无线传感器网络路由协议

无线传感器网络的关键技术有路由协议、MAC协议、拓扑控制、定位技术等。路由协议：

数据包的传送需要通过多跳通信方式到达目的端，因此路由选择算法是网络层设计的一个主要任务。路由协议主要负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，它主要包括两个方面的功能：

1.寻找源节点和目的节点间的优化路径。

2.将数据分组沿着优化路径正确转发。

无线传感器与传统的无线网络协议不同之处，它受到能量消耗的制约，并且只能获取到局部拓扑结构的信息，由于这两个原因，无线传感器的路由协议要能够在局部网络信息的基础上选择合适路径。传感器由于它很强的应用相关性，不同应用中的路由协议差别很大，没有通用的路由协议。无线路由器的路由协议应具备以下特点：

（1）能量优先。需要考虑到节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。（2）基于局部拓扑信息。WSN为了节省通信能量，通常采用多跳的通信模式，因此节点如何在只能获取到局部拓扑信息和资源有限的情况下实现简单

高效的路由机制，这是WSN的一个基本问题。

（3）以数据为中心。传统路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据，而WSN由于节点的随机分布，所关注的是监测区域的感知数据，而不是具体哪个节点获取的信息，要形成以数据为中心的消息转发路径。

（4）应用相关。设计者需要针对每一个具体应用的需求，设计与之适应的特定路由机制。

现介绍几种常见的路由协议（平面路由协议、网络分层路由协议、地理定位辅助路由协议）：

一、平面路由协议

平面路由协议中，逻辑结构时平面结构，节点间地位平等，通过局部操作和反馈信息来生成路由。当汇聚点向某些区域发送查询并等待来自于这些区域内传感器所采集的相关数据，其中的数据不能采用全局统一的ID，而是要采用基于属性的命名机制进行描述。平面路由的优点是结构简单、鲁棒性（即路由机制的容错能力）较好，缺点是缺乏对通信资源的优化管理，对网络动态变化的反应速度较慢。其中典型的平面路由协议有以下几种：

1.1.洪泛式路由（Flooding）：

这是一种传统的网络通信路由协议。这种算法不要求维护网络的拓扑结构和相关路由的计算，仅要求接受到信息的节点以广播形式转发数据包。例如：S节点要传送一段数据给D节点，它需要通过网络将副本传送给它每一个邻居节点，一直到传送到节点D为止或者为该数据所设定的生存期限为零为止。优点在于：实现简单；不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂路由发现算法消耗计算资源；适用于鲁棒性较高的场合。但同时也有相应的缺点：一个节点可能得到一个数据的多个副本；存在部分重叠，如果相邻节点同时对某件事作出反应，则两个节点的邻居节点将收到两份数据副本；盲目使用资源，无法作出自适应的路由选择。

为克服Flooding算法这些固有的缺陷，S.Hedetniemi等人提出闲聊式

（Gossiping）策略。这种算法采用随机性原则，即节点发送数据时不再采用广播形式，而是随机选取一个相邻节点转发它接收到的数据副本（避免了消息爆炸的结果）。

图1 洪泛式路由机制图2 gossiping路由机制

1.2.SPIN路由：

SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的信息传播协议。它有如下两个特点：（1）每个节点在发送数据前需要通过协商来确定其他节点是否需要该数据，同时每个节点通过元数据（meta-data）来确定接受数据中是否有重复信息的存在。（2）网络中节点必须实时监控本地能源消耗，根据能量等级改变工作模式来延长节点自身和整个网络的运行时间。

SPIN在运行过程中节点使用3种类型的信息进行通信，即ADV、REQ和DATA信息。ADV——用于新数据广播。当一个节点有数据可共享时，它以广播方式向外发送DATA数据包中的元数据。REQ——用于请求发送数据。当一个节点希望接受DATA数据包时，发送REQ数据包。DATA——包含附上元数据头（meta-header）的实际数据包。SPIN协商过程采用3次握手方式。Step1：运行SPIN协议的源节点在传送DATA信息前，首先向相邻节点广播包含DATA数据描述机制的ADV信息。Step2：需要该DATA信息的邻居节点，向信息源发送REQ请求信息。Step3：源节点根据接受到得REQ信息，有选择地将DATA信息发送给相应的邻居节点，如下图3所示。收到DATA数据的节点可作为信息源敬爱那个DATA信息传播到网络中的其他节点。

图3 SPIN路由机制

该协议除了提供数据传输过程中得协商机制，还引用了基于阖值的能量值适应机制。它要求每个节点都提供对其自身的能量管理功能以便跟踪能源的能耗状况。当节点的剩余能量开始接近低能量阖值，节点便减少在协议中得参与行为。

这种协商机制和能量自适应机制的SPIN协议能够很好地解决传统的Flooding和Gossiping协议所带来的信息爆炸、信息重复和资源浪费等问题。SPIN 协议的缺点是数据广告机制（ADV）不能保证数据的可靠传递，因此对于入侵发现等需要在定期间隔内可靠传递数据的应用系统来说，SPIN并不是一个很好的选择。

1.3.DD路由：

定向扩散模型DD（Directed Diffusion）是一种以数据为中心的信息传播协议,运行DD的传感器节点使用基于属性的命名机制来描述该数据（如图4所示）。

其中，定向扩散算法在运行过程中包括以下3个基本过程，即路径建立阶段、数据发送阶段和增强路径阶段。

路径建立阶段：汇聚点以广播、多跳的方式向网络中所有节点发布命令信息，命令信息用含有任务类型、数据发送速率、时间戳等参数的兴趣描述。每个节点通过记录获取到兴趣的相应邻居节点、数据速率和时间戳等来建立梯度。

数据发送阶段：当节点采集到匹配查询的数据时，通过梯度路径发向汇聚点。中间节点利用本地化规则实现数据的融合。

增强路径阶段：汇聚点在收到这些低速率数据后，向数据到达最快的邻居节点发送增强消息，增强消息表示汇聚节点要求高速率发送数据。相应邻居节点按照同样地方式，依次传递增强信息给其邻居节点，直到到达数据源，从而构建数据发送的主路径，数据以后就通过路径发送给汇聚点。

在DD协议的网络中，节点能够利用选取的最优路径的缓存来实现节能的目的。缓存技术能够提高传感器节点间的有效性、鲁棒性和协作的可扩展性，这也就是DD模式的本质。DD算法在WSN路由协议研究中的一个里程碑，其中最大的特点就是引入了网络梯度概念。DD算法的优点是：仿真结果分析说明，网络梯度与本地化算法相结合应用于无线传感器网络的路由，可以很好地满足WSN对节能、鲁棒性以及可扩展性的需求。缺点是：它不适用于环境监控这类

要求连续传递数据的系统；选择与查询相匹配的数据会使传感器节点消耗更多的能量。

图4 DD路由机制

1.4.HREEMR路由：

HREEMR是定向扩散路由机制的基础上提出的，目的是通过维护多条可用路径来提高路由的可靠性。该协议在运行期间采用与DD相同的本地化算法建立源节点和汇聚点间最优路径p，同时为了保障p发生失效时协议仍能正常运行构建多条与p不想交的冗余路径（为了避免主路径失效的现象发生而采取的应急措施）。HREEMR协议提出了不相交多路径和缠绕多路径两种不同的多路径机制。（1）不相交路径：在汇聚点发送增强消息建立主路径p后，汇聚点发送次优路径增强消息给次节点A，节点A选择最优节点B把次优路径增强消息传递下去。如果B在主路径p上，则B发回否定增强消息给A，A在向另外的次优节点传递次优路径增强信息；相反如果B不在主路径上则继续传递次优路径增强信息。如此往复，就可以构造下一条次优路径（如图5所示）。

图5 HREEMR不相交路径

（2）缠绕多路径：缠绕多路径采用一定策略允许冗余路径通最优路径p部分相交，从而较不相交路径减少了维持的冗余路径数量，节省了能源的消耗。缠绕多

路径在建立主路径p后，p上除了源端和靠近源端的节点以外，每一个节点都要发送备用路径增强消息给次优节点A，次有节点寻找最优节点B传播该备用路径增强消息，如果B不在主路径p上，继续向最优节点传播直到与主路径p相交。

总而言之，HREEMR的多路径策略实现了能源有效的故障恢复，解决了DD 为了提高协议的鲁棒性，采用周期低速率扩散数据而带来的能源浪费问题。

1.5.SAR路由：

SAR协议是第一个具有QoS（服务质量，是一种网络安全机制，用于解决网络延迟及阻塞问题的一项技术）意识的路由协议。它的特点是路由决策不仅要考虑到每条路径的能源，还要涉及端到端的延迟需求和待发数据包的优先级。

每个树以落在汇聚点有效传输半径内的节点为根向外生长，枝干的选择需满足一定的QoS要求并要有一定的能量储备。节点可以根据每条路径的能源、附加的QoS度量和包的优先级选择某棵树将信息返回给汇聚点。仿真结果显示，与只考虑路径能量消耗的最小能量度量协议相比，SAR能量消耗更少，但缺点是不适合于大型和拓扑频繁变化的网络。

二、网络分层路由协议

分层路由协议中，网络通常被划分为簇，每个簇由一个簇首和多个簇成员组成，多个簇首形成高一级的网络，在高一级网络中，又可以分簇，再次形成更高级的网络，直至最高级（如图6所示）。

在分层结构中，簇首节点不仅负责所管辖簇内信息的收集和融合处理，还负责簇间数据的转发。分层路由协议中每个簇的形成通常是基于传感器节点的保留能量和与簇首的接近程度，同时为了延长整个网络的生命周期，簇首节点的选择需要周期更新。分层路由的优点是适合大规模的无线传感器网络环境，可扩展性较好。缺点是簇首节点的可靠性和稳定性对全网性能影响较大，信息的采集和处理也会大量地消耗簇首的能量。

一些典型的分层路由协议有LEACH、PEGASIS、TEEN、APTEEN和具有能量意识的传感器网络分簇路由。

图6 网络分层的路由机制

2.1.LEACH路由：

LEACH的基本思想是以循环的方式随机选择簇首节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。仿真表明，与一般平面多跳路由和静态分层算法相比，LEACH 可以将网络的生命周期延长15%。

LEACH在运行过程中不断地循环执行簇的重构过程。每个簇重构过程可以用“会合（round）”的概念来描述。每个回合可以分成两个阶段：簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段。其中，簇的建立过程又可分为四个阶段：簇首节点的选择、簇首节点的广播、簇的建立和调度机制的生成。

簇首节点的选择：依据网络中所需要的簇首节点总数和迄今为止每个节点已成为簇首的次数决定，具体方法如下：每个传感器节点随机选择0~1之间的一个值，如果选定的值小于某一个阖值T(n)，那么这个节点成为簇首节点。其中，T(n)值计算如下：

N为网络中传感器节点总数；k为一个回合网络中簇首节点数；r为已完成回合数。

簇首节点的广播：选定簇首节点后，通过广播告知整个网络。

簇的建立：网络中其他节点根据接受信息的信号强度决定从属的簇，并通知

相应的簇首节点，完成簇的建立。

调度机制的形成：最后，簇首节采用TDMA（时分多址）方法为簇中每个节点分配向其传送数据的时间片。在稳定阶段中，传感器节点将采集的数据传送到簇首节点。簇首节点对簇中所有节点所采集的数据进行信息融合后再传送给汇聚点，这是一种减小通信业务量的合理工作模式。

稳定阶段持续一段时间后，网络重新进入簇的建立阶段，进行下一回合的簇重构，不断循环。

但该协议还存在以下三个值得探讨的问题：○1并不是每个节点都能够直接与汇聚点直接通信，因此该协议不适合在大规模无线传感器网络中应用。○2协议没有说明簇首节点的数目怎样分布才能遍及整个网络。有可能某个簇首节点集中于网络某一个区域，而其他区域节点周围没有任何簇首。○3该协议未能考虑到节点能量不均衡的网络。

2.2.PEGASIS和分层PEGASIS

PEGASIS的基本思想是为了延长网络的生命周期，节点只需要和它们最近的邻居之间进行通信。节点与汇聚点之间的通信过程是轮流进行的，只有当所有节点都与汇聚点通信后，节点才进行新一回合的轮流通信。由于这种轮流通信机制使得能量消耗统一分布到每个节点上，因此降低了整个传输所需消耗的能量。

PEGASIS协议在传感器节点中采用链式结构进行连接。运行PEGASIS协议时每个节点首先利用信号的强度来衡量其所有邻居节点距离的远近，在确定最近邻居的同时调整发送信号强弱确保只有邻居节点听的到。其次，链中只选择一个节点作为链首向汇聚点传输数据。采集到的数据以点到点的方式传送、融合，并最终被送到汇聚点。

该协议的优点在于：减少了LEACH在簇重构过程中所产生的开销，并且通过数据融合降低了收发过程的次数，从而降低了能量的消耗。

图7 PEGASIS的链式结构

分层PEGASIS协议是对PEGASIS的扩展，该协议的目标是降低数据包到汇聚点传送过程中所引起的延迟。为此，协议采取了数据并行传输的机制，并提出了两种方法来避免传感器间的冲突和可能存在的信号干扰。第一种方法结合了信号编码方式，如码分多址CDMA；第二种方法只允许空间上分隔的节点可以同时传输数据。

基于CDMA的分层PEGSIS协议采用树状分层结构的方式，每一层选择的节点向更高一级的节点传送数据。协议要求在每个回合的数据采集过程中，给定层的节点都向附加的邻居发送数据，所有接受数据的节点被提升为上一层的节点。依次类推，最后顶层只有一个节点被保留下来并成为链首节点。举例说明该协议每个回合路径选择的过程，如下图所示：

图8 基于CDMA的分层PEGASIS协议的数据采集

节点C3在第三个回合被指定为链首，假设节点C0在链中得位置为0，节点C3的位置为3，为奇数，那么所有处于偶数位置的节点都向右边的邻居发送数据，接受到数据的节点C1、C3、C5、C7成为第二层节点。在第二层节点中由于C3仍处于奇数位置1，因此所有偶数位置的节点再次融合他们接受到得数据和自身采集到的数据，并将融合后的数据发送给他们右边的邻居；在第三层中节点C3不是奇数位置，为了保证C3作为链首，节点C7融合接受到得数据和自身数据并将其传给C3，节点C3将当前数据和从C7中接受到得数据融合起来并最终传递给汇聚点。这种分层方式保证了数据的并行传输并有效地降低了传输时延。

2.3.TEEN和APTEEN

按照应用模式的不同，无线传感器网络可以分为主动式和反应式两种类型。主动式无线传感器网络持续监测周围的物质现象，并以恒定速率发送监测数据；而反应式无线传感器网络只是在被观测变量发生冲突时才传送数据。

TEEN协议就是为反应式无线传感器网络而设计的路由策略，它具有实时性，可以突发事件作出快速反应。TEEN与LEACH采用相同的多簇结构和运行方式，不同的是在簇的建立过程中，随着簇首节点的选定，簇首除了通过TDMA 方式实现数据的调度，还向簇内成员广播有关数据的硬阖值和软阖值两个参数。硬阖值是被监测数据所不能逾越的阖值，软阖值则规定被监测数据的变动范围。在簇的稳定阶段，节点通过传感器不断地感知其周围环境。当节点首次监测到数据到达硬阖值，便打开收发器进行数据传送，同时将该检测值存入节点内部变量SV中。节点如需再次传送需要两个条件：1当前检测值大于硬阖值；2当前检测值与SV的差异大于等于软阖值。只要节点发送数据，变量SV变置为当前的检测值。在簇重构的过程中，如果新一回合的簇首已经确定，该簇首将重新设定和发布以上两个参数。如下图所示：

图9 （a）TEEN协议操作（b）APTEEN协议操作

APTEEN协议是TEEN协议的扩展，是一种混合协议，可以根据用户需要和应用类型来改变TEEN协议的周期性和相关阖值的设定，既能周期性地采集数据又可以对突发事件作出快速反应。其特点如下：

（1）随着簇首节点的确定，簇首向簇内所有成员广播以下参数：属性，阖值，调度，计数时间。

（2）在发送数据时会采用与TEEN相同的数据发送机制，但是为了克服TEEN不能周期性数据传送的缺点，协议规定如果节点在计数时间CT内没有发送任何数据，便强迫节点监测和向汇聚点传送数据。

（3）为了更好地实现协议在混合网络系统中得应用，APTEEN采用了修改后的TDMA调度方法。

（4）支持3种不同的查询类型，包括分析过去数据的历史性查询、快速浏览网页的一次性查询和一段时间内持续监控某一时间的连续查询。

仿真结果表明，在能量分布和网络生存时间的指标上，TEEN和APTEEN 的性能要优于LEACH协议，而APTEEN的性能位于TEEN和LEACH之间。

2.4.具有能量意识的传感器网络分簇路由

网络运行前由汇聚点将传感器节点划分成簇，传感器节点可以以活动方式和备用的低能耗两种方式运行。节点内部的感知电路、数据处理电路和无线收发器可以独立的开启和关闭，簇内节点可以采取以下4种工作方式之一：感知、转发、感知并转发、休眠。与上述路由协议不同的是簇首不受能量的限制，它可以监控簇内节点的能量变化，决定并维护传感器的四种状态，采用TDMA机制为采集到得感知数据设置多跳路由。协议依据两节点间的能量消耗、延迟最优化等性能指标计算路径代价函数。簇首节点利用代价函数作为链路成本，选择成本最小的路径作为节点与其通信的最优路径。

三、地理定位辅助路由协议

无线传感器网络的许多路由协议都需要传感器节点的定位信息。由于WSN 没有类似IP地址的访问机制，并且分布在某个特定区域，它们可以利用地址信息使数据以某种节能的方式进行传输。因此如果已知被感应的区域，利用传感器的位置，查询信息就会只发布到被感知的区域，减少了数据传输的次数。

3.1.MECN和SNECN

MECN协议和SMECN协议都利用低功耗的GPS定位系统，通过计算和构建能源有效地子网实现节能目标。

MECN协议为每个节点设置了转发区域（relay region）。转发区域可以表示为一组节点集，发送节点通过转发区域内的节点发送数据，这种方式需要的能量较少。MECN的主要设计思想是构建子网，要求子网内部所含节点的数目较少并且任意两个节点间传输的数据都消耗更少的能量。这样不必考虑网络中所有的节点，就可以发现全局最小能量的路径。这对于每个考虑到自身转发区域的节点来说，利用本地搜索就可以实现到达目的节点的最小能量路径。

MECN的运行分为两阶段完成。第一阶段：获取二维平面的位置信息，并构建包含所有发送节点外围的外围图。外围图的构建由节点内部的本地计算来完成。第二阶段：在外围图中搜索出最优链路，搜索过程采用以能量消耗作为代价

度量的分布式Belman-Ford最短路径算法来实现。

MECN协议最大的特点是具有自动重配置的特点，因此可以动态地适应节点的实效和网络的分布。但这种协议是在假定网络中每两个节点能够直接通信的前提下提出的，在实际环境中并不容易做到。

SMECN协议是MECN协议的扩展。它在原先MECN的基础上又考虑到了任意两种节点间不能直接通信的情况。SMECN协议的主要思想也是通过计算和构建子网，使得对于原网络中得仍以节点对（u，v）来说，都存在子网内最低能量消耗路径。最大的优点在于构造了满足最小能量转发的子网要小于MECN所构造的子网，但同时付出的代价也比SMECN高。

3.2.GEAR

GEAR协议利用地理信息将查询分布到合适的区域。GEAR利用能量和地理信息作为启发式选择路径向目标区域传送数据。它是下DD的基础上提出的，但由于GEAR只向特定的区域发送，因此GEAR相对于DD更加节省能量。

GEAR协议要求每个节点维护一个预估费用（estimated cost）和一个通过邻居节点到达目的节点的学习费用（learning cost）。预估费用是节点剩余能量与到目的节点距离的综合的结果。学习费用则是对描述网络中环绕在洞周围路由所需预估费用的改进。所谓洞（hole）现象是指某个节点的周围没有任何邻居节点比它自身更接近目标区域。如果没有洞现象的发生，那么预估费用等于学习费用。每当一个数据包成功到达目的地，该节点的学习费用就要被传播到上一跳。

协议包含了两个阶段：

（1）向目标区域传递数据包：当节点收到数据包时首先检查是否有邻居节点比它更接近目标区域。如果有，就选择离目标区域最近的节点作为数据传递的下一跳节点。如果相对于该节点而言，所有邻居节点都比它更远离目标区域，就意味着该节点存在洞现象。在这种情况下，利用学习费用函数选择其中的一个邻居节点来传递数据。

（2）传递已在目标区域内的数据包。如果数据包已经到达目标区域，可以利用递归的地理传递方式和受限的Flooding方式发布该数据。当传感器节点分布不太紧密时，受限的Flooding方式是较好的选择。而在高密度的无线传感器网络内，递归的地理传递方式相对受限的Flooding方式更加节能。递归的地理传递模式如下图所示，将目标区域分为四个部分，数据包也相应地被复制了4次，这种分割和数据传递过程不断重复，直到区域内只剩下一个节点为止。

图10 递归的地理传递方式

基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现

南京航空航天大学 硕士学位论文 基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现 姓名：耿长剑 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：王成华 20090101

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络，已成为当前无线通信领域研究的热点。 随着生活水平的提高，环境问题开始得到人们的重视。传统的环境监测系统由于传感器成本高，部署比较困难，并且维护成本高，因此很难应用。本文以环境温度和湿度监控为应用背景，实现了一种基于无线传感器网络的监测系统。 本系统将传感器节点部署在监测区域内，通过自组网的方式构成传感器网络，每个节点采集的数据经过多跳的方式路由到汇聚节点，汇聚节点将数据经过初步处理后存储到数据中心，远程用户可以通过网络访问采集的数据。基于CC2430无线单片机设计了无线传感器网络传感器节点，主要完成了温湿度传感器SHT10的软硬件设计和部分无线通讯程序的设计。以PXA270为处理器的汇聚节点，完成了嵌入式Linux系统的构建，将Linux2.6内核剪裁移植到平台上，并且实现了JFFS2根文件系统。为了方便调试和数据的传输，还开发了网络设备驱动程序。 测试表明，各个节点能够正确的采集温度和湿度信息，并且通信良好，信号稳定。本系统易于部署，降低了开发和维护成本，并且可以通过无线通信方式获取数据或进行远程控制，使用和维护方便。 关键词：无线传感器网络，环境监测，温湿度传感器，嵌入式Linux，设备驱动

Abstract Wireless Sensor Network, a new intelligent control and monitoring network combining sensor technology with computer and communication technology, has become a hot spot in the field of wireless communication. With the improvement of living standards, people pay more attention to environmental issues. Because of the high maintenance cost and complexity of dispose, traditional environmental monitoring system is restricted in several applications. In order to surveil the temperature and humidity of the environment, a new surveillance system based on WSN is implemented in this thesis. Sensor nodes are placed in the surveillance area casually and they construct ad hoc network automatieally. Sensor nodes send the collection data to the sink node via multi-hop routing, which is determined by a specific routing protocol. Then sink node reveives data and sends it to the remoted database server, remote users can access data through Internet. The wireless sensor network node is designed based on a wireless mcu CC2430, in which we mainly design the temperature and humidity sensors’ hardware and software as well as part of the wireless communications program. Sink node's processors is PXA270, in which we construct the sink node embedded Linux System. Port the Linux2.6 core to the platform, then implement the JFFS2 root file system. In order to facilitate debugging and data transmission, the thesis also develops the network device driver. Testing showed that each node can collect the right temperature and humidity information, and the communication is stable and good. The system is easy to deploy so the development and maintenance costs is reduced, it can be obtained data through wireless communication. It's easy to use and maintain. Key Words: Wireless Sensor Network, Environment Monitoring, Temperature and Humidity Sensor, Embedded Linux, Device Drivers

无线传感器网络的安全性研究

无线传感器网络的安全性研究 0 引言 无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）是一种自组织网络，由大量具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能的节点协同组织构成。WSN在军事、环境、工控和交通等方面有着广阔的应用前景。由于大多数用户对WSN的安全性有较高要求，而WSN有着与传统的Ad hoc网络不同的特点，大多数传统的安全机制和安全协议难以直接应用于WSN，因此有必要设计适合WSN的安全性方案。 无线传感器网络与传统的ad hoc网络相比有如下独有的特点[1]： （1）传感器节点数量巨大，网络规模庞大； （2）节点密集分布在目标区域； （3）节点的能量、存储空间及计算能力受限，容易失效； （4）动态的网络拓扑结构； （5）通常节点不具有统一的身份（ID）。 1 WSN的安全性问题 WSN中，最小的资源消耗和最大的安全性能之间的矛盾，是传感器网络安全性的首要问题。通常两者之间的平衡需要考虑到有限的能量、有限的存储空间、有限的计算能力、有限的通信带宽和通信距离这五个方面的问题。 WSN在空间上的开放性，使得攻击者可以很容易地窃听、拦截、篡改、重播数据包。网络中的节点能量有限，使得WSN易受到资源消耗型攻击。而且由于节点部署区域的特殊性，攻击者可能捕获节点并对节点本身进行破坏或破解。 另外，WSN是以数据通信为中心的，将相邻节点采集到的相同或相近的数据发送至基站前要进行数据融合，中间节点要能访问数据包的内容，因此不适合使用传统端到端的安全机制。通常采用链路层的安全机制来满足WSN的要求。 2 常见的攻击和解决方案 在WSN协议栈的不同层次上，会受到不同的攻击，需要不同的防御措施和安全机制。 2．1 物理层 物理层完成频率选择、载波生成、信号检测和数据加密的功能。所受到的攻击通常有： 1）拥塞攻击：攻击节点在WSN的工作频段上不断的发送无用信号，可以使在攻击节点通信半径内的节点不能正常工作。如这种攻击节点达到一定的密度，整个网络将面临瘫痪。 拥塞攻击对单频点无线通信网络影响很大，采用扩频和跳频的方法可很好地解决它。 2）物理破坏：WSN节点分布在一个很大的区域内，很难保证每个节点都是物理安全的。攻击者可能俘获一些节点，对它进行物理上的分析和修改，并利用它干扰网络的正常功能。甚至可以通过分析其内部敏感信息和上层协议机制，破坏网络的安全性。 对抗物理破坏可在节点设计时采用抗窜改硬件，同时增加物理损害感知机制。另外，可对敏感信息采用轻量级的对称加密算法进行加密存储。 2．2 MAC层 MAC层为相邻节点提供可靠的通信通道。MAC协议分3类：确定性分配、竞争占用和随机访问。其中随机访问模式比较适合无线传感网络的节能要求。 随机访问模式中，节点通过载波监听的方式来确定自身是否能访问信道，因此易遭到拒绝服务攻击(Distributed Denial of Service，DOS)[2]。一旦信道发生冲突，节点使用二进指数倒退算法确定重发数据的时机。攻击者只需产生一个字节的冲突就可以破坏整个数据包的发送，这时接收者回送数据冲突的应答ACK，发送节点则倒退并重新选择发送时机。如此这般反复冲突，节点不断倒退，导致信道阻塞，且很快耗尽节点有限的能量。

无线传感器网络路由协议

无线传感器网络的关键技术有路由协议、MAC协议、拓扑控制、定位技术等。路由协议: 数据包的传送需要通过多跳通信方式到达目的端,因此路由选择算法就是网络层设计的一个主要任务。路由协议主要负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点,它主要包括两个方面的功能: 1、寻找源节点与目的节点间的优化路径。 2、将数据分组沿着优化路径正确转发。 无线传感器与传统的无线网络协议不同之处,它受到能量消耗的制约,并且只能获取到局部拓扑结构的信息,由于这两个原因,无线传感器的路由协议要能够在局部网络信息的基础上选择合适路径。传感器由于它很强的应用相关性,不同应用中的路由协议差别很大,没有通用的路由协议。无线路由器的路由协议应具备以下特点: （1）能量优先。需要考虑到节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。（2）基于局部拓扑信息。WSN为了节省通信能量,通常采用多跳的通信模式,因此节点如何在只能获取到局部拓扑信息与资源有限的情况下实现简单高效的路由机制,这就是WSN的一个基本问题。 （3）以数据为中心。传统路由协议通常以地址作为节点的标识与路由的依据,而WSN由于节点的随机分布,所关注的就是监测区域的感知数据,而不就是具体哪个节点获取的信息,要形成以数据为中心的消息转发路径。（4）应用相关。设计者需要针对每一个具体应用的需求,设计与之适应的特定路由机制。 现介绍几种常见的路由协议(平面路由协议、网络分层路由协议、地理定位辅助路由协议): 一、平面路由协议 平面路由协议中,逻辑结构时平面结构,节点间地位平等,通过局部操作与反馈信息来生成路由。当汇聚点向某些区域发送查询并等待来自于这些区域内传感器所采集的相关数据,其中的数据不能采用全局统一的ID,而就是要采用基于属性的命名机制进行描述。平面路由的优点就是结构简单、鲁棒性(即路由机制的容错能力)较好,缺点就是缺乏对通信资源的优化管理,对网络动态变化的反应速度较慢。其中典型的平面路由协议有以下几种: 1、1、洪泛式路由(Flooding): 这就是一种传统的网络通信路由协议。这种算法不要求维护网络的拓扑结构与相关路由的计算,仅要求接受到信息的节点以广播形式转发数据包。例如:S节点要传送一段数据给D节点,它需要通过网络将副本传送给它每一个邻居节点,一直到传送到节点D为止或者为该数据所设定的生存期限为零为止。优点在于:实现简单;不需要为保持网络拓扑信息与实现复杂路由发现算法消耗计算资源;适用于鲁棒性较高的场合。但同时也有相应的缺点:一个节点可能得到一个数据的多个副本;存在部分重叠,如果相邻节点同时对某件事作出反应,则两个节点的邻居节点将收到两份数据副本;盲目使用资源,无法作出自适应的路由选择。 为克服Flooding算法这些固有的缺陷,S、Hedetniemi等人提出闲聊式(Gossiping)策略。这种算法采用随机性原则,即节点发送数据时不再采用广播形式,而就是随机选取一个相邻节点转发它接收到的数据副本(避免了消息爆炸的结果)。

项目三了解无线传感器协议栈

项目三了解无线传感器协议栈 项目三了解ZigBee无线传感器网络协议栈知识目标1.掌握zigbee无线传感器网络的协议栈和协议的区别等知识。 2.掌握Z-Stack协议栈的OSAL分配机制。 3.了解Z-Stack协议栈的OSAL运行机制。 4.掌握Z-Stack协议栈的OSAL常用函数。 项目三了解ZigBee无线传感器网络协议栈技能目标1.掌握 Z-Stack协议栈的运行机制。 2.掌握Z-Stack协议栈中OSAL的添加新任务的方法。 项目三了解ZigBee无线传感器网络协议栈在实际zigbee无线传感器网络工程的开发过程中首先借助TI提供的协议栈中例程SampleApp，接着根据需要完成的功能，查看支持Z-Stack协议栈的硬件电路图，再查阅数据手册（CC2530的数据手册、Z-Stack协议栈说明、Z-Stack协议栈API函数使用说明等）文件，然后再进行协议栈的修改。 最后，还需要烧录器下载到相应的硬件，实现zigbee无线传感器网络的组建和开发。 设计思路3.1.1协议与协议栈协议定义的是一系列的通信标准，通信双方需要共同按照这一标准进行正常的数据收发；议栈是协议的具体实现形式。 通俗的理解为代码实现的函数库，以便于开发人员调用。

3.1Z-Stack协议栈3.1.1协议与协议栈协议栈是指网络中各层协议的总和，一套协议的规范。 其形象地反映了一个网络中文件传输的过程由上层协议到底层协议，再由底层协议到上层协议。 使用最广泛的是因特网协议栈，由上到下的协议分别是应用层（Http、Tel、DNS、Email等），运输层（TCP、UDP），网络层（IP），链路层（WI-FI、以太网、令牌环、FDDI等）。 3.1Z-Stack协议栈3.1.1协议与协议栈3.1Z-Stack协议栈3.1.1协议与协议栈Zigbee协议栈开发的基本思路如下。 ①借助TI提供的协议栈中例程SampleApp进行二次开发，用户不需要深入研究复杂的zigbee协议栈，这样可以减轻开发者的工作量。 ②Zigbee无线传感器网络中数据采集，只需要用户在应用层加入传感器的读取函数和添加头文件即可实现。 ③如果考虑节能，可以根据数据采集周期（zigbee协议栈例程中已开发了定时程序）进行定时，定时时间到就唤醒zigbee终端节点，终端节点唤醒后，自动采集传感器数据，然后将数据发送给路由器或者直接发给协调器，即监测节点定时汇报监测数据。 ④协调器（网关）根据下发的控制命令，将控制信息转发到具体的节点，即控制节点等待控制命令下发。 3.1Z-Stack协议栈3.1.2使用Z-Stack协议栈传输SampleApp.c 中定义了发送函数static voidSampleApp_SendTheMessage(void)。 该函数通过调用AF_DataRequest来发送数据。

无线传感器网络的特点

无线传感器网络的特点 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。 传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。 自组织网络在 传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。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，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，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测数据的多跳无线网络系统。在传

感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，

从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。

(中文)基于无线传感器网络桥梁安全监测系统

基于无线传感器网络的桥梁安全检测系统 摘要 根据桥梁监测无线传感器网络技术的桥梁安全监测系统，以实现方案的安全参数的需要；对整个系统的结构和工作原理的节点集、分簇和关键技术，虽然近年来在无线传感器网络中，已经证明了其潜在的提供连续结构响应数据进行定量评估结构健康，许多重要的问题，包括网络寿命可靠性和稳定性、损伤检测技术，例如拥塞控制进行了讨论。 关键词：桥梁安全监测；无线传感器网络的总体结构；关键技术 1 阻断 随着交通运输业的不断发展，桥梁安全问题受到越来越多人的关注。对于桥梁的建设与运行规律，而特设的桥梁检测的工作情况，起到一定作用，但是一座桥的信息通常是一个孤立的片面性，这是由于主观和客观因素，一些桥梁安全参数复杂多变[1]。某些问题使用传统的监测方法难以发现桥梁存在的安全风险。因此长期实时监测，预报和评估桥梁的安全局势，目前在中国乃至全世界是一个亟待解决的重要问题。 桥梁安全监测系统的设计方案，即通过长期实时桥跨的压力、变形等参数及测试，分析结构的动力特性参数和结构的评价科关键控制安全性和可靠性，以及问题的发现并及时维修，从而确保了桥的安全和长期耐久性。 近年来，桥梁安全监测技术已成为一个多学科的应用，它是在结构工程的传感器技术、计算机技术、网络通讯技术以及道路交通等基础上引入现代科技手段，已成为这一领域中科学和技术研究的重点。 无线传感器网络技术，在桥梁的安全监测系统方案的实现上，具有一定的参考价值。 无线传感器网络（WSN）是一种新兴的网络科学技术是大量的传感器节点，通过自组织无线通信，信息的相互传输，对一个具体的完成特定功能的智能功能的协调的专用网络。它是传感器技术的一个结合，通过集成的嵌入式微传感器实时监控各类计算机技术、网络和无线通信技术、布式信息处理技术、传感以及无线发送收集到的环境或各种信息监测和多跳网络传输到用户终端[2]。在军事、工业和农业，环境监测，健康，智能交通，安全，以及空间探索等领域无线传感器网络具有广泛应用前景和巨大的价值。 一个典型的无线传感器网络，通常包括传感器节点，网关和服务器，如图1

无线传感器网络的应用及影响因素分析

无线传感器网络的应用与影响因素分析 摘要：无线传感器网络在信息传输、采集、处理方面的能力非常强。最初，由于军事方面的需要，无线传感网络不断发展，传感器网络技术不断进步，其应用的X围也日益广泛，已从军事防御领域扩展以及普及到社会生活的各个方面。本文全面描述了无线传感器网络的发展过程、研究领域的现状和影响传感器应用的若干因素。关键词：无线传感器网络；传感器节点；限制因素applications of wireless sensor networks and influencing factors analysis liu peng (college of puter science,yangtze university,jingzhou434023,china) abstract:wireless sensor networks in the transmission of informa- tion,collecting,processing capacity is very strong.initially,due to the needs of the military aspects of wireless sensor networks,the continuous development of sensor network technology continues to progress its increasingly wide range of applications,from military defense field to expand and spread to various aspects of social life.a prehensive description of the development process of the wireless sensor network,the status of the research areas and a number of factors affecting the application of the sensor. keywords:wireless sensor networks;sensor nodes;limiting factor 一、无线传感器网络的技术起源以及特点

无线传感器网络协议栈研究与设计-第3章

第3章 低功耗无线传感器网络协议栈整体设计 本章的目标是对低功耗环境测控网络协议栈进行整体设计。首先对环境测控系统进行需求分析明确其适用场景和网络设备类型；然后，根据需求分析确定协议栈的设计目标，并选择适合的网络拓扑结构和协议栈的分层架构。协议栈的网络层和MAC 层将作为本章的设计的重点。 3.1 网络需求分析 3.1.1 应用场景介绍 本课题来源于研究生校企合作项目，所设计的低功耗无线传感器协议栈主要应用于环境测控系统中。该系统长期无人值守，其温度、湿度等环境参数由连接无线节点的传感器实时采集并上传至汇聚节点，汇聚节点再通过有线的方式传输至面向用户的管理终端。多个子系统采集的数据最后由各自的管理终端传送至云端处理中心进行数据的保存，整个系统框图如图3.1所示。 云端处理中心 二级中继 汇聚节点 图3.1 环境测控系统框图 图中的环境测控无线网络是执行数据采集和设备控制的主体，也是协议栈发挥作用的区域。一个环境测控无线网络负责一个区域，区域之间有一定的距离，

因此无线网络之间不存在干扰，但无线网络的运行方式一致。该项目处于初期开发阶段，所以本文设计的协议栈只应用于单个环境测控无线网络中。 该课题所涉及的环境测控系统处于室内，人员进出频率低。网络中节点数不超过65个，包含一个汇聚节点。点对点通信的距离要求达到20米。传感器节点以10秒为周期采集并发送环境数据。考虑到室内可能会出现一些特殊设备、隔断等障碍影响通信距离，并使得部分节点处于屏蔽的位置，因此网络通过设置中继节点来扩展通信距离，经过中继后的通信距离要求60米及以上。由于成本等原因，课题设定数据包最多经过两级中继传递，每级中继最多4个，中继数量不超过8个。同时，系统中存在少量控制节点，控制节点连接室内的控温设备来调节室内温度。控制节点由工作人员从软件端下达命令进行开关，因此不具备周期性。该课题要求除汇聚节点、中继节点之外的所有节点能在1000mA/h电池的支持下工作一年以上。为保证数据采集的有效性和传输的可靠性，该课题要求多节点共享信道的丢包率在5%以内。此外，由于环境的特殊性，人员不能随时到场，还要求该环境测控网络中的节点具有安装简单、组网快速、配置容易的特点。以上需求总结如表3.1所示。 表3.1 环境测控系统需求指标 表3.1明确了该环境测控无线网络的要求。通过需求指标能使协议栈的设计更有约束性，设计方向也会更加明确。

基于无线传感器网络的智能交通系统的设计

一、课题研究目的 针对目前中国的交叉路口多，车流量大，交通混乱的现象研究一种控制交通信号灯的基于无线传感器的智能交通系统。 二、课题背景 随着经济的快速发展，生活方式变得更加快捷，城市的道路也逐渐变得纵横交错，快捷方便的交通在人们生活中占有及其重要的位置，而交通安全问题则是重中之重。据世界卫生组织统计，全世界每年死于道路交通事故的人数约有120 万，另有数100 万人受伤。中国拥有全世界1. 9 %的汽车，引发的交通事故占了全球的15 % ，已经成为交通事故最多发的国家。2000 年后全国每年的交通事故死亡人数约在10 万人，受伤人数约50万，其中60 %以上是行人、乘客和骑自行车者。中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5180 亿(人民币)，死亡率为9 人/ 万·车，因此，有效地解决交通安全问题成为摆在人们面前一个棘手的问题。 在中国，城市的道路纵横交错，形成很多交叉口，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集通过。而目前的交通情况是人车混行现象严重，非机动车的数量较大，路口混乱。由于车辆和过街行人之间、车辆和车辆之间、特别是非机动车和机动车之间的干扰，不仅会阻滞交通，而且还容易发生交通事故。根据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/ 3，在所有交通事故类型中居首位，对交叉口交通安全影响最大的是冲突点问题，其在很大程度上是由于信号灯配时不合理(如黄灯时间太短,驾驶员来不及反应)，以及驾驶员不遵循交通信号灯，抢绿灯末或红灯头所引发交通流运行的不够稳定。随着我国经济的快速发展，私家车也越来越多，交通控制还是延续原有的定时控制，在车辆增加的基础上，这种控制弊端也越来越多的体现出来，造成了十字交叉路口的交通拥堵和秩序混乱，严重的影响了人们的出行。智能交通中的信号灯控制显示出了越来越多的重要性。国外已经率先开展了智能交通方面的研究。 美国VII系统(vehicle infrastructure integration)，利用车辆与车辆、车辆与路边装置的信息交流实现某些功能，从而提高交通的安全和效率。其功能主要有提供天气信息、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。目前发展的重点主要集中在2个应用上: ①以车辆为基础; ②以路边装置为基础。欧洲主要是CVIS 系统(cooperative vehicle infrastructure system)。它有60 多个合作者，由布鲁塞尔的ERTICO 组织统筹，从2006 年2 月开始到2010年6月，工作期为4年。其目标是开发出集硬件和软件于一体的综合交流平台，这个平台能运用到车辆和路边装置提高交通管理效率，其中车辆不仅仅局限于私人小汽车，还包括公共交通和商业运输。日本主要的系统是UTMS 21 ( universal traffic management system for the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 为基础的综合系统概念,由NPA (National Police Agency) 等5个相关部门和机构共同开发的，是继20 世纪90 年代初UTMS 系统以来的第2代交通管理系统，DSSS是UTMS21中保障安全的核心项目，用于提高车辆与过街行人的安全。因此，从国外的交通控制的发展趋势可以看出，现代的交通控制向着智能化的方向发展，大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络系统，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源，减轻驾驶疲劳等功能，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。

无线传感器网络练习题(1)

一、填空 1.无线传感器网络系统通常包含汇聚节点、传感器节点、管理节点。 2.传感器节点一般由通信模块、传感器模块、存储模块和电源模块 组成。 3.无线传感器节点的基本功能是：采集数据、数据处理、控制和通 信。 4.传感器节点通信模块的工作模式有发送、接收和空闲。 5.无线通信物理层的主要技术包括介质的选择、频段的选择、调制 技术和扩频技术。 6.扩频技术按照工作方式的不同，可以分为四种：直接序列扩频、 跳频、跳时和宽带线性调频扩频。 7.目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电波、光纤、 红外线等。 8.无线传感器网络可以选择的频段有：868MHz、915MHz、和5GHz。 9.传感器网络的电源节能方法：休眠机制、数据融合。 10.根据对传感器数据的操作级别，可将数据融合技术分为一下三类： 决策级融合、特征级融合、数据级融合。 11.根据融合前后数据的信息含量分类（无损失融合和有损失融合） 12.根据数据融合与应用层数据语义的关系分类（依赖于应用的数据 融合、独立于应用的数据融合、结合以上两种技术的数据融合）13.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩散、梯度建立、路 径加强。

14.无线传感器网络的关键技术主要包括：时间同步机制、数据融合、 路由选择、定位技术、安全机制等。 15.无线传感器网络通信安全需求主要包括结点的安全保证、被动抵 御的入侵能力、主动反击入侵的能力。 16.标准用于无线局域网，标准用于低速无线个域网。 17.规定三种帧间间隔：SIFS、PIFS、DIFS。 18.标准为低速个域网制定了物理层和MAC子层协议。 19.ZigBee主要界定了网络、安全和应用框架层，通常它的网络层支 持三种拓扑结构：网状网络、树形网络、星型网络。 20.传感器网络中常用的测距方法有：接收信号强度指示、到达时间 差、到达角。 21.ZigBee网络分4层分别为：物理层、网络层、应用层、数据链路 层。 22.与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以 下特点：能量优先、基于局部拓扑、以数据为中心、应用相关。 23.数据融合的内容主要包括：目标探测、数据关联、跟踪与识别、 情况评估与预测。 24.无线传感器网络信息安全需求主要包括数据的机密性、数据鉴别、 数据的完整性、数据的实效性。 25.传感器结点的限制条件是电源能量有限、通信能力有限、计算和 存储能力有限。

无线传感器网络的应用研究

1武警部队监控平台架构介绍与设计 1.1监控系统的系统结构 基站监控系统的结构组成如上图所示，主要由三个大的部分构成，分别是监控中心、监控站点、监控单元。整个系统从资金、功能以及方便维护性出发，我们采用了干点加节点方式的监控方法。 监控中心（SC）：SC的定义是指整个系统的中心枢纽点，控制整个分监控站，主要的功能是起管理作用和数据处理作用。一般只在市级包括（地、州）设置相应的监控中心，位置一般在武警部队的交换中心机房内或者指挥中心大楼内。 区域监控中心（SS）：又称分点监控站，主要是分散在各个更低等级的区县，主要功能是监控自己所负责辖区的所有基站。对于固话网络，区域监控中心的管辖范围为一个县/区；移动通信网络由于其组网不同于固话本地网，则相对弱化了这一级。区域监控中心SS的机房内的设备配置与SC的差不多，但是不同的是功能不同以及SS的等级低于SC,SS的功能主要是维护设备和监控。 监控单元（SU）：是整个监控系统中等级最低的单元了，它的功能就是监控并且起供电，传输等等作用，主要由SM和其他供电设备由若干监控模块、辅助设备构成。SU侧集成有无线传感网络微设备，比如定位设备或者光感，温感设备等等。 监控模块（SM）：SM是监控单元的组成部分之一，主要作用监控信息的采集功能以及传输，提供相应的通信接口，完成相关信息的上传于接收。

2监控系统的分级管理结构及监控中心功能 基站监控系统的组网分级如果从管理上来看，主要采用两级结构：CSC集中监控中心和现场监控单元。CSC主要设置在运营商的枢纽大楼，主要功能为数据处理，管理远程监控单元，对告警信息进行分类统计，可实现告警查询和存储的功能。一般管理员可以在CSC实现中心调度的功能，并将告警信息进行分发。而FSU一般针对具体的某一个基站，具体作用于如何采集数据参数并进行传输。CSC集中监控中心的需要对FSU采集的数据参数进行报表统计和分析，自动生产图表并为我们的客户提供直观，方便的可视化操作，为维护工作提供依据，维护管理者可以根据大量的分析数据和报表进行快速反应，以最快的速度发现网络的故障点和优先处理点，将人力资源使用在刀刃上。监控中心CSC系统的功能中，还有维护管理类，具体描述如下： 1）实时报警功能 该系统的报警功能是指发现机房里的各种故障后，通过声音，短信，主界面显示的方式及时的上报给操作者。当机房内的动力环境，空调，烟感，人体红外等等发生变量后，这些数据通过基站监控终端上传到BTS再到BSC。最后由数据库进行分类整理后存储到SQLSEVRER2000中。下面介绍主要的几种报警方式： 2)声音报警 基站发生告警后，系统采集后，会用声卡对不一样的告警类别发出对应的语音提示。比如：声音的设置有几种，主要是以鸣叫的长短来区分的。为便于引起现场维护人员的重视紧急告警可设置为长鸣，不重要的告警故障设置为短鸣。这样一来可以用声音区分故障的等级，比方某地市的中心交换机房内相关告警声音设置，它的开关电源柜当平均电流达到40AH的时候，提示声音设置为长鸣，并立即发生短信告警工单。如果在夜晚机房无人值守的情况下：

无线传感器网络路由协议研究【开题报告】

毕业设计开题报告 计算机科学与技术 无线传感器网络路由协议研究 一、选题的背景与意义 选题背景 随着微机电系统、无线通信技术、微型传感器技术和嵌入式技术的飞速发展，集数据采集、处理及通信功能于一体的无线传感器网络开始得到广泛的研究。网络层的路由协议是无线传感器网络研究的关键问题之一，它完成把数据分组从源节点引导到目的节点的功能。无线传感器节点是随机分布，电池供电，绝大部分的能量消耗是集中在无线通讯模块上，约占整个传感器节点能量消耗的80%。因此，目前提出的传感器节点通讯网络路由协议主要是围绕着减少能量消耗延长网络生命周期而进行设计的。 AOMDV多路径路由协议是无线传感器网络最重要的协议之一。通过它可以获得多条通信路径并且能够减少路由发现延迟，实现负载均衡，能够显著节省节点能量和防止瓶颈的产生。LEACH协议是传感器中具有负载均衡的很有用的一种协议。LEACH协议以循环的方式随机选择蔟首节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。这两种协议的研究对无线传感器路由协议的改进有很大帮助。 由于无线信道的广播特性，无线网络中任一节点发送的无线信号都可能被其通信范围的节点接收到。当局部空间范围内有两个以上的节点同时发送时，就有可能在接收节点处发生信号叠加，造成冲突，以至于接收节点无法正确接收到发送的信息。有效协调多个节点共享信道资源，避免冲突发生时无线网络面临的关键问题之一，直接影响着无线资源的使用效率、网络吞吐和时延等重要性能。所以，媒质接入控制（MAC）协议的研究也是无线传感器网络的重要课题之一。 课题意义 无线传感器网络是当前信息领域研究的热点，路由技术是无线传感器网络通信层的核心技术。目前，无线传感器网络路由协议研究的首要目标就是能量的高效利用，通过对网络层的路由协议的研究和分析，总结出优化的措施，同时基于NS2仿真平台对LEACH协议和AOMDV协议进行仿真和实验，在实验的基础上，对协议给予改进和优化，

基于无线传感网络的大型结构健康监测系统_尚盈

文章编号:1004-9037(2009)02-0254-05 基于无线传感网络的大型结构健康监测系统 尚　盈　袁慎芳　吴　键　丁建伟　李耀曾 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,南京,210016) 摘要:针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,实现了基于无线传感网络的多点应变结构健康监测系统,采用自组织竞争神经网络成功判别了集中载荷模拟的损伤位置。本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。为了降低系统网络功耗及成本,提高系统的稳定性和可靠性,改善传感网络的实时性和同步性,设计了可直接配接无线传感网络节点的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块。实验证明,相比于传统有线的监测方法和数据采集系统,基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。 关键词:无线传感网络;结构健康监测;层次路由协议;自组织竞争网络中图分类号:T P2;T P9 文献标识码:A 　基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA 032117)资助项目;国家自然科学基金(60772072,50420120133)资助项目;航空基金(20060952)资助项目。　收稿日期:2007-09-05;修订日期:2008-04-17 Large -Scale Structural Health Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks S hang Ying ,Yuan Shenf ang ,Wu J ian ,Ding J ianw ei ,L i Yaoz eng (T he A ero nautic Key La bo rat or y o f Smart M ater ial and Str uct ur e,N anjing U niv ersit y o f Aer onautics and A str onautics,N anjing,210016,China) Abstract :Aimed at the large-scale structure and anisotropy nature o f the carbon fiber compos-ite material w ing box ,a large-scale structural health m onitoring system based on w ireless sen-sor netw orks is presented .A kind of artificial neural netw ork is designed to distinguish the damag e locatio n simulated by the co ncentrated load .The sy stem co nsists o f the sensor data ac-quisition,the w ireless sensor netw or ks,and the terminal monitoring sub-sy stem s.To im pro ve the performance o f the system ,the signal conditio ning circuit and the hierarchical routing pro -to col are designed based o n w ireless sensor netw orks ,the prog rams of data acquisition and Sink node are ex ploited.Experimental result pro ves that the system has advantag es of flexibili-ty o f deplo yment,low maintenance and deploym ent costs . Key words :w ir eless senso r netw or ks ;str uctural health monitoring ;hierarchical routing ;self -org anizing com petitive netw o rk 引 言 结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念,利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络,在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等),结 合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模 方法,提取特征参数,识别结构的状态,包括损伤,并对结构的不安全因素在其早期就加以控制,以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展,从而实现结构健康自诊断、自修复、保证结构的安全和降低维修费用[1]。 无线传感网络节点具有局部信号处理的功能, 第24卷第2期2009年3月数据采集与处理Jour nal of D ata A cquisition &P ro cessing Vo l.24N o.2M a r.2009

无线传感器网络面临的安全隐患及安全定位机制

无线传感器网络面临的安全隐患及安全定位机制 随着通信技术的发展，安全问题显得越来越重要。在现实生活中，有线网络已经深入到千家万户：互联网、有线电视网络、有线电话网络等与人们生活的联系越来越紧密，已经成为必不可少的一部分，有线网络的安全问题已经能够得到有效的解决。在日常生活中，人们可以放心的使用这些网络，利用它来更好的生活和学习。然而随着无线通信技术的不断发展，无线网络在日常生活中已占据重要的地位，如无线LAN技术、3G技术、4G技术等，同时也有许多新兴的无线网络技术如无线传感器网络，Ad-hoc等有待进一步发展。随着人们对无线通信的依赖越来越强烈，无线通信的安全问题也面临着重要的考验。本章首先介绍普通网络安全定位研究方法，随后介绍无线传感器网络存在的安全隐患以及常见的网络攻击模型，分析比较这些攻击模型对定位的影响，最后介绍已有的一些安全定位算法，为后续章节的相关研究工作打下基础。 3.1 安全定位研究方法 不同的定位算法会面临着不同的安全方面的问题，安全定位的研究方法可以采用图3-1所示的流程来进行。 图3-1安全定位方法研究流程图

Figure 3-1 Flowchart of security positioning research method 在研究中首先要找出针对不同定位算法的攻击模型，分析这些攻击对定位精度所造成的影响，然后从两方面入手来解决这个安全问题或隐患：一方面改进定位算法使得该定位算法不易受到来自外界的攻击，另一方面可以设计进行攻击检测判断及剔除掉受到攻击的节点的安全定位算法或者把已有的安全算法进行改进使之能够应用于无线传感器网络定位，还可以从理论上建立安全定位算法的数学模型，分析各种参数对系统性能的影响，最后根据这个数学模型对算法进行仿真，并把仿真结果作为反馈信息，对安全定位算法进一步优化和改进，直到达到最优为止。 3.2 安全隐患 由于无线传感器网络随机部署、网络拓扑易变、自组织成网络和无线链路等特点，使其面临着更为严峻的安全隐患。在传感器网络不同的定位算法中具有不同的定位思想，所面临的安全问题也不尽相同。攻击者会利用定位技术的弱点设计不同的攻击手段，因此了解各定位系统自身存在的安全隐患和常见的攻击模型对安全定位至关重要。 影响无线传感器网络定位的原因大致可以分为两类：其一，节点失效（如节点被破坏、电量耗尽）、环境毁坏（通信干扰）等引起的定位误差；其二，恶意攻击[30]，攻击者主要是通过内部攻击和外部攻击两种方式来增大无线传感器网络的定位误差或使节点定位失效。 采用不同的定位算法，系统存在不同的安全隐患。按照定位算法的分类将安全隐患大致分为：基于测距的定位的安全隐患和基于无需测距定位的安全隐患。 3.2.1 基于测距定位的安全隐患 基于测距的定位技术需要测量未知节点和参考节点之间的距离或方位信息。攻击者主要针对定位系统位置关系的测量阶段和距离估计阶段进行攻击。在测距阶段，攻击者通过改变测距所需要的参数或者产生干扰和欺骗以增大误差，达到攻击的目的。 基于测距定位的攻击手段主要有以下几种：（1）通过移动、隔离信标节点来