無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全問題分析與研究

1、傳感器技術(shù)發(fā)展分析與研究薛杰（機械工程學(xué)院 2015級 制冷及低溫工程專業(yè)120150166）摘要：傳感器是信息系統(tǒng)的源頭，在某種程度上是決定系統(tǒng)特性和性能指標(biāo)的關(guān)鍵部件。作為國際競爭戰(zhàn)略的重要標(biāo)志性產(chǎn)業(yè)，傳感器以其技術(shù)含量高、市場前景廣闊等特點備受世界各國的關(guān)注。本文在對于現(xiàn)代傳感器技術(shù)深入分析的基礎(chǔ)之上，重點探討了光纖傳感器、無線傳感器、集成傳感器、模糊傳感器、智能傳感器等的定義、結(jié)構(gòu)、功能實現(xiàn)以及實際應(yīng)用。關(guān)鍵字：傳感器技術(shù)；發(fā)展；應(yīng)用傳感器是換能器的一種，換能器（transducer)是將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的裝置。換能器包括傳感器和執(zhí)行器兩方面含義。傳感器是將物理、化學(xué)、生

2、物等自然科學(xué)和機械、土木、化工等工程技術(shù)中的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的換能器。傳感器是信息系統(tǒng)的源頭。在客觀對象的測量、測試、檢測、監(jiān)測、分析、定位、跟蹤、導(dǎo)航、制導(dǎo)、控制及健康管理等系統(tǒng)中，傳感器是不可缺少的且在一定程度上是決定系統(tǒng)性能的重要部件。傳感器是科學(xué)和工程結(jié)合產(chǎn)物，既依賴于科學(xué)的新現(xiàn)象和新規(guī)律，又依賴于新技術(shù)和工藝。1 傳感器概述傳感器是換能器的一種，換能器（transducer)是將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的裝置。換能器包括傳感器和執(zhí)行器兩方面含義。傳感器與執(zhí)行器系統(tǒng)的基本組成見下圖1所示：圖1傳感器與執(zhí)行器系統(tǒng)的基本組成圖廣義地可以把傳感器歸結(jié)為一種能感受外界信息（力，熱、聲

3、、光、磁、氣體、化學(xué)、生物、濕度等），并按一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成易處理的電信號的裝置。根據(jù)中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-87），傳感器（Transducer/Sensor)的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，其中敏感元件（sensing clement)是指傳感器中能直接感受被測量的部分，轉(zhuǎn)換元件（Transduction element）是指傳感器中能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號部分。傳感器的靜態(tài)特性指對于靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸入量與輸出量之間所具有的相互關(guān)系。此時的輸入信號與時間無關(guān)，輸出量與時

4、間無關(guān)，輸出與輸入之間的關(guān)系可用一個不含時間的方程來表示：傳感器的動態(tài)特性是指其輸出對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。當(dāng)傳感器的輸入量隨時間變化時，其輸出量的響應(yīng)特性就是動態(tài)特性。當(dāng)被測量隨時間變化，是時間的函數(shù)時，則傳感器的輸出量也是時間的函數(shù)，其間的關(guān)系要用動特性來表示。一個動態(tài)特性好的傳感器，其輸出將再現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，即具有相同的時間函數(shù)。實際上除了具有理想的比例特性外，輸出信號將不會與輸入信號具有相同的時間函數(shù)，這種輸出與輸入間的差異就是所謂的動態(tài)誤差。2 現(xiàn)代傳感器技術(shù)發(fā)展傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展不僅為物聯(lián)網(wǎng)提供支撐，還將在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移與技術(shù)升級，以及在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型中發(fā)揮積極影響和

5、作用。與此同時，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也為傳感器技術(shù)提升和產(chǎn)業(yè)發(fā)展拓展了巨大市場空間。2.1 光纖傳感器光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光信號經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號源，在經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感器具有敏感度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、電絕緣性好，便于與計算機和被測實物連接，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗電少、適合于有毒有害、防火防爆環(huán)境及遠(yuǎn)程分布場合應(yīng)用等優(yōu)點。光纖傳感器按照工作原理不同可分為功能型和非功能型。功能型光纖傳感器是利用光

6、纖作敏感元件，基于光纖的物理效應(yīng)，被測量調(diào)制光纖參數(shù)，再調(diào)制光纖中的光波參數(shù)，故也稱為傳感型或全光型光纖傳感器。非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化，且敏感元件參數(shù)調(diào)制光波參數(shù)，光纖只作為傳輸介質(zhì)，傳輸來自遠(yuǎn)處或難以接近場所的光信號，故也稱為傳光型或混合型光纖傳感器。城市建設(shè)中橋梁、大壩、油田等的干涉陀螺儀和光柵壓力傳感器的應(yīng)用。光纖傳感器可預(yù)埋在混凝土、碳纖維增強塑料及各種復(fù)合材料中，用于測試應(yīng)力松弛、施工應(yīng)力和動荷載應(yīng)力，從而評估橋梁短期施工階段和長期營運狀態(tài)的結(jié)構(gòu)性能。在電力系統(tǒng)，需要測定溫度、電流等參數(shù)，如對高壓變壓器和大型電機的定子、轉(zhuǎn)子內(nèi)的溫度檢測等，由于電類傳感器易受

7、電磁場的干擾，無法在這類場合中使用，只能用光纖傳感器。分布式光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展起來的一種用于實時測量空間溫度場分布的高新技術(shù)，分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)不僅具有普遍光纖傳感器的優(yōu)點，還具有對光纖沿線各點的溫度的分布傳感能力，利用這種特點我們可以連續(xù)實時測量光纖沿線幾公里內(nèi)各點溫度，定位精度可達(dá)米的量級，測量精度可達(dá)1度的水平，非常適用大范圍交點測溫的應(yīng)用場合。此外，光纖傳感器還可以應(yīng)用于鐵路監(jiān)控、火箭推進(jìn)系統(tǒng)以及油井檢測等方面。光纖同時具備寬帶、大容量、遠(yuǎn)距離傳輸和可實現(xiàn)多參數(shù)、分布式、低能耗傳感的顯著優(yōu)點。光纖傳感可以不斷汲取光纖通信的新技術(shù)、新器件，各種光纖傳感器有望在物聯(lián)網(wǎng)中得到廣泛

8、應(yīng)用。2.2 無線傳感器無線傳感器是由一系列傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成的，隨應(yīng)用情況不同而有所差異，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的產(chǎn)生由內(nèi)部電源的作用下構(gòu)成，一般可以劃分為傳感、處理、通信、電源四個模塊。在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中，這一系列節(jié)點的結(jié)合方式具有自組織性，通過節(jié)點間的配合、自適應(yīng)形成無線通信網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點以及節(jié)點間的配合得以無線儲存、處理、傳送信息，故無線傳感器體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過WSN體系，把用戶和監(jiān)測區(qū)域聯(lián)系起來，傳感器節(jié)點充當(dāng)媒介，感知、分析、傳送信號，把信息數(shù)據(jù)匯總到匯節(jié)點，然后，通過匯節(jié)點完成與總控制臺的信息交流。圖2中WSN協(xié)議棧，也是當(dāng)下應(yīng)用比較普遍的一種，無線傳感器的便捷性在于可以直接感知信號，通過網(wǎng)絡(luò)媒介發(fā)

9、到總監(jiān)控，在系統(tǒng)中處理分析，同樣也可以完成信息的反饋，用戶得以自定義信息。圖2 無線傳感器體系結(jié)構(gòu)及WSN協(xié)議棧無線傳感器網(wǎng)絡(luò)靈活性、適應(yīng)性較強，由一系列的傳感器通過無線方式通信形成的一個自組織網(wǎng)絡(luò)，它的發(fā)展得益于微機電技術(shù)、通信技術(shù)的日趨成熟，通過末端傳感器感知信息，加以識別分析傳送給網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證者，完成監(jiān)測。它的應(yīng)用性比較強，在軍事、航空、反恐、防爆、醫(yī)療等關(guān)乎國際競爭力的領(lǐng)域也發(fā)揮重要作用，但同時隨之而來的網(wǎng)絡(luò)安全問題也逐漸成為焦點。2.3 集成傳感器利用集成電路工藝(鍍膜、掩膜、腐蝕等)將半導(dǎo)體敏感元件及測量處理電路集成在一個芯片上的傳感器。集成傳感器的一般電路結(jié)構(gòu)如圖3所示：圖3 集成

10、傳感器原理結(jié)構(gòu)圖半導(dǎo)體敏感元件是基于半導(dǎo)體材料和P-N結(jié)的物理效應(yīng)將被測的非電量轉(zhuǎn)換成電量。例如，熱敏、光敏、磁敏、壓敏等效應(yīng)。傳感器輸出歸一化的測量信號，由儀器完成采集、處理等操作。若將儀器的采集、處理、控制與顯示等電路均集成在同一芯片上，則稱為集成儀器芯片。若將多個儀器及系統(tǒng)接口也集成在同一芯片上，則稱為集成測量系統(tǒng)芯片。集成傳感器具有體積小、重量輕、高精度、高頻響，且可做到高可靠、長壽命、低功耗、低成本，是一代新型傳感器。目前，已廣泛用于石油、化工、機械動力、氣象、地質(zhì)、生物醫(yī)學(xué)及航空、航天、航海等領(lǐng)域。2.4 模糊傳感器模糊傳感器是基于模糊集理論和技術(shù)，將輸入的模擬或數(shù)字被測量(即傳統(tǒng)

11、傳感器的輸出量)轉(zhuǎn)換成模糊量的傳感器。模糊集合論認(rèn)為某元素既屬于集合A又屬于集合B，由隸屬函數(shù)值判斷最終所屬的集合，而經(jīng)典集合論認(rèn)為某元素屬于集合A就不屬于集合B，反之亦然。模糊傳感器的原理是將被測量值范圍劃分成若干區(qū)間，利用隸屬度值判斷被測量值所處的區(qū)間，并用區(qū)間中值或相應(yīng)的特定符號表示被測量值，這一過程稱為模糊化。實現(xiàn)模糊化過程的變換器稱為模糊器，或符號變換器。顯然，模糊區(qū)間越小精度越高，而測量速度越慢。隸屬函數(shù)的選取也影響模糊傳感器的精度和速度。常選用三角函數(shù)或高斯函數(shù)等。下圖4給出模糊傳感器功能結(jié)構(gòu)。范圍劃分器提供區(qū)間端點值。模糊器計算各區(qū)間的隸屬函數(shù)值，判斷被測量值所屬的區(qū)間，并輸出

12、表示被測量值的區(qū)間中值或相應(yīng)的區(qū)間符號。組合模糊判決器將多個被測量符號進(jìn)行組合判決，并依模糊判據(jù)給出最終測量結(jié)果。圖4 模糊傳感器功能結(jié)構(gòu)模糊傳感器廣泛應(yīng)用于模糊控制和多因素綜合結(jié)果評價等場合，具有速度快，設(shè)備簡單、成本低、可靠性高等優(yōu)點，基于溫濕度的環(huán)境舒適度模糊傳感器應(yīng)用較為廣泛。圖5 基于溫濕度的環(huán)境舒適度模糊傳感器原理圖2.5 智能傳感器智能傳感器概念最早由美國宇航局在研發(fā)宇宙飛船過程中提出來，并于1979年形成產(chǎn)品。宇宙飛船上需要大量的傳感器不斷向地面或飛船上的處理器發(fā)送溫度、位置、速度和姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息，即便使用一臺大型計算機也很難同時處理如此龐大的數(shù)據(jù)。何況飛船又限制計算機體積和重

13、量，于是引入了分布處理的智能傳感器概念。其思想是賦于傳感器智能處理功能，以分擔(dān)中央處理器集中處理功能。同時，為了減少智能處理器數(shù)量，通常不是一個傳感器而是多個傳感器系統(tǒng)配備一個處理器，且該系統(tǒng)處理器配備網(wǎng)絡(luò)接口。目前，智能傳感器尚沒有標(biāo)準(zhǔn)化的科學(xué)定義。歸納諸多學(xué)者的觀點，筆者認(rèn)為應(yīng)模仿人的感官和大腦功能來定義智能傳感器。本質(zhì)上，它應(yīng)定義為基于人工智能理論，利用微處理器實現(xiàn)智能處理功能的傳感器。智能傳感器不僅具有視覺、觸覺、聽覺、嗅覺、味覺功能，且應(yīng)具有記憶、學(xué)習(xí)、思維、推理和判斷等“大腦”能力。前者由傳統(tǒng)的傳感器來完成。此處的傳統(tǒng)傳感器的功能結(jié)構(gòu)包括敏感元件、調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，敏

14、感元件將描述客觀對象與環(huán)境狀態(tài)或特性的物理量轉(zhuǎn)換成電路元件參量或狀態(tài)參量，調(diào)理電路將電路參量轉(zhuǎn)換成電壓信號并進(jìn)行歸一化處理以滿足ADC動態(tài)范圍。智能處理器應(yīng)對ADC輸出的數(shù)字信號進(jìn)行智能處理，主要智能處理功能如下:1)自補償功能根據(jù)給定的傳統(tǒng)傳感器和環(huán)境條件的先驗知識，處理器利用數(shù)字計算方法，自動補償傳統(tǒng)傳感器硬件線性、非線性和漂移以及環(huán)境影響因素引起的信號失真，以最佳地恢復(fù)被測信號。計算方法用軟件實現(xiàn)，達(dá)到軟件補償硬件缺陷的目的。2)自計算和處理功能根據(jù)給定的間接測量和組合測量數(shù)學(xué)模型，智能處理器利用補償?shù)臄?shù)據(jù)可計算出不能直接測量的物理量數(shù)值。利用給定的統(tǒng)計模型可計算被測對象總體的統(tǒng)計特性和

15、參數(shù)。利用已知的電子數(shù)據(jù)表，處理器可重新標(biāo)定傳感器特性。3)自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)功能傳感器通過對被測量樣本值學(xué)習(xí)，處理器利用近似公式和迭代算法可認(rèn)知新的被測量值，即有再學(xué)習(xí)能力。同時，通過對被測量和影響量的學(xué)習(xí)，處理器利用判斷準(zhǔn)則自適應(yīng)地重構(gòu)結(jié)構(gòu)和重置參數(shù)。例如，自選量程，自選通道、自動觸發(fā)、自動濾波切換和自動溫度補償?shù)取?)自診斷功能因內(nèi)部和外部因素影響，傳感器性能會下降或失效，分別稱為軟、硬故障。處理器利用補償后的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過電子故障字典或有關(guān)算法可預(yù)測、檢測和定位故障。5)其它的常用功能包括用于數(shù)據(jù)交換通信接口功能，數(shù)字和模擬輸出功能及使用備用電源的斷電保護(hù)功能等。根據(jù)上述的功能分析，智能傳

16、感器的一般功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖中沒有標(biāo)出影響量的傳感器功能模塊。圖6 智能傳感器的一般功能結(jié)構(gòu)圖智能傳感器的實現(xiàn)方式有3種：1)模塊化集成方式。將敏感元件、調(diào)理電路和微處理器都做成帶標(biāo)準(zhǔn)接口的模塊，將模塊集成并配備有關(guān)的智能處理軟件。這種方式最經(jīng)濟(jì)、最快速。2)單芯片集成方式。利用微電子微機械加工技術(shù)將智能傳感器的硬件集成在一個芯片上。這種方式使智能傳感器達(dá)到微型化、結(jié)構(gòu)一體化，從而提高了精度、穩(wěn)定性和可靠性。若敏感元件構(gòu)成陣列并配備相應(yīng)的圖像處理軟件，可實現(xiàn)二維和三維圖形圖像傳感器，這種智能傳感器達(dá)到了它的最高級形式。3)多芯片集成方式。根據(jù)需要和可能，將系統(tǒng)的各功能部件或模塊(如敏感、調(diào)理、處理和接口)分別集成在2個或多個芯片上，并將芯片以不同方式組合在一個基片上，并封裝在一個外殼里。多芯片集成適合更復(fù)雜系統(tǒng)集成，或?qū)o定的系統(tǒng)可降低集成工藝設(shè)備要求。實際應(yīng)用較為普遍的智能溫度傳感器結(jié)構(gòu)功能見下圖7所示：圖7 智能溫度傳感器結(jié)構(gòu)功能框圖結(jié)語雖然傳感器有很長的發(fā)展歷史，然而在相當(dāng)長的時間里，傳感器技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中處于一種從屬地位。作為信息獲取的關(guān)鍵部件傳感器技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)落后于其他信息技術(shù)，成為了現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的瓶頸。目前，傳感器