无线传感器网络大全11篇

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中图分类号：TP393文献标识码：A

1概述

无线传感器网络是新一代的网络，有着非常广泛的应用前景，将来会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。近十年来，无线传感器网络已经掀起了新的产业浪潮。我国未来20年预见技术的调查报告中，信息领域157项技术课题有7项与传感器网络直接相关。2006年初的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与无线传感器的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。可以预计，无线传感器网络的研究与应用是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。

2无线传感器网络的定义及体系结构

无线传感器网络的定义：无线传感器网络就是由安装在监测区域内大量的微型传感器组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的网络系统，其目的是感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。

传感器，感知对象和观察者是传感器网络的三个基本要素。

无线传感器网络和传统无线网络有着不同的体系结构。无线传感器是由节点结构，网络结构以及网络协议体系结构来描述的。

传感器节点由四部分组成：传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块，

传感器模块负责采集监测区域内的信息，并进行数据格式的转换，将原始的模拟信号转换成数字信号，将交流信号转换成直流信号，以供后续模块使用；处理器模块又分成两部分，分别是处理器和存储器，它们分别负责处理节点的控制和数据存储的工作；无线通信模块专门负责节点之间的相互通信；电源模块为传感器节点提供能量，一般都是采用微型电池供电。

无线传感器网络系统是由传感器节点、汇聚节点和管理节点组成。大量传感器节点随机部署在监测区域，通过自组织的方式构成网络。传感器节点采集的数据通过其它传感器节点逐跳地在网络中传输，传输过程中数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到达数据处理中心。也可以沿着相反的方向，通过管理节点对传感器网络进行管理，监测任务以及收集监测数据。

网络协议体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件应完成功能的定义与描述。由网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术组成。

分层的网络通信协议结构类似于传统的TCP/IP协议体系结构，由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。

网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理。网络管理模块是网络故障管理、计费管理、配置管理、性能管理的总和。其他还包括网络安全模块、移动控制模块、远程管理模块。传感器网络的应用支撑技术为用户提供各种应用支撑，包括时间同步、节点定位，以及向用户提供应用服务接口。

3无线传感器网络的特点

目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Adhoc网络等，与无线传感器网络在通信方式、动态组网以及多跳通信等方面有许多相似之处，但同时也存在很大的差别。无线传感器网络具有许多鲜明的特点：

3.1 电源能量有限

传感器节点体积微小，电池的能量有限，且传感器节点数量多，分布区域广，部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何产生新的能源，最大化网络的生命周期，是传感器网络面临的首要挑战。

3.2 通信能力有限

传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。传感器节点之间的通信断接频繁，经常容易导致通信失败。由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器可能会长时间脱离网络，离线工作。如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输，也是传感器网络面临的挑战。

3.3 网络规模大，分布广且计算能力有限

传感器网络中的节点分布广泛且密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多。这一特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，因此传感器网络的软、硬件必须具有高强壮性和容错性。然而传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求价格低功耗小，这些限制必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。

3.4 以数据为中心的网络和自组织、动态性网络

传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。在传感器网络中，传感器节点不需要地址之类的标识。所以传感器网络是一种以数据为中心的网络。

在传感器网络应用中，传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，而是通过随机布撒的方式。这就要求传感器节点具有自组织能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监控数据的多跳无线网络系统。同时，由于部分传感器节点能量耗尽或环境因素造成失效，以及经常有新的节点加入，这就要求传感器网络必须具有很强的适应网络拓扑结构的动态变化。

传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。不同的传感器关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然有很大差别，在开发传感器网络应用时，更关心传感器网络差异。针对每个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。

4无线传感器网络的关键技术及应用

4.1 无线传感器网络的关键技术

无线传感器网络目前研究的难点涉及通信、组网、管理、分布式信息处理等多个方面。主要关键技术如下：

4.1.1 网络拓扑管理

无线传感器网络是自组织的。目前的研究方向是在满足网络覆盖度和连通度的情况下，通过选择路由路径，生成一个能高效的转发数据的网络拓扑结构。拓扑管理有节点功率控制和层次型拓扑控制两种。前一种方法是控制每个节点的发射功率，均衡节点单跳可达的邻居数目。而层次型拓扑控制采用分簇机制，有一些节点作为簇头，它将作为一个簇的中心，簇内每个节点的数据都要通过它来转发。

4.1.2 网络协议

因为传感器节点具有计算能力、存储能力、通信能力且携带的能量有限，每个节点都只能获得局部网络拓扑信息，在节点上运行的网络协议也要尽可能的简单。目前研究的重点主要集中在网络层和MAC层上。网络层的路由协议主要控制信息的传输路径。好的路由协议不但能考虑到每个节点的能耗，还要能够关心整个网络的能耗均衡，使得网络的寿命尽可能的保持的长一些。MAC层协议主要控制介质访问，控制节点通信过程和工作模式。设计无线传感器网络的MAC协议首先要考虑的是节省能量和可扩展性。由于能量消耗主要发生在载波侦听，碰撞重传和接收到不需要的数据处理等方面，MAC层协议的研究也主要在如何减少上述3种情况从而降低能量消耗以延长网络和节点寿命。

4.1.3 网络安全

数据的安全性，这主要从两个方面考虑：一方面是从维护路由安全的角度出发以保证网络的安全。现已提出了一种叫“有安全意识的路由”的方法，其思想是找出真实值和节点之间的关系，然后利用这些真实值来生成安全的路由。另一方面是把重点放在安全协议方面。在具体的技术实现上，先假定基站总是正常工作的，并且总是安全的，满足必要的计算速度、存储器容量，基站功率满足加密和路由的要求；通信模式是点到点，通过端到端的加密保证了数据传输的安全性。基于以上前提，典型的安全问题可以总结为：信息被非法用户截获；一个节点遭破坏；识别伪节点；如何向已有传感器网络添加合法的节点等四个方面。

4.1.4 定位技术

位置信息是传感器节点采集数据中重要的一部分，没有位置信息的监测消息可能毫无意义。节点定位是确定传感器的每个节点的相对位置或绝对位置。节点定位在军事侦察、环境检测、紧急救援等应用中尤其重要。节点定位分为集中定位方式和分布定位方式。定位机制也必须要满足自组织性，鲁棒性，能量高效和分布式计算等要求。定位技术也主要有两种方式：基于距离的定位和距离无关的定位。其中基于距离的定位对硬件要求比较高，通常精度也比较高。距离无关的定位对硬件要求较小，受环境因素的影响也较小，虽然误差较大，但是其精度已经足够满足大多数传感器网络应用的要求，所以这种定位技术是研究的重点。

4.1.5 时间同步技术

传感器网络中的通信协议和应用，比如基于TDMA的MAC协议和敏感时间的监测任务等，要求节点间的时钟必须保持同步。有人曾提出了一种简单实用的同步策略。其基本思想是，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，精度依赖于对这段间隔时间的测量。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，设计高精度的时钟同步机制是传感网络设计和应用中的一个技术难点。

4.1.6 数据融合

传感器网络为了有效的节省能量，可以在传感器节点收集数据的过程中，利用本地计算和存储能力将数据进行融合，取出冗余信息，从而达到节省能量的目的。数据融合可以在多个层次中进行。在应用层中，可以应用分布式数据库技术，对数据进行筛选，达到融合效果。在网络层中，很多路由协议结合了数据融合技术来减少数据传输量。MAC层也能减少发送冲突和头部开销来达到节省能量的目的。当然，数据融合是以牺牲延时等代价来换取能量的节约。

4.2 无线传感器网络的应用

无线传感器网络的应用前景非常广阔，随着无线传感器网络的深入研究和广泛应用，无线传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。

4.2.1 军事方面

传感器网络具有可快速部署，可自组织，隐蔽性强和高容错等特点，因此非常适合在军事上应用。传感器网络是由大量随机分布的节点组成，即使一部分传感器网络节点被敌方破坏，剩下的节点依然能够自组织地形成网络。利用传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控，战场的实时监视，目标的定位，战场评估，核攻击和生物化学攻击的监测和搜索等功能。例如，传感器网络可以通过分析采集到的数据，得到十分准确的目标定位，从而为火控和制导系统提供准确的制导。利用生物和化学传感器，可以准确地探测到生化武器的成分，及时提供情报信息，有助于正确防范和实施有效的反击。

4.2.2 环境科学

随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便，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。此外，传感器网络也可以应用在精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。传感器网络还有一个重要应用就是生态多样性的描述，能够进行动物栖息的生态监控。

4.2.3 智能家居

无线传感器网络还能够应用在家居系统中。例如，2004年3月英特尔公司演示了家庭护理的无线传感器网络系统。该系统通过在鞋、家具以家用电器等设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、以及残障人士的家庭生活，利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。智能家居网络系统是将家庭中各种与信息有关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持家庭设施与住宅环境的和谐与协调的系统。

4.2.4 医疗健康

如果在住院病人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用传感器网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。还可以利用传感器网络长时间地收集人的生理数据，这些数据在研制新药品的过程中是非常有用的，而安装在被监测对象身上的微型传感器也不会给人的正常生活带来不便。此外，在药物管理等诸多方面，它也有新颖而独特的应用。总之，传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。

4.2.5 空间探索

探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。NASA的JPL实验室研制的Sensor Webs就是为将来的火星探测进行技术准备的，已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善。

4.2.6 其他商业应用

自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特点，这些特点决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会。比如，嵌入家具和家电中的传感器与执行机构组成的无线网络与Internet连接在一起将会为我们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境；城市车辆监测和跟踪系统中成功地应用了传感器网络；美国某研究机构正在利用传感器网络技术为足球裁判研制一套辅助系统，以减小足球比赛中越位和进球的误判率，这套设备现在已经研制成功。此外，在灾难拯救、仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具、工厂自动化生产线等众多领域，无线传感器网络都将会孕育出全新的设计和应用模式。

5结束语

由于具有覆盖区域广阔、监测高精度、可远程监控、可快速部署、可自组织和高容错性等特点，尽管目前无线传感器网络仍处于初步应用阶段，网络安全研究等方面还面临着许多不确定的因素和有待解决的问题，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。

参考文献：

[1] 肖俊芳. 无线传感器网络的若干关键技术研究[D]. 上海交通大学工学博士学位论文,2009.

[2] 李建中,高宏. 无线传感器网络的研究进展[J]. 计算机研究与发展, 2008(1).

[3] 王艳琴, 彭刚, 刘宇. 浅析无线传感器网络及其路由技术[J]. 电脑知识与技术, 2010(1).

[4] 杨卓静, 孙宏志, 任晨虹. 无线传感器网络应用技术综述[J]. 中国科技信息, 2010(13).

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随着近距离、低功耗无线通信技术的发展，无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）应运而生。WSN是由具有感知、计算和通信能力的微型传感器以Adhoc方式构成的无线网络，通过大量节点间的分工协作，实时监测、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，并对这些数据进行处理，获得详尽而准确的信息，最终传送到需要这些信息的用户。WSN可广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾乃至商业和家庭等诸多领域，正受到政府、军队、研究机构、商业界的广泛关注和高度重视，具有十分广阔的应用前景，是目前非常活跃的一个领域。WSN是在移动AdHoc网络的基础上发展起来的，在自组织的组网方式和多跳通信等方面与移动Adhoc网络具有相似性，但WSN在组网方式和具体应用上存在一些新的特点，主要表现为：与Adhoc网络中节点的动态移动相比，WSN的节点位置相对固定，网络拓扑会因节点能量耗尽而发生变化；由于节点体积较小，传感器网络具有许多资源上的限制，比如有限的电池功率和有限的网络通信带宽等；传感器节点间更多的是一种协作而非竞争的关系，为了完成共同目标而相互协作；不同节点采集的数据间具有一定相关性，需要进行数据会聚以减小冗余信息的转发，降低通信负荷；WSN中的应用多为多对一的情形，即存在一个Sink节点来收集数据并与外界通信等等。无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家，非常重视无线传感器网络的研究和发展，如美国国防部和各军事部门都对WSN给予了高度重视，在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把WSN作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国自然科学基金委员会（NSF）2003年制定了WSN的研究计划，投资3400万美元，支持相关基础理论的研究。在NSF的推动下，美国的加州大学伯克利分校、麻省理工学院、洛克维尔研究中心、加州大学洛杉矶分校等机构开始了WSN的基础理论和关键技术的研究。英国、日本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。学术界的研究主要集中在传感器网络技术和通信协议的研究上，也开展了一些感知数据查询处理技术的研究，取得了一些初步研究结果。

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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无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）是一种由传感器节点构成的网络，能够实时监测、感知和采集节点部署区观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式 发送。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制等领域有着广阔的应用前景。在低功耗的无线传感器网络中，传感器节点一般采用电池供电，而有限的电池能量限制了传感器节点的工作寿命，从而影响整个传感器网络的生存周期。为了摆脱传感器节点对电池的依赖，作者做了大量工作。本书介绍了无线能量传输技术在传统电池供电的传感器网络应用的简明指南。

全书共6章：1. 引言：包括相关背景和基本概念的介绍，如无线充电技术、电磁辐射、磁耦合共振等内容；2.网络结构和原理：包括网络组件、无线充电传感器网络设计原则，有能源设计、节点寿命估计、自适应充电阈值，最后进行了总结；3.分布式节点状态报告：主要介绍其协议的设计，包括状态请求、状态报告和补给、应急报告和补给、层次维护等；4.充电调度：包括紧急补给调度问题、正常补给调度、自适应充电调度算法和加权算法等相关内容；5.绩效评估：包括参数设置、充电调度算法的比较、能量演化、充电车辆的运动能量消耗、与静态优化方法的比较等；6.结论：对全书内容进行总结，对工作成果及局限性进行了分析，并提出了未来研究的目标。

作者杨元元现任纽约州立大学石溪分校终身教授。长期担任纽约州立大学石溪分校电子与计算机工程系研究生部主任、纽约州无线与信息技术中心通信与设备部主任等职务。在网络交换技术，无线网络和光网络等领域进行了深入研究并做出了突破贡献，在此领域已发表230多篇学术论文，其中在IEEE Transactions on Computer、IEEE/ACM Transactions on Networking，IEEE Transactions on Communications等顶级国际期刊上60多篇。担任许多重大国际会议如IEEE INFOCOM，GLOBECOM，ICC等的主席，程序委员会主席、分会主席。2009 年当选为IEEE Fellow。

本书讨论了如何利用新的无线可充电技术为传统的无线传感器网络提供持久的能量来源。书中提供了无线充电技术及其影响的最新文献综述；通过描述网络组件和它们的特征，介绍了无线充电传感器网络架构的两个调度算法，进行了模拟，并从性能方面对模拟结果进行了比较。本书适用于网络、无线通信、能源技术和信息技术的专业人员及工作人员，电气工程和计算机科学高水平的学生。

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1.前言

现在随着人们传感器的要求的提高，并且我国一些物理研究的高速发展，进而可以更好的帮助我国进行无线传感器网络应用的研发，让我们提早的进入无线传感器时代，再加上传感器的廉价，让我们几乎人人都可以接触到无线传感器的网络应用，但随着科技的进步，无线传感器的一些不足也出现在了人们的面前。所以本研究通过分析无线传感器网络应用存在的一些问题，提出了加大无线传感器网络的能量投入，进一步开发传感器的计算能力，加大传感器节点保护力度等针对性解决方案，希望能在以后我国无线传感器网络应用中有所帮助。

2.况无线传感器网络应用中存在的一些问题

2.1 无线传感器网络中能量受限问题

无线传感器网站中的能量受限问题是传感现在面临的一个非常棘手的问题，这也是所有自组织网络共同的特点。随着传感器的用途越来越广，它的能力受限问题主要是由于电量供电不足造成的，目前为止无线传感器网络通常由电量有限且不可更换的电池供电，所以传感器的电源能量极其有限。往往会造成供电不足的现象，这是经常会因为电源能量问题而放弃某些节点，造成无线传感器网络应用受到阻断或是限制。电源能量约束是阻碍无线传感器网络的严重问题。节点传感、处理数据及通信都需要消耗很多能量，而当前民用无线发送接收器电源远远不能满足无线传感器网络需要，这就造成了无线传感器网络应用中的许多麻烦。因此，如何在不影响网络工作前提下节省能量，使网络及节点生命周期最大化，也是无线传感器网络设计、部署过程中面临的又一问题，只有解决了这一问题[1]，无线传感器才能更好的服务于我们。

2.2 计算中存在的能力受限问题

传感器作为新型的信息获取和处理技术，首先要处理许多来自不同地方的各种信息，在这处理过程中不可避免的要用到传感器的计算能力，而无线传感器的计算主要是网络中传感器节点内都有嵌入式处理器与存储器。这些传感器具有一定的计算能力，可以完成一定量的数据处理工作。然而嵌入式处理器与存储器计算能力与容量毕竟有限，在加上现在传感器的用途被人们进一步的开发，所以传感器的计算能力也在人们的要求中不断的加强，来适合这个高信息化的时代，所以面对传感器有限的计算能力是往往不能够到达要求的，所以会在一个高峰期或是一个比较繁忙的时间出现一些错误的现象，这些都是造成一些严重的损失，并且常常都是不可避免的，因此，如何进行批量数据处理是无线传感器网络存在的又一问题。

2.3 传感节点中的问题

传感节点作为无线传感器网络中的一个关键部位，但也是一个比较危险的部分，人们往往建成网络节点后就把它放在了一个自由的环境中。这样就会有许多危险隐患，还有就是当传感节点部署区域一般接近或直接处于敌对环境下[2]，因此极有可能被敌方俘获。而一旦传感节点被俘获，那么敌人可以不用很困难就得到传感节点加密密钥，并进而进行各种攻击，如重发攻击、窜改攻击等等。而传感节点能力实在有限，连自毁等防护措施都很难实现，即使能够实现也会因造价太高而无法使用。因此，只能靠一些物理伪装来降低俘获概率。另外，因为无法区分正常节点与被俘获节点，对节点的信任也很成问题。

3.针对无线传感器网络应用中存在的一些问题的解决措施

3.1 加大无线传感器网络的能量投入

无线传感器中的能量问题我们首先要解决的是容量的问题，这时我们可以开发一些优良的电池，这就要提升一些电池的物理和化学的性质，我们在化学方面可以运用一些化学电池，运用一些离子的浓度差来提供能量，这样一方面可以提供更多的能量，另一方面还可以节约资源，保护环境。在物理方面，我们可以使用一些先进的材料来减少我们能量运输过程中的电阻等一些阻力的问题，这样可以让我们产生的能量更加有效率的传到我们的传感器应用中，让我们的传感器能量更加持久，我们还要改善传感器的接受效率，运用先进的无线接收器来完成无线的传感器网络的信号，只有先进的无线接受器才会在更好的接受信号的同时来完成能量的节省，这样才会保证无线传感器网络的应用更加有保证，更加流利。

3.2 进一步开发传感器的计算能力

我们只有保证了传感器的计算能力才能，才能完成无线传感器的网络应用，计算能力是无线传感器的前提，对于计算能力[3]，我们要开发一些新型的计算模式，一些新型的计算程序来完成我们的计算需求，这就需要我们培养一些计算程序的技术人员，计算机在西方比较发达，我们可以引用一些西方国家的先进计算机理论，我们可以研究西方的计算机理论和我国的计算机理论相结合，在这些基础上我们可以有更大的机会进行创新来研发新的计算程序来适应高速发展的信息处理时代，如果有条件的话，我们可以给一些高等院校进行合作，我们提供资金来支持高校的计算程序研究，来可以派一些技术人员去国外进行深造来进一步提高研发水平，只有我们研发出更好的计算程序，才会从根本上解决传感器的计算能力问题，才能让传感器更好的工作。另一方面我们还可以安装更多的嵌入式处理器与存储器来保证计算的速度，可以保证在网络高峰的时期来进行高速的计算，让信息可以更及时的传达到人们的面前，让传感器网络更好的应用。

3.3 加大传感器节点的保护力度

关于传感器节点的保护措施我们首先要建立一个明确的保护系统，我们要采取跟踪保护的方法，不能再完成节点建设后就把它放在一个自由的环境中，要对节点进行追踪保护，要时刻检查节点，防止其他软件的侵入，造成必要信息的丢失，另一方面还要加大对节点的保密建设，要对传感器节点进行密码保护，及时对方获取到了我们的传感器节点，但是在没有密码的情况下，也不能进行查看或是入侵，这样就加大了保护的力度，还有就是要增大保护的范围，不但要保护传感器节点的安全性，也要保护传感器其他部分的安全性，这样一方面可以给我们传感器工作创造一个良好的氛围环境，另一方面还能加大他人对传感器节点的入侵难度，除了保护之外，我们还要定时的对传感器节点等进行修复，查杀看看有么有潜在的威胁，如果有的话，要立刻进行修复，只有时刻的检查才会让我们的传感器在一个安全的网络环境中进行信息的传递等一系列的任务。

4.无线传感器网络的原理

无线传感器网络一般都包括一台主机或者“网关”，其通过一个无线电通信链路与大量无线传感器进行通信。数据收集工作在无线传感器节点完成，被压缩后，直接传输给网关，或者如果有要求，也可以利用其他无线传感器节点来将数据传递给网关。之后，网关保证该数据是系统的输入数据。

每个无线传感器都被看作一个节点，拥有无线通信能力，同时还具有一定的信号处理与网络数据的智能。根据应用的类型，每个节点都可以有一个指定的地址。如图1所示。

图1

5.无线传感器网络的研究现状

现 状国际上无线传感器网络的研究主要是以美国这些发达国家为首，并且加拿大，英国，德国等国家也相继加入到了无线传感器网络的研究队伍中来了，并且都投入了大量的资金，主要是给高等学府进行投资，结合高等学府的科研力量来完成对无线传感网络的开发，而无线传感器网络的开发也在我国取得了很大的成功，我国的无线传感器网络开发起源于中国科学院，并在中国科学院的基础上相继在各大研究所和高校展开，并都取得了相应的进展，尤其是在清华大学，哈尔滨工业大学，北京邮电大学这些计算机专业先进的院校取得了很大的进展。

6.结语

无线传感器网络的应用已经越来越广泛，影响范围越来越广。本文简单的介绍了我国无线传感器网络应用中的一些问题，无线传感器作为一个传递信息的载体，现也取得了很大的成功，并且帮助我们节省很大的人力和物力，让我们的生活更有了效率，但是在我们对无线传感器网络应用探究的同时，也发现了无线传感器的的一些问题。所以本研究通过分析无线传感器网络应用存在的一些问题，提出了加大无线传感器网络的能量投入，进一步开发传感器的计算能力，加大传感器节点保护力度等针对性解决方案，希望能在以后我国无线传感器网络应用中有所帮助。

参考文献

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[3]杨伟丰，汤德佑，孙星明.传感器网络安全研究术[J].计算机应用研究，2012（06）.

[4]司海飞，杨忠，王.无线传感器网络研究现状与应用[J].机电工程，2011（01）.

[5]杜晓明，陈岩.无线传感器网络研究现状与应用[J].北京工商大学学报（自然科学版），2008（01）.

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中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2010)03-552-03

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。

参考文献:

[1] 崔逊学,左从菊.无线传感器网络简明教程[M].北京:清华大学出版社,2009.

[2] 陈瑞,王青云.无线传感器网络的路由协议研究[J].现代电子技术,2006,17.

[3] 康启涛,陶滔.无线传感器网络综述[J].应用安全,2008,2.

[4] 马建庆.无线传感器网络安全的关键技术研究[D].上海:复旦大学计算机信息与技术系,2007.

篇（6）

中图分类号:TP399文献标识码:A

1 引 言

众所周知,中国是一个具有五千年悠久历史的文明古国,文物分布遍及全国,文物保护任务复杂而艰巨｡当前,因技术､资金和管理等方面的原因,导致很多文物被损坏或丢失,如何科学而有效地对文物进行保护和管理是文物管理部门面临的巨大挑战｡

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks.简称WSNs)是计算､通信和传感器三项技术相结合的产物,目前成为计算机科学领域一个活跃的研究分支｡2003年2月份的美国技术评论杂志(《Technology Review》)评出对人类未来生活产生深远影响的十大新技术,传感器网络被列为第一[1]｡随着无线通信技术和电子器件技术的进步,促进了低成本､低功耗､体积小､多功能(感知､处理､通信功能)传感器的发展,从而使得开发低成本的传感器网络成为可能,从而使其具有更加广泛的应用领域｡

无线传感器网络被视为环境监测､建筑监测的一个发展方向｡它不需要固定网络支持,具有快速展开,抗毁性强等特点｡无线传感器网络典型工作方式是:使用飞行器将大量传感器节点(数量从几百到几千个)抛撒到感兴趣区域,节点通过自组织快速形成一个无线网络｡节点既是信息的采集和发出者,也充当信息的路由者,采集的数据通过多跳路由到达网关｡网关是一个特殊的节点,可以通过Internet､移动通信网络､卫星等与监控中心通信｡

无线传感器网络十分适用于文物储藏室环境监测､防盗与古建筑结构健康监测｡对于文物储藏室的环境监测,将传感器节点合理部署在展室或储藏室内,可以测得文物存放环境的温度､湿度､光照和振动等数据,如果不合要求及时向监控中心报警,以便通知相关人员及时处理｡利用加速度传感器测量振动,如果有振动异常,就会立即报警,监控中心收到报警信息后,立即派人到现场查看是否有穿墙､挖地洞等偷盗文物的行为发生或古建筑结构有异常变化｡因此,将无线传感器网络用于文物保护,既能提高文物的保护水平又能节省人力资源,降低劳动强度｡

2 网络拓扑结构和工作原理

本文提出的无线传感器网络用于构建博物馆或文物保护单位的文物保护系统,用GPRS及Internet网络进行数据通信,GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线业务)是第2.5代移动通信技术,网络覆盖范围广,适合突发数据应用业务,一般GPRS模块的数据传输率为115.2Kbps;同时采用支持Zigbee规范的传感器网络｡网络由大量分布在各个文物展室的无线传感器节点､汇节点和博物馆监控中心等3个部分组成,如图1所示,每个展室内安放几个传感器节点,由展室面积大小等因素决定｡这是一个基于簇(Cluster)的分层结构,它具有天然的分布式处理能力,簇头就是分布式处理中心即无线传感器网络的一个汇节点,物理位置临近的若干个展室设置一个汇节点｡每个簇成员(即各展室内的传感器节点)都把数据传给相应簇头,簇头将数据融合后,直接将数据传送到博物馆监控中心｡博物馆监控中心通过GPRS及Internet网络与多个汇节点连接,汇节点和展室内的传感器节点之间通过Zigbee技术实现无线的信息交换,带有射频收发器的无线传感器节点负责对数据的采集和处理并传送给汇节点;博物馆监控中心通过GPRS及Internet网络从汇节点获取采集到的相关信息,实现对展室的监测｡

计算技术与自动化2007年6月第26卷第2期何文德等:无线传感器网络在文物保护中的应用

3 传感器节点的设计

无线传感器网络微型节点被放置在各个文物展室中,测量文物所处环境的温度､湿度､光照和振动等参数,并将其传送给对应的汇节点｡节点的硬件主要由数据采集､数据处理､数据传输和电源管理4部分电路组成,如图2所示｡

数据采集部分负责文物展室内的环境数据采集和数据转换,数据采集部分包括温度传感器MLX90601､湿度传感器DS18B20､光强度传感器TSL2550D､两维数字加速度计ADXL202 AE共四个传感器,分别采集文物展室内的温度､湿度､光照和振动等参数｡

数据处理部分由Atmel公司的ATmega128L微控制器实现,它采用低功耗COMS工艺生产､是基于RISC结构的8位微控制器,功能强大,负责控制整个节点的处理操作､路由协议､同步定位､功耗管理､任务管理等;数据传输单元负责与汇节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据｡ATmega128L微控制器具有片内128KB的程序Flash,4KB的数据SRAM,可外扩到64KB的E2PROM｡此外,它还有8个10位ADC通道,2个8位和2个16位硬件定时/计数器,并可在多种不同的模式下工作;8个PWM通道､可编程看门狗定时器和片上振荡器､片上模拟比较器;UART､SPI､I2C总线接口､JTAG接口｡除了正常操作模式外,还具有六种不同等级的低功耗操作模式,每种模式具有不同的功耗｡

射频模块选用由Chipcon公司生产的低功耗､短距离无线通信模块CC2420组成｡这是一款符合ZigBee技术规范的高集成度工业用射频收发器件,其MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范,工作于2.4GHz频段｡该芯片只需很少器件,可确保短距离通信的有效性和可靠性｡数据传输模块支持的数据传输率高达250kbps,可以实现多点对多点的快速组网,系统体积小､功耗小,适于电池供电[2]｡

在用于文物保护的无线传感器网络中,节点的供电不宜采用常规的交流供电方式,因为在展室内铺设电线会增加展室的火灾安全隐患以及增加施工量,所以节点电源由两节1.5V碱性电池组成｡电源管理单元用于选通所用到的传感器,本课题采用多路器芯片ADG715BRU,在I2C总线的控制下选通所用到的传感器,即让传感器在使用时才带电,使节点更节能｡

在节点的硬件设计方面,应该尽量采用低功耗器件,在没有通信任务时,切断射频部分的电源供应;在节点的软件设计方面,各个层次的通信协议都要以节能为中心｡

4 其它部分设计

4.1 汇节点的设计

网络的汇节点(Sink Node),用于收集物理位置相对集中的一些展室内的传感器节点上报的数据,将这些数据聚集后,通过GPRS无线网络,传送给监控中心;监控中心也可以通过汇节点向各个展室内的传感器节点查询和监视命令,传感器节点对命令作响应,采集数据,并将结果通过汇节点反馈给监控中心｡汇节点的硬件构成如图3所示｡

4.2 博物馆监控中心软件设计

博物馆监控中心软件由管理员登陆､配置管理､监控管理､故障管理和数据库五个模块组成,如图4所示｡它通过GPRS及Internet网络,与多个分布在博物馆内不同物理位置的汇节点间接连接在一起,监控模块通过对计算机网络的实时监控,实现对分布式汇节点上报信息的及时接收､解析､处理以及发送控制信令给不同ID的汇节点,实现对分布在各个文物展室内传感器节点的间接､实时监控和数据采集｡监控中心软件就是一个MIS系统,后台数据库采用Microsoft公司的SQL Server 2000数据库进行开发,软件的前台采用C#编程语言开发｡数据通信可靠性和实时性两者的平衡,由本课题自定义的应用层网络通信协议来保证｡

篇（7）

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）15-0060-02

当前互联网中，无线传感器网络组成形式主要为大量廉价、精密的节点组成的一种自组织网络系统，这种网络的主要功能是对被检测区域内的参数进行监测和感知，并感知所在环境内的温度、湿度以及红外线等信息，在此基础上利用无线传输功能 将信息发送给检测人员实施信息检测，完整对整个区域内的检测。很多类似微型传感器共同构成无线传感器网络。由于无线传感器网络节点具有无线通信能力与微处理能力，所以无线传感器的应用前景极为广阔，具体表现在环境监测、军事监测、智能建筑以及医疗等领域。

1无线传感器网络安全问题分析

彻底、有效解决网络中所存在的节点认证、完整性、可用性等问题，此为无线传感器网络安全的一个关键目标，基于无线传感器网络特性，对其安全目标予以早期实现，往往不同于普通网络，在对不同安全技术进行研究与移植过程中，应重视一下约束条件：①功能限制。部署节点结束后，通常不容易替换和充电。在这种情况下，低能耗就成为无线传感器自身安全算法设计的关键因素之一。②相对有限的运行空间、存储以及计算能力。从根本上说，传感器节点用于运行、存储代码进空间极为有限，其CPU运算功能也无法和普通计算机相比[1]；③通信缺乏可靠性。基于无线信道通信存在不稳定特性。而且与节点也存在通信冲突的情况，所以在对安全算法进行设计过程中一定要对容错问题予以选择，对节点通信进行合理协调；④无线网络系统存在漏洞。随着近些年我国经济的迅猛发展，使得无线互联网逐渐提升了自身更新速度，无线互联网应用与发展在目前呈现普及状态，而且在实际应用期间通常受到技术缺陷的制约与影响，由此就直接损害到互联网的可靠性与安全性。基于国内技术制约，很多技术必须从国外进购，这就很容易出现不可预知的安全患，主要表现为错误的操作方法导致病毒与隐性通道的出现，且能够恢复密钥密码，对计算机无线网安全运行产生很大程度的影响[2]。

2攻击方法与防御手段

传感器网络在未来互联网中发挥着非常重要的作用。因为物理方面极易被捕获与应用无线通信，及受到能源、计算以及内存等因素的限制，所以传感器互联网安全性能极为重要。对无线传感器网络进行部署，其规模必须在不同安全举措中认真判断与均衡。现阶段，在互联网协议栈不同层次内部，传感器网络所受攻击与防御方法见表1。该章节主要分析与介绍代表性比较强的供给与防御方法。

3热点安全技术研究

3.1有效发挥安全路由器技术的功能

无线互联网中，应用主体互联网优势比较明显，存在较多路由器种类。比方说，各个科室间有效连接无线网络，还能实现实时监控流量等优点，这就对互联网信息可靠性与安全性提出更大保障与更高要求[3]。以此为前提，无线互联网还可以对外来未知信息进行有效阻断，以将其安全作用充分发挥出来。

3.2对无线数据加密技术作用进行充分发挥

在实际应用期间，校园无线网络必须对很多保密性资料进行传输，在实际传输期间，必须对病毒气侵入进行有效防范，所以，在选择无线互联网环节，应该对加密技术进行选择，以加密重要的资料，研究隐藏信息技术，采用这一加密技术对无线数据可靠性与安全性进行不断提升。除此之外，在加密数据期间，数据信息收发主体还应该隐藏资料，保证其数据可靠性与安全性得以实现。

3.3对安全MAC协议合理应用

无线传感器网络的形成和发展与传统网络形式有一定的差异和区别，它有自身发展优势和特点，比如传统网络形式一般是利用动态路由技术和移动网络技术为客户提供更好网络的服务。随着近些年无线通信技术与电子器件技术的迅猛发展，使多功能、低成本与低功耗的无线传感器应用与开发变成可能。这些微型传感器一般由数据处理部件、传感部件以及通信部件共同组成[4]。就当前情况而言，仅仅考虑有效、公平应用信道是多数无线传感器互联网的通病，该现象极易攻击到无线传感器互联网链路层，基于该现状，无线传感器网络MAC安全体制可以对该问题进行有效解决，从而在很大程度上提升无线传感器互联网本身的安全性能，确保其能够更高效的运行及应用[5]。

3.4不断加强网络安全管理力度

实际应用环节，首先应该不断加强互联网安全管理的思想教育，同时严格遵循该制度。因此应该选择互联网使用体制和控制方式，不断提高技术维护人员的综合素质，从而是无线互联网实际安全应用水平得到不断提升[6]。除此之外，为对其技术防御意识进行不断提升，还必须培训相关技术工作者，对其防范意识予以不断提升；其次是应该对网络信息安全人才进行全面培养，在对校园无线网络进行应用过程中，安全运行互联网非常关键[7]。所以，应该不断提升无线互联网技术工作者的技术能力，以此使互联网信息安全运行得到不断提升。

4结束语

无线传感器网络技术是一种应用比较广泛的新型网络技术，比传统网络技术就有较多优势，不但对使用主体内部资料的保存和传输带来了方便，而且也大大提升了国内无线互联网技术的迅猛发展。从目前使用情况来看，依旧存在问题，负面影响较大，特别是无线传感器网络的安全防御方面。网络信息化是二十一世纪的显著特征，也就是说，国家与国家间的竞争就是信息化的竞争，而无线网络信息化可将我国信息实力直接反映与体现出来，若无线传感网络系统遭到破坏，那么就会导致一些机密文件与资料信息的泄露，引发不必要的经济损失与人身安全，私自截获或篡改互联网机密信息，往往会造成互联网系统出现瘫痪现象。因此，应该进一步强化无线传感器互联网信息安全性。

参考文献：

[1] 周贤伟，覃伯平.基于能量优化的无线传感器网络安全路由算法[J].电子学报，2007，35（1）：54-57.

[2] 罗常.基于RC5加密算法的无线传感器网络安全通信协议实现技术[J].电工程技术，2014（3）：15-18.

[3] AL-JAOUFI MOHAMMED AHMED AHMED，刘云.试析生物免疫原理的新型无线传感器网络安全算法研究[J].科技创新导报，2015（3）：33-33.

[4] 滕少华，洪源，李日贵，等.自适应多趟聚类在检测无线传感器网络安全中的应用[J].传感器与微系统，2015（2）：150-153.

篇（8）

1 引言

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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中图分类号：F626 文献标识码：A 文章编号

Abstract: this paper summarizes the wireless sensor network hardware node of the design principle, put forward a kind of wireless sensor network general node the basic framework of the equipment, design realized based on low power consumption processor Atmega128L and rf chip CC2420 of wireless sensor network node equipment, its network of system has stable performance, communication with high efficiency, low power consumption, and can be widely used in control, signal acquisition and transmission, and other fields.

Keywords: wireless sensor network, node design, communication network technology

1 引言

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。

本文就是面向具体的应用，以实现无线传感器网络无所不能的感知能力为目标，研究无线传感器节点的系统结构、组成和实现技术。

通过总结无线传感器网络硬件节点的设计原则，提出了一种无线传感器网络通用节点设备的基本构架，设计实现了基于超低功耗处理器Atmega128L和射频芯片CC2420的无线传感器网络节点设备。该设备具有能量自检测功能，并可以改变通用硬件接口上的数据采集部分实现多种不同类型的应用。采用模块化软件设计，引入有限状态机进行系统模式调度，设计实现了既能独立运行又支持嵌入式操作系统的节点适应层软件。

2 无线传感器网络硬件结构及通信

2.1 传感器网络硬件结构

无线传感器网络典型的体系结构如图1所示。传感器节点分布于网络的各个部分，用于收集数据，并且将数据路由至信息收集节点（Sink）。信息收集节点与信息处理节点通过广域网络（如Internet网络或卫星网络）进行通信，从而对收集到的数据进行处理。

图1 无线传感器网络通信体系结构图

无线传感器网络节点一般由4个部分组成：传感器模块、处理模块、无线收发模块和能量供应模块，如图2所示。其中，传感器模块负责信息采集和数据转换；处理模块控制整个传感器节点的操作，处理本身采集的数据和其他节点发来的数据，运行高层网络协议；无线收发模块负责与其他传感器节点进行通信；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常是微型蓄电池。

图2 传感器节点的体系结构

2.2 无线传感器网络通信

2.2.1 数据采集

最底层的传感数据采集应用由自主的传感器节点提供的。每个传感器节点收集关于它周围环境的即时数据。由于传感器节点离观察点很近，故对传感器的精度要求并不高，降低了成本。高的空间分辨率可以通过布置密集的传感器节点来达到。而传统的传感应用方法是使用一些有着精密复杂的信号处理能力的高质量传感器。无线传感器网络结构则通过布置密集的传感器节点提供较高的健壮性，单个节点阻塞和组件失效不会造成太大的破坏。

2.2.2 传感数据到Internet

我们可以将来自传感器节点的数据传输到Internet上，这些数据可能是原始的，或者被过滤过，或者被处理过。建立到每个传感器节点的直接的广域网的连接是不可行的，因为设备代价太昂贵，它需要消耗传感器节点大量的能量，设备安装也容易对环境带来一些很大的干扰。因此在我们的传感器网络的系统结构中，到广域网的连接功能由基站完成，我们为基站设备提供足够的能量和存储空间。基站可以使用无线局域网与布置了传感器的小块领域通信（通过silk节点）。为了向终端用户提供数据，基站提供WAN连接，并且为传感器区域集合提供了永久性数据存储。

3 节点系统设计

3.1 节点系统结构

节点硬件采取模块化结构设计如图3所示，由运算及通信子板、传感器子板、充电及状态显示子板构成。运算及通信子板由微处理器、数据存储电路、无线通信模块、电源管理模块等组成，主要作用是储存、处理数据，完成节点间的无线通信，并为系统提供能量。传感器子板由若干传感器组成，负责监测区域内信息的采集。充电及状态显示子板由充电模块和LCD 液晶显示模块组成，用来显示节点电池充电情况节点的工作状态以及电池的电量。

图3 节点系统接口

（1）微处理器电路采用Atmel公司的ATmega128L微控制器[9]，它采用低功耗CMOS工艺生产，基于RISC结构，具有片内128KB的程序存储器(Flash)、4KB的数据存储器(SRAM)和4KB的EEPROM；

（2）数据存储电路选用512KB串行FLASH AT45DB041存储数据。与普通的数据存储器相比，该芯片具有功耗低、体积小、串行接口、外部电路简单等特点，适合传感器节点使用。

（3）无线通信模块采用无线射频CC2420[11-12]模块。它是Chipcon公司在2003年底推出的一款兼容2.4GHz IEEE802.15.4标准的无线收发模块，基于Chipcon公司的SmartRF03技术，使用CMOS工艺生产，工作电压低、能耗低、体积小，具有输出强度和收发频率可编程等特点。

篇（10）

在这些节点中，存在着大量的冗余节点。这样设计的无线传感器网络，不仅能够使检测的范围大大增加，而且能够减少盲区，还能提高系统的容错性能。我们使用分布式来采集很多信息，这样即使降低单个节点的精度，整个系统的精度也还是会很高。

1.2自组织网络

一般情况下，无线传感器网络中，不仅传感器的位置是不能事先确定的，而且传感器之间相邻的关系也是不能确定的。鉴于此，要求传感器能够自组织，自动管理和配置。

1.3以数据为主

传感器网络中的节点设计十分灵活，利用标号识别节点，而网络通信协议的设计决定了节点的编号在全网中是不唯一的。传感器的布置完全是随机的，这就使得节点编号与传感器网络之间的关系是随机动态的，节点的位置和编号之间没有确定关系。因此，对于无线传感器网络通信来说，传感器所采集的事件比确定编号节点更加重要，也就是以数据为中心。

1.4受电源的限制

各种传感器都是使用电能的，当电源能力耗尽时，传感器节点就会停止工作。

2无线传感器网络的组成结构

无线传感器网络通信体系与互联网体系相比，具有许多新的特性和需求。这些新的特性和需求表现在网络协议栈上，就是与以太网协议栈的不同。总体来说，WSN协议栈具有五层协议，即应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。此外，WSN协议栈还具有许多特殊的管理器，比如拓扑管理器、任务管理器和能量管理器。正是有了这些管理器，传感器节点才能够高效地互相协调完成工作。

3无线传感器网络的主要应用

3.1军事应用

美国早在1990年就已经开始了对无线传感器网络通信体系的军事研究项目。无线传感器网络能够对战场上的各种状况进行实时监测，同时能够实现精确定位目标和敌军的兵力和装备等功能，所以无线传感器网络通信体系非常适合军事方面的应用。

3.2医疗卫生方面的应用

无线传感器网络通信在室内有着更加稳定的性能，近年来在医疗领域，包括病人看护、远程管理等领域，发展迅速。此外，无线传感器网络通信还能够对病人进行紧急救护，采集病人的生命体征数据。

3.3智能家居

在智能家居的应用主要表现在两个方面。第一就是体现在古建筑物的保护上。无线传感器网络通信能够将采集湿度、压力、温度和光照等传感器节点，分布到古建筑物中去，进而能够对古建筑物的各项指标性能进行分析，帮助工作人员采取相应的措施。第二就是在居家生活等方面。无线传感器网络通信可以在家居或者家电里加入传感器节点，通过互联网和无线网络连接，使人们的生活更加舒适和智能。

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中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）20-0011-01

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.