無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介 傳感器傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能。網(wǎng)絡(luò)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(shù)和計算機技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱它與通信技術(shù)和計算機技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。 無線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（傳感器網(wǎng)絡(luò)（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(gòu)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(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息域內(nèi)被感知對象的信息，并，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)

2、的所最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者有者。 無線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測包傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為現(xiàn)象。潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為: 軍事、航空、防爆、救災(zāi)、軍事、航空、防爆、救災(zāi)、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(lǐng)域領(lǐng)域。簡介簡介傳感器傳感器技術(shù)技術(shù)計算機技術(shù)計算機技術(shù)通通 信信

3、 技技 術(shù)術(shù)感感 官官大大 腦腦神神 經(jīng)經(jīng)現(xiàn)代信息技術(shù)現(xiàn)代信息技術(shù)信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)年商業(yè)周刊將傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shù)之一項技術(shù)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換 處理器模塊：控制、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(wǎng)絡(luò)：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(wǎng)絡(luò)：不確定性；拓撲結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)：適應(yīng)環(huán)境條件；魯棒性、容錯性 應(yīng)用相關(guān)：沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺 以數(shù)據(jù)為中心WSN應(yīng)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(yīng)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(yīng)用（民用）WSN應(yīng)用（民用）WSN應(yīng)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W(wǎng)SN應(yīng)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(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)微型感應(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)核武器和生化武器核武器和生化武器WSN應(yīng)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(wǎng)絡(luò)機外傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN關(guān)鍵技術(shù)n通信能力有限通信能力有限n節(jié)點帶寬窄，而且經(jīng)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(zhì)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(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，發(fā)現(xiàn)最小化算法通信復(fù)雜性的機理是我們面臨的第一個挑戰(zhàn)問題！WSN關(guān)鍵技術(shù)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(biāo)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(fù)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(guān)鍵技術(shù)n計算能力有限計算能力有限n傳感器網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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(shè)計能源有效的高性能分布式算法? 設(shè)計同時最小化能源、時間、空間和通信復(fù)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(wǎng)絡(luò)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(nèi)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(nèi)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(nèi)和室外節(jié)點間信息的傳輸，也可以獲知室內(nèi)信息，從而非法獲取出房屋主人的生活習(xí)慣等私密信息。挑戰(zhàn)之四如何使傳感器網(wǎng)絡(luò)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(guān)鍵技術(shù)WSN關(guān)鍵技術(shù)n其他關(guān)鍵技術(shù)其他關(guān)鍵技術(shù)n嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)n低

9、功耗技術(shù)n多跳自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議n數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)管理技術(shù)WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧nWSN協(xié)議棧多采用五層協(xié)議：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。與以太網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應(yīng)。另外，協(xié)議棧還應(yīng)包括能量管理器、拓撲管理器和任務(wù)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(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)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(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)；n數(shù)據(jù)鏈路層：負責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制；n網(wǎng)絡(luò)層：主要負責(zé)路由生成與路由選擇；n傳輸層：負責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分；n應(yīng)用層：包括一

10、系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)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(wù)管理器：在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務(wù)。WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧WSN相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有：相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有：IEEE 802.15.4, 屬于物理層和MAC層標(biāo)準(zhǔn)，由于IEEE組織在無線領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)。Zigbee, 該標(biāo)準(zhǔn)在IEEE 802.15.4之上，重點制定網(wǎng)絡(luò)層、安全層、應(yīng)用層的標(biāo)

11、準(zhǔn)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(yīng)用的規(guī)范，如智能家居、智能電網(wǎng)、消費類電子等領(lǐng)域，旨在實現(xiàn)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使得不同廠家生產(chǎn)的設(shè)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(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)SEP 2.0已經(jīng)采用新的基于IPv6的6Lowpan規(guī)范，隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，Zigbee將逐漸被IPv6/6Lowpan標(biāo)準(zhǔn)所取代。與zigbee類似的標(biāo)準(zhǔn)還有z-wave、ANT、Enocean等，相互之間不兼容，不利于產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)準(zhǔn)。WIA-PA, 中國科學(xué)院沈陽自動化所參與制定的工業(yè)無線國際標(biāo)準(zhǔn)。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(wǎng)絡(luò)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(quán)用戶泄露信息的內(nèi)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(nèi)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(diào)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(fù)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(wǎng)絡(luò)能夠隨時按預(yù)先設(shè)定的工作方式向系統(tǒng)的合法用戶提供信息訪問服務(wù)，但攻擊者可以通過偽造和信號干擾等方式使傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wù)(Denial of Service, DoS)攻擊。魯棒性魯棒性無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強的動態(tài)性和不確定性，包括網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)對各種安全攻擊應(yīng)具有較強的適應(yīng)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?qū)υL問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶身份進行確認，確保其合法性。WSN研究進展 軍事領(lǐng)域軍事領(lǐng)域 美國陸軍的研究計劃 “靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)通信” （20012005，通用通信基礎(chǔ)設(shè)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”（戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略級的傳感器信息管理） “網(wǎng)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