无线传感器网络范文

导语：如何才能写好一篇无线传感器网络，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词： 无线传感器；网络；节点

中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0220062－01

无线传感器网络使人们实现了耳听八方、眼看千里的梦想，在现代卫星技术出现以后，人们实现了洞察全局、明察细微设备的使用，也就职把许许多多的传感器节点等待在指定的区域，将数据借助无线电波进行传播，然后回到监控中心，在监控区域内就会收到所有的信息。

1 无线传感器网络的组成和特点

1.1 无线传感器网络组成

可以将无线传感器网络分为控制管理中心、数据分布网络和数据获取三部分。它主要有传感器、通信模块以及数据处理单元的节点进行集成，各个节点遵循自己的协议，构成了一个分布式的网络，进一步对采集到的数据进行优化，再通过无线电波传到信息处理的中心。

1.2 无线传感器网络的特点

无线传感器网络中具有较多的节点，并且它们是不断地变化的，这使它具有了和其它普通传感器网络不同的独特“个性”。

1）自行组网及没有中心的特性。在无线传感器网络中，所有节点具有平等的地位，这一网络没有预设的中心，更不会指定任何中心，各个节点借助分布式算法完成他们之间的协调，在没有人看守时，各个节点就会对网络自发组织起来，进行具体测量。2）动态变化呈网络拓扑结构。网络中的节点的变化是无时不有，无处不在的，在这种变化的环境中，它的状态也会发生相应的变化，再加上无线通信信道具有不稳定的特性，网络拓扑结构也会因此自行调整，发生一定的变化。3）有限的传输能力。无线传感器网络借助无线电波对数据完成传输，这样可以省去布线的麻烦，但是与有线网络相比较，它的不足是带宽低，这一点还需要在技术方面进行克服。然而，由于单个的节点对数据进行传输的量较小，这个缺点产生的不足还很小，人们可以接受。4）受限的能量。为了测量出比较真实的具体值，各个节点在需要测量区域呈密集性地分布，一般不采取人工补充能量的方法。每个节点自身储备了可以长期使用的能量，有的可以在外界获取相应的能量，比如太阳能的汲取。5）存在安全隐患。无线传感器网络最容易受到外界的攻击，这主要是因为分布式控制、有限的能量、无线信道的干扰。所以出现了主动入侵、被动窃听、拒绝服务等常见的攻击方式。

2 无线传感器网络的应用

2.1 军事方面的应用。对无线传感器网络进行研究，较早应用是在军事领域。因为他具有可较快地部署、自行组织、较强的隐蔽性及容错性较高的特性，所以它可以完成对敌军地形的侦察，也可以完成对兵力的布防以及对装备的侦察，还可以完成对战场的实时监视、定位，还可以完成战场评估、核攻击以及生物化学攻击的监测与搜索的功能。

2.2 环境方面的应用。对无线传感器网络的应用，可以涉及到气象及地理方面，人们对自然与人为灾害进行监测，人们要对农作物的浇和土壤、空气的变化、家禽及牲畜所在的环境情况进行监视，并通过它做大面积的地表检测，还要通过它对自然界中的各种鸟类、动物以及昆虫进行无线跟踪，对濒危种群做进一步的研究等。

美国在ALERT的计划中，研究人员对多种传感器进行了开发，并用它来对降雨量进行监测，对河水水位及土壤水分做出监测，并依据所得出的数据对一些自然灾害进行预防。

2.3 医疗方面的应用。无线传感器网络还可以对人体的各项生理数据及健康情况做出检没，借助它对医院的药品做好管理工作，并将它应用到远程医疗等相关的医疗领域。在SSIM这个项目中，医生将100个微型传感器放入病人的眼里，使盲人能够有一定程度的视觉提高。科学家还大胆地借助它对“智能医疗之家”进行了创建，也就是在一个5间房的小区住宅内，利用无线传感器网络对生命体征进行测量，住户的主要生命体征，比如血压、脉搏、呼吸、睡觉姿势以及每天的活动情况都被测量并进行了数据保存，利用无线传感器网络对搜集到的数据被整理，送到相应的医疗机构，进行相应的研究。比如哈佛大学的一个研究小组就是利用无线传感器网络络构，建立了一个医疗监测平台。

2.4 家庭中的应用。技术人员可以将无线传感器嵌入到家具及家电中，将传感器与执行单元组成的无线网络还有Internet相连接，可以为人们提供比较舒服、便得以及人性化的智能家居环境。用户还可以更方便简洁地对家电做到远程监控，比如在下班前对家里的电饭锅、电话机、微波炉、录像机、电脑等家电进行摇控，按照容量的大小和时间的安排，设置煮饭、烧菜的时间，并安排好对电话留言的查收，对电视节目的选择，和网络资料的下载等工作。在对家居环境进行控制时，把传感器的节点安放在各自不同的房间，让他产生不同的感应。另外，我们可以对各个房间的环境温度做到局部的控制，甚至利用无线传感器网络还能够对幼儿的早期教育环境做出监测，对儿童的活动范围进行跟踪，使这里的研究人员、儿童的父母或者是他们的老师对他们进行全面地了解，并对儿童的学习过程地行行之有效的指导。

2.5 工业方面的应用。无线传感器网络可以对车辆进行跟踪、对机械故障做出正确的诊断、对工业生产进行计划地监控、对建筑物的状态进行监测等。将无线传感器网络与RFID技术相融合，可以实现智能交通。可以把它就用在较危险的工作环境，比如在石油钻井、煤矿、核电厂等的运用，利用无线传感器网络以后，可以对工作现场的比较重要信息进行探测。

2.6 机械故障诊断方面的应用。Intel公司做过一项实验，就是对芯片制造设备做节点的安装，借助所安装的200个传感器节点，对设备的振动情况进行监控，当测量结果超过了相关数值时，无线传感器会提供一份监测报告。在美国的贝克特营建集团公司早已经在伦敦的地铁系统中大胆地对无线传感器网络做了检测。对无线传感器网络的应用，可以使大楼、桥梁以及其他建筑物进行感知，并对自身的状态信息做出汇报。

3 结束语

总而言之，传感器网络在当前是国内外的热点项目，它具有广阔的发展空间，它的未来应用更广泛，对技术要求较高。在近几年的研究中，人们对传感器网络自身的特点得到了更深刻的认识，在技术上积累了经验，有所进步。它是一门先进的技术，对它的研究还需要科技工作者不断的努力。在国内外专家的努力下，无线传感器网络一定会以全新的局面展现在大家面前，必将更好、更广地应用于各行各业，并造福于人类、造福于社会。

参考文献：

[1]唐启涛、陶滔，无线传感器网络综述[J].网络安全技术与应用，2008（02）：80-82.

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【关键词】无线传感器；网络应用；现状

1.引言

在二十一世纪的今天网络技术已经得到广泛的应用，计算机模式在向人们的生活不断的深入，已经成了一个发展的中心，实实在在地融入了人们的生活，成为了人们赖以交流的有力工具，方便了人们的生活。无线传感器网络由大量具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器以自组织方式构成，然后经过无线的通信方式形成一个多跳的自配装置网络系统，从而达到协作感知和采集，以及对网络覆盖区域里感知对象信息进行处理的目的，最后再传送给观察者。作为一个新型的无线传感器网络，它在当今的科技及社会发展中起到了很大的作用。

2.无线传感器网络的特点及其结构

无线传感器的特点上主要体现在规模大、自组织、动态性、可靠性、集成化等特点。

第一在规模上，为了能够对信息进行精确的获取，所以在检测的区域一般都要部署很多的传感器的节点，这些节点数量可能达到成千上万甚至更多。规模大的特性主要有着两方面的含义，其一是传感器的节点分布在比较大的地理区域当中，其二是传感器的节点部署得很密集，故此在较小的空间当中密集部署了大量的传感器节点[1]。

第二在组织上，无线传感器在实际应用当中，一般情况下传感器的节点都放置在没有基础结构的地方，不能进行预先设定，并且节点间的相邻关系也不知晓。这就要求传感器节点要具有自组织能力，进行自动的管理及配置，通过网络协议以及拓扑控制机制自动地形成转发监测数据的多跳无线网络系统。

第三在动态性上，表现在：传感器网络的拓扑结构可能会因为环境因素或者电能耗尽而对节点造成的故障、失效；环境条件变化造成的无线通信链路带宽变化，甚至时断时通的情况；传感器网络中传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；新节点的加入。以上这些因素都可能发生变化，这就要求传感器网络系统在适应能力上要具有动态可重构性[2]。

第四在可靠性上，WSN比较适合在恶劣的环境中以及人类不宜到达的区域进行布置，并且节点能够在露天的环境中工作。

第五在集成化上，传感器的节点功耗以及体积都比较小，价格上也较为便宜，比较适合群组应用或者集成到其它系统中。

无线传感器网络的系统结构包括传感器节点、汇聚节点及管理节点。传感器节点的存储能力和处理能力以及通信能力相对较弱，一般是通过小容量电池进行供电。从网络功能上看，每个传感器节点除了进行信息收集和数据处理外，还要对其它节点所撰发过来的数据进行存储、管理和融合，并与其它传感器节点进行协作来完成任务。汇聚节点在处理、存储数据以及通信上，能力都较强，它是传感器网络与Internet等外部网络连接的网关，实现两种协议的转换，把WSN收集到的数据转发到外部网络上；此外它还要向传感器节点来自管理节点的监测任务。管理节点以动态的方式对整个无线传感器网络进行管理，传感器网络的所有者可以通过管理节点来访问无线传感器网络的资源[3]。

3.无线传感器网络在现实生活中的应用

当前我国对无线传感器网络技术的研究虽然取得一定的成绩，但要广泛商用还有很长的路要走。目前微处理器的性能不断提高、体积不断缩小，这使得基于微处理器技术的无线传感器网络能够在工业市场、环境监测、医疗护理以及军事领域等方面中小规模地应用。

随着社会的发展，人们对生态环境越来越重视，对环境的数据采集也是越来越多。无线传感器网络的应用给环境数据的采集工作带来了很大的便利，避免了很多以传统方式采集数据所带来的弊端（传统的采集方式会给环境造成侵入式破坏）。运用无线传感器网络可以对候鸟和昆虫的迁徙进行跟踪，也可以实时监测环境的变化对农作物的影响，还可以对海洋和土壤以及大气的成分进行研究。英特尔研究室就利用无线传感器网络对缅因州“大鸭岛”的气候进行监测，以此作为对一种海燕巢评价的因素。

另外，它还可以应用在精细农业当中，用于监测作物中的害虫以及土壤的酸碱度、施肥状况等[4]。

无线传感器网络在医疗护理上也得到了应用，比如罗彻斯特大学的科学家就利用无线传感器网络技术建造了一个比较先进的智能化医疗房间，他们通过微尘对居住者的一些身体情况进行测量（包括脉搏、血压、呼吸等），连睡觉的姿势以及24小时的活动状态也可以进行监测。而英特尔也在WSN的基础上推出了家庭护理技术，它主要通过给家中的一些基本物品（如鞋子等）和设备嵌入微处理装置，通过无线传感器网络技术来帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士，改善他们的家庭生活。

在军事领域，由于无线传感器网络有着自组织以及密集型的特点，即使在恶劣的战场环境中也能够进行作业。像监控兵力、侦察敌情、物资装备以及对生物化学攻击进行正确的判断等都可以应用。目前，“沙地直线”和“智能尘埃”这两个重要的研究项目也已经展开。

无线传感器网络在一些较为危险的工作环境中也能够进行作业，比如矿井以及核电站等高危环境，可以通过无线传感器网络来进行安全监测；在交通方面也可应用在车辆上作为监控的工具；同时在一些工业自动化生产线上也得到了应用。

4.当下的无线传感器网络研究

网络技术的发展使人们的交往方式产生了很大的变化，无线传感器网络是我国计算机研究方面的一个新领域。相较外国而言，我国在这方面的系统研究较晚，在近些年才取得了一定的成绩。

2001年我国科学院依托上海微系统成立的微系统研究与发展中心，其主要目的就是为了使WSN得到进一步的发展。在2002年，一些重要的大学如清华大学、哈尔滨工业大学等，都在时间同步、定位以及在传感器的数据管理系统方面正式展开了研究工作，在2004-2006年的几年时间里，把无线传感器网络作为一个重点研究项目。当下的一些企业对无线传感器网络也越来越重视，比如宁波中科等已经对无线传感器网络技术进行了研究[5]。

5.结语

当今科技发展迅猛，高新技术的应用能够给我们的生活带来很大的便利，无线传感器网络在无基础架构的分布式多跳无线通信系统这方面者有着重要的优势，在灵活性上得到了充分的体现，在我国的网络技术不断的发展的前提下，无线传感器网络发展定能取得更好的成绩。

参考文献

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[3]章彬彬，王亚刚，李烨.无线传感器网络节点定位技术[J].信息技术.2014（01）：35-36.

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[5] Kumar S，Shepherd D.SensIT：Sensor Information Technology for the Warfight-er [C].In Proceedings ofthe 4th International Conference on Information Fusion 2001.

[6] Paul J.Smart Sensor Web：Web-based Exploitation of Sensor Fusion for Visual-ization of the TacticalBattlefield [C].In Proceedings of the Third International Conference on Information Fusion，2000：16-23.

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关键词 无线传感器；传感功能；网络安全技术；分析；策略

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

无线传感器网络安全技术被广泛的应用在各个领域，因此，研究无线传感器网络安全技术具有重要的意义。

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关键词：无线传感器 定位 时间同步 数据融合

1. 引言

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式所形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中得感知对象信息，并发送给观察者。无线传感器网络具有低成本、容错性好、快速部署、无需固定网络支持、可长期执行监测任务等特点，在环境监测、医疗卫生、军事、灾难拯救以及商业等方面具有广泛的应用前景。[1]

2. 无线传感器网络关键技术

2.1定位

确定传感器节点自身位置以及事件发生的位置是无线传感器网络的基本功能之一，定位技术对无线传感器网络的各种应用都有着重要的作用，是一项值得研究的关键技术。文献[1]针对户外消极追踪问题。提出了一种利用光传感器和光源对WSN中的移动目标进行追踪的方法。文中设计了光追踪协议来计算目标移动的方式[1]。文献[2]从无线摄像传感器网络中目标定位的角度，分析覆盖问题，提出一种方向定位传感模式，在此基础上应用贝叶斯估计理论，提出了方向定位的覆盖概念（L覆盖），根据摄像传感器分布密度和L覆盖率关系，得到对期望的L覆盖率的密度要求[2]。

2.2时间同步

在无线传感器网络应用中，传感器节点通常需要协调操作共同完成传感任务，时间同步技术显得尤为重要。传统的网络时间同步的方法，成本较高且能耗较大，在恶劣的环境下同步精度还会受到很大影响，因此，研究适合于传感器网络的精确节能的时钟同步算法也是目前国内外研究的一个热点方向。

2.3覆盖

在传感器网络资源受限的情况下，通过节点部署策略以及路由选择等手段，可以使无线传感器网络的各种资源得到优化分配，因此，覆盖也是目前研究的热点方向。文献[3]提出了一种基于新颖的蚁群优化算法解决能量有效覆盖问题的方法，[3]该算法使用三种类型的信息索来解决能量有效覆盖问题，而传统的蚁群优化算法只使用一种类型的信息索，进一步，文中提出了两种具体解决办法：1、可能传感器侦测模式；2、在连续空间中使用不同类型的传感器。实验表明，该算法能很好地延长整个网络生命周期。

2.4网络安全

由于无线传感器网络受能耗、数据处理和通信能力的限制，使得无线传感器网络受到的安全威胁，现有的网络安全机制不适合于无线传感器网络，需要开发针对该领域的专门协议。文献[4]针对双层传感器网络中存储节点被攻击问题，[4]该文提出了一种防止被攻击的协议SafeQ，使节点在采集数据，和存储节点向sink节点传输数据更为安全。

2.5数据融合

邻近节点报告的信息存在很大的相似性和冗余性，各个节点单独传送数据会浪费通信带宽，缩短网络生存时间，加速节点的能量消耗。而数据融合技术有助于提高数据的准确性和数据的收集效率。因此，数据融合技术成为无线传感器网络的一项关键技术。文献[5]针对于无线传感器网络中对环境的监测，提出了一种面向时间相关性的复杂框架，[5]该框架可以对数据压缩的损失进行优化，进而提出了在噪声环境下动态减少能量损失的数据聚集协议。文献[6]针对无线多媒体传感器网络数据压缩所产生的数据冗余问题，[6]该文提出了一种信息数据压缩框架，将采集到的视觉信息最大化的完整压缩。并在此基础上，结合优先进化遗传机制，提出DMCP协议，减少压缩过程的数据冗余。

2.6网络协议

路由协议不仅关系到单个节点的能耗，而且直接影响到网络的生命周期，所以，网络协议也成为无线传感器网络的一项研究热点。文献[7]提出了一种任播路由算法保证数据包准确传到水面SEA传感器。[7]通过任播路由协议，将水下不同深度的水压传给SEA，再由SEA传给检测中心。该协议采用新颖的机会路由机制，选择最大贪婪进程的子集，限制信道干扰。

2.7网络拓扑控制

对于无线传感器网络而言，良好的拓扑结构有利于节省节点的能量来延长网络的生存期，提高路由协议和MAC协议的效率，所以拓扑控制也是无线传感器网络的核心技术之一。

3. 无线传感器网络所面临的挑战

传感器网络是由众多节点组成的、采用无线通信方式、动态组网的多跳移动性对等网络。与传统网络相比，传感器网络的发展受到了如下几方面限制与挑战：

（1）电源能量有限

传感器网络的首要设计目标就是能源利用问题，如何高效使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络所面临的首要挑战，也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。

（2）通信能力有限

在通信环境和节点有限通信能力的情况下，如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信需求是传感器网络面临的又一挑战。

（3）计算和存储能力有限

传感器节点需要完成检测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应该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一个无法回避的问题。

4.结束语

无线传感器网络作为新兴前沿热点研究领域，在众多应用领域具有重要的科研价值和巨大实用价值，本文对无线传感器网络的关键技术及所面临的挑战进行了归纳分析，并对其今后研究起到积极引导作用。

参考文献：

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[3]Joon-Woo Lee.Energy-Ef?cient Coverage of Wireless Sensor Networks Using Ant Colony Optimization With Three Types of Pheromones.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL INFORMATICS.AUGUST 2011：102-106.

[4]孙大洋，刘衍珩，王爱民.“一种基于能耗度量的融合树构建算法”.计算机研究与发展.2008年，第45卷，第一期：104-109。

[5]于海斌，曾鹏，梁晔.智能无线传感器网络系统[M].北京：科学出版社，2006：8-11.

[6]马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述[J].通信学报，2004，25（4）：

114-124.

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关键词：无线传感器网络；网络应用；网络管理

中图分类号：U28 文献标识码：A

现在广泛应用的传感器是由许多体积小、价格低廉、用电池供电的具有无线通信功能和检测能力的传感器节点组合而成的。无线传感器网络涉及了传感技术、嵌入式计算技术以及无线通信技术等多个领域的内容，成为了当前国际上关注度较高的、多学科交叉的研究热点。无线传感器网络可以通过各个微型传感器之间的相互协作，完成实时的监测和采集信息的任务，然后将汇总的信息以无线的方式发送出去，通过网络到达系统的终端用户处，从而在物理领域、计算机领域和人类社会三者之间建立联系。

无线传感器网络目前已经得到了广泛的应用。无论是在军事国防、工农业领域，还是在生物医疗、环境监测、抢险救灾领域，无线传感器网络都收到了良好的效果。现在国内外的学术界和工业界的很多人都把目光聚集在了无线传感器网络技术的进一步开发和利用上，无线传感器网络已经产生了巨大的使用价值，它被认为是将对21世纪产生重大影响的科技之一。

1 无线传感器网络的技术特点

1.1 无线传感器网络所使用的传感器耗能少、体积小、价格低、集成度高。无线传感器网络技术并不是简单的将原有的传感器通过无线网络连接在一起。微机电系统技术和低耗能电子技术的不断发展，成就了新型的传感器节点。这些新型节点耗能少、体积小、价格低，并且具有微型的传感器、执行器和处理器等多种功能部件。和以前的传统传感器相比，无线传感器网络节点的优势更加明显，具有能少、体积小、价格低、集成度高等传统传感器无法比拟的特点。

1.2 无线传感器网络的节点分布更为密集。无线传感器网络的一个重要特点就是在需要进行监测的范围内密集的放置数量较多的相同或是不同类型的传感器节点。通过这种密集的节点布置，可以将获取区域更详细的信息或是对统一对象获取多个角度的信息，然后将获取的大量信息进行处理，从而提高监测的精准程度，降低对单一传感器节点的精度要求。通过在监测区域设置了密集的节点，其中一部分节点并不必要，这些冗余的节点会产生一定的容错能力，从而降低了对某一个单一节点稳定性的要求。除此之外，密布的节点还可以让各个节点得到合理的休息和调整，从而延长整个无线传感器网络的使用寿命。

1.3 无线传感器网络采用的是自组织网络环境。无线传感器网络的自组织性质是由自身的特点所决定的。第一，无线传感器网络使用过程中往往没有固定的网络提供支持；第二，无线传感器网络的传感器较多，布置地点随机进行选择，其具体的相对位置关系无法提前确定；第三，传感器受外界环境或是自身因素影响，可能会出现失效情况，亦或是出于增加精度和弥补失效节点的目的，在监测中途增加补充一些新的节点，无线传感器网络处于一个动态的变化之中。由于以上所述的三点原因，无线传感器网络需要节点之间自动进行管理和调节，从而适应不断变化的各种环境，保证无线传感器网络整体工作的连续性与高效性。

2 无线传感器网络的发展历史

传感器网络已经经历了四代的发展。第一代的传感器网络诞生在上世纪70年代，使用的传感器具有简单的信号获取能力，通过点到点的传输方式，与控制器连接在一起，形成传感器网络；第二代的传感器网络功能得到了较大提升，可以获取多种不同的信息信号，通过串联或是并联接口与相应的控制器连接，从而构成一个能够接受多种综合信息的传感器网络系统；当传感器网络发展到第三代时，传感器不但可以收集各种不同的信息信号，还采用了现场总线连接的方式与控制器连接，形成了具有一定智能化的传感器网络。无线传感器网络目前还处于研发、探索阶段，它将是传感器网络的第四代产品。无线传感器网络应用的传感器数量大、功能多，并且能够获取多种信号，采用无线自组织接入网络，与传感器网络控制器连接。

无线传感器网络是一个整个兴起的传感器网络，正逐步受到各方面的关注。目前，美国的许多规模较大的IT公司开始通过与高等学校合作的方式，加大对无线传感器网络技术的研究工作。美国的许多著名高校也启动了相应的计划，在无线传感器网络方面开展深入的研究。我国对无线传感器网络的研究工作也在发展之中，从本世纪初，国家自然科学基金委员会就已经批准了大量有无线传感器网络有关的课题，国家发改委也出台了计划，对无线传感器网络的相关课题进行了专门部署。

3 无线传感器网络的研究与应用现状

目前无线传感器网络的研究主要是在通信、节能和网络控制三个领域，且都取得了一定的进展，为无线传感器网投入实际生产奠定了良好的理论基础。无线传感器网络具有成本低、耗能少的有点，这样就可以在一个很大的范围能进行分散布置，即便不利于是在不利于人类活动的地方，利用无线传感器网络技术都可以取得良好的工作效果，应用领域十分广泛。就目前我国的研究应用情况来看，无线传感器网络可以应用于军事、环境监测、医疗健康、空间探测、工业生产等领域。

4 无线传感器网络研究的热点和方向

4.1 通信协议。通信协议可分为三个研究方向：物理层通信协议、数据链路层协议、网络层协议和信息层协议。其中物理层主要研究传感器网络的传输媒体、频段选择、调制方式等，数据链主要研究网络拓扑、信道接入方式、混合结构和Mesb等多种结构。网络层协议主演研究路由协议，传输层协议的研究视为网络提供可靠的数据和恢复功能。

4.2 网络管理。网路管理主要分为两种：能量管理和安全管理。能量管理是为了减少节点的耗能，在不降低工作性能的基础上，对网络进行优化，平衡网络的能量消耗；安全管理主要关注的是无线传感器网络的安全问题，包括认证、防干扰信息等。

4.3 硬件资源。无线传感器网络的硬件发展方式向市微型化、低成本和新型能源。无线传感器网络微型化主要是要将使用节点的体积减小；降低成本则需要在不影响性能的基础上减少硬件花费；通过太阳能等新能源的开发利用，可以解决无线传感器网络发展中遇到的能源问题。

参考文献

[1]袁勇.无线传感器网络节能传输技术研究[J].软件学报.

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关键词：无线传感器网络；网络安全；认证机制

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)12-2791-02

Research on Security Authentication in Wireless Sensor Network

MA Hai-song, LIU Yi-jun, ZHU Yu-hai

(College of Computer, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Abstract: With the wireless sensor networks in infiltrating in each field of our life, the security mechanism has already become one of the main reasons of restricting its development. As authentication is an important part in the security mechanism, it is significant to study the authentication mechanism of wireless sensor networks. The article gives the brief introduction to the authentication mechanism in the wireless sensor, and proposed a safer and flexible authentication design proposal, which is suitable to the not safest application occasion.

Key words: wireless sensor networks; network security; authentication

无线传感器网络是一种轻量散投网络系统。所谓轻量散投的网络，是指网络设备计算能力及存储空间低，网络部署前拓扑结构不可预知，网络部署后拓扑结构相对稳定，无需人工干预也无需人工监管的网络[1]。它综合了传感器技术，网络技术，无线电通信技术，嵌入式计算机技术等等多项技术。在实际应用中能满足人们在比较特殊的环境条件下获取大量详实可靠信息的需求。

对于一个网络而言，安全性是其可用性的前提。随着无线传感器网络在生活各个领域的渗透，安全机制已经成为制约其发展的主要原因之一。认证是安全机制中的重要部分，研究无线传感器的认证机制具有重要的意义。文章对无线传感器的认证机制进行了简略的介绍，并提出了一种适用于安全要求不是很高的应用场合，并且安全性较好，也比较灵活的认证设计方案。

1 无线传感器网络的认证机制

所谓认证，是指通过某种安全机制，验证网络中一个节点，是否属于该网络的合法节点或者其传输过程中的数据是否被中间节点所改变[2]。其中，前者就是所谓的实体认证，后者就是所谓的信息认证。下面简单地介绍下实体认证与信息认证：

实体认证机制，是指为了让具有合法身份的用户加入到网络并且有效地阻止非法用户的加入，确保住网络的外部安全，目前的实体认证协议主要有基于低指数级RSA的TinyPK实体认证方案，基于ECC算法的强用户认证协议方案，以及基于秘密共享的无线传感器网络实体认证协议方案。TinyPK实体认证方案采用的是分级的思想来执行认证不同的操作部分，即用私钥签名和解密的所需要的能量消耗较大的操作由能源较为充足的外部节点进行，用公钥验证签名和加密所需要的能量消耗较少的操作则由传感器节点进行，较方便地实现了无线传感器网络的实体认证。基于ECC算法的强用户认证协议方案对TinyPK方案作了以下两点改进。第一点是公钥算法采用ECC代替RSA。第二点是认证方式采用n认证代替传统的单一认证。而基于秘密共享的无线传感器网络实体认证协议方案，则是采用秘密共享和组群同意的方式，在其认证过程中没有采用任何高消耗的加解密方案，容错性好，认证强度和计算效率高。

信息认证机制，是指为了防止恶意节点注入非法信息，伪造和篡改数据，在网络中必须采用信息认证机制，确认信息是从合法节点发出的，并保证数据完整性[3]。目前信息认证机制协议主要有基于广播数据源认证机制的uTESLA协议，基于广播数据源认证机制的多级uTESLA协议及多跳通信下的信息认证协议。uTESLA协议的主要思想是先广播一个通过MAC密钥认证的数据包，然后再公布MAC密钥。这样就保证了MAC密钥 公布之前，没有人能够得到认证密钥的任何信息，也就没有办法在广播包正确认证之前伪造出正确的广播数据包。多级uTESLA协议采用预定和广播初始化参数的方法来替代了在uTESLA协议中用单播方式初始化安全参数的过程并且该协议采用一种多级密钥链的模型，摒弃了uTESLA使用超长密钥链任务，提高了网络对包丢失的容忍度和抗击DOS攻击的能力。而无线传感器网络多跳通信下的信息认证协议则结合了多路径认证和逐跳认证的优点，信息在经过这样传送后，实现了双重认证，较高强度的信息认证。

总的来说，关于无线传感器认证机制这方面的研究在各方面还不是很成熟，在实体认证方面，简易操作步骤，高效公钥算法，高强度认证框架是研究热点；在信息认证方面，两个不相邻节点间的密钥对生成，多点数据源广播认证，低能耗的多跳认证路径是研究难点，因此可以从以上方面作为切入点，设计出一个低能耗，高效，高强度的适合无线传感器网络的安全认证方案。

2 一种新的无线传感器网络分层认证机制方案设计

该安全认证方案是以网络中的节点在网络中所扮演的角色的重要性为依据，对网络中的重要节点采用较强的认证方式而对普通节点采用相对较弱的认证方式而设计的安全认证方案。由于其是根据网络中节点的重要性的不同分别采取不同强度的认证方式，从而使整个网络在安全强度和认证所需要的资源消耗上达到一种较好的平衡。

该安全认证方案模型可以分为三层：上层仅由一个基站组成，其拥有强大的计算通信能力，电源支持以及巨大的存储容量，主要负责向各个网关节点发送查询消息以及向终端用户提供查询到的结果。中间层是由若干网关节点组成，网关节点具有远远高于普通节点的计算通信能力，相对充足的电源和较大的存储容量，每个网关节点覆盖一片包含大量传感器节点的区域，主要负责把基站发送的查询信息广播给区域内所有的传感器节点并把区域内的簇头节点发送的查询结果经过处理后返回给基站。底层是由大量的普通传感器节点构成，这些普通节点按照某种分簇协议产生簇头节点。

该分层模型的认证机制包括两类认证规程：即包括基站对网关节点的认证和网关节点对普通节点的认证的层间认证和包括关节点间认证和普通节点间认证的层内认证。具体如下：基站对网关节点的认证，即在认为基站是绝对安全的前提下，在网络初化阶段，基站首先需要对网络中的各个网关节点进行身份认证。基站向所有网关节点广播初始化消息，普通节点收到此类消息后对消息不做处理而直接进行转发，网关节点收到该广播消息在检验无误后使用预置的共享密钥对消息进行解密初始化自己，在完成对自身的初始化之后，各个网关节点分别将自己初始的相关消息发送给基站，基站使用与网关节点共享的密钥对消息进行解密就可以知道该节点存在于当前网络中以及其初始的相关信息。基站初始化与之相关的记录，并将自己选取的与网关节点进行通信的参数回复给网关节点。网关节点按照基站的安全参数进行安全初始化。网关节点再次确认双方进行会话所需的安全参数，从而完成网关节点初始化阶段在基站的注册过程。所有网关节点进行同样的操作，整个过程完成之后，基站就可以知道当前网络中都有哪些网关节点以及相应的分布情况；网关节点之间的认证，即在初始化阶段，网关节点通过自身使用的路由协议可以发现并记录与自己相邻的网关节点。在基站完成对网络中的所有网关节点进行认证之后，网络中所有合法的网关节点的信息都存储在基站中。每当有X个网关节点通过基站的身份认证，基站即向所有网关节点广播一条认证成功的消息，网关节点对消息进行解密后，通过对比就可以知道哪些邻居节点是已经通过基站认证的合法节点。这样，在基站完成对网络中的所有网关节点进行认证之后，各个网关节点就可以完成对其所有的邻居节点的身份认证。网关节点与域内普通节点之间的认证即对网络进行分化，通过在网络中引入一部分网关节点，利用这些网关节点来对网络进行区域划分[4]，从而实现对网络整体覆盖范围和每个网关节点覆盖区域中的普通节点的数量进行控制。采用预定和广播初始参数的方法，在普通节点中预置域内的密钥链使用约定和相关参数，由网关节点使用广播消息对普通节点进行初始化操作。整个认证过程仍然分为三个阶段，即网关节点的安全初始化，网关节点广播初始化参数以便普通节点加入网络安全体系和节点对广播数据包进行认证。普通节点之间的认证，即普通节点通常情况下只与其附近的若干个节点进行直接的通信，对于这种点对点的通信，我们通过网关节点为需要进行安全通信的两个节点建立会话密钥来保证它们之间的通信。通信普通节点需要发送广播的情况比较少，通常的实现方法是节点先将需要广播的信息发送给它所在的网关节点，然后由网关节点向全域进行广播。

3 总结与展望

无线传感器网络中用户认证技术的研究成果目前还不是很多，而且多数集中在国外，以上用户认证方案采用不同的思想和技术，虽然存在较多的不足，但为设计完善的用户认证方案提供了参考。在接下来的工作中，可以继续研究如何将安全强度更高，使用起来更方便的公钥认证机制引入到无线传感器网络中；并结合无线传感器的密钥分发与管理技术，安全路由技术以及入侵监测技术等，从整体上来构筑一种更安全，更高效的适合于无线传感器网络的安全机制。

参考文献：

[1] 周贤伟,覃伯平,徐福华,等.无线传感器网络与安全[M].北京:国防工业出版社,2007.

[2] William Stallings.密码编码学与网络安全[M].北京:电子工业出版社,2004.

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关键词：无线传感器；网络跨层设计；优化

前言

目前，无线传感器网络还主要应用在军事和医疗等领域，当然，无线传感器网络有许多其他的用途。然而，无线传感器网络也存在着一些问题急需要解决，其主要包括成本高、功能性不强和网络生命周期短等问题，要想实现复杂的无线传感器网络是非常困难的。因此，要解决无线传感器网络在使用存在的不足，研究无线传感器网络跨层优化和控制显得十分重要，也是目前迫在眉睫、亟待解决的关键性问题。

1 无线传感器网络跨层设计背景

1.1 分层设计方法

当前，我们所使用的通信系统主要是基于开放的标准分层模型，因而，将无线网络的协议分为物理层、链路层、网络层、传输层和应用层五个层次。分层结构模型的特点主要是每层能够独立地进行设计和操作，通信只在相邻位置的层间进行，并会受到一组服务的限制。分层结构还具有非最优性和非灵活性的特点。非最优性，顾名思义是指各层之间的信息布恩互享，分层结构的分层接口对于个体网络约束和应用是静态的并且是独立的。而非灵活是指每一个新使用的开发者一定要单独作用在低层。尽管现在应该采取了许多新技术有效地改善了无线网的网络性能，但是，无线网络的物理层仍然无法向上层协议提供稳定的宽带，无线网络的这一缺点一直没有得到很好的解决，因此，上层协议层必然地要受到物理层的影响，为了改善无线网络的性能，就一定要求上层协议能与物理层进行信息交互，以能够满足物理层的特性变化为目的。所以，无线网络跨层设计的想法就产生了。

1.2 跨层设计方法

无线网络跨层设计是基于特定的分层结构而言的，主要是针对不符合分层通信结构的协议而设计。跨层设计的主要目标是联合不同区域的资源来进行网络的构建，使得每层的信息可以互享，从而提高网络的使用效率和稳定性。对于大多数网络来说，设计的主要目的是为了传输信息。然而，无线传感器网络由于其拥有获取多种信息信号的综合能力，并且能够通过其与传感控制器的联接，组成的传感器网络具有信息的综合和处理的能力。当然，无线传感器网络也有着其自身的限制，尤其是很多的应用都对网络的设计提出了全新的挑战。自适应是指协议层对网络的条件进行观察并做出相应的反应的一种机制。自适应不仅包括了协议层的上层对下层变化的自适应，也包括了下层对上层的变化的自适应。在整体上，通信系统则要充分的考虑协议层各层之间的相互影响，促进最优性能的实现和保证网络系统性能的稳定性。

2 无线传感器网络跨层设计的主要技术

2.1 基于能效管理的跨层设计技术

基于能效管理的跨层无线传感器网络设计是指针对传感器的节能和抗干扰性等性能的具体要求进行设计的，结合对节能和抗干扰性等关键指标的具体要求，借助现代网络和信息处理等领域的一种先进技术。现在已经有了一些基于能效管理的无线传感器网络优化设计的阶段性研究成果。这些成果的核心是利用MAC层与网络层之间跨层信息的互享进而使整个网络系统的性能得到改善。因此，进一步研究基于能效的跨层无线传感器网络的设计具有很大的前景和研究必要。

2.2 基于最优的跨层设计技术

基于最优的跨层设计技术是指利用最优所能提供不同协议层之间的信息交换，进而达到改善无线传感器网络的性能的目的。现在已经研究出的一种基于最优的跨层设计技术的协议体现构架，并且通过最优很好地改善了网络系统的性能。通过自上而下的应用要求，最优能将信息反馈给底层网络。用户可以利用最优可以与网络的协议层进行信息共享和交换。

2.3 基于质量服务保障的跨层设计技术

服务质量（QOS）是指网络提供更高优先服务的一种能力，包括专用带宽、抖动控制和延迟、丢包率的改进和不同WAN、LAN 和 MAN 技术下的指定网络流量等，同时，确保为每种流量提供的优先权不会阻碍其它流量的进程。基于质量服务保障的跨层设计技术的核心很显然就是要保证网络的稳定性和应用性能，以达到为用户提供较高质量的网络服务的目的。无线传感器的节点是通过汇聚节点和基站将采集的信号远程的用户，或者是将远程的信号传送到控制感应器。必须保证在传输信息的过程中保证每个用户的网络需求。

3 当前跨层设计技术面临的挑战

无线传感器网络跨层设计是一种新型的无线网络设计技术，其具有很多限制和应用一些相关的问题，现在面临的最大挑战是对于在何种情况下采用跨层设计技术，以及怎样实现跨层设计。主要的挑战包括以下几个方面，第一，全网络的设计和优化是一项非常复杂的工作。尤其是在实现实时动态优化的过程中，面临的优化问题更加的复杂。因此，一种更高效的网络层间的信息调度对于网络跨层设计就显得相当的重要。第二，在优化的过程中，使用的衡量标准又是其一个无法避免的关键性问题。尤其是在业务多元化和需求多元化的情况下，衡量标准的定义具有非常重大的意义。第三，动态网络的实现比较的困难，主要是由谁来控制跨层功能这个过程的关键问题还没有得到很好的解决。因此，当前无线网络跨层设计技术面临着各种的挑战，尤其是在实现更加高端的动态网络的过程中面临的挑战更加的大。当然，随着网络技术的不断发展，无线传感器网络跨层所面临的问题将会被相关技术人员一一的解决，并且可以预测无线传感网络跨层在我国将会拥有很好的使用前景。

4 结束语

近年来，针对上述问题我们提出了多种跨层设计方案。并根据不同的优化目的将其主要分为以下四类，第一，减少功能消耗。即在无线传感器网络中如何利用跨层设计的优点来提高网络功效的可能性和必要性。第二，提高系统吐纳量。即主要是为了解决无线传感器网络的规模问题。第三，实现质量服务要求。即满足不同用户不同的网络需求。第四，获得较高的资源利用率。即通过各层之间信息的互享来提高系统的性能。总而言之，随着无线传感器网络应用的进一步普及，以及当前对无线传感器网络应用特点的深入研究，跨层设计技术还会包含其他领域的新型技术，从而出现的更加复杂和形式多样的特点跟需要我们做进一步的研究。由于本人的知识水平有限，因此，本文如有不到之处，还望不吝赐教。

参考文献

[1]虞莉莉，赵跃华.无线传感器网络跨层优化研究[J].通信技术，2012，12（48）：178-180.

[2]陈立伟，罗云.实时无线传感器网络的跨层优化设计[J].计算机工程与设计，2013（26）：2630-2633.

[3]王鹤.基于网络效用与寿命的无线传感器网络跨层优化[J].电子世界，2012（28）：150-151.

[4]孙鹏.无线传感器网络跨层优化技术研究与应用[J].太原理工大学，2012-05-01.

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关键词：无线传感器网络；远程监控；温度测量；路由协议

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012) 04-0767-04

Wireless Sensor Network System’s Design

GAO Song, TANG Yao-geng, LI Lan-jun

(Electrical Inst, University of South China, Hengyang 421001, China)

Abstract: The system is built using a variety of wireless sensor network protocols and supporting technologies, through data collection net? work scenarios for analysis, design of a typical multi-level network model. Model is divided into three levels: by the PC, and composition of the control center monitoring software; by the central control node for main network and the routing nodes, relay nodes, sensor nodes of the underlying sensor subnet; coordination of the various parts of the completion of the temperature and humidity data acquisition and monitoring tasks.

Key words: wireless sensor networks(WSN); temperature measurement; remote supervisory and control; routing protocol

系统包括无线传感器网络节点硬件设计、无线传感器网络的管理和监控软件设计三部分。节点硬件电路设计主要包括数字温度传感器模块、无线通信模块、MCU模块和串口通信模块。无线传感器网络的管理包括路由协议、数据通信协议和加密算法，从而实现自适应选择路由路径，对通信数据进行严格校验，对无线传输数据进行加密。无线传感器网络的路由路径可以是多跳的，还可以根据环境变化对网络拓扑结构进行更改。无线温度采集系统监控软件的主要任务是对采集的数据进行集中分析、处理后进行实时显示和后台存储【1-3】。

1系统设计

图1给出了监测系统结构，该系统拓扑上包括三层:上层是用户监测层，即监控中心，由PC算机和无线温度采集监控软件组成;中间层由中心控制节点构成，负责路由选择、收发指令和数据，中心控制节点布置在PC机附近，通过RS232总线与PC机通信，接受PC机的查询指令，在用无线的方式发送给传感器网络;最底层为传感器网络，它包含1个路由节点、1个中继节点以及若干个无线传感器节点(路由节点和中继节点的数量根据需要设置)，这些节点布置在工业现场各个测量点，包括处理器模块、温度传感器模块、无线通信模块等功能模块，温度传感器模块负责采集现场温度数据，采集到的数据根据中心控制节点发出的路由路径指令进行数据的远距离传输，将其传送送到位于监控中心的PC机进行处理【4-6】

2无线传感器网络节点电路

无线传感器网络由大量传感器节点组成，它们是无线传感器网络的基本单元，这些节点体积小，具有传感、数据处理和无线通信功能。只有这些节点稳定运行，才能保证整个网络的可靠性。

无线传感器网络中有4种传感器节点，即：它们是底层无线传感器节点、中继节点、中心控制节点和路由节点。这4种传感器网络节点一般采用通用的硬件结构，包括处理器模块、串行通信模块(布置于中心控制节点)、无线收发模块、传感器模块、电源模块和显示模块等，上述各模块通过不同的通信协议组态来定义各节点的功能。无线传感器网络节点的组成如图2所示。

在图2中，处理器模块负责系统管理，进行任务分配和数据处理;各节点之间的数据交换则主要有无线通信模块承担；传感器模块实时采集环境温度数据，按照要求的格式对采集的数据进行转换；系统的数据由存储器模块进行保存，以备查询，并确保断电后数据不会丢失（只有中心控制节点才配置）；串口通信模块承担PC机与中心控制节点之间的通信（也只布置在中心控制节点）；辅助显示模块可实时显示该节点的工作状态、各节点传感器的监测数据；节点各个功能单元同一由电源模块提供能量[5]。

2.1控制器

系统采用NXP公司生产的LPC2103微控制器为主控芯片，LPC2103是一个基于支持实时仿真的16/32位ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，片内具有32kB容量的高速Flash存储器，宽达128位的存储器接口加上独有的加速结构，使之使可以最大时钟频率运行32位代码。LPC2103封装尺寸小，自身功耗极低，这使LPC2103非常适用于各种小型应用系统中。芯片还内置了多个串行通信接口，包括UART、SPI、SSP和2个I2C总线等组成了混合串行通信接口，在片内8kB的SRAM支持下, LPC2103十分适用于实现通信网关、协议转换器、数学协处理器以及工业控制和医疗系统中[7]。

2.2无线通信模块

该模块用来实现节点间的无线通信，一般采用专用的无线数传模块。但是无线数传模块数据传输距离有限，只有l00m左右。如果将其布置在办公楼内，有可能由于环境的复杂和的墙体等因素的影响，会导致信号衰减较多，即使采用多跳的技术，可能也难以实现远距离的有效通信；，另一方面无线数传模块的数据安全也是一个要考虑的问题，综合考虑上述因素，本系统无线收发模块核心芯片采用nRF905单片射频收发器，该芯片可进行高速率的数据传输，通过SPI接口对芯片进行编程，使得配置简单方便，具有两种节能模式，易于实现低功耗设计[8]。

2.3温度传感器模块

跟模拟温度传感器相比，数字式温度传感器采取高集成度设计，具有可靠性高、抗干扰能力强，器件体积小等诸多优点，已广为温度测控系统所采用。考虑到系统测温节点较多，系统采用DALLAS公司生产的DS18BZO单总线数字式温度传感器，它结构简单、不需外接元件，采用独特的单线接口，只用一个引脚实现通信，即可供电又可传输数据，简化了温度传感器的电路设计，提高了系统的可靠性[9]。

2.4存储模块

系统中存储芯片采用Atmel公司生产的AT24C08存储芯片，AT24C08是串行CMOS EEPROM，容量8K。芯片采用了先进的CMOS技术，功耗低。AT24C08还有一个16字节的页写缓冲器，可通过I2C总线接口对芯片进行访问，可以很方便的进行在线读写，占用系统资源少，具有数据写保护功能，数据保存时间长，广泛应用办公自动化及通信类产品中。

2.5串口通信模块电路

LPC2103虽然具有两个串口，但其位TIA/EIA－232－F电平，与PC机进行通信时须进行电平转换，这样功能采用通信芯片MAX232来实现。系统使用LPC2103的串口0，通过芯片MAX232完成TIA/EIA－232－F电平与5－V TTL/CMOS电平的相互转换，实现串口通信功能。

2.6节点显示电路

采用共阳四位一体数码管显示，运用三极管驱动数码管发光，为方便电路的模块化设计以及增强系统的可扩展和可移植性，该设计将数码管及相关驱动电路做成PACK板的形式，接口为标准的100mil间距，并将相应管脚有规律的引出（段选信号管脚为一排，管脚排列顺序按照A、B、C、D、E、F、G、H排列；位选信号管脚另作一排，管脚排列顺序按照L1、L2、L3、L4排列），控制板只需要提供相应的电源以及接口即可。

3网络管理及软件设计

所设计的温度测量无线传感器网络，其网络服务程序也按中心控制节点、路由节点、底层传感器节点这3种层次组成。对不同节点的工作流程分别介绍如下：

中心控制节点的工作流程图如图3所示。

路由节点、中继节点和底层传感器节点的工作流程如图4所示。

4路由协议

4.1主网节点路由协议

中心控制节点在执行路由协议过程中负责选择路由路径和接收温度数据。它将带有目标节点地址和传输路径的指令以泛洪的方式发送给所有子网节点，能接收到指令的子网节点通过判断目标节点地址和自身的权限来选择是否执行这条指令。中心控制节点路由选择流程如图5所示。

4.2子网节点路由协议

子网节点采用统一的的路由协议，节点首先判断自己是属于路由节点、中继节点还是底层传感器节点，这事通过对自身的物理地址的判断来实现的。协议中其中几个主要参数的含义如下：

ReadA1：硬件地址的前8位，用于标识节点的位置；

ReadA2：硬件地址后八位，用来区分本节点的类型作为路由节点、中继节点还是底层传感器节点的权限；

adrs1无线接收到的目标节点地址；

adrs2无线接收到的路径选择方案，其中Wiselesssend1、Wisselesssend2……Wiselesssend7代表不同的无线发送子程序，这些子程序由不同的传输路径执行。

5结束语

所讨论的无线传感器温度监测网络，采用3层拓扑结构，底层的温度传感器采集环境温度，将数据发送给路由节点或中继节点，再由路由节点或中继节点把接收到的数据发送到中心控制节点，中心控制节点则通过RS232总线把温度数据传送到上层监控中心的PC机，集中对数据的进行分析处理，实现了对温度的远程测量与监控。

参考文献：

[1]孙利民.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[2] Raghavendra C S,Sivalingam K M,Znati T.Wireless Sensor Network[M].Boston (MA,USA):Kluwer Acadenic Publishers,2004.

[3] Callaway E H.Wireless Sensor Networks:Architectures and Protocols[M].San Diego:CRC Press,2003.

[4]柯玉玲,魏臻.基于嵌入式系统的无线传感器网络节点的设计[J].计算机与现代化,2010(3):74-76

[5]王妹,阎毓杰,胡富平.一种用于无线传感器网络的模块化设计方法[J].电子技术应用,2009(5):39-43.

[6]宋瑞晗.于无线传感器网络的温度监控系统[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2009.

[7]田润澜，王剑平，金福禄.基于LPC2103无线传感器网络试验平台设计[J].微计算机信息,2010,26(8-2)：37-36.

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关键词：无线传感器资源受限故障管理故障检测

无线传感器网络是由大量低成本且具有传感、数据处理和无线通信能力的传感器节点通过自组织方式形成的网络[1]。它独立于基站或移动路由器等基础通信设施，通过特定的分布式协议自组织起来形成网络。它能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，使需要这些信息的用户在任何时间、任何地点和任何环境条件下（尤其是仅适合无线通信条件下）获取大量详实而可靠的信息。因此，这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。

随着无线传感器网络应用范围的进一步扩展，常常被部署在极端环境来收集外部环境的数据。由于传感器节点的电源、存储和计算能力有限，并且应用环境恶劣，使得传感器节点比传统网络的节点更易于失效。在这些情况下维持高质量的服务，并尽可能地降低能源消耗是很有挑战性的，有效的故障管理对于达成这些目标是有极大帮助的。因此，对无线传感器网络故障进行管理是非常重要的。

一、无线传感器网络故障管理

当网络或系统出现故障时，网络故障管理便成为管理员首要用到的工具。因此，故障管理事实上是整个网络管理的重中之重。

但遗憾的是，由于网络故障涉及到不同厂商，不同类型设备，涉及复杂的网络拓扑结构，涉及不同组织对故障类型的不同定位规则。

从用户的角度来说，希望在日常工作和生活中网络运营畅通，信息传输不受任何网络故障干扰。而从网络运行和管理者角度来说，他们希望在网络运营过程中，即使发生故障，也能很快地得到故障发生的原因。这些方方面面的因素使得对无线传感器网络故障管理的研究在近年来发展比较缓慢。下面参照传统网络的故障管理，将无线传感器网络的故障管理分为三个阶段：故障检测、故障诊断和故障恢复[2]来分别说明。

1）故障检测。

为了确定故障的存在，需要收集与网络状态相关的数据。一般来说，网络发生故障后，网络设备将处于不正常的状态。通过获取设备的状态信息，就可以及时发现网络中出现的故障。收集网络状态信息有两种方法：设备向管理系统报告关键的网络事件；由网络管理系统定期地查询网络设备的状态，即主动轮询。

一般情况下，网络管理系统将这两种方法结合起来使用。当对网络组成部件状态进行检测后，不严重的简单故障通常被记录在错误日志中，并不作特别处理。而严重一些的故障则需要通过网络管理器，即所谓的“告警”。

网络设备一般都具有感知异常情况的能力，当设备发现自身或网络中的严重不正常现象时，它采用告警的方式报告给网管中心，因此，故障检测一般由网络中的设备完成。

2）故障诊断。

故障会在网络中传播，论文格式所有感知到故障的网络对象（包括物理对象和逻辑对象）都会发生告警，在一个大型网络中，一个故障可能会引起大量的告警。故障诊断就是对网络设备发出的告警进行相关处理，从一大堆的告警中找到故障发生的真正原因，并找出故障节点。在网络故障诊断中，一个理想的告警应该包含有关故障的五W信息（Who、What、Where、When和why）。由于网络设备对于自身以外的网络情况只了解非常有限的知识，所以网络设备产生的大部分网络告警只回答了who、what和when三个问题，而故障诊断要进行where和why的推理。另外，告警噪声的存在进一步增加了故障诊断的难度，这些告警噪声包含：告警丢失、延迟、重复和虚假告警等。

3）故障恢复。

故障恢复的主要目的是根据识别的故障原因，自动或手动地对网络进行控制操作，恢复网络的正常运行。

二、无线传感器网络故障检测常见方法按照故障检测的执行主体所处位置的不同，可以将无线传感器网络故障检测方法分为集中式方法和分布式方法

2.1集中式方法。

集中式方法[3]是无线传感器网络中较为常见的一种方法，一般来说是物理上或逻辑上处于中心位置的节点，负责对网络进行监控，追踪失败节点或可疑节点。由于中心节点要负责的事务较多，通常都让该节点不受能量的限制，能够执行大范围的故障管理事务。集中式方法的结构如图1所示，主要采用周期轮询的方式来对节点进行管理：中心节点通常采用周期性主动探测的方式一些探测包，来获取节点的状态信息，对获得的信息进行分析，从而确定节点是否失效。

采用集中式网络管理，所有的网络设备都由一个管理者进行管理。当信息流量不大的时候，集中式网络管理简单且有效，在失效节点定位方面具有高效和准确的优点，所以它非常适用十小型的局域网络。在集中式网络管理结构下，管理者作为“客户”要完成复杂的网络管理任务，同时还必须与多个作为“服务器”的交换信息。这种结构存在着较大的缺陷，主要表现为：

1）所有的分析和计算任务都集中在中心节点站，造成网络管理的瓶颈，中心节点负载过重。由于其余节点的信息收集后都是发往中心节点，因此中心节点很可能变成一个专门用于数据传输的节点以满足故障检测和管理的需要。随之而来的问题就是中心节点所在的区域会有大量的流量往来，导致该区域的节点能量消耗急剧增加，越是靠近中心节点的越是这样，如图1中的A，B节点。

2）中心节点站一旦失效，整个网管系统就崩溃了，这样导致整个系统的可靠性偏低。

3）集中式结构导致大量的原始数据在网络上传输，带来了大量额外的通信量，占用大量的通信带宽，并导致网管系统工作效率降低。

4）用于监测网络并收集数据的是预先定义好且功能固定的，一旦要扩展新的功能时十分不便，这样会造成系统的可扩展性较差。

5）远端节点与管理中心之间的距离较远，且传感器网络中采用多跳通信，因此这两者之间的信息交互时延过长。

2.2分布式方法分布式方法支持局部决策的概念，能够平滑地将故障管理分散到网络中去。目标是让节点在与中心节点通信前，能够给出一定层次的决策。在这种思想下，传感器节点能做的决策越多，越少的信息将被传输给中心节点，从而减少通信量。其算法流程如右表1。分布式的方法通常分为以下几种：

1）节点自检测方法。节点自检测的方法依赖于节点自身所包含的功能进行故障检测，并将检测结果发送给管理节点。文献[4]中介绍了一种节点自检测的方法，通过软件和硬件的接口检测物理节点的失效。硬件接口包含了几个灵活的电路用于检测节点的方位和碰撞。软件接口包含了几个软件部件，用于采样传感器节点的读取行为。由于故障的检测由节点本身完成，这种方法的优点是不需要部署额外的软件或硬件节点用于故障检测。

2）邻居协作的方法[5]。顾名思义，邻居协作的基本思想就是：在节点发出故障告警之前，将节点获得的故障信息与邻居（一跳通信范围内）获得的故障信息进行比较，得到确认的情况下才将故障信息发往管理节点。在大多数的情况下，中心节点并不知道网络中的任何失效信息，除非那些已经用节点协作方式确认的故障。这样的设计减少了网络的通信信息，从而保留了节点的能量。

3）基于分簇的方法[6]。基于分簇的方法将整个网络分成不同的簇，从而将故障管理也分散到各自的区域内完成。簇内采用散播的方式来定位失败节点，簇头节点与一跳范围内的邻居以某种规则交换信息。通过分析收集到的信息，根据预先定义的失败检测规则可以最终确定失败节点。接着，如果发现了一个故障节点，该区域所在的节点将会把信息传播给所有的簇。

三、常见方法的比较