摘要

通過(guò)本文可了解傳感器的分類(lèi)，以及無(wú)線(xiàn)傳感器的原理，這對于理解AGV等機器人的工作原理會(huì )帶來(lái)較大幫助，譬如人體仿真機器人，機器與人運動(dòng)協(xié)同模式。

背景

因為超大規模集成電路 (VLSI) 以及微機電系統科技 (MEMS technology) 等硬件基礎以及radio frequency (RF) 技術(shù)的進(jìn)步，使得傳感器的發(fā)展越來(lái)越快

傳感器具有的優(yōu)勢：

1.可以放置在任何環(huán)境：任何時(shí)間都可以工作，并且不需要太多的人力來(lái)進(jìn)行管理。

2.具有更好的容錯能力：局部出現故障仍然能較好的完成工作。

3.獲取的數據更精確：通過(guò)多個(gè)傳感器獲取的信息更加可靠準確。

4.成本低以及容易部署。

根據8月份國外媒體最新的報道，目前全球傳感器大約有2.6萬(wàn)余種類(lèi)型。隨著(zhù)人工智能技術(shù)的發(fā)展，傳感器應用也正在不斷普及，同時(shí)高端傳感器的需求也持續提升。2018 年，《麻省理工科技評論》全球十大突破性技術(shù)榜單中將"傳感城市"(Sensing city)列入其中，這揭示了今后幾年傳感器技術(shù)的發(fā)展潮流。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的組成和結構

常見(jiàn)傳感器的分類(lèi)

傳感器在現實(shí)生活中隨處可見(jiàn)，如各種可穿戴設備、無(wú)線(xiàn)通信設備、智能控制設備等，很多常用的電子器件一般包含多種傳感器，比如一些高端手機已經(jīng)集成了超過(guò)15種傳感器，而且這一數字還會(huì )增加，一輛普通家用轎車(chē)上大約會(huì )安裝幾十到近百只傳感器，豪華轎車(chē)傳感器的數量可多達200余只，種類(lèi)達幾十種。

按功能可以將傳感器劃分為：電傳感器、磁傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、流量傳感器、流速傳感器、溫度傳感器、光傳感器、射線(xiàn)傳感器、分析傳感器、仿生傳感器、氣體傳感器、離子傳感器等．

一些新型傳感器：紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器、溫濕度傳感器、紫外線(xiàn)傳感器、機器人傳感器、智能傳感器、數字傳感器。

無(wú)線(xiàn)傳感器的組成

傳感器最初是從有線(xiàn)傳感器發(fā)展到今天的無(wú)線(xiàn)傳感器，無(wú)線(xiàn)傳感器是傳感器中非常常見(jiàn)的一類(lèi)。

雖然無(wú)線(xiàn)傳感器的種類(lèi)也非常多，但是它們絕大部分都包含以下模塊：

1.感知模塊：主要由熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線(xiàn)敏感元件、色敏元件和味敏元件等敏感元件組成，用于記錄被監控目標的一些物理學(xué)參數。

2.信息處理模塊：處理模塊由嵌入式系統構成，用于處理存儲感知模塊采集的數據以及其他節點(diǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的數據，并負責協(xié)調傳感器節點(diǎn)各部分的工作，處理模塊還具有控制電源工作模式的功能，實(shí)現節能。

3.無(wú)線(xiàn)通信模塊：(傳統有線(xiàn)傳感器和無(wú)線(xiàn)傳感器的最本質(zhì)區別)無(wú)線(xiàn)通信模塊的基本功能是將處理器輸出的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道以及傳輸網(wǎng)絡(luò )傳送給其他節點(diǎn)。

4.能量供應模塊：為其他三個(gè)模塊的工作提供能量。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的組成

多個(gè)功能節點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信形成一個(gè)連接的網(wǎng)絡(luò )，這個(gè)網(wǎng)絡(luò )我們稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中主要包含兩類(lèi)節點(diǎn)：

1.傳感器節點(diǎn)：具有感知和通信功能的節點(diǎn)，在傳感器網(wǎng)絡(luò )中負責監控目標區域并獲取數據，以及完成與其他傳感器節點(diǎn)的通信，能夠對數據進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理。

2.Sink節點(diǎn)：又稱(chēng)為基站節點(diǎn)，負責匯總由傳感器節點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數據，并作進(jìn)一步數據融合以及其他操作，最終把處理好的數據上傳至互聯(lián)網(wǎng)。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構

三種常見(jiàn)拓撲結構

1.星型拓撲：具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、成本低；但網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍小，一旦sink節點(diǎn)發(fā)生故障，所有與sink節點(diǎn)連接的傳感器節點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò )中心的通信都將中斷。星形拓撲結構組網(wǎng)時(shí)，電池的使用壽命較長(cháng)。

2.網(wǎng)狀拓撲：具有組網(wǎng)可靠性高、覆蓋范圍大的優(yōu)點(diǎn)，但電池使用壽命短、管理復雜。

3.樹(shù)狀拓撲：具有星形和網(wǎng)狀拓撲的一些特點(diǎn)，既保證了網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍大，同時(shí)又不至于電池使用壽命過(guò)短，更加靈活、高效。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用領(lǐng)域

無(wú)線(xiàn)傳感器在生產(chǎn)和生活中處處可見(jiàn)，總結起來(lái)主要在以下八大領(lǐng)域應用廣泛[3]：

1、軍事領(lǐng)域的應用

在軍事領(lǐng)域，由于WSN具有密集型、隨機分布的特點(diǎn)，使其非常適合應用于惡劣的戰場(chǎng)環(huán)境。利用WSN能夠實(shí)現監測敵軍區域內的兵力和裝備、實(shí)時(shí)監視戰場(chǎng)狀況、定位目標、監測核攻擊或者生物化學(xué)攻擊等。

2、輔助農業(yè)生產(chǎn)

WSN特別適用于以下方面的生產(chǎn)和科學(xué)研究。例如，大棚種植室內及土壤的溫度、濕度、光照監測、珍貴經(jīng)濟作物生長(cháng)規律分析、葡萄優(yōu)質(zhì)育種和生產(chǎn)等，可為農村發(fā)展與農民增收帶來(lái)極大的幫助。采用WSN建設農業(yè)環(huán)境自動(dòng)監測系統，用一套網(wǎng)絡(luò )設備完成風(fēng)、光、水、電、熱和農藥等的數據采集和環(huán)境控制，可有效提高農業(yè)集約化生產(chǎn)程度，提高農業(yè)生產(chǎn)種植的科學(xué)性。

3、在生態(tài)環(huán)境監測和預報中的應用

在環(huán)境監測和預報方面，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可用于監視農作物灌溉情況、土壤空氣情況、家畜和家禽的環(huán)境和遷移狀況、無(wú)線(xiàn)土壤生態(tài)學(xué)、大面積的地表監測等，可用于行星探測、氣象和地理研究、洪水監測等?；跓o(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，可以通過(guò)數種傳感器來(lái)監測降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預測山洪爆發(fā)描述生態(tài)多樣性，從而進(jìn)行動(dòng)物棲息地生態(tài)監測。還可以通過(guò)跟蹤鳥(niǎo)類(lèi)、小型動(dòng)物和昆蟲(chóng)進(jìn)行種群復雜度的研究等。

4、基礎設施狀態(tài)監測系統

WSN技術(shù)對于大型工程的安全施工以及建筑物安全狀況的監測有積極的幫助作用。通過(guò)布置傳感器節點(diǎn)，可以及時(shí)準確地觀(guān)察大樓、橋梁和其他建筑物的狀況，及時(shí)發(fā)現險情，及時(shí)進(jìn)行維修，避免造成嚴重后果。

5、工業(yè)領(lǐng)域的應用

在工業(yè)安全方面，傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)可用于危險的工作環(huán)境，例如在煤礦、石油鉆井、核電廠(chǎng)和組裝線(xiàn)布置傳感器節點(diǎn)，可以隨時(shí)監測工作環(huán)境的安全狀況，為工作人員的安全提供保證。另外，傳感器節點(diǎn)還可以代替部分工作人員到危險的環(huán)境中執行任務(wù)，不僅降低了危險程度，還提高了對險情的反應精度和速度。

6、在智能交通中保障安全暢通

智能交通系統主要包括交通信息的采集、交通信息的傳輸、交通控制和誘導等幾個(gè)方面。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可以為智能交通系統的信息采集和傳輸提供一種有效手段，用來(lái)監測道路各個(gè)方向的車(chē)流量、車(chē)速等信息。并運用計算方法計算出最佳方案，同時(shí)輸出控制信號給執行子系統，以引導和控制車(chē)輛的通行，從而達到預設的目標。

7、在醫療系統和健康護理中的應用

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)通過(guò)連續監測提供豐富的背景資料并做預警響應，不僅有望解決這一問(wèn)題還可大大提高醫療的質(zhì)量和效率。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)集合了微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現代網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)通信和分布式信息處理等技術(shù)，能夠通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器協(xié)同完成對各種環(huán)境或監測對象的信息的實(shí)時(shí)監測、感知和采集。

8、在智能家居中應用

在家電中嵌入傳感器結點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，利用遠程監控系統可實(shí)現對家電的遠程遙控，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )使住戶(hù)可以在任何可以上網(wǎng)的地方通過(guò)瀏覽器監控家中的水表、電表、煤氣表、電器熱水器、空調、電飯煲等，安防系統煤氣泄露報警系統、外人侵入預警系統等。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )基本特點(diǎn)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有以下特點(diǎn)

1.自組織方式組網(wǎng)：組網(wǎng)不依賴(lài)任何固定的網(wǎng)絡(luò )設施，傳感器節點(diǎn)通過(guò)分布式網(wǎng)絡(luò )協(xié)議形成自組織網(wǎng)絡(luò )，能夠自動(dòng)調整來(lái)適應節點(diǎn)的移動(dòng)、加入和退出。因為傳感器的維護成本很高，所以需要具備自我管理能力 (self-managed, including self-organizing, self-healing, self-optimizing, self-protecting, self-sustaining, self-diagnostic) 。

2.無(wú)中心結構：網(wǎng)絡(luò )中所有傳感器節點(diǎn)地位對等，并構成一個(gè)對等式網(wǎng)絡(luò )。節點(diǎn)可以隨時(shí)加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )中部分節點(diǎn)發(fā)生故障不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的運行。

3.網(wǎng)絡(luò )有動(dòng)態(tài)拓撲：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)可能由于電池能量耗盡或者故障而從網(wǎng)絡(luò )中退出，也可能是按照某種設定的程序從網(wǎng)絡(luò )中退出（比如說(shuō)休眠）；網(wǎng)絡(luò )外的節點(diǎn)可隨時(shí)加入網(wǎng)絡(luò )中。

4.采用多跳路由通信：覆蓋同樣大小的區域單跳路由消耗的能量遠遠超過(guò)了多跳路由，所以絕大部分傳感器網(wǎng)絡(luò )采用多跳路由，不過(guò)多跳路由也會(huì )導致數據傳輸出現延遲、復雜的路由計算等新問(wèn)題產(chǎn)生。

5.高冗余：由于大型的傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)數量眾多，傳感器節點(diǎn)之間距離不能太大，所以采集的數據具有冗余特性。

6.硬件資源及功能有限：無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)由于受價(jià)格、體積和攜載能源的限制，其計算能力、數據處理能力、存儲空間有限，決定了在節點(diǎn)操作系統的設計中，協(xié)議層次內容不能過(guò)于復雜。

7.電源續航能力較?。壕W(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)有電池供電，電池續航能力小，在許多應用場(chǎng)景中無(wú)法更換電池。傳感器節點(diǎn)電能用完，該節點(diǎn)就失去了作用，所以在設計傳感器網(wǎng)絡(luò )時(shí)需要考慮節能。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計的目標

目標一：提高性能

對傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)什么是性能？有很多指標可以用來(lái)評估傳感器網(wǎng)絡(luò )的性能情況，其中主要有：

1.Energy efficiency/system lifetime（能源效率/系統生命周期）：傳感器是電池驅動(dòng)的，因此能源是一種非常稀缺的資源，為了延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的壽命，必須明智地管理能源^[1]。

2.Latency（延遲）：許多傳感器應用程序需要低延遲才能保證服務(wù)，所以協(xié)議必須確保感知到的數據將在一定的延遲內交付給用戶(hù)。

3.Fault tolerance（容錯）：傳感器和鏈路故障的魯棒性必須要通過(guò)冗余和協(xié)同處理以及通信來(lái)實(shí)現。

4.Scalability（可擴展性）：由于傳感器網(wǎng)絡(luò )可能包含數千個(gè)節點(diǎn)，因此可伸縮性是一個(gè)關(guān)鍵因素，它保證了網(wǎng)絡(luò )性能不會(huì )隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )大小(或節點(diǎn)密度)的增加而顯著(zhù)下降。

5.Transport capacity/throughput（通信能力/吞吐量）：由于大多數傳感器數據必須傳送到單個(gè)基站或融合中心，因此傳感器網(wǎng)絡(luò )中存在一個(gè)關(guān)鍵區域（或者節點(diǎn)），這些區域必須中繼網(wǎng)絡(luò )中幾乎所有節點(diǎn)生成的數據。因此，即使在平均通信率較低的情況下，這些關(guān)鍵節點(diǎn)上的通信量也很大。顯然，這一領(lǐng)域對系統生命周期、數據包的端到端延遲和可伸縮性有至關(guān)重要的影響。

目標二：節約能源

哪些設計和措施可以節約能源？

1.進(jìn)行數據壓縮，以減少要傳輸的數據包數量：因為對傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，絕大部分能量消耗在無(wú)線(xiàn)通信模塊，數據包傳輸前進(jìn)行壓縮可以大大減少通信過(guò)程中的能量消耗。

2.去除中心化，利用分布式處理數據的方法：因為傳感器上傳給中心節點(diǎn)的數據存在大量冗余信息，如果將所有的計算都集中在中心節點(diǎn)，將給中心節點(diǎn)帶來(lái)較大負荷以及不必要的能源浪費，可以考慮將一部分計算任務(wù)分配給傳感器節點(diǎn)。

3.引入傳感器睡眠機制減少電量消耗：為了防止傳感器節點(diǎn)在接收意外數據包時(shí)浪費能量，可以考慮睡眠機制。例如，通過(guò)協(xié)調策略來(lái)決定哪些節點(diǎn)應該進(jìn)入休眠狀態(tài)。

4.路由策略：最簡(jiǎn)單的節能路由協(xié)議是最少能量路由，即尋找一條能耗最低的路由，通過(guò)它傳送數據。但這樣未必能延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的生存時(shí)間，因為某些處于關(guān)鍵位置的節點(diǎn)可能被過(guò)度使用而導致電源過(guò)早耗盡。最大最小路由更多的考慮了電池的剩余電量，而最少能量路由考慮的是某次通信需要消耗的電量，一個(gè)很自然的改進(jìn)思路是可以將兩種方法結合起來(lái)，定義一個(gè)電源開(kāi)銷(xiāo)函數，綜合考慮兩種策略。

5.拓撲管理：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )部署中，節點(diǎn)密度都比較高，因為提高節點(diǎn)密度可以提高結果的精確度，但如果系統生存時(shí)間更重要的話(huà)，就可以對網(wǎng)絡(luò )拓撲進(jìn)行管理。如果硬件支持可變發(fā)射功率的話(huà)，采用低的發(fā)射功率也能夠降低網(wǎng)絡(luò )電源開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)緩解共享空間信道的競爭，提高網(wǎng)絡(luò )容量。

目標三：保證安全

導致無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )不安全的原因^[2]：

1.資源非常有限：有限的內存和存儲空間、能量有限、計算能力有限等，這些局限性使得一些較成熟的安全方法無(wú)法在傳感器網(wǎng)絡(luò )上實(shí)行。

2.不可靠的通信：信道的暴露使得數據包在傳輸過(guò)程不可靠，而且傳輸過(guò)程容易發(fā)生數據包沖突、延遲等問(wèn)題。

3.無(wú)人管理：傳感器網(wǎng)絡(luò )在野外無(wú)人區域容易遭受物理攻擊，此外通過(guò)遠程管理方式無(wú)法檢測到物理篡改等。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )安全的要求：

1.數據機密性：傳感器節點(diǎn)不能向鄰居節點(diǎn)泄露敏感參數；通信的信道必須保證安全可靠；加密的算法要安全可靠。

2.數據完整性：因為在通信過(guò)程中，篡改數據包會(huì )導致惡劣的通信環(huán)境，所以需要保證數據包在發(fā)送過(guò)程中難以被篡改。

3.數據的新鮮性：數據包要保證是最新的，防止舊消息被重播。

4.可用性：一些傳統的安全算法需要在修改后才能應用在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，其中一些算法在應用時(shí)也會(huì )帶來(lái)更多的開(kāi)銷(xiāo)等問(wèn)題，導致這些算法在實(shí)際中不實(shí)用。

5.身份認證：因為攻擊者不僅能篡改數據包還可能注入附加數據包，所以需要確保數據的來(lái)源正確，需要對數據的來(lái)源進(jìn)行驗證。

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無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中主要應用到以下關(guān)鍵技術(shù)^[4]：

一、網(wǎng)絡(luò )自組織連接技術(shù)

也稱(chēng)為拓撲控制技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò )的自組織組網(wǎng)和連接是指在滿(mǎn)足區域覆蓋度和連通度的條件下，通過(guò)節點(diǎn)發(fā)送功率的控制和網(wǎng)絡(luò )關(guān)鍵節點(diǎn)的選擇，構建鄰居鏈路，形成一個(gè)高效的網(wǎng)絡(luò )連接拓撲結構，以提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的工作效率，延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的生命周期。自組織控制分為節點(diǎn)功率控制和層次拓撲控制兩個(gè)方面。

1.節點(diǎn)功率控制：在滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )連通度的條件下，盡可能減少發(fā)射功率。相關(guān)研究成果有：基于節點(diǎn)度數進(jìn)行功率控制（提出了LMA算法）、基于鄰近圖進(jìn)行功率控制（提出了DRNG、DLMST算法）；

2.層次拓撲控制：采用分簇機制實(shí)現，在網(wǎng)絡(luò )中選擇少數關(guān)鍵節點(diǎn)作為簇首，由簇首節點(diǎn)實(shí)現全網(wǎng)的數據轉發(fā)，簇成員節點(diǎn)可以暫時(shí)關(guān)閉通信模塊，進(jìn)入睡眠狀態(tài)。相關(guān)研究成果有：提出了LEACH、TopDisc、GAF算法。

當前國內外對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的拓撲控制取得了很多成果，許多新的算法被提出，其中一些拓撲控制算法不僅僅在理論體系較為完備，并且在實(shí)際工程中得到了應用。還有一些拓撲控制算法通過(guò)計算機仿真，效果良好，但是大部分算法還處于理論研究階段。在研究特點(diǎn)上，出現了同時(shí)使用多種方式、多種算法的結合形成傳感器網(wǎng)絡(luò )的拓撲控制機制。拓撲控制還面臨著(zhù)一些重要的關(guān)鍵性問(wèn)題，如對于大規模的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，拓撲控制算法如果沒(méi)有較快收斂速度，工程上的實(shí)用性就會(huì )不強；面對動(dòng)態(tài)拓撲結構如何自適應控制等。

二、網(wǎng)絡(luò )覆蓋控制技術(shù)

為了保證無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )監測的有效性，通常要求監測范圍內的每一點(diǎn)都至少處于一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的監測范圍以?xún)?；為使無(wú)線(xiàn)傳感器能夠完成對給定區域進(jìn)行特定的監測任務(wù)，必須要進(jìn)行覆蓋控制。目前國內外學(xué)者研究的覆蓋問(wèn)題主要包括分為以下幾類(lèi)^[5]：

1.區域/空間覆蓋：所有傳感器的監測范圍需要覆蓋整個(gè)監測區域。研究者將原問(wèn)題轉化為SET K-COVER問(wèn)題，提出了MCCH、PEAS算法；

2.點(diǎn)覆蓋：所有傳感器的監測范圍需要覆蓋整個(gè)監測區域內一些指定監測點(diǎn)。點(diǎn)覆蓋問(wèn)題比空間覆蓋問(wèn)題簡(jiǎn)單，當監測節點(diǎn)密度很大時(shí)，可以近似認為整個(gè)區域需要被覆蓋，從而轉化為區域覆蓋問(wèn)題。

3.柵欄覆蓋：覆蓋區域為帶狀，應用場(chǎng)景是：當入侵者從部署區域穿過(guò)時(shí)能夠被傳感器檢測到，如非法偷渡人員的檢測。

4.信息覆蓋：不考慮物理區域的覆蓋，而是直接關(guān)注區域中信息的捕獲情況。這種覆蓋定義通常使用一個(gè)概率感知模型或者其他更復雜的感知模型（如基于信息融合理論的感知模型）。當區域中任何一點(diǎn)上的信息能以高概率（大于某個(gè)閾值）被無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )所捕獲時(shí)，那么整個(gè)區域是信息覆蓋的。

覆蓋問(wèn)題關(guān)注傳感器對監測區域信息的感知質(zhì)量，它是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計的首要問(wèn)題，也是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中最基本、最重要問(wèn)題之一，并且一直是熱點(diǎn)問(wèn)題。

三、網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)

因為傳感器節點(diǎn)傳輸信息時(shí)，比執行計算時(shí)更消耗能量，傳輸1比特信息100m距離需要的能量相當于執行3000條計算指令消耗的能量，所以需要對無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)行控制；另外，無(wú)線(xiàn)通信信息在發(fā)送過(guò)程中容易受到外界干擾，所以無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )需要抗干擾的通信技術(shù)。目前有以下無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)：

1.藍牙技術(shù)：藍牙技術(shù)是一種短距離微功耗的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，具有較強的抗干擾能力，成本低而且在各種設備中都可以使用，不過(guò)存在通信距離較短的缺點(diǎn)（一般為10m左右）。

2.Wi-Fi技術(shù)：也稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)通信技術(shù)，具有可移動(dòng)性強，安裝靈活、便于維護、能快速方便地實(shí)現網(wǎng)絡(luò )連通等優(yōu)點(diǎn)，常見(jiàn)的如IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g。

3.超寬頻技術(shù)：簡(jiǎn)稱(chēng)UWB，超寬頻技術(shù)最初主要應用于高精度雷達和隱秘通信領(lǐng)域，UWB技術(shù)是一種在寬頻帶基礎上，通過(guò)脈沖信號高速傳輸數據的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，具有發(fā)射距離短、發(fā)射功率低、成本低等特點(diǎn)。

4.近短距無(wú)線(xiàn)傳輸：代表有NFC技術(shù)。

5.ZigBee技術(shù)：ZigBee主要應用于短距離范圍、數據傳輸率不高的各種電子設備，傳輸速率低、成本比較低等特點(diǎn)，適合一些簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )，ZigBee比一些常見(jiàn)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)更加安全可靠。

幾種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的比較

四、定位技術(shù)

網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)定位是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用的基礎，傳感器節點(diǎn)須明確自身位置才能為用戶(hù)提供有用的信息，實(shí)現對目標的定位和追蹤。另一方面，了解傳感器節點(diǎn)的位置信息還能提高路由效率、報告網(wǎng)絡(luò )的覆蓋質(zhì)量，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的負載均衡等。在一些應用場(chǎng)合中，傳感器節點(diǎn)被隨機地撒布在特定的區域，事前無(wú)法知曉這些傳感器的位置，部署完成后需要通過(guò)一些定位技術(shù)來(lái)準確地獲取其位置信息?，F有的研究工作主要是根據以下三種物理參數來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的定位^[6]：

1.Received signal strength (RSS)：基于接收信號強度的計算方法，電磁波的功率與傳輸功率成正比，與到源距離的平方成反比。根據這一物理定律，通過(guò)不同路徑到達接收設備的信號強度是估計距離和位置的基礎。

2.Time of flight (TOF)：基于飛行時(shí)間的計算方法，發(fā)射器和接收器之間的距離等于發(fā)射信號的飛行時(shí)間或電磁傳播時(shí)間乘以傳播速度，即光速。當傳輸時(shí)間已知時(shí)，距離可以通過(guò)測量接收器處的信號到達時(shí)間（TOA）來(lái)確定，或者根據不同位置的接收時(shí)間差異來(lái)確定距離。

3.Angle of arrival (AOA)：基于入射角的計算方法，根據電磁波的到達角（AOA）或到達方向（DOA）來(lái)確定傳感器的位置。

此外，還可以利用GPS系統來(lái)實(shí)現傳感器節點(diǎn)的高精度定位，不過(guò)這種方法成本較高。

五、網(wǎng)絡(luò )安全技術(shù)

前面已經(jīng)介紹無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的安全隱患主要來(lái)源于三個(gè)方面：資源非常有限、不可靠的通信以及無(wú)人管理。這些特點(diǎn)使得傳感器網(wǎng)絡(luò )容易遭受各種攻擊，按照攻擊的方式可以劃分為：

1.擁塞攻擊（Congestion attack）：無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境是一個(gè)開(kāi)放環(huán)境，如果該環(huán)境中的兩個(gè)設備節點(diǎn)發(fā)送的信號使用同樣或相近的頻率，則彼此間會(huì )產(chǎn)生強烈的干擾，導致都不能正常通信。當攻擊者使用一定的設備在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )工作的頻段上不斷發(fā)送干擾信號，則在干擾設備的通信覆蓋范圍內的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)都不能正常工作。如果攻擊范圍足夠大還可能導致整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )癱瘓。
防御策略：使用寬頻和跳頻通信，被攻擊的節點(diǎn)在檢測到所在空間遭受攻擊以后，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)將通過(guò)統一的策略跳轉到另一個(gè)頻率進(jìn)行通信。

2.碰撞攻擊（Collision Attack）：惡意節點(diǎn)可以像傳感器網(wǎng)絡(luò )的合法節點(diǎn)一樣參與發(fā)送數據，惡意節點(diǎn)發(fā)送的數據包如果和合法節點(diǎn)發(fā)送的數據包中有一個(gè)字節的數據在傳輸過(guò)程中發(fā)生了沖突，那么整個(gè)數據包就會(huì )被丟棄。
防御策略：針對碰撞攻擊可以使用糾錯碼，可以更正沖突引起的數據包的錯位。使用信道監聽(tīng)機制，節點(diǎn)在發(fā)送數據前，首先對信道進(jìn)行一個(gè)隨機監聽(tīng)，在預測信道空閑的時(shí)間區段發(fā)送數據，可以降低沖突發(fā)生的概率。

3.能量耗盡攻擊（Energy exhaustion attack）：利用一些鏈路層協(xié)議中有錯包重傳機制，惡意節點(diǎn)通過(guò)不斷制造沖突，導致節點(diǎn)不斷重復發(fā)送上一數據包，最終耗盡傳感器節點(diǎn)的能量。
防御策略：對一個(gè)節點(diǎn)重傳信息次數設置一個(gè)門(mén)限值，如果重傳次數超過(guò)門(mén)限值，節點(diǎn)將判定自己受到攻擊并自動(dòng)轉換到休眠模式。

4.女巫攻擊（Sybil attack）：無(wú)線(xiàn)傳感器中，女巫攻擊者可以捏造出很多身份對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行攻擊。很多無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC協(xié)議通過(guò)投票方式從一系列可能的通信鏈路中選擇最佳的傳輸鏈路，女巫攻擊者可以利用偽造的身份來(lái)填滿(mǎn)投票箱，來(lái)誤導投票結果。
防御策略：無(wú)線(xiàn)電資源測試是對抗女巫攻擊的一個(gè)有效方法。節點(diǎn)為它的每一個(gè)鄰居節點(diǎn)分配一個(gè)信道廣播測試信息，節點(diǎn)通過(guò)對信道的監聽(tīng)找出非法節點(diǎn)。另一個(gè)防御Sybil攻擊的技巧是使用隨機密鑰預先分配技術(shù)，限定有限數量密鑰的密匙環(huán)，因為一個(gè)節點(diǎn)隨機生成的身份不會(huì )擁有足夠的鑰匙來(lái)分配，因此無(wú)法在網(wǎng)絡(luò )上通信時(shí)進(jìn)行加密或解密消息。

5.丟棄或貪婪破壞攻擊：通過(guò)一定的技術(shù)手段將一個(gè)或多個(gè)惡意節點(diǎn)偽裝成正常節點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )會(huì )錯誤地將它們當作正常的路由節點(diǎn)來(lái)使用。惡意節點(diǎn)在冒充正常節點(diǎn)轉發(fā)數據時(shí)，會(huì )隨即丟棄一些有用數據包或者將自己偽造的數據包以較高優(yōu)先級發(fā)送，大大增加了網(wǎng)絡(luò )數據收發(fā)的出錯率。
防御策略：使用多徑路由，即使被惡意節點(diǎn)丟棄的數據包也可以采用其他路徑到達目的節點(diǎn)。

6.Sinkhole attack：攻擊者首先對外公布路由經(jīng)過(guò)某個(gè)節點(diǎn)A是低損耗的，引誘某一特定區域內的幾乎所有的傳感器節點(diǎn)將數據轉發(fā)給這個(gè)被俘獲的傳感器節點(diǎn)A，再對所有經(jīng)過(guò)被俘獲節點(diǎn)A的數據包完全不轉發(fā)或者選擇性轉發(fā)，使得正常的路由機制被破壞。
防御策略：采用通信認證和多路徑路由等方式可以有效地抵御Sinkhole attack。

7.蟲(chóng)洞攻擊（Wormhole attack）：傳感器網(wǎng)絡(luò )中混入一些惡意節點(diǎn)，某個(gè)正常節點(diǎn)A向其他節點(diǎn)廣播路由請求數據包，惡意節點(diǎn)B收到A廣播的請求后，它將A的廣播請求向自己的鄰居節點(diǎn)重放，收到惡意節點(diǎn)重放的正常節點(diǎn)C會(huì )誤認為自己在A(yíng)節點(diǎn)的廣播范圍內，即使C節點(diǎn)離A節點(diǎn)還有幾跳距離，也會(huì )誤將A節點(diǎn)作為自己的父節點(diǎn)，造成網(wǎng)絡(luò )路由混亂。
防御策略：在選擇路由時(shí)檢查雙向連接可以防御蟲(chóng)洞攻擊，此外基于地理位置的路由協(xié)議也可以有效防御蟲(chóng)洞攻擊。

8.拒絕服務(wù)攻擊（Dos attack）：攻擊者通過(guò)欺騙偽裝等手段使提供服務(wù)資源及文件資源的主機出現錯誤或者資源耗盡，從而使被攻擊的主機無(wú)法給正常請求提供服務(wù)。Dos攻擊是最常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò )攻擊方式。

防御策略：

（1）監測網(wǎng)絡(luò )信息流，對異常情況作出及時(shí)響應和分析；

（2）做好節點(diǎn)身份認證，確保是安全節點(diǎn)后才能允許接入傳感器網(wǎng)絡(luò )；

（3）采取安全的路由協(xié)議，路由的組建過(guò)程中有效剔除出錯誤路由信息和惡意節點(diǎn)路由；

（4）經(jīng)常檢測系統配置信息，注意查看安全日志，并作出分析和記錄，可以采用入侵檢測系統來(lái)檢測是否發(fā)生了惡意攻擊行為。

此外，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )受到攻擊按照攻擊的類(lèi)型可以劃分為外部攻擊和內部攻擊。

1.外部攻擊：外部攻擊是指不可靠的無(wú)線(xiàn)信道和無(wú)人值守的操作使得傳感器很容易被入侵。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，數據包在傳輸過(guò)程中常常會(huì )發(fā)生被偽造和篡改等非法操作(Illegal operation)，此外，攻擊者通過(guò)對信道進(jìn)行監聽(tīng)和流量分析，查找傳感器節點(diǎn)存在的漏洞，利用漏洞攻破傳感器節點(diǎn)。
防御策略：外部攻擊可以通過(guò)一些防御方法如密鑰管理^[7,8]、身份認證^[9]等來(lái)對數據的機密性和完整性進(jìn)行識別。

2.內部攻擊：內部攻擊是指攻擊者控制了傳感器網(wǎng)絡(luò )中的一些內部節點(diǎn)，然后采用篡改或者虛假數據注入的方式破壞了這些傳感器內部正常的數據?；诿艽a學(xué)、認證和密鑰管理等防御方法在應對外部攻擊時(shí)是有效的，這類(lèi)方法可以驗證數據的機密性和完整性以及對數據進(jìn)行認證等，然而對于來(lái)自?xún)炔總鞲衅鞴濣c(diǎn)發(fā)起的數據的篡改，如果這些異常數據經(jīng)過(guò)傳感器加密后再傳輸給其他傳感器節點(diǎn)，因為數據的完整性和機密性沒(méi)有被破壞，所以很難被防御方法識別出來(lái)。

防御策略：應用入侵檢測系統來(lái)檢測。

信息安全技術(shù)主要分為兩大類(lèi)：防御和檢測。防御的作用是阻止入侵的發(fā)生，與之相關(guān)的研究主要集中在密鑰管理、身份認證、訪(fǎng)問(wèn)控制、防火墻、隱私問(wèn)題、安全路由協(xié)議等，這類(lèi)方法主要用來(lái)對外部攻擊進(jìn)行檢測和識別。一旦設備被入侵，這些防御手段就會(huì )失效，這時(shí)需要用到對系統內部進(jìn)行檢測的方法，如入侵檢測。防御和檢測是系統的兩道防線(xiàn)。

因為傳感器網(wǎng)絡(luò )數據是通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道進(jìn)行通信的，區別于傳統的有線(xiàn)通信，所以防火墻技術(shù)很難適用于傳感器網(wǎng)絡(luò )，一些基于密碼學(xué)的防御方法需要不小的計算量，對于密集型通信的傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，用這些密碼學(xué)方法對所有通信數據在傳輸過(guò)程中都進(jìn)行加密是不現實(shí)的，安全技術(shù)中入侵檢測技術(shù)則比較靈活，而且是資源友好的，所以非常適合于傳感器網(wǎng)絡(luò )。入侵檢測技術(shù)主要分為兩類(lèi)^[10,11]：Misuse入侵檢測系統(或者基于簽名的入侵檢測系統)和異常檢測系統：

1.Misuse入侵檢測系統：首先專(zhuān)家給一些已知的攻擊行為建立攻擊的簽名庫，然后利用檢測系統對數據進(jìn)行分析和匹配，查看數據中是否存在和簽名庫匹配的攻擊簽名。這種方法雖然能夠快速從數據中鑒別出簽名庫中已知的攻擊行為，但是對于新型的攻擊卻無(wú)法識別。

2.異常檢測系統：異常檢測方法的第一步是建立監測數據的正常剖面，建立正常刨面的方法包括基于規則的方法，統計學(xué)的方法，數據挖掘和機器學(xué)習方法等，然后可以將異常確定為偏離正常剖面的測量值。因此，異常檢測能夠檢測出現在系統中的新型安全攻擊或入侵。不過(guò)，異常檢測方法的問(wèn)題是會(huì )出現高水平的假警報。

六、能量獲取技術(shù)

因為傳感器的電量非常有限，傳感器節點(diǎn)的電量使用完后如果不及時(shí)補充電量，將無(wú)法工作并且退出無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。當前傳感器網(wǎng)絡(luò )補充電量的方式主要有三種方法：更換電池、能量搜集方法和無(wú)線(xiàn)充電方法。

1.更換電池：這種方法需要給傳感器網(wǎng)絡(luò )配備維護人員來(lái)更換電池，但是考慮到很多傳感器網(wǎng)絡(luò )部署在條件惡劣的野外，而且覆蓋區域廣、部署比較隱蔽等特點(diǎn)，人工維護的效率低，而且維護成本高。

2.能量搜集方法：傳感器節點(diǎn)通過(guò)自身配備的能量轉換模塊，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱能等發(fā)電模塊，從環(huán)境中收集能量來(lái)延長(cháng)其生命期的方法。但是，由于環(huán)境能量密度低，為了達到一定的能量獲取率，傳感器節點(diǎn)需要配備體積較大的能量轉換器，并且能量轉換效率低，此外，因為能量獲取的效率受環(huán)境和氣候等因素影響，如太陽(yáng)能電池在陰天發(fā)電效率低，所以發(fā)電過(guò)程不可控且難以精確預測。

3.無(wú)線(xiàn)充電方法：傳感器節點(diǎn)一旦部署好后一般不能移動(dòng)，這類(lèi)方法給網(wǎng)絡(luò )中配備主動(dòng)性的充電電源節點(diǎn)，可以為任意傳感器節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電以延長(cháng)其生命期。采用這類(lèi)方法需要在網(wǎng)絡(luò )中部署靜態(tài)的充電站，或者移動(dòng)充電節點(diǎn)和服務(wù)站節點(diǎn)。由靜態(tài)或移動(dòng)充電節點(diǎn)主動(dòng)為傳感器節點(diǎn)提供高效、及時(shí)的充電服務(wù), 充電過(guò)程可控、可預測。

無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)最早起源于19世紀末，Tesla首次在實(shí)驗中實(shí)現無(wú)線(xiàn)充電；20世紀末期，移動(dòng)設備的廣泛使用進(jìn)一步刺激了無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的發(fā)展，多種可行的方案, 如電感耦合技術(shù)(inductive coupling)^[12]、電磁輻射技術(shù)(electromegnetic radiation)^[13]及磁耦合諧振技術(shù)(magnetic resonant coupling)[14]等被提出來(lái)，其中，磁耦合諧振技術(shù)由于其高效率、無(wú)需對準、全方向、允許阻擋及不受環(huán)境影響等優(yōu)勢, 受到各界廣泛關(guān)注^[15]。

無(wú)線(xiàn)可充電傳感器網(wǎng)絡(luò )中充電規劃分類(lèi)^[15,16]

無(wú)線(xiàn)可充電傳感器網(wǎng)絡(luò )中的充電規劃問(wèn)題是當前研究的熱點(diǎn)^[17]，具有重要的研究意義和應用背景，目前還處在研究的起步階段。相信隨著(zhù)硬件技術(shù)的成熟和相關(guān)理論的發(fā)展, 無(wú)線(xiàn)充電方案最終將得到普遍應用。

來(lái)源：HiCloud