无线传感器网络:传感器网络

2021/11/09 01:05 · 传感器知识资讯 ·  · 无线传感器网络:传感器网络已关闭评论
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传感器网络
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传感器网络,是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络,这些装置使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况(比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物)。无线传感器网络的发展最初起源于战场监测等军事应用。而现今无线传感器网络被应用于很多民用领域,如环境与生态监测、健康监护、家庭自动化、以及交通控制等。
中文名
传感器网络
外文名
Sensor networks
主要包括
感应、通讯、计算
领 域
计算机
目录
1
名词解释
2
原理
3
作用
4
体系结构
5
与物联网
传感器网络名词解释
语音
所谓传感器网络是由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。传感网络的节点间距离很短,一般采用多跳(multi-hop)的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立的环境下运行,也可以通过网关连接到Internet,使用户可以远程访问。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等,能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,通过嵌入式系统对信息进行处理,并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。传感器网络节点的组成和功能包括如下四个基本单元:传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(由嵌入式系统构成,包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)、以及电源部分。此外,可以选择的其它功能单元包括:定位系统、运动系统以及发电装置等。在传感器网络中,节点通过各种方式大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络,以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息,可以实现对任意地点信息在任意时间的采集,处理和分析。一个典型的传感器网络的结构包括分布式传感器节点(群)、sink节点、互联网和用户界面等.传感节点之间可以相互通信,自己组织成网并通过多跳的方式连接至Sink(基站节点),Sink节点收到数据后,通过网关(Gateway)完成和公用Internet网络的连接。整个系统通过任务管理器来管理和控制这个系统。传感器网络的特性使得其有着非常广泛的应用前景,其无处不在的特点使其在不远的未来成为我们生活中不可缺少的一部分。
传感器网络原理
语音
传感器网络的每个节点除配备了一个或多个传感器之外,还装备了一个无线电收发器、一个很小的微控制器和一个能源(通常为电池)。单个传感器节点的尺寸大到一个鞋盒,小到一粒尘埃。传感器节点的成本也是不定的,从几百美元到几美分,这取决于传感器网络的规模以及单个传感器节点所需的复杂度。传感器节点尺寸与复杂度的限制决定了能量、存储、计算速度与频宽的受限。
[1]
在计算机科学领域,传感器网络是一个研究热点,每年都会召开很多的研讨会和国际会议。
传感器网络作用
语音
传感器网络主要包括三个方面:感应、通讯、计算(硬件、软件、算法)。其中的关键技术主要有无线数据库技术,比如使用在无线传感器网络的查询,和用于和其它传感器通讯的网络技术,特别是多次跳跃路由协议。例如摩托罗拉使用在家庭控制系统中的ZigBee无线协议。传感器网络与传感器传感器网络与传感器是什么关系呢?它究竟是一种传感器呢还是一种网络呢?在回答这个问题之前,我们先来看一下传感器网络中传感节点的系统组成吧。如图1所示,一般可以将传感节点分解为传感模块、微处理器最小系统、无线通信模块、电源模块和增强功能模块5个组成部分,其中增强功能模块为可选配置。
图1 传感器网络中传感节点的系统组成可以把传感模块和电源模块看作传统的传感器,如果再加上微处理器最小系统就可对应于智能传感器,而无线通信模块是为了实现无线通信功能而比传统传感器新增加的功能模块。增强功能模块是可选配置,例如时间同步系统、卫星定位系统、用于移动的机械系统等。从传感节点的系统组成上看,传感器网络可以看作是多个增加了无线通信模块的智能传感器组成的自组织网络。而从功能上看,传感器和传感器网络大致相同,都是用来感知监测环境信息的,不过显然传感器网络具备更高的可靠性。传感器网络的发展传感器网络是怎样发展起来的呢?最早的传感器网络可以追溯到上世纪70年代美军在越战中使用的“热带树”传感器。为了遏制北越在胡志明小道的后勤补给,美军在这条小道上沿途投放了上万个“热带树”传感器,这是一种振动和声响传感器,当北越车队经过时传感器探测到振动和声响即向指挥中心发送感知信号,美军收到信号后即组织轰炸,有资料显示越战期间美军依靠“热带树”的帮助总共炸坏了4万多辆北越运输卡车。“热带树”传感器之间没有通信能力,所以实际上还称不上网络的概念。20世纪80年代以来,美国军方陆续与高校开展传感器网络方面的研究合作,旨在建立能够用于军事用途的自组织的无线传感器网络,这期间在硬件、软件、标准化和产品化等方面取得了一系列的重大进展。2000年,美国加州大学伯克利分校发布了传感器节点专用操作系统TinyOS,后续又推出专用程序设计语言nesC。2001年,伯克利分校又推出Mica系列传感器节点产品。TinyOS和Mica取得了巨大的成功,直到今天它们仍然得到了广泛的应用。2001年,ZigBee联盟成立,并对无线传感器网络的通信协议进行了全面的标准化,后续多家公司发布了多款符合ZigBee协议标准的芯片和产品。传感器网络未来的发展趋势传感器网络未来的发展趋势又如何呢?传感器网络技术诞生至今也不过几十年的时间,最近更是得到了美国之外欧洲、中国和日韩等国的重视和关注,目前其发展前沿也在不断延伸。总体说来,大致可以将其发展趋势划分为两大类:其一是设计用于完成特殊任务的无线传感器网络,例如无线多媒体传感器网络和无线传感执行网络。其二是设计用于特殊应用环境下工作的无线传感器网络,例如水下环境和地下环境。无线多媒体传感器网络(WMSN, Wireless Multimedia Sensor Network)在传感器节点上借助多媒体传感单元将音频、视频、图像等多媒体信息传送到管理节点,能够实现对复杂多变环境的监测。无线传感执行网络(WSAN, Wireless Sensor and Actor Network)在WSN的基础上加入了执行节点(Actor),执行节点根据收集到的监测信息做出决策并执行相关操作,从而在对环境监测的基础上进一步实现对环境的控制。水声无线传感器网络(UW-ASN, Underwater Acoustic Sensor Network)采用水声无线通信技术实现水下传感器节点之间的通信连接,能够完成海洋采样、环境监测、水下开采、辅助航行等任务。
传感器网络体系结构
语音
传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor)、汇聚节点(sink node)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域(sensor field)内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。
[2]
传感器网络与物联网
语音
通过感知识别技术,让物品“开口说话、发布信息”,是融合物理世界和信息世界的重要一环,是物联网区别于其他网络的最独特的部分。物联网的“触手”是位于感知识别层的大量信息生成设备,包括RFID、传感器网络、定位系统等。传感器网络所感知的数据是物联网海量信息的重要来源之一。传感器网络已被视为物联网的重要组成部分,如果将智能传感器的范围扩展到RFID等其他数据采集技术,从技术构成和应用领域来看,泛在传感器网络等同于现在我们提到的物联网。
词条图册
更多图册
参考资料
1.

无线传感器网络的定义
.5联网[引用日期2012-09-01]
2.

无线传感器网络的网络协议栈
.5联网[引用日期2012-09-01]
无线传感器网络:传感器网络  第1张

无线传感器网络:无线传感器网络

体系结构
① 什么是无线传感器网络?其特点是什么?

无线传感器网络(Wireless sensor network)是由大量静止/移动的传感器以自组织和多跳的方式构成无线网络。目的是协作地探测、处理、传输网络覆盖区内感知对象的监测信息,并报告给用户。

WSN特征:

------------------四大受限------------------

能量受限:使用电池供电,因需要维持数年生命周期所以需要节能。
通信能力受限:使用 ISM 频段,带宽资源十分有限,不能支持很高的数据率。
计算能力受限:传感器节点需要满足低成本、低功耗的要求,这就意味着节点计算能力受限。
存储能力受限:传感器节点需要满足低成本的要求,这就意味着存储空间有限,不能使用像 Windows、Android 这样的操作系统。

------------------组网特征------------------

大规模:绿野千传部署了几千个传感器节点。
自组织:根据网络状态自行组网。
拓扑动态性:节点可能会移动、死亡、新加入。
可能存在异构传感器:为了安防目的,部署了摄像头、位移传感器等。
需要数据融合等技术:为了安防目的,需要从摄像头、位移传感器等感知数据综合提取信息,确定是否有人入侵、身份信息等。
应用相关性强:在智能交通、安防、环境监测等应用中部署的传感器各异、服务质量要求各异。
任务/事件驱动,以数据为中心:当检测有人入侵时,才会向用户发出警报发送视频数据。
对可靠性和鲁棒性有要求:当火灾发生时,烟雾报警器一定要可靠地将报警数据发送出去。

② 传感器网络的节点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别是什么?

感知模块:由一个或多个传感器以及模数转换器组成。传感器负责感知监测目标的物理特征和现象,并产生相应的模拟信号;模数转换器ADC负责将模拟信号转换为数字信号,并将数字信号送往处理模块进行处理。
处理模块:由一个微控制器及相应的内存组成,负责对数据进行处理、滤波、决策、执行、资源分配等判断,并对传感器节点进行控制。
通信模块:由数模转换器和无线收发器组成,负责发送、接收数据和控制信息。
电源模块:负责节点的供电。
位置模块:节点可以配置全球定位系统或北斗定位系统接收器。
移动模块:在某些需要移动传感器节点的应用中,可以配置马达来驱动传感器节点。

③ 传感器节点的能量消耗主要在哪些模块?

感知模块(采集数据)、处理模块(CPU运转)、通信模块(数据收发、空闲侦听),其中通信模块能耗最大。

④ 为什么WSN通常采用多跳通信方式?

与信号传播模型有关,

P

r

x

=

P_{rx} =

Prx?=

P

t

x

P_{tx}

Ptx?

C

d

2

\frac{C}{d^2}

d2C?

⑤ WSN 有哪些资源上的限制?会如何影响 WSN 的设计?

通信:数据压缩、调制技术选择、因使用 ISM 频段而无法适应高速率的通信方式。
能量:物理层适当提高数据发送速率(实际上发送速率越高,能耗越低)、休眠、路由选择、传输时尽量减少丢包、时间同步考虑节能。
存储:不能使用复杂的操作系统、数据报不能太大、数据压缩。
计算:不使用复杂的路由协议。

⑥ WSN 五层协议的功能是什么?

物理层:通过编码/调制/扩频和其他无线通信模块将数据转换为无线信号。
链路层:负责一跳距离内相邻节点的信道共享、睡眠问题,保障在节点间公平有效地共享通信资源。
网络层:解决寻路、逐跳转发数据的问题。
传输层:负责端到端的数据流传输,具有可靠传输和拥塞控制机制。
应用层:负责任务调度和数据分发等具体业务,使得底层硬件和软件对传感应用是透明的。

MAC和路由
① 为什么 MAC 和路由设计中能量是需要考虑的重要因素?

传感器节点能量受限。

② 当前传感器网络的无线通信主要选择哪些频段?为什么?

ISM (Industrial,Scientific,Medical),免费。

③ 基于竞争/分配的MAC协议的基本思想是什么?其优缺点各是什么?

------------------基于竞争------------------

基本思想:允许多个节点同时访问信道,发送时主动抢占,按需分配。
优点:网络流量和规模变化自适应,网络拓扑变化自适应,算法较简单。
缺点:无法避免冲突,不适合流量较大的网络。

------------------基于分配------------------

基本思想:与TDMA类似,将时间分为固定长度的时隙slot,给每个节点分配时隙避免冲突,使得每个节点都有机会访问介质。
优点:无冲突,无隐藏终端问题,易于节点休眠。
缺点:时间同步不易实现,网络动态性、多跳给时隙分配带来困难,分配算法较为复杂,可扩展性较差。

④ 叙述无线传感器网络SMAC的主要特点和实现机制。

前提条件:网络数据量较小、对数据投递延迟不敏感、网络节点间联合完成数据投递任务。

周期性休眠/监听:
每个周期内,节点有侦听和休眠两种状态。相邻节点之间协商,以保持同步侦听、同步休眠(即:同醒同睡)。相邻节点同步调度,形成虚拟簇。协议效果:节点能耗降低,数据投递延迟增加。

冲突和串音避免:
对于冲突,采用与802.11类似的CSMA/CA和RTS/CTS握手机制来尽量避免,能够解决隐藏终端的问题。
对于串音,采用虚拟载波监听机制,根据数据帧的特殊字段(告知休眠多久)让每个与此次通信无关的邻居节点进入休眠状态,这样发送和接收节点处于独享信道的状态。
自适应监听:
在一次通信过程中,通信节点的邻居节点在此次通信结束后保持苏醒并监听信道一段时间。如果监听节点在这段时间内接收到发给自己的RTS控制帧,则可以立即接收数据,而不需要等到下一个监听周期,从而减少了数据投递延迟。
长消息分割传送:
将一个长的数据块切分成若干个短的数据包进行传输,仅使用一个RTS消息和一个CTS消息为上述所有短数据包预约信道。每个短数据包都有独立的链路层ACK保障其传输成功。这样做降低了单个数据报的差错率,降低了控制开销,减小了消息延时。

⑤ 叙述无线传感器网络XMAC的主要特点和实现机制。

异步竞争 MAC 协议:该类协议中所有节点维持自己独立的工作周期,收发双方不同步,因而发送节点发出数据时接收节点可能正处于睡眠状态,所以需要使用LPL(低功率侦听)前导序列技术唤醒接收节点。

X-MAC协议是基于B-MAC协议的改进,改进了其前导序列过长的问题,将前导序列分割成若干strobe,在每个strobe中嵌入目的地址信息,非接收节点尽早丢弃分组并睡眠。

X-MAC在发送两个相邻的strobe之间插入一个侦听信道间隔,用以侦听接收节点的早期确认。接收节点收到strobe后,向发送节点发送早期确认。发送节点收到早期确认后立即发送数据分组,避免发送节点过度前导和接收节点过度侦听。

⑥ 常见的传感器网络路由协议有哪些类型?并说明各种类型路由协议的适用范围。

主动式路由:不管有没有数据发生,每个节点都建立和维护到各个节点的路由。要求每个节点周期性地向其他节点发送最新的路由信息并保存一个或多个路由表。
适用范围:数据流量大、移动性较小、实时性要求较高。

反应式路由:网络拓扑和路由信息是按需建立的,仅当某节点有数据发送时才开始寻找路由。
适用范围:数据流量小、移动性强、实时性要求不高。

平面路由:所有节点都具有相同的地位和功能,协同完成感知和通信任务。协议简单、健壮性好、建立维护路由开销大。
适用范围:小规模网络。

分层路由:网络被分为多个簇或层次,每个簇由一个簇首和多个簇成员构成。簇首负责簇内信息的收集和融合以及簇间数据转发。
适用范围:中大规模网络。

数据为中心路由协议:在以数据为中心的路由中,感知到特定物理现象的传感器节点将感知到的数据向sink节点汇报。路径上的节点可以检查收到的分组的内容,并根据情况执行特定的数据融合操作。
适用范围:数据具有相关性,可以压缩或融合处理的网络。

基于位置的路由协议:要求每个节点具备自身位置、每个邻居节点位置和目的节点位置等信息来确定分组的最佳下一跳节点,可以采用逐跳方式进行数据转发,具有较好的可扩展性。
适用范围:具备位置信息的网络。

多路径路由协议:通过多条可供选择的路径传送数据,能够提高数据传输的鲁棒性,有效均衡网络的负载和能耗,提高网络的传输性能并延长网络的寿命。
适用范围:对可靠性要求较高、要求负载均衡的网络。

⑦ 多路径路由(链路不相交、节点不相交、缠绕多路径)的定义,以及各自的优缺点有哪些?

不相交多路径路由:用于在源节点和目的节点间建立多条不相交路径。分为节点不相交路径和链路不相交路径。

节点不相交路径的优点:容错能力强、算法易实现、载荷较平衡、总带宽较大。
节点不相交路径的缺点:能量效率低、路径数量少。

链路不相交路径的优点:能量效率高、路径数量多。
链路不相交路径的缺点:容错能力差、算法不易实现、载荷相对不平衡、总带宽较小。

缠绕多路径路由:也称作部分不相交路径或最大不相交路径。不要求是完全不相交的,缠绕多路径是在建立主路径后,在主路径的附近寻找备用路径以提供较强的路径备份能力。

缠绕多路径的优点:路径数量多、负载较均衡、提高系统可靠性。
缠绕多路径的缺点:路径中重叠部分较多,容错能力较差。

⑧ Flooding、Mesh、Collect 协议的基本思路,协议适用范围。

Flooding:
一种反应式路由。当源节点有数据需要传输时直接广播,网络中每个节点接收到新的数据报都转发一次。

Mesh:
一种反应式路由。当源节点 S 有数据包需要发送给目的节点 D 时,S 首先全网洪范Route Request(rreq)控制包,其中包含 S 和 D 的地址信息。

每个节点收到 rreq 后:

step1:更新路由表,将发送节点的地址加入路由表,将发送节点设为到达 S 的 next-hop。
step2:若接收节点是 D,则返回 Route Reply(rrep)控制包,其中包含 S 的地址信息。

每个节点收到 rrep 后:

step1:直接将 rrep 转发给路由表中的 next-hop,更新路由表,将发送节点设为到达 D 的 next-hop。
step2:如果接收节点是 S,则说明寻路成功,准备发送数据。通过查找到达 D 的 next-hop,多跳路由即可到达 D。

Collect:
一种主动式路由。在网络初始化时即建立以 Sink 节点为根的树状路由结构,并周期性地进行维护。节点有数据发送时则直接沿着树状结构转发即可。

初始状态:
每个节点 d 的父节点 p=null, metric(d)=Inf
[ 说明:metric 是一种度量,Inf 是 ∞,上图是 Collect 的路由表项 ]

路由建立过程:
sink 节点发起路由建立,发送广播 ADV,其中包含 metric(sink) ,metric(sink)设为 0。每个节点 d 收到 s 发来的ADV后都将比较并进行更新,如果 metric(s) + metric(s,d)< metric(d),则更新 p=s, metric(d)=metric(s) + metric(s,d),并广播最新的ADV包含metric(d)。最终所有节点都会维持一个父节点和 metric。 协议适用范围: Flooding、Mesh 是反应式路由:数据流量小、移动性强、实时性要求不高。 Collect 是主动式路由:数据流量大、移动性较小、实时性要求较高。 传输层和应用层 ① PSFQ 的实现过程是什么? 适用范围:单个 sink 向一组接收节点或网络中所有节点传输数据(例如全网络范围更新指令)。 PSFQ 采用缓发快取的方式进行传输控制,由 pump、fetch 和 report 三种操作构成。 pump 是指 sink 给数据块中的数据段分配序列号,并利用 MAC 层广播按顺序发送。相邻数据段的发送保持一定时间间隔,可以保障数据段有一定的缓存时间以备重传。fetch 指节点收到顺序错误的新数据段时暂停数据转发,向上游节点发送 NACK 请求重传丢失的数据段,待收到丢失数据段后再顺序转发。 report 操作是 sink 要求距离较远的节点逐跳汇报自己的地址和收包情况,据此判断指令的分发情况。 ② 拥塞的指标有哪些?拥塞缓解的主要方法有哪些? ------------------拥塞检测------------------ 基于信道采样:若监测到信道长时间处于忙碌状态,则认为发生拥塞。 基于缓冲区占用率:缓冲区存储超过某一阈值,预测拥塞即将发生。 基于丢包率:若丢包过于频繁则判断有拥塞。 基于负载强度:综合考虑局部区域的流量负载情况和信道竞争状况,若负载强度过大则认为有拥塞。 基于包间隔/包服务时间:若从邻居节点收到的数据分组到达的时间间隔,以及从到达缓存区到被发送出去的服务时间过长则判断有拥塞。 基于数据逼真度:通常由汇聚节点执行检测,若收集到的信息准确度过低则判断网络拥塞。 ------------------拥塞缓解------------------ 速率调节:调整源节点产生数据或中间节点转发数据的速率。 流量调度:通过绕路、分流或重定向等方式减小拥塞区域的数据流,缓解拥塞。通常与多路径路由协议相结合。 数据处理:传感器节点可以根据应用对数据进行丢弃、压缩或融合,减小数据量。 ③ 可靠性保障机制有哪些? 丢包恢复:丢包检测和反馈(ACK / NACK / IACK)+ 重传恢复。 速率调节:基于任务调节源速率。 冗余传输:发送节点多次发送同一数据包的拷贝,接收节点只要收到至少一个数据包即可。 支撑技术 ① 传感器网络为什么要实现时间同步? 应用需要: CSMA 需要时间同步;SMAC 要求节点同睡同醒;TRAMA 划分时隙也需要时间同步;测距 ToA 要求收发双方时间同步;某些目标跟踪应用等都需要时间同步。 计算机时钟很不准: 一个计算机时钟由一个电子设备生成,这种设备计算在某个频率下一个石英晶体的震荡数。每个晶体振荡器的频率本身存在偏差,同时又容易受到湿度、电磁波干扰等影响。 ② 时间 / 时钟、时钟漂移等概念。 对于一个传感器节点 p 来说: 时间:p 时钟报告的时间。可以表示为一个函数 Cp(t),t 为标准时间。Cp(t) = t 表示一个标准时间。 时钟偏移:时钟报告的时间与真实时间的差值, Cp(t) - t。 时钟频率:时钟计数的速率,Cp '(t)。 时钟频差:石英晶体震荡频率与标准时钟的差值 Cp '(t) - 1。 时钟漂移:时钟值相对实际时间偏差的二阶导数Cp "(t) 。 ③ 如何理解传输延迟的不确定性给时间同步带来的挑战。 时间同步思路:节点 A 发送包含自己时间 Ta 的同步包给节点 B,节点 B 收到以后直接调整自己的时间为 Tb,实现同步。但是这种思路因为不确定因素有很多,所以面临一些挑战。 发送时间不确定:发送时间是发送节点构造并发送时间同步消息所用的时间。这段时间长短依赖于处理器负载、操作系统的系统调用开销等,具有不确定性。 访问时间不确定:访问时间是发送节点等待访问信道的时间。这段时间长短依赖于信道负载,具有不确定性。 ④ 掌握TPSN时间同步协议是如何进行同步的。 节点 B 想与节点 A 同步,则: 节点 B 发送同步请求并记录发送时间 T1 节点 A 记录接收时间 T2 ,并在 T3 时间返回回复消息 节点 B 记录接收时间 T4 并同步,设置本地时间为 T4 + Δ ⑤ 掌握基于测距的定位算法工作机制,掌握 ToA、TDoA 、ToF 测距的原理和优缺点,掌握计算距离方法。 ToA: 优点:实现简单。 缺点:需要严格的时间同步。 TDoA: 优点:不需时间同步,测距较精准。 缺点:需要两套收发设备,成本高。 ToF: 优点:不需要时间同步,测距较精准。 缺点:需要往返通信,功耗高、续航时间短。 ⑥ 掌握三边定位、多边定位的原理并进行计算。 三边定位原理: 逆矩阵求法: step1:余子式、代数余子式 step2:行列式 step3:伴随矩阵 step4:逆矩阵 例题: 信标节点A、B、C的坐标为(0,0)、(20, 20)、(20, 0)。未知节点距离他们的距离分别为14.14、14.14和14.14,求未知节点的坐标。 多边定位同理。 ⑦ 掌握三角定位的原理,不要求计算。 ⑧ 掌握 DV-Hop 算法的定位实现过程和优缺点。 定位实现过程: step1:计算未知节点与信标节点之间的最小跳数; step2:估算每跳的平均距离,利用最小跳数乘以平均每跳距离,得到未知节点与信标节点之间的估计距离; step3:利用三边测量法或极大似然估计法计算未知节点的坐标。 优点:采用平均每跳距离来估算实际距离,不需测距、实现简单。 缺点:利用跳段距离代替直线距离,存在一定的误差。 例题:给定上图,L2 负责计算每跳平均距离,求 A 的坐标。 信标节点 L2 计算的每跳平均距离为 (40+75)/(2+5) =16.42,A 从 L2 获得每跳平均距离,则节点 A 与三个信标节点之间的距离分别为 d1=3×16.42,d2=2×16.42,d3=3×16.42。若知道 L1、L2、L3 的坐标,那么就可以根据三边定位的方法求出 A 的坐标。

无线传感器网络:无线传感器网络_1

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无线传感器网络
(Wireless Sensor Network)
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无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络,它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信,因此网络设置灵活,设备位置可以随时更改,还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。
中文名
无线传感器网络
外文名
Wireless Sensor Networks
特 点
大规模、自组织、动态化等
用 途
环境监测、军事领域、医疗护理、其他用途
目录
1
概述
2
特点
3
组成结构
4
信息安全
?
安全需求
?
威胁
?
关键技术
5
应用范围
无线传感器网络概述
编辑
语音
无线传感器网络是一项通过无线通信技术把数以万计的传感器节点以自由式进行组织与结合进而形成的网络形式。构成传感器节点的单元分别为:数据采集单元、数据传输单元、数据处理单元以及能量供应单元。其中数据采集单元通常都是采集监测区域内的信息并加以转换,比如光强度跟大气压力与湿度等;数据传输单元则主要以无线通信和交流信息以及发送接收那些采集进来的数据信息为主;数据处理单元通常处理的是全部节点的路由协议和管理任务以及定位装置等;能量供应单元为缩减传感器节点占据的面积,会选择微型电池的构成形式。无线传感器网络当中的节点分为两种,一个是汇聚节点,一个是传感器节点。汇聚节点主要指的是网关能够在传感器节点当中将错误的报告数据剔除,并与相关的报告相结合将数据加以融合,对发生的事件进行判断。汇聚节点与用户节点连接可借助广域网络或者卫星直接通信,并对收集到的数据进行处理。
[1]
传感器网络实现了数据的采集、处理和传输三种功能。它与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是由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,以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息,并最终把这些信息发送给网络的所有者。无线传感器网络所具有的众多类型的传感器,可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。潜在的应用领域可以归纳为:军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。
无线传感器网络特点
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语音
相较于传统式的网络和其他传感器相比,无线传感器网络有以下特点:(1)组建方式自由。无线网络传感器的组建不受任何外界条件的限制,组建者无论在何时何地,都可以快速地组建起一个功能完善的无线网络传感器网络,组建成功之后的维护管理工作也完全在网络内部进行。(2)网络拓扑结构的不确定性。从网络层次的方向来看,无线传感器的网络拓扑结构是变化不定的,例如构成网络拓扑结构的传感器节点可以随时增加或者减少,网络拓扑结构图可以随时被分开或者合并。(3)控制方式不集中。虽然无线传感器网络把基站和传感器的节点集中控制了起来,但是各个传感器节点之间的控制方式还是分散式的,路由和主机的功能由网络的终端实现各个主机独立运行,互不干涉,因此无线传感器网络的强度很高,很难被破坏。(4)安全性不高。无线传感器网络采用无线方式传递信息,因此传感器节点在传递信息的过程中很容易被外界入侵,从而导致信息的泄露和无线传感器网络的损坏,大部分无线传感器网络的节点都是暴露在外的,这大大降低了无线传感器网络的安全性。
[2]
无线传感器网络组成结构
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语音
无线传感器网络主要由三大部分组成,包括节点、传感网络和用户这3部分。其中,节点一般是通过一定方式将节点覆盖在一定的范围,整个范围按照一定要求能够满足监测的范围;传感网络是最主要的部分,它是将所有的节点信息通过固定的渠道进行收集,然后对这些节点信息进行一定的分析计算,将分析后的结果汇总到一个基站,最后通过卫星通信传输到指定的用户端,从而实现无线传感的要求。
[3]
无线传感器网络信息安全
编辑
语音
无线传感器网络安全需求
由于WSN使用无线通信,其通信链路不像有线网络一样可以做到私密可控。所以在设计传感器网络时,更要充分考虑信息安全问题。手机SIM卡等智能卡,利用公钥基础设施(Public Key Infrastructure, PKI)机制,基本满足了电信等行业对信息安全的需求。同样,亦可使用PKI来满足WSN在信息安全方面的需求。(1) 数据机密性数据机密性是重要的网络安全需求,要求所有敏感信息在存储和传输过程中都要保证其机密性,不得向任何非授权用户泄露信息的内容。(2)数据完整性有了机密性保证,攻击者可能无法获取信息的真实内容,但接收者并不能保证其收到的数据是正确的,因为恶意的中间节点可以截获、篡改和干扰信息的传输过程。通过数据完整性鉴别,可以确保数据传输过程中没有任何改变。(3) 数据新鲜性数据新鲜性问题是强调每次接收的数据都是发送方最新发送的数据,以此杜绝接收重复的信息。保证数据新鲜性的主要目的是防止重放(Replay)攻击。(4) 可用性可用性要求传感器网络能够随时按预先设定的工作方式向系统的合法用户提供信息访问服务,但攻击者可以通过伪造和信号干扰等方式使传感器网络处于部分或全部瘫痪状态,破坏系统的可用性,如拒绝服务(Denial of Service, DoS)攻击。(5)鲁棒性无线传感器网络具有很强的动态性和不确定性,包括网络拓扑的变化、节点的消失或加入、面临各种威胁等,因此,无线传感器网络对各种安全攻击应具有较强的适应性,即使某次攻击行为得逞,该性能也能保障其影响最小化。(6)访问控制访问控制要求能够对访问无线传感器网络的用户身份进行确认,确保其合法性。
无线传感器网络威胁
根据网络层次的不同,可以将无线传感器网络容易受到的威胁分为四类:(1)物理层:主要的攻击方法为拥塞攻击和物理破坏。(2)链路层:主要的攻击方法为碰撞攻击、耗尽攻击和非公平竞争。(3)网络层:主要的攻击方法为丢弃和贪婪破坏、方向误导攻击、黑洞攻击和汇聚节点攻击。(4)传输层:主要的攻击方法为泛洪攻击和同步破坏攻击。
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无线传感器网络关键技术
1、混沌加密技术
无线传感器网路
密码学属于跨学科的一门科目,其探究的主要是通过一些手段与方式把真正有用的信息给隐藏起来,只有通过授权人的授权方可正确解读信息中的内容,把信息转变为无法读取形式的这项技术即为加密技术。无线传感器当中诸多的混沌加密技术里,最具代表性的一项技术就是对称密钥体制技术,也是一项密码算法,其耗能较低,相对来说计算起来并不是十分烦琐。在判断无线传感器网络利用的密码技术是不是最恰当的标准通常有以下几个方面:数据占用的长度跟处理花费的时间、消耗能量的大小、密码算法代码所需的长度。这当中密码算法包括有高级加密算法跟对称加密算法等等。混沌密码技术整体来说属于较为复杂的一项技术,它遵守了动力学的机制跟混乱与扩散的基本原则。2、密钥管理协议密钥管理协议是将密钥被生成到利用的所有步骤进行分级授权保护,保证密钥的封闭性同时也能做到灵活的使用。例如密钥的生成、分发授权于金融机构使其能够生成密钥分发给传递中支付方,使其能生成数字签名保证信息不可否认性,而最终的密钥公证则授权与特定机构,以验证信息的真实性。数据验证协议,是对用户将要使用数据进行安全验证的协议,验证大数据时代活动中交换的数据是否具有端级签名和个人签名。安全审计协议,协议内容是对大数据时代活动中所有有关安全的事件进行收集、检测和控制,起到危险防护的作用和对危害安全事件进行追责的作用。3、数字水印认证技术数字水印认证技术是通过算法将标识信息嵌入至原始载体中,便于合法使用者进行提取并识别。利用数字水印技术,能够保障认证信息是否被篡改,从而提升无线传感器网络的传输可靠性。数字水印技术主要由嵌入器、检测器两部分构成,其与密码学相结合,可以实现对信息的多重安全保护。通常,对于传输信息,利用水印嵌入器来形成水印密钥与原始载体数据的结合,而在使用时根据水印检测器来进行水印解密,输出信息。4、防火墙技术在具体的应用当中,这项技术具备很强的AAA管理功能,把内部主机IP地址翻译到外网中,使无线传感器网络共享Internet,还可促使外网隐藏到内网结构当中:可支持多种AAA协议对拨入ASA的各式各样远程来访问VPN、登录ASA管理会话中来认证AAA,并予以授权。在无线传感器网络当中,通过防火墙技术,能够确保网络不会遭受到蠕虫、黑客、病毒和坏件等的攻击,而且还含有无客户端模式VPN,保障无线传感器网络客户不用安装VPN客户端就可提供给他们网络服务。在无线传感器网络的组成中,可将无线网络跟核心网络有效隔离开,通过防火墙将一个或者几个无线网络实行分开管理的方式,这样一来即使成功地将无线客户端破解了,也无法攻击有线网络。
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无线传感器网络应用范围
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语音
1、无线传感器在电气自动化中的应用在我国自动化技术不断发展的进程中,我国电力系统是发展较快的一个领域,电力系统的自动化,有助于减少不必要的能源浪费,减少事故的发生率,以及提高在事故发生时对其进行修理维护的效率。人工电力系统管理工作容错率较低,人们在进行工作的过程中,必须根据电力系统设备的运行情况进行适时调整,在电气自动化的过程中同样,需要对电力系统进行实时的监控,根据需求对电压进行调节,电力系统在运行的过程中,由于外界环境比如天气温度等,会时时刻刻发生变化,如果外界条件变化较为剧烈,在电力系统中的各项电力属性同样会发生较大的变化,为了补偿这部分变化,便需要对其进行调节,数据的采集首先是一项重要的内容,需要有一些装置能够对电气系统中的各项电气属性值进行统计,然后进行处理,将数据进行记录传输,根据传输的内容对其进行控制,提高其自动化水平。此外,还需要在电力系统中,在单位路程内设置一些温度和湿度等环境传感设备对电力系统的环境进行监管,以便预计电力系统的变化。在电气自动化中,大多使用无线传感装置,通过无线传感装置能够避免一些线路问题,提高传感装置的高效性。采用无线传感装置,相较于过去的监控管理装置而言具有较多的优点,其中较为明显的优点便是减少了线路的复杂性,在电力系统中,特别是高压输电线,如果线路较为复杂,在进行管理维护的过程中,会增加工作难度,而且具有较高的风险。相较于传统的感应装置,无线传感装置受损的可能性较小,而且传输的数据也更加具有精确性也使其具有更高的价值。2、无线传感技术在进行监测工作中的应用在使用无线传感技术进行监测的过程中,不同类型的监测工作所用的监测设备也不仅相同。其中在工业生产过程中,较为常用的传感技术是温度传感技术,在使用传感技术对工业生产进行监测的过程中,主要针对锅炉方面进行监测,确保锅炉的安全性。在锅炉中,与锅炉温度息息相关的是锅炉的水冷管,当今常见的水冷管大多都是由钢管组成的,热量在排出的过程中,需要通过钢管排出。但是由于在进行冷却的过程中,随着大量热量的排出,同时会排出一些杂物,比如一些细小的烟尘颗粒等,久而久之水冷壁内部可能会出现一些污垢附着在钢管上,如果污垢堆积过厚,会影响到钢管的散热情况,而水冷壁所能够承受的热量往往有一定的上限,水冷壁上的热量难以及时得到散失,便会在压力过大的情况下进行工作,长时间处于超负荷状态,会对水冷壁的结构造成较为严重的影响,使用一段时间之后,便可能出现较为严重的事故。在当今对锅炉工作进行管理大多采用计算机进行远程操控,这样可以避免高温环境对工作人员造成危害。但是,采用远程操控技术便需要对锅炉进行监控,在高温的环境下,采用有线监控装置,线路会受到高温环境的影响,造成额外的损失,需要投入较多的成本。而采用无线传感技术进行监控,在进行数据的传输过程中,无需其他物品作为媒介,可以直接传输测量数据,这样在进行监控管理的过程中,受损部位的数量会减少,能够有效降低生产成本。而且采用无线传感网络,可以更加全面地对不同部位进行监控,使工作更加全面。3、无线传感技术在进行定位中的应用无线传感技术在当今的应用,不仅仅可以有大型组织进行工作和科研进行使用。对于个人来说,由于技术的不断发展,无线传感技术的成本也越来越低,越来越多的人可以将无线传感技术用于个体身上。对于个人来说,无线传感技术的主要使用目的是用来进行定位,定位技术对于传感技术来说是应用较广的方面,在车辆上安装无线传感装置,可以通过无线传感技术,将车辆所在位置信息进行传输,然后再由中转站将信息进行处理发送,这样在接收站能够明确了解汽车所处位置信息。对于汽车进行导航具有重要的意义。此外,还可以对一些随身携带的物品采用无线传感技术,对一些老年人或者儿童进行实时定位,避免一些弱势人员出现意外事故。
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词条图册
更多图册
参考资料
1.

范波.无线传感器网络安全的关键技术[J].建筑工程技术与设计,2018,(30):3397.
2.

袁梦鑫.浅谈无线传感器网络安全及策略[J].科教导刊-电子版(中旬),2018,(11):274.
3.

范波.无线传感器网络入侵检测分析[J].建筑工程技术与设计,2018,(32):4157.
4.

唐明双.无线传感器网络应用技术综述[J].科技资讯,2018,16(36):42-43.
无线传感器网络:传感器网络  第2张

无线传感器网络:无线传感器网络概述

无线传感器网络概述
无线传感器网络定义
WSN(wireless?sensor?networks)是无线传感器网络,是由大量的具有感知能力的传感器节点,通过自组织方式构成的无线网络。传感器监控不同位置的物理或环境状况(比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物)。无线传感器网络的发展最初起源于战场监测等军事应用。而现今无线传感器网络被应用于很多民用领域,如环境与生态监测、健康监护、家居自动化以及交通控制等。

无线传感器网络组成结构
2.1 网络体系结构

无线传感器网络的体系结构的节点是多跳式转发模式,多个节点经过因特网和卫星通信网络将节点信息汇集,在传感器区域内经过多跳转发模式,把传感
信息再传送给用户,在整个系统架构中传输介质是因特网和卫星通信,而节点群、汇集节点以及网络用户端组成了整个体系结构,如图 1 所示。

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2.2? 网络节点结构

在无线传感器网络中节点是至关重要的核心基本元素,其节点结构如图 2 所示,主要包含传感器、A/D转换器、数据处理与控制模块、无线通信收发器模块、电池和能量转换模块。

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一种新型无线传感器网络安全研究
这是一种基于可搜索加密技术的无线传感器网络的安全架构,使无线传感器网络各个节点网络专注于搜集传输数据节省宝贵的计算能力,可以提高整个无线传感器网络的效率。整体网络架构如下图所示:

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上图中无线传感器网络由 n 个节点网络组成,每个节点网络由 1 个中心节点和若干个普通节点组成。中心节点负责将普通节点搜集的数据传递出去。

其方案的架构如下图所示:

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节点网络在搜集完该节点网络的数据后,对明文数据提取关键词集合,然后根据关键词集合建立索引,同时对明文数据加密得到密文。中心节点将密文数据和对应的索引传递到数据中心。

该系统针对无线传感器网络计算能力较小、难以完成复杂计算的问题,设计了一种无线传感器网络安全架构方案。方案将无线传感器网络划分为若干个以中心节点作为信息传输端的节点网络,中心节点传递该节点网络搜集的信息到数据中心进行处理。采用可搜索加密技术,使得管理员可以直接获取所需信息对应的密文,而不用对整体密文解密后再搜集,提高了无线传感器网络的效率。 ?

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