無線傳感器網絡發展應用

王澤華

摘要：隨著傳感器技術以及無線通信網絡的快速發展，國內外對傳感器網絡的研究日新月異，本文首先介紹無限傳感器網絡的定義與特征，其次介紹無線傳感器網絡現階段在軍事、科研、森林系統、醫療方面主要應用，并對無線傳感器網絡應用過程中出現主要問題進行分析，最后闡述了不同的改進算法，并描繪了WSN技術發展的美好未來。

關鍵詞：無線傳感器;網絡

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）14-0252-02

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network）是一種由大量微型傳感器構成的分布式自組織傳感網絡，終端由可以感知現實生活的傳感器組成，其網絡設置可根據具體應用場所進行調整，并且設備可以應用在條件惡劣的自然環境中，通過無線連接的形式構建多跳網絡。傳感器網絡中節點擔負著數據獲取、數據分析、數據傳送等功能，是構建整個無線網絡的重要組成部分。隨著物聯網技術的應用，無線傳感器網絡展現出了無限的發展空間，成為計算機領域研究的科研熱點。

1無線傳感器網絡現階段應用情況

由于WSN網絡大多數節點采用大量的廉價傳感器，成本低廉，并且相對外接電源的傳感器功耗較低，并且大多采用飛機拋灑的方式進行放置，在條件惡劣或野外場地可以極大提高傳輸效率，在工業領域已得到廣泛使用。以下簡單闡述在工業領域的實際應用。

1.1森林預警系統

大面積的林場面臨巡視員缺乏、設備不到位等問題，遇到火情不能第一時間發現，從而錯失最佳滅火時機，極易造成人員傷亡和財產損失。傳統意義上的森林防火員的工作已經不能滿足時代的需求，針對這種情況采用無線傳感器網絡對林場的溫度、濕度以及著火臨界條件進行分析以及數據采集顯得尤為重要。

無線傳感器物理上是由大量的不可充電微型傳感器終端構成，適應于林場復雜的環境，通過大炮或者飛機投放等方式可以將傳感器節點均勻的安置到林場當中，通過對林場溫度、濕度等數據進行分析、收集與傳送，可以對火情進行預測，給防火系統發出火情警告。

1.2河道預警系統

黃河防災整治工作面臨泥沙河、冰凌河、渾河等惡劣的自然災害河道情況，對于黃河防災一直采用的派人駐堤，每年災難多發季節需要大量人力物力的投入，對于1998年洪水而言，小浪底下游新鄉段水流量超過50000立方米每秒，流速極大導致駐堤人員不能及時完成撤離，并且由于黃河在一些地段出現“三年兩決口”的自然災害情況，對工作人員的生命安全也構成了極大的威脅。隨著傳感器網絡的不斷發展，能夠極大減少人物力的投入，對惡劣的自然河道災難進行及時預警，起到了不可代替的作用。

定期在黃河流域易發生災難地段以及自然條件險峻地段河床放置無線傳感器，在自然災害發生時對河水流量、河道冰凌度、泥沙密度進行數據采集，對過境水流進行全天候檢測，發現異常情況及時反饋指揮中心，從而第一時間做出防線抗災措施，避免造成更大損失。

1.3智能家居設備

智能家居是物聯網技術發展的典型應用，在家居設備中的燈光、空調、廚具等系統放置傳感器設備，從而實現遠程智能操作。通過無線網絡的方式與終端進行網絡互聯，用戶可以通過遠程操控方式對家居設備進行控制，實現整體家居設備自動化與智能化。

1.4礦山檢測應用

礦山環境錯綜復雜，自然條件惡劣，過去采用人工檢測的方式出現極大的安全隱患，無線傳感器的特征表現在如下幾個方面，在提升礦山檢測的效率的同時，避免了大量人力物力的浪費。

1.4.1網絡規模大

WSN網絡采用大規模的網絡拓撲結構，因為礦山地理位置特殊，需要采用大量的傳感器節點才能保證數據采集的精準性。并且由于傳感器節點是以隨機方式進行分布，大量的節點可以保證數據不會出現偏差性，終端冗余節點可以保證整個網絡體系的容錯性，同時減少數據采集盲區，提高數據準確性。

1.4.2采用自組織網絡

由于礦山地理問題限制，并且由于節點分布隨機性的問題，傳感器節點的物理位置無法獲得提前定位，這樣的條件下就要求傳感器節點有自組織網絡的功能，隨著個別傳感器節點電量耗盡脫離網絡以后，整個網絡拓撲可以隨時根據具體情況進行重新組網。

2無線傳感器網絡在安全階段面臨的問題

2.1節點能量均衡問題

WSN網絡由于采用自組網的方式，各個節點采用多跳的方式將終端采集的信息發給信息基站，網絡中節點由于信息傳輸量以及信息傳輸距離造成不同節點能量損耗有差距，最終造成能量消耗不均衡，導致部分節點電量提前耗盡，所以對于傳感器網絡中能量均衡問題一直都是研究熱點。

2.2安全問題

由于WSN網絡由大量廉價傳感器組成，由于電池能源和物理設計的局限問題，計算能力、數據傳輸、安全性能極為有限，所以相比于外接電源的固定傳感器上使用的安全算法并不能適用于無線傳感器網絡。傳感器節點的工作環境多為野外或條件惡劣的場所，經常受到的攻擊有如下。

物理層可能受到的攻擊有擁塞攻擊、對撞攻擊、物理層破壞。數據鏈路層上受到的攻擊有女巫攻擊、消耗攻擊和匯集節點攻擊。網絡層中容易受到的攻擊有：黑洞攻擊、誤導攻擊等。這些對傳感器節點的網絡攻擊不但容易使得整個網絡崩潰，而且還會篡改數據影響最終決策，所以對于無線傳感器網絡的安全問題研究也是重中之重。

2.3異常節點問題

無線傳感器網絡中由于自身安全性較低，工作區域自然條件惡劣并且容易受到能量耗盡的問題，節點在采取數據的過程中出現數據偏離正常值，如果忽視非正常數據的存在，極易造成最終決策判斷出現嚴重失誤，如何對異常值進行分析排除，也是現階段無線傳感器網絡應用過程中重要的研究課題。

3無線傳感器網絡現階段出現問題的解決方案

上文簡單闡述無線傳感器網絡在應用過程中出現的問題，可以看出無線傳感器網絡在應用過程中出現的問題主要有三個方面：節點能量均衡問題、無線傳感器入侵檢測、無線傳感器網絡異常節點分析。下文針對以上幾個問題闡述現階段常用解決方案。

3.1節點能量均衡問題

針對WSN網絡中節點能量有限以及不同節點在傳輸數據過程中因為距離和傳輸信息量導致能量不均衡的問題，本文提出了基于LEACH路由算法的優化算法，基本思路在構建網絡階段采用LEACH算法選舉簇頭節點，然后采用dijkstra算法中有權圖最短路徑方法進行多路徑選擇，最后通過代價評估函數計算候選路徑中不同節點之間的能量損耗、剩余節點個數，計算出最佳傳輸路徑，從而解決節點在能量傳播過程中能量不均衡的問題。

3.2異常節點分析方法

針對無線傳感器網絡中大量的廉價傳感器所處工作環境惡劣，并且由于電池容積問題導致計算性能較差等現實情況提出了基于圖信號處理的無線傳感器網絡異常節點分析策略。其基本思路首先采用KNN算法建立傳感器信號模型，其次對傳感器網絡中信號傳輸的平滑度做出統計比較，最后采用數學中統計監測以及判決門來判斷該節點是否為異常節點。解決了由于傳感器節點異常造成最終判決出現偏差的情況。

3.3網絡安全問題

針對無線傳感器網絡出現的網絡安全問題，可以通過使用安全協議來提高網絡面對攻擊的防御程度。首先傳感器在傳輸數據中新鮮度和完整度的保障是極其重要的，所以設置有效的安全防御協議才能保證數據的安全傳輸和整個網絡的安全。

本文闡述一種可針對WSN網絡的SNEP安全協議，該協議中分為兩個不同的模塊，分別為SNEP和～TELSA。其中uTEL-SA是WSN網絡中廣播安全協議。SNEP是為了保證數據傳輸過程中的機密性和完整性所建立的安全機制。該安全協議能夠極大的防御傳感器網絡中出現的攻擊行為，提升整個網絡的防御能力。

4結束語

隨著人們對無線傳感器網絡的研究愈發深入，在各個領域的應用取得了很大的進展，致使WSN網絡變成專業領域的研究熱點。但在應用的過程中也存在諸多缺陷，如何解決這些缺陷使得WSN網絡更好地融入現代科學體系的應用是下一階段的研究熱點。