無線傳感器網絡簡介

1、無線傳感器網絡簡介 傳感器傳感器網絡實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能。網絡實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能。它與通信技術和計算機技術共同構成信息技術的三大支柱它與通信技術和計算機技術共同構成信息技術的三大支柱。 無線無線傳感器網絡（傳感器網絡（Wireless Sensor Network, WSN）是由）是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區(qū)線網絡，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區(qū)域內被感知對象的信息域內被感知對象的信息，并，并最終把這些信息發(fā)送給網絡

2、的所最終把這些信息發(fā)送給網絡的所有者有者。 無線無線傳感器網絡所具有的眾多類型的傳感器，可探測包傳感器網絡所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象。潛在的應用領域可以歸納為現(xiàn)象。潛在的應用領域可以歸納為: 軍事、航空、防爆、救災、軍事、航空、防爆、救災、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領域領域。簡介簡介傳感器傳感器技術技術計算機技術計算機技術通通 信信

3、 技技 術術感感 官官大大 腦腦神神 經經現(xiàn)代信息技術現(xiàn)代信息技術信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)無線傳感器網絡無線傳感器網絡發(fā)展歷史第一階段最早可以追溯二十世紀最早可以追溯二十世紀7070年代越戰(zhàn)時期使用的年代越戰(zhàn)時期使用的傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。胡志明小道胡志明小道胡志明小道胡志明小道發(fā)展歷史第一階段熱帶樹熱帶樹熱帶樹熱帶樹轟炸機轟炸機發(fā)展歷史第二階段19991999年商業(yè)周刊將傳感器網絡年商業(yè)周刊將傳感器網絡列為二十一世紀最具影響的列為二十一世紀最具影響的2121項技術之一項技術之一 。二十世紀二十世紀8080年代年代至至9090年代之間年代之間WSN網絡結構sink -匯聚節(jié)點sensor

4、 node -傳感器節(jié)點sensor field -監(jiān)測區(qū)域WSN邏輯結構圖傳感器傳感器1 1傳感器傳感器2 2傳感器傳感器N N無線鏈路無線鏈路無線接口無線接口模塊模塊監(jiān)控主機監(jiān)控主機WSN主要組成 傳感器節(jié)點 功能：采集、處理、控制和通信等 網絡功能：兼顧節(jié)點和路由器 資源受限：存儲、計算、通信、能量 Sink節(jié)點 功能：連接傳感器網絡與Internet等外部網絡，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉換，發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，轉發(fā)收集到的數(shù)據(jù)。 特點：連續(xù)供電、功能強、數(shù)量少等WSN傳感器節(jié)點WSN傳感器節(jié)點WSN傳感器節(jié)點 傳感器模塊：信息采集、數(shù)據(jù)轉換 處理器模塊：控制、數(shù)據(jù)處理、網絡協(xié)議

5、 無線通訊模塊：無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù) 能量供應模塊：提供能量WSN傳感器節(jié)點WSN傳感器節(jié)點電源能量有限通信能力有限計算和存儲能力有限WSN特點 大規(guī)模網絡：地理區(qū)域大；部署密集 提高信噪比；提高監(jiān)測精度；增強容錯性；減少盲區(qū) 自組織網絡：不確定性；拓撲結構變化 資源受限：計算、存儲、通訊、能量 動態(tài)拓撲：節(jié)點故障；通訊故障；移動性；節(jié)點加入 可靠網絡：適應環(huán)境條件；魯棒性、容錯性 應用相關：沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺 以數(shù)據(jù)為中心WSN應用（民用）無人干擾監(jiān)測無人干擾監(jiān)測鳥鳥 巢巢海海 燕燕大大 鴨鴨 島島WSN應用（民用）橋橋 梁梁 監(jiān)監(jiān) 測測健健 康康 監(jiān)監(jiān) 測測海海 洋洋

6、監(jiān)監(jiān) 測測環(huán)環(huán) 境境 監(jiān)監(jiān) 測測WSN應用（民用）WSN應用（民用）WSN應用（民用）韓國濟州島智能漁場韓國濟州島智能漁場北京大興區(qū)菊花基地北京大興區(qū)菊花基地克爾斯博公司克爾斯博公司WSN應用（軍用）聯(lián)合國維和部隊聯(lián)合國維和部隊伊伊 拉拉 克克微型感應傳感器網絡微型感應傳感器網絡核武器和生化武器核武器和生化武器WSN應用（軍用）美國美國F-22F-22猛禽戰(zhàn)斗機猛禽戰(zhàn)斗機機外傳感器網絡機外傳感器網絡WSN關鍵技術n通信能力有限通信能力有限n節(jié)點帶寬窄，而且經常變化n節(jié)點通信覆蓋范圍只有幾十到幾百米， 受環(huán)境影響大挑戰(zhàn)之一挑戰(zhàn)之一如何在如此有限通信能力的條件下, 高質量地完成感知數(shù)據(jù)的查詢、分析

7、、挖掘與傳輸？在傳感器網絡環(huán)境下，發(fā)現(xiàn)最小化算法通信復雜性的機理是我們面臨的第一個挑戰(zhàn)問題！WSN關鍵技術n多源、多跳是主要通信方式多源、多跳是主要通信方式n多個傳感器節(jié)點向一個目標傳送信息n一次多源信息傳輸需要多條由多個傳感器節(jié)點組成的路徑挑戰(zhàn)之二挑戰(zhàn)之二如何為多源信息傳輸選擇優(yōu)化通信路徑？在復雜的電磁環(huán)境下，建立選擇優(yōu)化或近似優(yōu)化通信路徑的理論是我們面臨的第二個挑戰(zhàn)問題！WSN關鍵技術n計算能力有限計算能力有限n傳感器網絡中傳感器通常都具有嵌入式處理器和存儲器，具有計算能力n但是，處理器性能、存儲器容量和能源都很有限，導致傳感器的計算能力十分有限挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)之三之三 如何使用大量具有有限計算能

8、力的傳感器設計能源有效的高性能分布式算法? 設計同時最小化能源、時間、空間和通信復雜性的分布式算法是我們面臨的第三個挑戰(zhàn)性問題！n信息安全信息安全n根據(jù)無線傳播和網絡部署特點，攻擊者很容易通過節(jié)點間的傳輸而獲得敏感或者私有的信息，如：在使用WSN監(jiān)控室內溫度和燈光的場景中，部署在室外的無線接收器可以獲取室內傳感器發(fā)送過來的溫度和燈光信息;同樣攻擊者通過監(jiān)聽室內和室外節(jié)點間信息的傳輸，也可以獲知室內信息，從而非法獲取出房屋主人的生活習慣等私密信息。挑戰(zhàn)之四如何使傳感器網絡防止非法竊聽、控制是我們面臨的第四個挑戰(zhàn)性問題！WSN關鍵技術WSN關鍵技術n其他關鍵技術其他關鍵技術n嵌入式操作系統(tǒng)技術n低

9、功耗技術n多跳自組織網絡的路由協(xié)議n數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)管理技術WSN網絡協(xié)議棧nWSN協(xié)議棧多采用五層協(xié)議：應用層、傳輸層、網絡層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。與以太網協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應。另外，協(xié)議棧還應包括能量管理器、拓撲管理器和任務管理器。這些管理器使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網絡中轉發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務和資源共享。各層協(xié)議和管理器的功能如下：n物理層：提供簡單但健壯的信號調制和無線收發(fā)技術；n數(shù)據(jù)鏈路層：負責數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制；n網絡層：主要負責路由生成與路由選擇；n傳輸層：負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務質量的重要部分；n應用層：包括一

10、系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件；n能量管理器：管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量；n移動管理器：檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置；n任務管理器：在一個給定的區(qū)域內平衡和調度監(jiān)測任務。WSN網絡協(xié)議棧WSN相關的標準有：相關的標準有：IEEE 802.15.4, 屬于物理層和MAC層標準，由于IEEE組織在無線領域的影響力，以及TI, ST, Ember, Freescale, NXP等著名芯片廠商的推動，已成為WSN的事實標準。Zigbee, 該標準在IEEE 802.15.4之上，重點制定網絡層、安全層、應用層的標

11、準規(guī)范，先后推出了Zigbee 2004, Zigbee 2006, Zigbee 2007/ Zigbee PRO等版本。此外，Zigbee聯(lián)盟還制定了針對具體行業(yè)應用的規(guī)范，如智能家居、智能電網、消費類電子等領域，旨在實現(xiàn)統(tǒng)一的標準，使得不同廠家生產的設備相互之間能夠通信。值得說明的是，Zigbee在新版本的智能電網標準SEP 2.0已經采用新的基于IPv6的6Lowpan規(guī)范，隨著智能電網的建設，Zigbee將逐漸被IPv6/6Lowpan標準所取代。與zigbee類似的標準還有z-wave、ANT、Enocean等，相互之間不兼容，不利于產業(yè)化的發(fā)展。ISA100.11a, 國際自動化

12、協(xié)會ISA下屬的工業(yè)無線委員會ISA100發(fā)起的工業(yè)無線標準。WirelessHART, 國際上幾個著名的工業(yè)控制廠商共同發(fā)起的，致力于將HART儀表無線化的工業(yè)無線標準。WIA-PA, 中國科學院沈陽自動化所參與制定的工業(yè)無線國際標準。WSN安全需求數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)機密性機密性數(shù)據(jù)機密性是重要的網絡安全需求，要求所有敏感信息在存儲和傳輸過程中都要保證其機密性，不得向任何非授權用戶泄露信息的內容。數(shù)據(jù)完整性數(shù)據(jù)完整性有了機密性保證，攻擊者可能無法獲取信息的真實內容，但接收者并不能保證其收到的數(shù)據(jù)是正確的，因為惡意的中間節(jié)點可以截獲、篡改和干擾信息的傳輸過程。通過數(shù)據(jù)完整性鑒別，可以確保數(shù)據(jù)傳輸過程中沒

13、有任何改變。數(shù)據(jù)新鮮性數(shù)據(jù)新鮮性數(shù)據(jù)新鮮性問題是強調每次接收的數(shù)據(jù)都是發(fā)送方最新發(fā)送的數(shù)據(jù)，以此杜絕接收重復的信息。保證數(shù)據(jù)新鮮性的主要目的是防止重放(Replay)攻擊。WSN安全需求可用性可用性可用性要求傳感器網絡能夠隨時按預先設定的工作方式向系統(tǒng)的合法用戶提供信息訪問服務，但攻擊者可以通過偽造和信號干擾等方式使傳感器網絡處于部分或全部癱瘓狀態(tài)，破壞系統(tǒng)的可用性，如拒絕服務(Denial of Service, DoS)攻擊。魯棒性魯棒性無線傳感器網絡具有很強的動態(tài)性和不確定性，包括網絡拓撲的變化、節(jié)點的消失或加入、面臨各種威脅等，因此，無線傳感器網絡對各種安全攻擊應具有較強的適應性，即使某次攻擊行為得逞，該性能也能保障其影響最小化。訪問控制訪問控制訪問控制要求能夠對訪問無線傳感器網絡的用戶身份進行確認，確保其合法性。WSN研究進展 軍事領域軍事領域 美國陸軍的研究計劃 “靈巧傳感器網絡通信” （20012005，通用通信基礎設施） “無人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸?（支持陸軍更廣闊視野） “戰(zhàn)場環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng)” （偵察和情報） 美國海軍的研究計劃 “傳感器網絡系統(tǒng)”（戰(zhàn)術和戰(zhàn)略級的傳感器信息管理） “網狀傳感器系統(tǒng)CEC（Cooperative engagement capability) (裝載在艦艇和戰(zhàn)斗機群上，進行高精度偵察） 美國國防部 Sma