無線傳感器網絡的體系結構及應用

張麗

（陜西職業技術學院 陜西 西安 710100）

在信息化社會中，信息的產生、獲取、傳輸、存儲以及處理是信息科學的重要組成部分。而各種各樣的傳感器就是我們獲取和使用信息資源的主要媒介。微電子技術、無線通信技術、計算機技術以及互聯網技術的進步，推動了低功耗多功能傳感器的快速發展，使其能在很小的體積內集成數據采集與處理、無線通信以及電源等多種模塊。而傳統的傳感器信息獲取方式也從單一手段、數據有線傳輸向智能化、網絡化、數據無線傳輸的方向發展，成為信息獲取最重要的技術之一。

1 無線傳感器網絡的概述

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量隨機分布在監測區域內的集成有傳感器、數據處理模塊和無線通信模塊的微型節點通過無線通信方式構成的一個多跳的自組織的網絡。WSN的主要目的是通過節點攜帶的各種傳感器協作感知并采集監測區域內的溫度、濕度、光強度、壓力、噪聲、移動物體的大小、速度和方向等我們感興趣的信息并進行處理，然后按照預訂的協議規則通過無線通信的方式將信息通過多跳傳輸發送給觀察者。

目前的無線網絡大致可以分為3類：無線寬帶網、無線自組網（Ad–hoc NetWork）和WSN。WSN是一種高度應用相關的網絡系統，針對不同的應用和需求有往往具有不同的網絡形式，一般來講WSN具有自組織性、可靠性、應用相關性、以數據為中心等特點。

2 體系結構

1）傳感器節點結構

根據不同的應用需求，傳感器網絡節點的組成也不盡相同，但一般來講都包含了傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊、電源模塊這4個部分。

傳感器模塊負責采集所需的監測區域內的信息并進行數據轉換，其類型取決于被監測數據信號的物理形式；處理器模塊負責控制整個節點的工作，存儲并處理收到的數據，為操作系統和上層應用軟件提供硬件支持；無線通信模塊負責節點之間的無線通訊、數據和控制信息的傳輸；電源模塊為節點的正常工作提供能量，常采用微型電池、太陽能電池等。

2）傳感器網絡結構

同節點組成一樣，傳感器網絡的網絡結構根據應用需求的不同也是豐富多樣的。從功能劃分上，傳感器網絡通常包括以下類型的節點：傳感器節點（sensor node）、匯聚節點（sink node）和管理節點，如圖1所示。大量傳感器節點隨機部署在監測區域，通過自組織方式構成網絡。監測數據按照一定的協議規則，沿著各個傳感器節點逐跳傳輸，經過多跳路由后匯聚到匯聚節點，最后通過互聯網和衛星等渠道到達管理節點，用戶通過管理節點對WSN進行配置管理，發布控制命令等。

圖1 傳感器網絡結構Fig.1 Sensor network structure

3）傳感器網絡協議棧結構

目前研究人員為傳感器網絡開發了多種類型的協議棧，一般傳感器網絡協議棧都參考了互聯網協議棧的5層協議，包括了物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，同時加入了針對WSN特點的能量管理平臺、移動管理平臺和任務管理平臺等，這些平臺使得傳感器節點在低能耗優先的前提下協同高效工作。

在改進的模型，新增加了定位子層和時間同步子層，為基于時分復用的MAC協議或基于地理位置的路由協議提供信息支持。同時提供了網絡管理、拓撲控制、能量控制等諸多機制以優化和管理協議流程。

4）傳感器網絡體系結構的特點

體系結構對于無線傳感器網絡來說有著十分重要的意義，雖然WSN是高度應用相關的網絡系統，不同的應用需求下，從傳感器網絡節點的軟硬件到使用的網絡協議以及其他的一些具體技術都不盡相同，但是通過考慮WSN的一些共性特點，為開發人員提供一套可參考的“體系”和“框架”能大大縮短WSN的開發時間并減小其復雜度。根據側重點的不同，目前WSN體系結構有支持動態協議棧的、層次性的、自適應的、自管理/自恢復的、多任務的和基于代理的等等。

3 無線傳感器網絡的應用

傳感器網絡的應用前景非常廣闊，能廣泛應用于軍事、環境監測預報、醫療、智能家居、城市交通、空間探索、安全監測等領域。

1）軍事方面

在軍事領域，傳感器網絡將會成為C4ISRT（command control communication computing intelligence surveillance reconnaissance and targeting）系統不可或缺的一部分，C4ISRT系統的目標是利用先進的高科技技術，為未來的現代化戰爭設計的一個集命令、控制、通信、計算、智能、監視、偵察和定位于一體的戰場指揮系統，受到了軍事發達國家的普遍重視，因為傳感器網絡是密集型、低成本、隨機分布的節點組成的，自組織性和容錯能力使其不會因為某些節點在惡意攻擊中的損壞而導致整個系統的崩潰，也正是這一點，使傳感器網絡非常適合應用于惡劣的戰場環境中并實時監控我軍兵力、裝備和物資，監視沖突區，偵察地方地形和布防定位攻擊目標，評估損失等。

2）工業方面

在計算機、通信和網絡技術發展的推動下，工業通信技術的發展經歷了20世紀六七十年代的模擬儀表控制系統、20世紀八九十年代的集散控制系統（DCS）和20世紀末的現場總線控制系統（FCS）階段，正朝著智能化和網絡化的方向不斷發展。隨著測控系統規模的不斷擴大，降低投資和使用成本成為工業通信技術發展新階段的迫切要求。在這一背景下，無線傳感器網絡的低成本、易用、泛在感知等特征引起了人們廣泛的關注。利用它的這些特征，人們可以以較低的投資和使用成本實現對工業全流程的全面監測，獲取傳統由于成本原因無法在線監測的重要工業過程參數，并以此為基礎實施優化控制，來達到提高產品質量，降低工業生產過程中的跑冒滴漏、提高能源效率的目標。

3）其他方面

環境科學所涉及的范圍十分廣泛，依靠傳統的數據采集方式已經很難滿足人們需要，而WSN為復雜環境下的數據獲取提供了方便，比如跟蹤候鳥遷徙、監測水體、空氣和土壤的成分變化等，其對森林防火、山洪預報等也提供了很大幫助。傳感器網絡在醫療和健康護理方面也有重要應用，通過在病人身上安裝特殊用途的傳感器節點可以隨時把握病人的病情并及時處理；還可以利用傳感器網絡在不影響正常生活的情況下長時間收集人體生理數據為日常保健和新藥開發提供參考。

4 應用中存在的問題及改進方法

1）傳感節點的物理操縱

未來的傳感器網絡一般有成百上千個傳感節點，很難對每個節點進行監控和保護，因而每個節點都是一個潛在的攻擊點，都能被攻擊者進行物理和邏輯攻擊。另外，傳感器通常部署在無人維護的環境當中，這更加方便了攻擊者捕獲傳感節點。當捕獲了傳感節點后，攻擊者就可以通過編程接口（JTAG接口），修改或獲取傳感節點中的信息或代碼，同時還可以修改程序代碼，并加載到傳感節點中。很顯然，目前通用的傳感節點具有很大的安全漏洞。由于傳感節點容易被物理操縱是傳感器網絡不可回避的安全問題，必須通過其它的技術方案來提高傳感器網絡的安全性能。如在通信前進行節點與節點的身份認證；設計新的密鑰協商方案，使得即使有一小部分節點被操縱后，攻擊者也不能或很難從獲取的節點信息推導出其它節點的密鑰信息等。另外，還可以通過對傳感節點軟件的合法性進行認證等措施來提高節點本身的安全性能。

2）信息竊聽

根據無線傳播和網絡部署特點，攻擊者很容易通過節點間的傳輸而獲得敏感或者私有的信息。 對傳輸信息加密可以解決竊聽問題，但需要一個靈活、強健的密鑰交換和管理方案，密鑰管理方案必須容易部署而且適合傳感節點資源有限的特點，另外，密鑰管理方案還必須保證當部分節點被操縱后，不會破壞整個網絡的安全性。由于傳感節點的內存資源有限，使得在傳感器網絡中實現大多數節點間端到端安全不切實際。然而在傳感器網絡中可以實現跳-跳之間的信息的加密，這樣傳感節點只要與鄰居節點共享密鑰就可以了。

3）私有性問題

傳感器網絡是用于收集信息作為主要目的的，攻擊者可以通過竊聽、加入偽造的非法節點等方式獲取這些敏感信息，如果攻擊者知道怎樣從多路信息中獲取有限信息的相關算法，那么攻擊者就可以通過大量獲取的信息導出有效信息。一般傳感器中的私有性問題，并不是通過傳感器網絡去獲取不大可能收集到的信息，而是攻擊者通過遠程監聽WSN，從而獲得大量的信息，并根據特定算法分析出其中的私有性問題。保證網絡中的傳感信息只有可信實體才可以訪問是保證私有性問題的最好方法，這可通過數據加密和訪問控制來實現；另外一種方法是限制網絡所發送信息的粒度，因為信息越詳細，越有可能泄露私有性，比如，一個簇節點可以通過對從相鄰節點接收到的大量信息進行匯集處理，并只傳送處理結果，從而達到數據匿名化。

5 結束語

無線傳感器網絡具有自組織、微型化、對外部的感知能力等特點，這些特點決定了傳感器網絡在商業領域的也擁有十分廣闊的前景，比如在家電中嵌入的傳感器與嵌入式系統構成的無線網絡與Internet鏈接在一起將提供更智能化和人性化的家居環境；傳感器網絡可用于空間探索，借助航天器在外星球撒播傳感器節點，對興趣環境進行長期監測等等，可預見的將來，唉災難拯救、倉庫管理、工廠自動化等領域，無線傳感器網絡都將孕育出全新的設計和應用模式。

[1]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡原理[M].北京:清華大學出版社，2005.

[2]于海斌，曾鵬，王忠鋒，等.分布式無線傳感器網絡通信協議研究[J].通信學報，2008，29（2）:457-459.

YU Hai-bin，ZENG Peng，WANG Zhong-feng，et al.Research of distributed communication protocol for wireless sensor networks[J].Journal of Communication，2008，29（2）:457-459.

[3]鄔正義，范瑜，徐惠鋼，等.現代無線通信技術[M].北京:高等教育出版社，2006.

[4]王建新，楊世鳳，隋美麗，等.Labwindows/CVI測試技術及工程應用[M].北京:化學工業出版社，2006.

[5]周承仙，李仰軍，武錦輝，等.基于Labwindows/CVI的多路高速數據采集系統設計[J].電子測量技術，2007，30（12）:66-69.

ZHOU Cheng-xian，LI Yang-jun，WU Jin-hui，et al.Design for multi-channel high speed data acquisition system based on Labwindows/CVI[J].Electronic Measurement Technology，2007，30（12）:66-69.

[6]關萍萍，翟正軍，姜紅梅，等.基于LabWindows/CVI測控系統通用報表的設計與實現[J].計算機工程與設計，2010，31（1）:203-205.

GUAN Ping-ping，ZHAI Zheng-jun，JIANG Hong-mei，et al.Design and implementation of universal control system report based on Labwindows/CVI[J].Computer Engineering and Design，2010，31（1）:203-205.