jiān)測(cè)、智能建筑以及醫(yī)療等領(lǐng)域。
1無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題分析
徹底、有效解決網(wǎng)絡(luò)中所存在的節(jié)點(diǎn)認(rèn)證、完整性、可用性等問(wèn)題,此為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo),基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)特性,對(duì)其安全目標(biāo)予以早期實(shí)現(xiàn),往往不同于普通網(wǎng)絡(luò),在對(duì)不同安全技術(shù)進(jìn)行研究與移植過(guò)程中,應(yīng)重視一下約束條件:①功能限制。部署節(jié)點(diǎn)結(jié)束后,通常不容易替換和充電。在這種情況下,低能耗就成為無(wú)線(xiàn)傳感器自身安全算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一。②相對(duì)有限的運(yùn)行空間、存儲(chǔ)以及計(jì)算能力。從根本上說(shuō),傳感器節(jié)點(diǎn)用于運(yùn)行、存儲(chǔ)代碼進(jìn)空間極為有限,其CPU運(yùn)算功能也無(wú)法和普通計(jì)算機(jī)相比[1];③通信缺乏可靠性?;跓o(wú)線(xiàn)信道通信存在不穩(wěn)定特性。而且與節(jié)點(diǎn)也存在通信沖突的情況,所以在對(duì)安全算法進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中一定要對(duì)容錯(cuò)問(wèn)題予以選擇,對(duì)節(jié)點(diǎn)通信進(jìn)行合理協(xié)調(diào);④無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在漏洞。隨著近些年我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,使得無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)逐漸提升了自身更新速度,無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與發(fā)展在目前呈現(xiàn)普及狀態(tài),而且在實(shí)際應(yīng)用期間通常受到技術(shù)缺陷的制約與影響,由此就直接損害到互聯(lián)網(wǎng)的可靠性與安全性?;趪?guó)內(nèi)技術(shù)制約,很多技術(shù)必須從國(guó)外進(jìn)購(gòu),這就很容易出現(xiàn)不可預(yù)知的安全患,主要表現(xiàn)為錯(cuò)誤的操作方法導(dǎo)致病毒與隱性通道的出現(xiàn),且能夠恢復(fù)密鑰密碼,對(duì)計(jì)算機(jī)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)安全運(yùn)行產(chǎn)生很大程度的影響[2]。
2攻擊方法與防御手段
傳感器網(wǎng)絡(luò)在未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮著非常重要的作用。因?yàn)槲锢矸矫鏄O易被捕獲與應(yīng)用無(wú)線(xiàn)通信,及受到能源、計(jì)算以及內(nèi)存等因素的限制,所以傳感器互聯(lián)網(wǎng)安全性能極為重要。對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署,其規(guī)模必須在不同安全舉措中認(rèn)真判斷與均衡?,F(xiàn)階段,在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧不同層次內(nèi)部,傳感器網(wǎng)絡(luò)所受攻擊與防御方法見(jiàn)表1。該章節(jié)主要分析與介紹代表性比較強(qiáng)的供給與防御方法。
3熱點(diǎn)安全技術(shù)研究
3.1有效發(fā)揮安全路由器技術(shù)的功能
無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)中,應(yīng)用主體互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)比較明顯,存在較多路由器種類(lèi)。比方說(shuō),各個(gè)科室間有效連接無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),還能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控流量等優(yōu)點(diǎn),這就對(duì)互聯(lián)網(wǎng)信息可靠性與安全性提出更大保障與更高要求[3]。以此為前提,無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)還可以對(duì)外來(lái)未知信息進(jìn)行有效阻斷,以將其安全作用充分發(fā)揮出來(lái)。
3.2對(duì)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)加密技術(shù)作用進(jìn)行充分發(fā)揮
在實(shí)際應(yīng)用期間,校園無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)必須對(duì)很多保密性資料進(jìn)行傳輸,在實(shí)際傳輸期間,必須對(duì)病毒氣侵入進(jìn)行有效防范,所以,在選擇無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)節(jié),應(yīng)該對(duì)加密技術(shù)進(jìn)行選擇,以加密重要的資料,研究隱藏信息技術(shù),采用這一加密技術(shù)對(duì)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)可靠性與安全性進(jìn)行不斷提升。除此之外,在加密數(shù)據(jù)期間,數(shù)據(jù)信息收發(fā)主體還應(yīng)該隱藏資料,保證其數(shù)據(jù)可靠性與安全性得以實(shí)現(xiàn)。
3.3對(duì)安全MAC協(xié)議合理應(yīng)用
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的形成和發(fā)展與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)形式有一定的差異和區(qū)別,它有自身發(fā)展優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn),比如傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)形式一般是利用動(dòng)態(tài)路由技術(shù)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為客戶(hù)提供更好網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)。隨著近些年無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)與電子器件技術(shù)的迅猛發(fā)展,使多功能、低成本與低功耗的無(wú)線(xiàn)傳感器應(yīng)用與開(kāi)發(fā)變成可能。這些微型傳感器一般由數(shù)據(jù)處理部件、傳感部件以及通信部件共同組成[4]。就當(dāng)前情況而言,僅僅考慮有效、公平應(yīng)用信道是多數(shù)無(wú)線(xiàn)傳感器互聯(lián)網(wǎng)的通病,該現(xiàn)象極易攻擊到無(wú)線(xiàn)傳感器互聯(lián)網(wǎng)鏈路層,基于該現(xiàn)狀,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC安全體制可以對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行有效解決,從而在很大程度上提升無(wú)線(xiàn)傳感器互聯(lián)網(wǎng)本身的安全性能,確保其能夠更高效的運(yùn)行及應(yīng)用[5]。
3.4不斷加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全管理力度
實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié),首先應(yīng)該不斷加強(qiáng)互聯(lián)網(wǎng)安全管理的思想教育,同時(shí)嚴(yán)格遵循該制度。因此應(yīng)該選擇互聯(lián)網(wǎng)使用體制和控制方式,不斷提高技術(shù)維護(hù)人員的綜合素質(zhì),從而是無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)際安全應(yīng)用水平得到不斷提升[6]。除此之外,為對(duì)其技術(shù)防御意識(shí)進(jìn)行不斷提升,還必須培訓(xùn)相關(guān)技術(shù)工作者,對(duì)其防范意識(shí)予以不斷提升;其次是應(yīng)該對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息安全人才進(jìn)行全面培養(yǎng),在對(duì)校園無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行應(yīng)用過(guò)程中,安全運(yùn)行互聯(lián)網(wǎng)非常關(guān)鍵[7]。所以,應(yīng)該不斷提升無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)工作者的技術(shù)能力,以此使互聯(lián)網(wǎng)信息安全運(yùn)行得到不斷提升。
4結(jié)束語(yǔ)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種應(yīng)用比較廣泛的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù),比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就有較多優(yōu)勢(shì),不但對(duì)使用主體內(nèi)部資料的保存和傳輸帶來(lái)了方便,而且也大大提升了國(guó)內(nèi)無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展。從目前使用情況來(lái)看,依舊存在問(wèn)題,負(fù)面影響較大,特別是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全防御方面。網(wǎng)絡(luò)信息化是二十一世紀(jì)的顯著特征,也就是說(shuō),國(guó)家與國(guó)家間的競(jìng)爭(zhēng)就是信息化的競(jìng)爭(zhēng),而無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息化可將我國(guó)信息實(shí)力直接反映與體現(xiàn)出來(lái),若無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遭到破壞,那么就會(huì)導(dǎo)致一些機(jī)密文件與資料信息的泄露,引發(fā)不必要的經(jīng)濟(jì)損失與人身安全,私自截獲或篡改互聯(lián)網(wǎng)機(jī)密信息,往往會(huì)造成互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓現(xiàn)象。因此,應(yīng)該進(jìn)一步強(qiáng)化無(wú)線(xiàn)傳感器互聯(lián)網(wǎng)信息安全性。
作者:楊波 單位:常州大學(xué)懷德學(xué)院
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關(guān)鍵詞:WSN智能 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳感器
在信息化社會(huì),幾乎沒(méi)有任何一種科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用能夠離得開(kāi)傳感器和信號(hào)探測(cè)技術(shù)的支持。生活在信息時(shí)代的人們,絕大部分的日常生活與信息資源的開(kāi)發(fā)、采集、傳送和處理息息相關(guān)。分析當(dāng)前信息與技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài),21世紀(jì)的先進(jìn)傳感器必須具備小型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)良特征。
一、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義和特點(diǎn)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以看成是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡(luò)和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點(diǎn),各節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)議自組成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò),再將采集來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)優(yōu)化后經(jīng)無(wú)線(xiàn)電波傳輸給信息處理中心。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn):
1.硬件資源有限。WSN節(jié)點(diǎn)采用嵌入式處理器和存儲(chǔ)器,計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力十分有限。所以,需要解決如何在有限計(jì)算能力的條件下進(jìn)行協(xié)作分布式信息處理的難題。
2.電源容量有限。為了測(cè)量真實(shí)世界的具體值,各個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)密集地分布于待測(cè)區(qū)域內(nèi),人工補(bǔ)充能量的方法已經(jīng)不再適用。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要儲(chǔ)備可供長(zhǎng)期使用的能量,或者自己從外汲取能量(太陽(yáng)能)。當(dāng)自身攜帶的電池的能量耗盡,往往被廢棄,甚至造成網(wǎng)絡(luò)的中斷。所以,任何WSN技術(shù)和協(xié)議的研究都要以節(jié)能為前提。
3.無(wú)中心。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中,所有節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的,沒(méi)有預(yù)先指定的中心, 是一個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。各節(jié)點(diǎn)通過(guò)分布式算法來(lái)相互協(xié)調(diào),在無(wú)人值守的情況下,節(jié)點(diǎn)就能自動(dòng)組織起一個(gè)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。而正因?yàn)闆](méi)有中心,網(wǎng)絡(luò)便不會(huì)因?yàn)閱蝹€(gè)節(jié)點(diǎn)的脫離而受到損害。節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò),任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行,具有很強(qiáng)的抗毀性。
4.自組織。網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開(kāi)無(wú)需依賴(lài)于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,節(jié)點(diǎn)通過(guò)分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為,節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。
5.多跳(Multi-hop)路由。WSN節(jié)點(diǎn)通信能力有限,覆蓋范圍只有幾十到幾百米,節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,則需要通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。WSN中的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成的。
6.動(dòng)態(tài)拓?fù)洹SN是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng);一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其他故障,退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行;也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。這些都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化,因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能。
7.節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多,分布密集。WSN節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、分布范圍廣,難于維護(hù)甚至不可維護(hù)。所以,需要解決如何提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件健壯性和容錯(cuò)性。
8.傳輸能力的有限性。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,雖然省去了布線(xiàn)的煩惱,但是相對(duì)于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),低帶寬則成為它的天生缺陷。同時(shí),信號(hào)之間還存在相互干擾,信號(hào)自身也在不斷地衰減,諸如此類(lèi)。不過(guò)因?yàn)閱蝹€(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不算大,這個(gè)缺點(diǎn)還是能忍受的。
9.安全性的問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)信道、有限的能量,分布式控制都使得無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)更容易受到攻擊。被動(dòng)竊聽(tīng)、主動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)則是這些攻擊的常見(jiàn)方式。因此,安全性在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。
二、傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究
1.環(huán)境的監(jiān)測(cè)和保護(hù)
應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò),一般具有部署簡(jiǎn)單、便宜、長(zhǎng)期不需更換電池、無(wú)需派人現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)密集的節(jié)點(diǎn)布置,可以觀(guān)察到微觀(guān)的環(huán)境因素,為環(huán)境研究和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了嶄新的途徑傳感器網(wǎng)絡(luò)研究在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)有很多的實(shí)例。這些應(yīng)用實(shí)例包括:對(duì)海島鳥(niǎo)類(lèi)生活規(guī)律的觀(guān)測(cè);氣象現(xiàn)象的觀(guān)測(cè)和天氣預(yù)報(bào);森林火警;生物群落的微觀(guān)觀(guān)測(cè)等:
洪災(zāi)的預(yù)警:通過(guò)在水壩、山區(qū)中關(guān)鍵地點(diǎn)合理地布置一些水壓、土壤濕度等傳感器,可以在洪災(zāi)到來(lái)之前預(yù)警信息,從而及時(shí)排除險(xiǎn)情或者減少損失。
農(nóng)業(yè)管理:通過(guò)在農(nóng)田部署一定密度的空氣溫度、土壤濕度、土壤肥料含量、光照強(qiáng)度、風(fēng)速等傳感器,可以更好地對(duì)農(nóng)田管理微觀(guān)調(diào)控,促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)。
2.軍事領(lǐng)域
由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機(jī)分布的特點(diǎn),使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中,使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中,包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資,判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途。
3.一般應(yīng)用
建筑及城市管理各種無(wú)線(xiàn)傳感器可以靈活方便地布置于建筑物內(nèi),獲取室內(nèi)環(huán)境參數(shù),從而為居室環(huán)境控制和危險(xiǎn)報(bào)警提供依據(jù):
智能家居:通過(guò)布置于房間內(nèi)的溫度、濕度、光照、空氣成分等無(wú)線(xiàn)傳感器,感知居室不同部分的微觀(guān)狀況,從而對(duì)空調(diào)、門(mén)窗以及其他家電進(jìn)行自動(dòng)控制,提供給人們智能、舒適的居住環(huán)境。
建筑安全:通過(guò)布置于建筑物內(nèi)的圖像、聲音、氣體檢測(cè)、溫度、壓力、輻射等傳感器,發(fā)現(xiàn)異常事件及時(shí)報(bào)警,自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急措施。
智能交通:通過(guò)布置于道路上的速度、識(shí)別傳感器,監(jiān)測(cè)交通流量等信息,為出行者提供信息服務(wù),發(fā)現(xiàn)違章能及時(shí)報(bào)警和記錄。反恐和公共安全通過(guò)特殊用途的傳感器,特別是生物化學(xué)傳感器監(jiān)測(cè)有害物、危險(xiǎn)物的信息,最大限度地減少其對(duì)人民群眾生命安全造成的傷害。
三、傳感器網(wǎng)絡(luò)研究熱點(diǎn)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)
傳感器網(wǎng)絡(luò)以應(yīng)用為目標(biāo),其構(gòu)建是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程,涉及到的研究工作和需要解決的問(wèn)題在每一個(gè)層面上都很多。對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及界面接口技術(shù)的研究意義重大。如果我們把傳感器網(wǎng)絡(luò)按其功能抽象成五個(gè)層次的話(huà),將會(huì)包括基礎(chǔ)層(傳感器集合)、網(wǎng)絡(luò)層(通信網(wǎng)絡(luò))、中間件層、數(shù)據(jù)處理和管理層以及應(yīng)用開(kāi)發(fā)層。
關(guān)鍵詞:無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) 體系結(jié)構(gòu) 組網(wǎng)特點(diǎn) 通信協(xié)議
1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)為自組多跳網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有傳感、信息處理以及無(wú)線(xiàn)通信功能,每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳路由連接到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān),通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控終端的通信。鑒于節(jié)點(diǎn)的屬性限制,其通信距離較短,因此必須使用多跳路由,且節(jié)點(diǎn)數(shù)量要多,分布要密集。
2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下幾方面特點(diǎn)。①硬件功能有限。由于節(jié)點(diǎn)體積較小、價(jià)格相對(duì)低廉且要求運(yùn)行的功耗較低,故其在性能方面要比通用的計(jì)算設(shè)備差很多。②續(xù)航時(shí)間有限。該方式為電池供電,且節(jié)點(diǎn)體積較小,分部環(huán)境較復(fù)雜,因而無(wú)法為電池充電或者為節(jié)點(diǎn)更換電池,一旦能源消耗完畢,該節(jié)點(diǎn)也就死亡,因此在傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中,一切以節(jié)能為前提。③自組織性。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋都是由節(jié)點(diǎn)自助完成的,不需要依賴(lài)任何支撐網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。④無(wú)中心性。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都是相對(duì)獨(dú)立和平等的,任意節(jié)點(diǎn)的離開(kāi)或加入都不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。⑤多跳路由。無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)只能在小范圍內(nèi)進(jìn)行通信,因而若希望實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)或者監(jiān)控終端的通信則必須通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由實(shí)現(xiàn)。⑥節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大,網(wǎng)絡(luò)分布密集。在某一區(qū)域進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)需要使用大量的節(jié)點(diǎn)來(lái)維持網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性和抗毀性。
3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層次
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議主要分為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。對(duì)于這些協(xié)議需要進(jìn)行具體討論,現(xiàn)有的如IEEE802.1x協(xié)議無(wú)法在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。
3.1 物理層 物理層的主要作用為產(chǎn)生載波對(duì)所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)。當(dāng)前時(shí)期對(duì)物理層節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路主要有兩種,一種為使用MEMS和集成電路技術(shù)等對(duì)節(jié)點(diǎn)的微處理器、傳感器等模塊進(jìn)行設(shè)計(jì);另一種為使用現(xiàn)有的商業(yè)元器件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)構(gòu)建。
在物理層的無(wú)線(xiàn)通信方面,可選擇的載波媒體有紅外線(xiàn)、激光、電磁波等。其中,紅外線(xiàn)頻段為開(kāi)放頻段,無(wú)電磁干擾,具有性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì);激光則在通信保密性能和傳輸速度方面具有優(yōu)勢(shì),但是這兩種方式均要求發(fā)送端和接收端在視線(xiàn)范圍內(nèi),很難在實(shí)際中應(yīng)用實(shí)現(xiàn),因而通常情況還是使用電磁波進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。
在載波頻段選擇中有902MHz、2.4GHz和5.8GHz等多個(gè)ISM頻段,基于這些頻段的電磁波特性對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)是一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究方向。
3.2 鏈路層 鏈路層的主要作用是對(duì)節(jié)點(diǎn)通信進(jìn)行控制。其中主要涉及媒體訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議(MAC協(xié)議)和錯(cuò)誤控制算法。
其中媒體訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議可以在節(jié)點(diǎn)之間建立通信鏈路,維持節(jié)點(diǎn)之間使用平等有效的帶寬進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通常這些協(xié)議可以分為基于隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)和基于預(yù)約的兩種協(xié)議。
基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議以IEEE802.11協(xié)議為代表,該類(lèi)協(xié)議可以依靠射頻接收部分的偵聽(tīng)功能對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信控制,但是該類(lèi)協(xié)議需要通信設(shè)備處于持續(xù)監(jiān)聽(tīng)狀態(tài),故能源消耗較高。為解決該問(wèn)題,一類(lèi)低功耗喚醒射頻通信協(xié)議被研究應(yīng)用到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中,該協(xié)議使用載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突避免技術(shù)保證節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行通信時(shí)維持在喚醒狀態(tài),通信完畢進(jìn)入睡眠狀態(tài),當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)需要使用該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由時(shí),該節(jié)點(diǎn)可以被喚醒。
基于預(yù)約的MAC協(xié)議主要是基于時(shí)分多址的協(xié)議,如自組織媒體訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議等。使用該協(xié)議的節(jié)點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)臨近節(jié)點(diǎn),并與其建立通信鏈路。當(dāng)前節(jié)點(diǎn)使用一個(gè)TDMA協(xié)議框架在時(shí)隙時(shí)間內(nèi)與臨近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,完成通信后進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
錯(cuò)誤控制算法則是對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)進(jìn)行差錯(cuò)控制,保證通信的可靠性。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的錯(cuò)誤控制算法主要有兩種,一種是前向糾正,一種是自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求。前向糾正算法是在數(shù)據(jù)幀中添加冗余信息,當(dāng)接收端接收到的信息具有錯(cuò)誤時(shí)可以使用冗余信息進(jìn)行錯(cuò)誤糾正;自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求算法則是對(duì)接收的信息進(jìn)行回復(fù),若兩者之間信息不符則重新進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送,若信息相同則認(rèn)為數(shù)據(jù)傳輸無(wú)誤。
3.3 網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議主要負(fù)責(zé)對(duì)路由進(jìn)行維護(hù)和發(fā)現(xiàn),并設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)穆酚蓞f(xié)議對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行路由。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),按照路由協(xié)議不同可以分為平面路由協(xié)議和分級(jí)路由協(xié)議。其中平面路由協(xié)議中的各節(jié)點(diǎn)處于平等地位,但會(huì)產(chǎn)生大量的控制信息,可控性能較差;而分級(jí)路由協(xié)議可以有效控制網(wǎng)絡(luò)路由信息數(shù)量,可控性能較好,但是其在群頭節(jié)點(diǎn)方面的缺陷限制了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。
4 總結(jié)
鑒于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有其獨(dú)特性,且硬件投入和資源配置方面的限制使其無(wú)法應(yīng)用成熟的通用協(xié)議,故目前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在MAC協(xié)議和路由協(xié)議等方面。
參考文獻(xiàn):
[1]崔莉,鞠海玲,苗勇,李天璞,劉巍,趙澤.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2005,42(1).
關(guān)鍵詞:WSN;路由協(xié)議;GEAR;GPSR
中圖分類(lèi)號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2010)04-0839-02
Routing of the Wireless Sensor Networks
HU Bai-yan
(School of Computer an Technology, Hubei Normal University, Huangshi 35002, China)
Abstract: Wireless Sensor Networks is composed of a large number of cheap sensor nodes who connet each other by the way ofnon-center and wireless multi-hop. This paper first introduces the properties,structures of WSN, and the classification of the routing.Then two kinds of routing based on the georaphy location and their advantages and defects are introduced in this paper.
Key words: WSN; routing; GEAR; GPSR
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wirless Sensor Network)是伴隨著微電子技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展而興起的一種新型的信息獲取技術(shù)。從其開(kāi)始發(fā)展的20世紀(jì)90年代至今,受到業(yè)界的極大關(guān)注,被譽(yù)為是本世紀(jì)最具影響的技術(shù)之一。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組被隨意散步在工作區(qū)域的集成了傳感模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊的傳感器構(gòu)成的能夠根據(jù)所處環(huán)境感知對(duì)象信息,自主完成指定的任務(wù)的自組織網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。在軍事領(lǐng)域、工業(yè)控制、醫(yī)療健康、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。具有大規(guī)模,無(wú)分區(qū),無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的支持,以數(shù)據(jù)為中心,節(jié)點(diǎn)自組織性,節(jié)點(diǎn)體積小、成本低,多數(shù)節(jié)點(diǎn)不移動(dòng),多個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)同一事件(Many to One),要求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有盡可能長(zhǎng)的工作時(shí)間等特點(diǎn)。
1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)[3]
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由匯聚節(jié)點(diǎn)、傳感節(jié)點(diǎn)和Internet及監(jiān)控系統(tǒng)組成,其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感節(jié)點(diǎn)之間采用無(wú)線(xiàn)多跳、無(wú)中心的方式連接,既感知消息,又作為路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)并處理網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的事件消息,查詢(xún)信息或任務(wù)等,將收集到的信息通過(guò)Internet或衛(wèi)星等送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心[4]。
2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)的路由協(xié)議
2.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)路由協(xié)議概述
不同于傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),無(wú)線(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大,節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)部署,節(jié)點(diǎn)的計(jì)算、通信能力有限,攜帶的能量也有限。節(jié)點(diǎn)只能獲取網(wǎng)絡(luò)的局部拓?fù)湫畔?所以無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性。
好的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議要求如下[5]:
1)能量高效性。考慮硬件上的限制,路由協(xié)議應(yīng)該盡量簡(jiǎn)單。同時(shí),路由協(xié)議不僅應(yīng)考慮單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗,還需要考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量消耗的均衡性。
2)可擴(kuò)展性。由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大,節(jié)點(diǎn)只能獲取局部信息,路由協(xié)議應(yīng)該能滿(mǎn)足大量節(jié)點(diǎn)協(xié)同全局工作。
3)魯棒性。路由協(xié)議應(yīng)該能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變化及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。
4)低延時(shí)性。路由協(xié)議應(yīng)盡可能的降低任務(wù)發(fā)出到應(yīng)答所需的時(shí)間,及時(shí)將數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程控制中心。
2.2 無(wú)線(xiàn)傳感器路由協(xié)議分類(lèi)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議是將數(shù)據(jù)信息從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)的機(jī)制。人們針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)需求研究了大量的路由協(xié)議,可以分為:1)以數(shù)據(jù)為中心的路由協(xié)議,其代表算法有SPIN(Flooding)[6],Directed Diffusion(Gradient)[7];2)基于集群結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議,其代表算法有LEACH[8],TTDD[9];3)基于地理信息的路由協(xié)議,其代表有GPSR[10],GEAR[11];4)基于QoS的路由協(xié)議,其代表有SPEED[12],RPAR[13]等。本文主要討論基于地理信息的路由協(xié)議。
2.3 基于地理信息的路由協(xié)議
1) GPSR[10]
GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing)是一種非常典型的基于地理信息的WSN的路由協(xié)議,其主要利用節(jié)點(diǎn)的地理位置信息,且假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)都進(jìn)行了位置的統(tǒng)一編址,每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用貪婪算法轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)發(fā)是選擇鄰居節(jié)點(diǎn)中離數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點(diǎn)更近的方作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。
當(dāng)出現(xiàn)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離比任何鄰居節(jié)點(diǎn)都短時(shí),會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸。解決方法是采用邊界轉(zhuǎn)發(fā)。即數(shù)據(jù)沿著平面圖的邊界來(lái)發(fā)現(xiàn)路由。平面圖是一個(gè)二維空間的結(jié)構(gòu)且其內(nèi)無(wú)任意相交直線(xiàn)。對(duì)于GPSR算法,采用刪除網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中交叉的邊來(lái)構(gòu)造平面圖,構(gòu)造的算法有RNG(Relative Neighborhood Graph)、GG(Gabriel Graph)。
邊界轉(zhuǎn)發(fā)采用右手法則,如圖2,分組從y到x后,下一邊沿(x,y)逆時(shí)針上的第一條邊確定,以后同樣。轉(zhuǎn)發(fā)的具體方法如圖3所示。數(shù)據(jù)在x處進(jìn)入平面邊界轉(zhuǎn)發(fā),平面圖的邊把整個(gè)區(qū)域分成許多有界與無(wú)界區(qū),稱(chēng)為face,數(shù)據(jù)沿face邊向目的節(jié)點(diǎn)D轉(zhuǎn)發(fā),沿同一face邊界時(shí)采用右手法則,遇到與xD相交邊時(shí),切換到下個(gè)face。
GPSR算法的優(yōu)點(diǎn)是:采用局部最優(yōu)的貪婪算法,節(jié)點(diǎn)不需要了解全網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),減小了路由的開(kāi)銷(xiāo)。適用于節(jié)點(diǎn)靜態(tài)也適用于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。GPSR算法的缺點(diǎn)是:該算法需要其他定位方法來(lái)獲取節(jié)點(diǎn)的地理位置信息。節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信量不平衡時(shí),會(huì)破壞網(wǎng)絡(luò)的連通性,從而難以進(jìn)行路由。
GPSR的同類(lèi)路由算法還有GRA,f-GEDIR,c-GEDIR,2-hop GEDIR等,都是在GPSR基礎(chǔ)上針對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)信息,及有局部?jī)?yōu)化問(wèn)題時(shí)候采取的方式的改進(jìn)。
2) GEAR[11]
GEAR(Geographic and Energy-Aware Routing)是一種基于地理位置信息,同時(shí)還充分考慮到網(wǎng)絡(luò)的能源有效性的路由算法。此算法假定節(jié)點(diǎn)已知本身與目標(biāo)區(qū)域的地理位置信息,節(jié)點(diǎn)已知自己的剩余能量,且節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線(xiàn)鏈路為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。路由選擇依據(jù)節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)區(qū)域的能量消耗和節(jié)點(diǎn)本身所剩能量,選取最小代價(jià)節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的方式。GEAR算法傳送數(shù)據(jù)包括兩個(gè)階段:查詢(xún)目的區(qū)域路徑和目標(biāo)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送。
在查詢(xún)目的區(qū)域路徑階段,如果所有鄰居節(jié)點(diǎn)能量相當(dāng)時(shí),采用傳統(tǒng)的貪婪算法來(lái)選擇轉(zhuǎn)發(fā),如不是,計(jì)算節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的代價(jià)來(lái)選擇鄰居作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)不知道實(shí)際代價(jià)時(shí),使用估計(jì)代價(jià)。設(shè)Ni為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鄰居,R為目標(biāo)區(qū)域的中心位置。則節(jié)點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)的實(shí)際代價(jià)為:
(1)
估計(jì)代價(jià)為:
(2)
在域內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)階段,可使用兩種方式,一種為泛洪,在目標(biāo)區(qū)域密度較低時(shí)使用;一種為遞歸的目標(biāo)數(shù)據(jù)傳送,直到區(qū)域只剩唯一的節(jié)點(diǎn)。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)拇鷥r(jià)都比本地節(jié)點(diǎn)大的時(shí)候,會(huì)出現(xiàn)路由空洞,數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸,這個(gè)時(shí)候選擇鄰居節(jié)點(diǎn)中代價(jià)最小的作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。這時(shí)本地節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)代價(jià)為:
F(N,R)=F(Nmin,R)+C(N,Nmin)(3)
其中,C(N,Nmin)為數(shù)據(jù)從本地節(jié)點(diǎn)到代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)的代價(jià)。
GEAR路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)有:利用地理位置且考慮了節(jié)點(diǎn)的消耗與剩余能量,路由選擇可以達(dá)到局部最優(yōu),且使用區(qū)域遞歸算法對(duì)泛洪進(jìn)行補(bǔ)充。GEAR路由算法的缺點(diǎn)在于:可能會(huì)出現(xiàn)路由空洞,路由開(kāi)銷(xiāo)較大,且不適合在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中用。
3 路由協(xié)議的研究成果與挑戰(zhàn)
在前面我們對(duì)現(xiàn)有的,尤其是基于地理位置信息的路由協(xié)議進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。在現(xiàn)階段,無(wú)線(xiàn)傳感器的路由協(xié)議的研究還面臨許多方面的挑戰(zhàn),主要體現(xiàn)在:
1) 能源有效性:怎樣能提高能量效率,實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的能量均衡,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
2) QoS:由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有限,負(fù)載不均等情況,所以傳統(tǒng)的QoS算法不適合于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的QoS路由協(xié)議目前是一項(xiàng)有挑戰(zhàn)性的課題。
3) 路由安全性:無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議極易受到攻擊,如何使用最小的代價(jià)獲得最好的安全性能,是今后努力的方向。
此外容錯(cuò)性、可擴(kuò)展性,IPV6與WSN的融合仍是WSN路由協(xié)議所面臨的挑戰(zhàn)。
4 小結(jié)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究從起步到現(xiàn)在,已經(jīng)取得了顯著的成果,本文僅重點(diǎn)介紹了經(jīng)典的兩種基于地理信息的WSN路由算法。在以后的研究中,如何更好的實(shí)現(xiàn)能量高效性,如何更好的支持節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng),如何具有更好的可擴(kuò)展性,如何適用于各種應(yīng)用的場(chǎng)合,發(fā)揮作用,仍是今后路由算法的發(fā)展趨勢(shì)。解決的辦法有專(zhuān)用領(lǐng)域?qū)S迷O(shè)計(jì),跨層路由協(xié)議的設(shè)計(jì)及進(jìn)行新技術(shù)的開(kāi)發(fā)等[5]。
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