无线传感器网络大全11篇

无线传感器网络篇（1）

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-0278（2013）03-171-01

一、无线传感器网络的定义

无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Networks）是由大量具有通信和计算能力的微型传感器节点密集分布在监控区域内部或附近，协作地监控不同位置的物理或环境状况，且能够根据周围环境自主完成指定任务的智能测控网络系统。它综合了传感器、网络通信、嵌入式计算、无线传输、分布式信息处理等领域技术，能够通过大量微型传感器协作地监测、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并把信息给用户。

二、无线传感器网络的基本特征

与数字蜂窝移动通信系统（GSM）、蓝牙（Bluetooth）、无线局域网（WLAN）等无线通信网络不同，无线传感器网络是类似于传统Ad-hoe网络，没有基站设备支持，自组织、自管理的多跳网络。无线传感器网络是Ad-Hoe网络应用在传感器技术中的一种具有动态拓扑结构的组织网络。

1.自组织的网络：无线传感器网络通常具备自组织能力；

2.自管理的网络：无线传感器网络通常具备自管理能力；

3.网络规模大，分布密集：无线传感器网络中的节点数量多于传统Ad-hoc网络中的节点数量，并且分布密度大；

4.网络节点易出错：无线传感器网络中的节点较之传统Ad-hoe网络中的节点更容易出错；

5.单个节点能力较弱：无线传感器网络的节点的计算能力、存储能力十分有限，无法进行复杂的计算和数据存储；

6.节点间广播式通信：无线传感器网络节点主要采用广播方式通信，而传统Ad-hoe网络大都采用点对点通信；

7.以数据为中心的网络：与数据为中心的含义指无线传感器网络运行时，通常只关心整个任务的执行情况，用户在使用网络查询事件时，只关心是否获得了所需的数据，不关心数据是由哪个节点发来。

三、无线传感器网络的发展

1998年，美国在先进国防研究项目局（DARPA）的一个研究项目中第一次提出无线自组织传感器网络的概念。

无线传感器网络篇（2）

无线传感器网络技术（wireless sensor network，WSN）是一种多学科交叉的产物，涉及了包括传感器技术、微机电技术、嵌入式技术、通讯技术在内的多种学科。因为其应用的广泛性和技术的前沿性而受到国际和国内的广泛关注。自本世纪以来，大量的科研工作者投身其中，使得这项技术的进展快速推进。

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（3）

一、引言

无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）包含大量智能传感节点，分布在大范围地理区域内，近似实时地监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的数据，并对数据进行处理，获得详尽准确的信息传送给用户。WSN以其监测精度高、布设灵活性强、造价低廉等特点，在军事侦察、工业控制、交通监管、环境监测等领域具有非常广阔的应用前景[1]。

由于单个传感器节点的通信、处理和感知能力有限，无法处理大规模复杂问题，多数情况下不能获取网络全局信息，传感节点要求具有协同通信功能。WSN的协同主要是指资源的协同、任务的协同、信号与信息的协同。资源的协同和信号与信息的协同从根本上是为任务协同服务的[2]。本文通过对协作技术研究中的一些热点问题进行分析，展望无线传感器网络协作技术研究中一些很有前景的研究方向。

二、无线传感器网络协作技术研究热点

（一）协作任务描述

任务描述是任务协同的基础，任务描述能力直接影响任务分配系统的复杂性。WSN的任务描述涉及两方面的内容，即对任务功能进行描述和对参与任务的节点进行描述。根据WSN的特点，感知任务可以从面向应用和面向任务分配两个角度加以描述。

文献[3]分析比较了当前具有代表性的几种无线传感器网络任务描述方式，如有向无环图、抽象任务图、基于角色的任务图、类SQL查询语言描述等。目前并没有一种任务描述方式能同时从两个角度出发有效地对任务进行描述。

（二）协作信号处理

协作信号信息处理协作信号信息处理（collaborativesignalandinformasionprocessing，CSIP）技术。文献[4]描述了CSIP针对WSN网络的特点，在数据表达、存储、传输和处理等方面研究新的方法和算法来满足应用对信息精度、网络节能、低延迟、可扩展和高可靠的要求。

文献[5]分析WSN的特点和CSIP的需求，讨论它的一般流程和主要处理模式，接着结合功能框架，归纳并总结目前已有的主要方法。CSIP基于节点间的协商和合作，选择合适的传感节点参与协作，平衡节点个体和网络整体在协作过程中的信息收益和资源代价，解决网络信息处理中的驱动机制、节点选择、处理地点、时机和算法等问题。

（三）协作时间同步

无线传感器网络的应用通常需要一个适应性比较好的时间同步服务，以保证数据的一致性和协调性。时间同步是同步分布式数据感知和控制所必需的。在无线传感器网络中协调、通信、安全、电源管理和分布式登陆等，都依赖于现有的全局时间。

文献[6]提出了协作时间同步同步的概念。协作同步原理如下：如果时间基准节点按照相等的时间问隔发出多个同步脉冲，其周围单跳节点接收后依据这一系列个脉冲的发送时刻估算出时间基准节点的下一个脉冲发送时刻，并在该时刻同时发出同步脉冲。此脉冲信号会扩散至周围单跳节点。如此重复下去，最终网内所有节点都会同时发出同步脉冲，即达到了同步状态。

（四）MAS协作

多Agent系统（Multi-agentSystem，MAS）是分布式人工智能的重要研究领域，agent可以定义为具有目标、知识和能力的软件或硬件实体，能力包括感知、行动、推理、学习、通信和协作等。

agent利用局部信息进行自主规划，通过规划推理解决局部冲突以实现协作，进而实现系统整体目标。Agent体系结构、交互语言、协商策略研究较为成熟，并且与WSN具有很多相似性。因此，可以考虑在WSN协作中引入agent。

文献[7]提出了一种WSN中基于P2P的多agent数据传输和汇总系统架构。此构架包括接口agent、查询agent、路由agent及数据采集agent。接口agent与用户交互，路由agent负责能源效率的数据传输。查询agent为agent与路由agent之间的协作提供便利的接口，并负责建立优化计划，以实现其预定目标。接口agent和查询agent放置在资源丰富的基站，因为它们需要计算密集操作。数据采集agent负责采集，筛选和格式化传感器的数据。提供MAS架构和设计，使它们在WSNs中能够协调和沟通，彼此之间相互传输和汇总数据。

三、总结与展望

随着WSN商业应用越来越广泛，WSN研究面临的挑战也日益严峻。单个的能源、功率、功能均受限的传感器节点需要协作完成任务。针对传感器间的协作技术的研究也日益受到重视。目前的协作研究仅仅局限在一些具体问题上，尚未形成通用方法。本文分析WSN协作研究还是很有前景的。

参考文献：

[1]孙利民、李中建、陈渝等，无线传感器网络[M]．北京：清华大学出版社，2005.

[2]于海斌、曾鹏，智能无线传感器网络系统[M]．北京：科学出版社，2006:212-222.

[3]谷建华、沈沉、彭力静、李志刚，基于无线传感器网络任务描述方式的研究与比较，计算机应用研究，2008，25（5）:1292-1294.

[4]KumarS，ZhaoF，ShepherdD．Collaborativesignalandinformasion，processinginmier-esensornetworks[J]．IEEESignalProcessingMagazine，2002,19(2):13-l4.

无线传感器网络篇（4）

0.前言

无线传感器由于不用铺设电缆，因此在某些特定场合的应用中比有线传感器更具优越性，人们通过无线传感器可获得实时的信息，有利于掌握现场的第一手资料，以便及时采取相应的措施，具有安装方便、成本低廉、能耗低、布线方便、组网方便等优点，因此在国内外的诸多场合得到了广泛的应用。但无线传感器的应用多样化也随之带来了网络传输调度的高标准要求，因此必须采用科学的方法以使无线传感器在应用过程中发挥其应有的作用。

1.无线传感器网络概述

传统的传感器网络是采用有线连接的形式，在一些布线困难、危险性较强的场合应用起来较为困难，而无线传感器的网络布设是以固定网络作为支撑，以无线传输节点作为框架搭建起来的，在现场不需要进行线缆的铺设，因此具有组网方便、快捷、对环境适应性强的特点，在对无线传感器网络构建时，可采用将数量庞大的传感器网络节点在传感器工作场合附近进行抛撒，这些节点可以通过互相之间的通讯联络而在传感器附近形成一个区域无线网络。

1.1无线传感器网络的结构构成

无线传感器网络的构成包括现场无线局域网和既有固定网络两部分，这两个部分通过无线网管相互联系，然后通过有线网络或其他方式传输至控制主机。其中，各个无线通讯节点构成了无线传感器网络的骨架，每一个节点都可采集数据并负责将数据通过无线网络传输到网关，在无线传感器网络中，各个节点还可充当其他节点的路由器，这些路由器之间实现互相通讯，并最终将信号传输至网关，从而借助已有的互联网或者GPS卫星系统、移动通信网络等传输至控制中心，以便工作人员能够对现场的情况进行实时的把握，如果需要建立的无线传感器网络面积较为庞大，可通过多网关的方式来缩短通信路径，从而提高数据信号的传输速度，并最大程度的降低系统运行成本。

1.2无线传感器网络的特点

首先，由于无线传感器网络是由众多的节点构成的，其无线传输的质量和速度会受无线节点的价格、质量、体积以及分布状况的影响，并且每个节点的供电都是由电池供应，而不论是采用何种电池，其电容量毕竟有限，而无线传感器的工作区域工作人员很难进入，因此更换电池变得几乎不可能，随着电池电量的逐渐降低，无线传感器信号也会逐渐减弱，导致信号传输的质量逐渐降低，当电池电量耗尽时，无线节点就会失效。

其次，无线传感器网络在构成过程中不同于一般的无线局域网、蓝牙网络、以及移动通讯网络等的组网方式，而是通过不规则分布的网络节点自动组网，不需要任何基础网络设施。

再次，要想构建无线传感器网络，一般无线节点的数量都较多，因此受限于成本因素节点的体积和功率都不会太大，导致节点无论是处理还是存储、传输都相对较弱，因此在组网时对节点系统的协议层次应当简单化。

最后，由于节点的通信距离极其有限，一般在百米以内，因此节点与节点之间的通信都是在相邻节点之间进行，要想实现大面积的通信就要借助其他节点作为路由进行传输，一方面这种组网方式不需要设置专门的路由器，因此组网较为方便，另一方面通过多节点之间的传输后信号会有所衰减，因此一般都要在一定的范围内设置网关，以缩短节点与外网的通信距离，保证信号数据的顺利传输。

2.无线传感器网络传输调度方法研究

2.1无线传感器网络传输调度分析

在无线传感器网络传输调度中，应当把握以下原则：

第一，如果在无线传感器网络中有多个节点互相冲突、竞争和干扰时应当使系统主动为节点分配信道和时隙，使每个节点都能够正常工作。

第二，在某一个节点需要同时发送多个信息数据时，系统要为每个信息的传输次序做好分配，使每个信息源都能够顺利传输。

第三，要充分控制节点对无线传感器网络的干扰，一方面使每个节点的发送功率都能够得到最大程度的优化，另一方面避免节点之间的互相干扰，使传输调度变得容易控制。

2.2无线传感器网络的主要传输调度方法

2.2.1共享信道和多信道传输调度

共享信道传输调度是将无线网络中的全部节点都共享一个信道，在实际工作中共享信道传输调度包括随机接入和受控接入等方式，其中随机接入就是所有的节点通过竞争的方式传输数据，这种传输调度技术可以简化无线网络协议，对节点的数量没有限制要求，但是同时在多个节点同时进行传输时可能会产生冲突，最终导致信息传输失败。而受控接入是通过主机询问的方式对每个节点进行检查，对有数据传输要求的节点分配信道，从而使信息传输更加有序，并保证数据在传输过程中不丢失。

多信道传输调度与共享信道的方法基本是一致的，所不同之处在于多信道传输调度是为系统的信息传输提供多个可实际使用的信道数量，充分解决网络通信信道拥挤的问题，将相互冲突的节点分配到不同的信道中进行传输，提高系统信息吞吐量，因此，随着时间的推移，传统的共享信道传输调度正在不断转变为多信道传输调度。

2.2.2拓扑相关与拓扑透明传输调度

拓扑相关传输调度的算法依赖网络拓扑结构信息，其带宽的利用率较高，因此传输速度较快，数据传输的结果趋近于最优值，因此这种传输调度方法较为精确，但同时由于其受到网络拓扑结构的影响，在进行传输调度时还要花费大量的资源对网络拓扑信息进行收集，因此成本较高；而拓扑透明传输调度不受网络拓扑结构的影响，仅仅需要节点数以及节点最大邻居数这两个参数，且即便节点移动也不会影响到传输调度工作，但由于带宽利用率不高，因此可能在传输过程中会发生各样延迟。

3.结束语

综上所述，无线传感器在国民生产的众多领域都发挥着重要的作用，因此对于无线传感器网络的传输调度必须要科学，要把握无线传感器网络的特点以及传输调度的方式方法，使无线传感器在应用的过程中可以将信号数据实现稳定、高速的传输，使其更好的为人们的生产生活服务。 [科]

【参考文献】

[1]司海飞，杨忠，王B.无线传感器网络研究现状与应用.机电工程，2011.

无线传感器网络篇（5）

1 ZigBee技术

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（6）

中图分类号:TP212.9;TN929.3 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(b)-0020-01

NGN(Next Generation Network)即下一代通信网络,它具有开放式的体系架构和标准的接口,业务与呼叫分离、呼叫与媒体分离,网络可以分为业务层、控制层、网络层和接入层,以软交换(Softswitch)为核心的控制层完成业务的管理和控制,网络层采用IP协议实现业务融合以及接入层采用多样化的宽带无缝接入[1]。可以说NGN的有线网络将实现全光网,使光纤到户;无线网络则采用第四代无线通信系统(4G),实现电信网、计算机网和广播电视网的三网合一,进而与无线个人区域网(WPAN)连接,实现所谓的物联网。

物联网即物物相连的互联网,它主要通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息的交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、控制和管理的一种网络。所以,从结构上,物联网可以简单理解为互联网与传感器网络(Sensor Network)或者个人区域网(Personal Area Network)的互联与融合。

无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)作为一种全新的信息获取和处理模式,集成了传感技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理和无线通信技术,可广泛应用于国防军事、科学研究、工农业生产、医疗护理等领域,已成为国内外研究热点。作为其核心技术之一,无线传感器网络路由协议更是目前研究的热点。

由于传感器往往需要放置在一些环境复杂、布线难度大以及移动的区域,所以研究无线传感器网络的能耗问题是目前传感器网络研究的核心问题之一。射频模块是节点中最大的耗能部件,而MAC(Media Access Control)协议直接控制射频模块,它是优化的主要目标。早期提出的MAC协议,如Pico Radio,SMACS等,大多采用多信道。多信道模式增加了节点复杂性、成本和功耗。目前常用的节点,例如Xbow公司的Mica系列只有一个射频模块,并且只用一个频率工作,因此,提出的MAC协议都采用单一信道。比较有代表性的几个协议有MAC、T-MAC、wise MAC、B-MAC、BMA、D-MAC和IEEE802.15.4等[2]。

分簇算法是指在网络规划初期通过完全分布式算法将网络划分成为簇首节点与成员节点。无线传感器网络中分簇的概念最早是在分组无线网中提出的,当时主要用于层次型路由。随着研究的不断深入,迄今为止,己经提出了大量的分簇算法来构造和维护分簇网络结构。基于分簇的无线传感器网络,能完成路由功能,减少路由算法的开销,方便地管理移动节点,控制信道接入,对信息进行压缩和融合,从而有效减少网络负荷,提高网络资源的使用效率,延长网络寿命[3～4]。

无线传感器网络路由协议的分类基本上延续了传统Ad hoe网络的分类方法,根据不同角度可以进行不同的分类。根据网络管理的逻辑结构可分为平面路由和层次结构路由两类[5]。

1 平面结构路由

平面结构路由的优点是网络中没有特殊的节点,各节点在网络中的地位平等,并且网络流量均匀地分散在网络中,路由算法也易于实现。缺点在于这种路由策略使得网络不具备可扩展性,且缺乏对通信资源的优化管理,在一定程度上限制了网络规模。

2 层次结构路由

分层路由协议包括成簇协议、簇维护协议、簇内路由协议三个部分。成簇协议解决如何在动态分布式网络环境下使移动节点高效地聚集成簇,它是分层路由协议的关键。簇维护协议解决在节点移动过程中的簇结构维护,其中包括节点退簇和入簇,簇的产生和消亡等功能。层次路由协议比较适合于无线传感器网络。

为了满足无线传感器网络数据传输及低能耗长寿命的独特需求,MIT的Heinzel man等人提出低功耗自适应分簇路由协议(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy,简称LEACH)路由协议。它是无线传感器网络最早提出的一种自组织自适应分簇路由协议。其主要出发点是考虑一簇内能量消耗的问题,目的是为了延长节点的工作时间,并且实现节点的能耗平衡。与一般的基于平面结构的路由协议和静态的基于多簇结构的路由协议相比,LEACH可以将网络整体生存时间延长15％。

笔者曾在硕士研究阶段做过相应的研究,提出过无线传感器网络分布式节能分簇算法(Distributed Energy-efficient clustering,简称DEEC)正是基于LEACH算法。DEEC首先对网络的分簇结构进行了改进,增加了聚集节点aggregator和发送节点sender,使簇内成员分工进一步细化,避免了数据融合和数据发送都集中在簇首head上,降低了簇首的能耗,均衡了整个网络的能耗;其次,引入平均能量估算方法,使网络在分簇过程中选择簇首的时候以平均能量为参考,将节点的剩余能量与之作比较,将节点剩余能量与簇首选举的概率联系起来,这样就能使能量高的节点更容易成为簇首,而剩余能量越小的节点越不容易成为本轮簇首,平衡了网络能量,进而可以达到延长网络寿命目的;最后,在稳定运行阶段,可采用多跳路由传送数据达到节省节点剩余能量的目的,该算法同时考虑了链路的通信开销和中间节点的能量,是对网络整体能耗和节点负载均衡的一种折衷方法。

总结以上内容,可以得到DEEC算法主要分为三步:(1)根据节点剩余能量确定成员节点当选为簇首节点的概率。(2)根据成员节点距离簇首节点最近的原则进行分簇。(3)确定簇内汇聚节点aggregator进行数据融合处理,确定信息发送节点sender,通过多跳路由方式给Sink传输数据。

通过用MATLAB软件对三种路由协议算法的仿真,从网络节点生存寿命和数据通信能力两个方面对仿真结果进行对比、分析,结果表明,与LEACH及LEACH-C 相比,改进的DEEC算法有效地降低了无线传感器网路系统的整体能耗,网络寿命明显延长,数据通信能力极大增强,并具有更好的网络规模扩展性。

随着各种通信技术的深入研究和发展,目前4G技术LTE已经在国内部分城市大规模试验,人类社会将进入一个新的信息化时代,将实现智能家居和工业智能化,相信物联网在各种传感器网络技术的发展下将在不久的将来得以实现。

参考文献

[1] 王承恕．通信网新技术[M]．北京:人民邮电出版社,2006(1).

[2] 孙天．无线传感器网络LEACH协议的探讨及改进[J]．传感器世界,2005,11(1)．

无线传感器网络篇（7）

中图分类号：TN711文献标识码：A 文章编号：

一、前言

无线传感器网络在实际应用中经常要与其它信息设备进行通信连接。例如用户手持PDA在网络覆盖的区域行走，可以通过接入互联网访问远程无线传感器网络中的温度传感器上的温度信息。特别在WSN接入互联网的应用中，网关的地位异常特殊，作用异常关键。网关经常担当网络间的协议转换器、不同类型网络的路由器、全网数据聚集、存储、处理器等重要角色，成为网络间连接的不可缺少的纽带。文章介绍分析了无线传感器网络网关节点的特点和功能，并就无线传感器网络网关节点软硬件设计进行了论述。

二、网关节点的特点和功能

（1）特点。网关节点作为整个WSN网络数据的出口，它具有数据吞吐量大，计算能力、存储能力高的特点。另外，在通信距离方面，网关节点的传输范围要比传感器节点大得多，以保证数据能传输到外网的监控中心。在采用无线网络作为网关节点与监控中心接口时，网关节点的发射功率应保证其与最近基站的通信。

（2）功能。网关节点具有丰富的软硬件资源。在完成协议转换的同时，可以承担组建和管理WSN网络的许多工作。它具有如下主要功能：①扫描并选定数据传输的物理信道，分配WSN内的网络地址，发送广播同步帧，初始化WSN网络设置；②配合WSN网络所采用的MAC算法和路由协议，协助其它网络节点完成与邻居节点连接建立路由；③完成不同网络之间的协议转换；④对从各传感器节点接收的数据根据具体应用需求和当前带宽，自适应地启动数据融合算法，降低数据冗余度；⑤处理来自监控中心的控制指令。

三、网关节点的软硬件设计

WSN网关采用嵌入式系统，主要由嵌入式微处理器、射频收发模块、GPRS通信模块、存储单元、嵌入式操作系统以及应用程序等硬件、软件组成。

（1）嵌入式处理器。网关的MCU主要用来进行信息融合并完成协议的转换，实现WSN与外部网络的通信。MCU采用Atmel公司的AT91RM9200微处理器。AT91RM9200是基于ARM920T指令集的ARM处理器，具有丰富的外设以及接口，这使得它在低成本、低功耗的条件下能完成一些功能丰富的应用。集成了许多外设接口，包括USB2.0接口和以太网接口。该处理器提供多个符合工业标准的通信接口，包括音频、闪存卡、智能卡接口等。网关的操作系统采用网络化的嵌入式Linux，它是一种开源的嵌入式实时操作系统。特别适用于网络应用，很容易在其基础上开发自己的应用程序。

（2）射频收发模块。网络节点通信模块的功能采用CC2420射频收发器来实现。CC2420是Chipcon AS公司推出的首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4标准的射频收发器，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。CC2420的主要性能参数如下：①工作频带范围：2.400~2.4835GHz；②采用IEEE 802.15.4规范要求的直接序列扩频方式；O-QPSK调制方式；③超低电流消耗（RX：19.7mA,TX:17.4mA）,高接收灵敏度（－94dBm）；④抗邻频道干扰能力强（39dB）；

⑤IEEE 802.15.4 MAC层硬件可支持自动帧格式生成、16bits CRC 校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护。其MAC层的帧格式为：头帧+数据帧+校验帧；PHY

层的帧格式为：同步帧+PHY头帧+MAC帧。帧头序列的长度可以通过寄存器的设置来改变；⑥与控制微处理器的接口配置容易（4总线SPI接口）。RF的软件设计中最主要的是CC2420数据收发的应用程序。CC2420的数据收发采用中断方式处理：当CC2420收到节点的RF信号时，在主循环中进行软件置位，接收中断响应，启动函数halRfReceivePacket接收数据，存入缓冲区，并发送给AT91RM9200，完成RF数据接收过程通信；当CC2420收到AT91RM9200发送的数据或命令信息时，在主循环中启动函数halRfSendPacket发送，从而将数据发出，完成数据发送任务。CC2420接收节点的RF信号的程序示例：

BYTEhalRfReceivePacket(BYTE* pData, BYTE* pRssi,BYTE* pLqi,BYTEtimeOut)

{

BYTEi=0x00

ISFLUSHRX；// 确定接收缓冲区为0

ISFLUSHRX；// 再次确认重置SFD位

RFIF & = ~IRQ_FIFOP；// 进入接收状态

Length= (RFD & 0x7F)；// 存储数据

for(i=0；i

{

pData [i]=RFD；

}

*pRssi=RFD；//接收信号的强度指示值

*pLqi=RFD；//CRC校验值

If (*pLqi & 0x80)// 校验值正确，则进入下一个数据

的接收

{ //不正确，则返回

⋯⋯}

}

（3）GPRS通信模块。为了能够将网络中的数据及时可靠地传到监控中心，本设计采用GPRS（通用分组无线业务）实现与Internet网连接。该方式具有永远在线、快速登陆、按流量计费等优势。实际中采用Simcom公司生产的GPRS通信模块SIM100E，该模块具有标准的AT命令接口，为GSM语音、短信息以及GPRS数据业务提供无线接口。其提供速率为300~115200。通过标准RS-232串口，使用AT命令完成对模块的操作，实现数据的无线拨号GPRS连接。连接的初始设置如下：

①初始化GPRS模块，与基站服务器建立连接。插入SIM卡，在超级中端用AT+IPR=115200设置波率，然后“AT+CGDCONT=1，IP，CMNET”命令定义PDP上下文，用“AT+ CGCLASS=B”命令设置终端类型，用“AT+CGACT=1”激活GPRS模块，返回OK。与基站服务器建立了连接；②与基站服务器建立ppp连接，通过TCP/IP数据包与Internet传递数据。在操作系统中运行minicom,输入Ctrl-A、Z,再按D就出现拨号界面，选择manual输入ISP的电话号码：“*99***1#”登陆到移动梦网网关GGSN上动态分配到Internet网的IP地址。SIM100E与GGSN通信采用点对点协议（ppp），使用ppp协议登陆网关GGSN之后，SIM100E模块就转入在线模式（On-line），此时WSN网关MCU发送的所有数据通过SIM100E模块透明地传送给了梦网网关GGSN，同样GGSN的应答信息也透明传回WSN网关。从而实现WSN网关通过梦网网关GGSN与Internet互联。ppp协议提供了在串行点对点链路上传输数据的方法，支持异步8位数据同步连接，目前逐渐成为点对点网络的标准。数据帧结构如表1所示。表1ppp数据帧结构

开始标志 地址 控制 协议 代码 ID 长度 信息城 校验 结束标志

Ox7E OxFF Ox03 (2B) (1B) (1B) (2B) （可变） (2B) Ox7E

为了建立点对点链路上的通信连接，发送端ppp首先发送LCP帧，以配置和测试数据链路。在LCP建立好数据链路并协调好所选设备后，发送端ppp发送NCP帧，以选择和配置一个或多个网络层协议。当所选的网络层协议配置好后，便可以将各网络层协议的数据包发送到数据链路上。配置好的链路将一直处于通信状态，直到LCP帧或NCP帧明确提示关闭链路，或有其它的外部事件发生。连接建立后，ppp将在原有协议的基础上调用网络协议（TCP/UDP协议）。考虑WSN节能的需要，TCP协议建立需要大量交互信息，本WSN网关采用UDP 协议实现数据可靠传输。

ppp报文解析实现框架如下：

void ppp_negotiate(void)

{ if(pppStatus & IsFrame)//已经得到一个ppp帧

{switch (*(WORD*)(& InBuffer [2]))//判断是LCP、

PAP、IPCP或IP包

{case LCP_PACKET:

Handle_LCP()；//处理LCP包

Break；

case PAP_PACKET:

If (InBuffer[4]==0x02)// 验证成功

NoOperation;

Break;

case IPCP_PACKET: // 处理IPCP包

Handle_IPCP()；

Break；

case IP_DATA: //处理IP包

⋯.}

}}

四、结论

综上所述，采用AT91RM9200与CC2420芯片为核心，利用内嵌TCP/IP协议栈的GPRS模块SIM100E作为网络的数据出口，可以较好地解决WSN到监控中心的传输问题。

参考文献

[1]蔡皓，冯仁剑，等.具有多种通信方式的无线传感器网络网关[J].传感技术学报，2008，21（1）：169-172

无线传感器网络篇（8）

中图分类号:TN915 文献标识码:A

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

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[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.

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[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.

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[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（9）

无线传感器网络是一种低速的自组织移动ad hoc网络，随机分布的各个网络节点通过相邻节点间相互交换数据来实现整个网络的路由功能。相邻节点间相互通信要求节点能发现周围节点和获取周围节点的相关信息PIB，用以接收其他节点发送的数据和选择路由发送方向。

自组网就是无线传感器网络中节点间相互发现，自主组织网络上线的功能，在无线传感器网络中处于至关重要的位置，本设计采用FPGA在WSN的MAC层中实现自组网功能。

一、总体设计方案

无线传感器网络自组网的FPGA设计主要实现的功能包括：接收特定格式的自组网帧数据、转发自组网帧报文、动态更新相邻节点数据列表。

该无线传感器网络自组网的FPGA设计的总体结构如图1所示。整个设计处于WSN的MAC层，向下接口为物理链路层PHY接口，向上的接口为网络层Networks接口。PHY接口用于操作物理层的射频芯片，完成通信信道的监测和相关数据的收发。网络层接口用于向网络层提供路由选择功能的邻居节点信息列表。

自组网帧格式采用超帧的格式，其各数据段详细说明如图2所示。自组网帧报文的发送由一个发送节点和多个相邻节点共同配合完成。首先发送节点发出超帧的头部请求报文，相邻节点在接到此报文后，采用随机避退的方式在其后的任一应答时隙内发送应答信息，发送节点在每个应答时隙尾部都会反馈确认报文。

二、模块设计方案

接收模块初始化状态为空闲等待状态（IDLE），当从PHY接口接收到头部请求报文，模块将提取发送节点基本信息并发送给组网信息处理模块，同时内部将产生一个小于N的伪随机序列sequence，用于计数需要发送应答报文的间隙序号，并在相应间隙发送包含自身MAC地址和超帧序号信息的应答报文，随后等待接收确认报文。如果确认报文中反馈的MAC地址为自身MAC地址则判断为应答成功，重新进入等待头部请求报文状态；反之，则判断为应答失败，再次产生一个小于等于N-sequence的伪随机序列，用于再次发送应答报文。两次应答后则无论是否应答成功都将进入等待头部请求报文状态。

接收模块内部状态机是接收模块的核心，用于产生各个操作的控制信号。接收模块状态机的转移图如图3所示。

接收模块内部的伪随机序列产生器如图4所示，伪随机序列的初始化种子采用乱序的内部时钟计数器，由于各个节点的上电时间不同，因此产生的随机序列也不同，从而避免各个节点应答时采用相同的退避序列。

发送模块主要功能为发送超帧的头部请求报文以及确认报文。头部请求报文采用监听信道空闲固定时间段后，随机避让的方式发送。头部请求报文中包含自身节点的MAC地址、网络跳数和超帧序列号等基本信息。确认报文采用延迟固定应答时间间隙的方式发送确认报文，报文中嵌入当前时间间隙内收到的应答节点的MAC地址，如无则为缺省值，如果多次确认报文都无MAC地址则发送模块会再次发送头部请求报文。头部请求报文的发送开启信号由组网信息处理模块发起。

组网信息处理模块为本设计的核心控制模块，主要功能为接收并处理接收模块发来的数据信息，动态更新内部的相邻节点信息列表和控制发送模块的工作与停止。

2.3.1内部状态机

处理模块初始化状态为接收等待状态，当接收到接收模块发来的数据后首先进行相邻节点信息更新，然后通过判断超帧序列号的大小来决定是否转发，如果不需要转发则回到等待状态，否则进入发送状态，发送完成则回到等待状态。由于射频芯片的SPI单串口操作，在发送状态下，处理模块需要将SPI接口转换为由发送模块控制，等待发送完成后，再转换成由接收模块控制。内部状态转移图如图5所示。

2.3.2相邻节点信息列表更新

相邻节点信息列表格式如表1所示，其中包含相邻节点的MAC地址、超帧序列号、网络跳数、节点有效标志位、节点剩余有效时间计数器和通信链路质量。处理模块将接收到的相邻节点的MAC地址通过HASH算法产生一个较短位数的索引地址，并将相邻节点信息存入此索引地址的列表行中，同时置位有效状态标志位和重置剩余有效时间。节点的剩余有效时间计数器在重置后逐渐递减止到为0，然后清零有效标志位。

2.3.3处理模块仿真测试结果

组网信息处理模块的仿真测试结果如图6所示，sys_clk为外部输入时钟分频后的系统时钟，rec_req为接口模块的数据请求信号，处理模块接收到数据，解析出相邻节点的各个有效信息，并产生更新控制信号，完成has索引地址所对节点的信息的更新，然后产生发送控制信号，发送完成返回到等待状态。

三、综合结果

无线传感器网络篇（10）

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0047-02

随着信息技术的发展，无线网络技术得到广泛的应用，针对无线传感器节点的开发，采用低成本、低能耗、多功能化的技术，从而降低了开发无线传感器网络的成本。由于无线传感器网络安全技术应用广泛，大多数应用在商业、娱乐、军用及民用等各个领域，因此大多数应用领域要求无线传感器网络的安全性具有一定的保障，因此，无线传感器网络安全技术被深入的研究。

1 无线传感器网络安全技术含义

无线传感器网络安全技术是指无线传感器网络安全的限制因素及无线传感器网络安全性目标。限制无线传感器网络安全因素包括传感器节点本身因素的限制、无线网络自身因素的限制，传感器节点的限制包括传感器节点的内存、存储容量等硬件方面的限制，而无线网络的限制则包括节点的脆弱性、信道的脆弱性、无固定结构、弱安全设计、局限于对称目密钥技术及节点的电源能量有限等方面的限制。

对于普通网络，无线传感器网络技术的安全性目标不仅实现无线传感器网络数据的保密性，对无线传感器网络技术的完整度、无线传感器网络的鉴别、认证性等三个方面也具有重要作用，特别是数据的保密性，其在军事应用领域中要求较高，而无线传感器网络的完整性，则是无线传感器网络安全最基本的实现目标，普通网络中大多数信息处于开放的状态，因此要求保证信息的完整性，以防虚假警报的现象发生。另外，无线传感器网络的认证性，是无线传感器网络研究领域中组通信对源端认证的非常重视的安全性目标。但是，无线传感器网络安全技术的节点具有独特性，且在不同的应用领域也有一定的特殊性，因此，无线传感器网络的安全实现目标在不同的领域的重要程度具有一定的差异。

2 无线传感器网络安全问题分析

无线传感器网络安全协议栈，是由物理层、数据链路层、网络层、传输层及应用层组成的网络协议。其网络的物理层，主要具有调制信号、发射信号、接受信号的功能；网络的数据链路层，主要实现数据流多路传输、数据帧检测、媒介访问控制、媒介错误控制的功能；针对不同的应用领域，无线传感器网络的应用层具有不同功能的应用软件。但是，无线网络传感器网络各层协议中，都存在一些网络安全问题，例如，协议中的物理层，其容易引起无线通信的干扰，攻击者用A个节点干扰B个节点的服务，并且阻塞B个节点（A

3 无线传感器网络安全技术应对策略

3.1 无线传感器网络协议栈安全攻击技术策略

针对无线传感器网络协议的物理层、数据链路层等各个层次中，分析各个层受到的攻击方法及防御策略，如图1所示。

图1 协议栈攻击方法和攻击手段

物理层协议主要负责信号的调制、发送和接收，也包括数据的加密‘信号的探测等。由于无线传感器网络是以无线电的媒介为基础，并且无线传感器网络的节点一般不被设置在安全的地方节点的物理层没有得到安全保障，因此容易导致无线传感器网络在媒介及物理层上受到干扰攻击。

干扰攻击，是指对无线网络传感器的节点，干扰其使用的无线电频率。由于干扰端源不同，则导致干扰的破坏力大小也不一样，有的可能干扰一个小的区域，严重的可能干扰整个网络，若干扰源被随机的部署在各个领域，则容易引起攻击者改变节点信息，攻击整个网络。采用各个扩频通讯方式，如调频扩频，从而防御攻击者干扰攻击。调频扩频，是依据发送方和接收方具有相同的伪随机数列，在多个频率中，快而准的进行伪数列的切换，由于攻击者无法获取伪数列调频的规律，因此很难进行干扰通讯。但是，由于无线传感器网络中可用的频率不是无限制的使用，导致攻击者干扰不被使用的大部分频率。

3.2 无线传感器加密算法

在实际应用中，大多数数据在进行传输的过程中，都需要对其进行加密，但是，无线传感器的节点内存、CPU、存储容量及带宽容易受到限制，使在加密过程中，不能采用典型的加密计算或密文较长的数据加密算法，采用对称密钥加密算法和非对称密钥加密算法，实现数据加密技术。

对称密钥加密算法分析TEA加密算法和RC5、RC6加密算法，TEA加密算法即微型加密算法，其采用迭代、加减的操作方法，而不是采用是异或操作进行加密计算。TEA加密算法占用极小的节点内存、计算的资源也占用的较小，至今还没有攻击者能破解加密的密文，但是，TEA算法的安全性，通信组至今还没有对其进行安全审核与检查。而RC5、RC6加密算法，其通过加法操作、异或操作、循环位移等基本操作对传感器节点实现加密算法，其不仅可以实现快速对称加密，也可以实现变化密钥长度等特点，在硬件和软件方面都可以实现加密，特别是采用循环位移，其是加密算法中唯一的线性部分。RC6算法，是根据RC5算法中出现的漏洞的基础之上，采用乘法运算法则，对循环移位次数的计算方法，这样不仅改善了RC5算法中的漏洞，RC5算法的安全性也得到进一步的提高。但是，相比之下，RC6算法操作较复杂，其执行效率也较低，而RC5的安全性相对较高，但是RC5也存在许多不足之处，如资源消耗较高，容易受到暴力攻击等，另外，进行初始计算密钥，采用RC5算法，导致大量浪费传感器节点RAM字节数。

针对非对称密钥加密算法，在无线传感器网络中，采用RSA加密算法，双方节点之间进行互换密钥，从而依据第三方节点安全传输加密会话密钥给第三方，另外，由于传感器基站的资源是有限制的，因此，进行加密算法过程中，采用PKI技术，实现对基站传感器的节点进行身份认证。

4 结束语

无线传感器网络篇（11）

关键词：

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】

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