无线传感器网络密钥分配方案
摘要：无线传感器网络作为一种应用相关的网络，其应用场景十分广阔。在无线传感网络的许多潜在应用中，网络的自身安全问题显得尤为重要。由于无线传感器网络节点部署在非受控区域并且自身能量有限，使得无线传感网在安全方面存在较多的风险。文章主要阐述了在密钥分配方面的研究成果并分析了这些成果的不足之处。
关键词：无线传感器网络；安全；密钥分配
Key distribution scheme of Wireless Sensor
Networks
LiuYing
（Key Laboratory of Industrial Internet of Things and Networked Control, Ministry of Education，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China）
1 引言
低成本可灵活部署的无线传感器网络已经成为下一代高性能信息系统社区前端的最佳候选解决方案，其应用前景非常广阔。例如战场目标跟踪和监视、司法取证、汽车遥控、输油管线温度和压力监测、森林火险监测等，网络的安全问题在这里面显得尤为重要。和传统网络安全问题相比，两者的安全目标是一致的，都是要保证数据机密性、完整性和新鲜性，信息的可认证性和不可否认性。在传感器网络中进行安全设计时，要结合无线传感器网络的特点进行安全设计，才可满足传感器网络的安全需求。由于无线传感器网络节点部署在条件恶劣的条件下，自身的能量有限，导致在无线传感网络中加安全时首先要考虑的问题就是能量问题。
2无线传感器网络安全相关问题
2.1无线传感器网络安全挑战
网络终端的传感器节点具有非常有限的资源，其中储能约束是传感器节点最根本的资源约束，电源储能技术成为了无线传感器网络发展的瓶颈。目前，基于公钥算法的安全协议是最被认为最理想的安全体制，但因计算和存储复杂度高导致开销大，所以还并没有普遍应用到传感网中。
无线传感网络多部署在恶劣的环境中，导致其易遭受物理攻击，容易被攻击者发现和捕获，收到多种形式的攻击。在无线传感网中，基于数据包的路由通常是无连接的，因此是先天不可靠的。而且节点的资源非常有限，所有安全方案都需要一定的资源支持，因此在选择安全方案和实现安全功能的时候，必须考虑到能量问题。此外，在无线传感器网络应用中许多传感器节点可能在整个生命周期中都处于非受控状态，只能通过网络进行远程管理和控制，这必然会带来许多安全隐患。
2.2无线传感器网络安全需求
通信安全的目标一般包括机密性、完整性、真实性和新鲜性。而从网络服务的角度看，可用性是第一位的，自组织及其他组件的安全是实现这一重要目标的保证。在传感器。此外，在传感器网络的许多应用中，时间同步、定位及网内融合都是必不可少的基本服务。
2.3无线传感器网络安全威胁
同传统通信网络一样，无线传感网的安全威胁主要来自各种攻击,由于传感器节点多部署在非受控区域，无线信道的广播行和自组织的组网特性都使得传感器网络容易受到攻击者的被动攻击和主动攻击。例如，传感器网络的消息通信会受到监听、篡改、伪造和阻断攻击。作为一种耗尽型网络，传感器节点的能源非常有限，系统功能极易受到DOS攻击。
3无线传感器网络密钥管理
3.1 对称密钥预分配方案
密钥的管理与分配是无线传感器网络中关键的安全问题之一，由于无线传感网络中节点能量的限制，基于对称密钥的与分配方案一直以来都是重点的研究内容，并产生了大量标志性的研究成果。
对称密钥预分配方案有两种：一种是主密钥方案，即所有节点在部署前先预分配一个主密钥，节点部署后，任意两节点之间利用主密钥产生会话密钥，实现节点之间的安全通信。这种方案的好粗在于节点的存储负担非常小，但是其不足之处是一旦一个节点被不活，整个无线传感器网络将会受到安全威胁；另一种是对密钥方案，加入有n个节点，每个节点将会保存其它n-1个节点的对称密钥，这样，一个节点被捕获，它影响的只是这一条通信链路的安全，但是随着网络规模的增大，节点的存储开销将超载，同时使网络没有扩展能力。基于这两种分配方案，又产生了其它类型的对称密钥分配方案。
3.1.1随机密钥预分配方案
由Eschenaue r和Gligor提出的E-G方案，其主要思想是在密钥分配阶段部署一个服务器并生成密钥总数为P的密钥池，每个节点随机选取部分密钥作为自己的密钥环；需要进行安全通信的相邻节点进行邻居发现，看它们之间是否存在共享密钥，若存在则建立安全通道，否则不能直接建立安全通道，可采用间接地方式。
在E-G方案的基础上，有一些人提出了q-composite随机密钥预分配方案。
在此方案中每个节点随机选取m个不同的密钥，相邻节点之间需要q个共享密钥才能建立安全通道，相比于E-G方案，此方案要求跟严格。可知，随着密钥环大小m的增大，安全量通性会变强。当密钥环大小一定且被捕获节点数较少时，该方案的抗捕获攻击能力比E-G方案要好。这种方案的不足之处是增加了节点之间共享密钥的重叠度，降低了网络的可扩展性。
3.1.2基于多项式的密钥预分配方案
结合了E-G方案与Blundo方案的优点，Liu等人提出了多项式的密钥预分配方案。节点部署前先生成一个多项式池足够大以容纳加密秘钥。该多项式池包含一部分对称二元多项式，通过计算每个节点都有唯一的ID，节点通过与邻居节点比较它们的ID和多项式，通过共享密钥建立会话密钥。不同于随机密钥预分配方案，基于多项式的密钥预分配方案是将产生密钥的多项式保存在节点中，这样无论多少个节点被物理捕获，其泄露的信息也不会对整个无线传感器网络构成直接威胁。采用这种方法可以减小存储开销，但是在密钥建立过程中，节点之间的通信量和计算量都比较大，对传感网的寿命影响较严重。
3.1.3基于对称矩阵的密钥预分配方案
随机从一个足够大的密钥池中选取n(n-1)/2个密钥用于构造对称矩阵，再将这个矩阵分解成一个上三角矩阵U和一个下三角矩阵L，将已经构造完成的矩阵中的各行各列随机分配给各个节点，要求同一位置上的行和列指派给同一个节点。在对密钥生成阶段，每个节点广播自己的列信息并接收相邻节点发送的列信息，通过矩阵运算得到与其他节点之间的公共密钥。因此，任何一对需要进行通信的节点对间都能得到共享密钥。该方案计算简便、实现简单，但是其密钥存储空间大、广播列信息易捕获、网络可扩展性差。结合了随机分配方案和LU阵分解方案的特点，提出了LU矩阵空间的随机方案，只要相邻节点之间能以较高的概率找到共同密钥就能够进行通信，对于无法直接通信的节点，可以采用信任节点转发的方式进行间接通信。此方案能够以较高的概率保证邻居节点之间直接建立对密钥。
3.2公钥的分配方案
公钥密码体制使用不同的加密密钥和解密密钥，在公钥分配体制中，使用高度安全的密钥分配中心分配密钥，使得成本增加。在公钥密钥体制中，如果每个用户都具有其他用户的公钥，就可以实现安全通信。显然，这就需要一个值得信赖的机构来将公钥与对应的实体进行绑定，即认证中心。每个尸体都有CA发来的证书，里面包括公钥及其拥有者的标识信息，此证书被CA进行了数字签名。
3.2.1基于身份密码体制的密钥预分配方案
在部署前，节点先预加载系统参数以及私钥，部署后，节点通过定位算法获取其位置信息后再计算其私钥。该节点的邻居节点可以通过获取公开的ID和对方的地理信息来建立配对密钥，根据映射建立双方的陪对密钥，在此基础上用散列函数和配对密钥即可生成通信所需的各种类型的会话密钥。这种方案的的主要优点是节点公钥由公开信息直接退到，无须对公钥进行认证，该方案具有很强的容忍能力，任何节点的受损都不会暴露其他节点的机密信息。但其也存在一些缺陷：一是在节点预分配的主密钥必须等私钥生成以后才能删除，若主密钥暴露则
会影响整个网络的安全；二是因为位置是固定的，所以只适用于静态无线传感器网络。
3.2.2基于单向散列函数的密钥预分配方案
无线传感网络中的节点分为2种类型：基站和节点。基站包括基站的ID，公钥和私钥。每个节点的信息包括节点的ID，节点公钥、私钥和单向散列函数。在公钥建立阶段，基站首先建立一个原始公钥集合，然后利用单向散列函数计算原始公钥集合中的每个元素得到对应行的公钥值。每个节点将会从公钥集合中选取m个元素组成公钥子集。在邻居发现阶段，节点将自己的ID号广播出去，收到该信号的节点查询公钥子集，若属于该集合，则为邻居。所有的节点广播ID 号之后，无线传感器网络将会构成一个随机有向图。在这个过程中，入侵者即使捕获到某个节点也无法威胁到整个网络的安全。这种分配方案的不足之处主要是利用单向散列函数计算公钥加大了节点的计算开销，而节点的能耗问题则是密钥分配方案中最重要的问题之一。
4结论
随着无线传感器网络的不断发展，在无线传感网安全方面已有一定的研究，作为一项最基本的安全服务，密钥管理的研究也会引起更大的重视。密钥的管理方案和协议必须满足无线传感器网络的特点，例如可扩展性、计算复杂度小、通信负载低、存储空间需求低，必须与应用密切相关。综合非对称密钥分配方案的低耗能和公钥分配方案较高的安全性，我们下一步要做的是结合两者的优势，提出更符合需求的密钥分配方案。
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南京航空航天大学 硕士学位论文 基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现 姓名：耿长剑 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：王成华 20090101
南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种集成了计算机技术、通信技术、传感器技术的新型智能监控网络，已成为当前无线通信领域研究的热点。 随着生活水平的提高，环境问题开始得到人们的重视。传统的环境监测系统由于传感器成本高，部署比较困难，并且维护成本高，因此很难应用。本文以环境温度和湿度监控为应用背景，实现了一种基于无线传感器网络的监测系统。 本系统将传感器节点部署在监测区域内，通过自组网的方式构成传感器网络，每个节点采集的数据经过多跳的方式路由到汇聚节点，汇聚节点将数据经过初步处理后存储到数据中心，远程用户可以通过网络访问采集的数据。基于CC2430无线单片机设计了无线传感器网络传感器节点，主要完成了温湿度传感器SHT10的软硬件设计和部分无线通讯程序的设计。以PXA270为处理器的汇聚节点，完成了嵌入式Linux系统的构建，将Linux2.6内核剪裁移植到平台上，并且实现了JFFS2根文件系统。为了方便调试和数据的传输，还开发了网络设备驱动程序。 测试表明，各个节点能够正确的采集温度和湿度信息，并且通信良好，信号稳定。本系统易于部署，降低了开发和维护成本，并且可以通过无线通信方式获取数据或进行远程控制，使用和维护方便。 关键词：无线传感器网络，环境监测，温湿度传感器，嵌入式Linux，设备驱动
Abstract Wireless Sensor Network, a new intelligent control and monitoring network combining sensor technology with computer and communication technology, has become a hot spot in the field of wireless communication. With the improvement of living standards, people pay more attention to environmental issues. Because of the high maintenance cost and complexity of dispose, traditional environmental monitoring system is restricted in several applications. In order to surveil the temperature and humidity of the environment, a new surveillance system based on WSN is implemented in this thesis. Sensor nodes are placed in the surveillance area casually and they construct ad hoc network automatieally. Sensor nodes send the collection data to the sink node via multi-hop routing, which is determined by a specific routing protocol. Then sink node reveives data and sends it to the remoted database server, remote users can access data through Internet. The wireless sensor network node is designed based on a wireless mcu CC2430, in which we mainly design the temperature and humidity sensors’ hardware and software as well as part of the wireless communications program. Sink node's processors is PXA270, in which we construct the sink node embedded Linux System. Port the Linux2.6 core to the platform, then implement the JFFS2 root file system. In order to facilitate debugging and data transmission, the thesis also develops the network device driver. Testing showed that each node can collect the right temperature and humidity information, and the communication is stable and good. The system is easy to deploy so the development and maintenance costs is reduced, it can be obtained data through wireless communication. It's easy to use and maintain. Key Words: Wireless Sensor Network, Environment Monitoring, Temperature and Humidity Sensor, Embedded Linux, Device Drivers
无线传感器网络的安全性研究 0 引言 无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）是一种自组织网络，由大量具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能的节点协同组织构成。WSN在军事、环境、工控和交通等方面有着广阔的应用前景。由于大多数用户对WSN的安全性有较高要求，而WSN有着与传统的Ad hoc网络不同的特点，大多数传统的安全机制和安全协议难以直接应用于WSN，因此有必要设计适合WSN的安全性方案。 无线传感器网络与传统的ad hoc网络相比有如下独有的特点[1]： （1）传感器节点数量巨大，网络规模庞大； （2）节点密集分布在目标区域； （3）节点的能量、存储空间及计算能力受限，容易失效； （4）动态的网络拓扑结构； （5）通常节点不具有统一的身份（ID）。 1 WSN的安全性问题 WSN中，最小的资源消耗和最大的安全性能之间的矛盾，是传感器网络安全性的首要问题。通常两者之间的平衡需要考虑到有限的能量、有限的存储空间、有限的计算能力、有限的通信带宽和通信距离这五个方面的问题。 WSN在空间上的开放性，使得攻击者可以很容易地窃听、拦截、篡改、重播数据包。网络中的节点能量有限，使得WSN易受到资源消耗型攻击。而且由于节点部署区域的特殊性，攻击者可能捕获节点并对节点本身进行破坏或破解。 另外，WSN是以数据通信为中心的，将相邻节点采集到的相同或相近的数据发送至基站前要进行数据融合，中间节点要能访问数据包的内容，因此不适合使用传统端到端的安全机制。通常采用链路层的安全机制来满足WSN的要求。 2 常见的攻击和解决方案 在WSN协议栈的不同层次上，会受到不同的攻击，需要不同的防御措施和安全机制。 2．1 物理层 物理层完成频率选择、载波生成、信号检测和数据加密的功能。所受到的攻击通常有： 1）拥塞攻击：攻击节点在WSN的工作频段上不断的发送无用信号，可以使在攻击节点通信半径内的节点不能正常工作。如这种攻击节点达到一定的密度，整个网络将面临瘫痪。 拥塞攻击对单频点无线通信网络影响很大，采用扩频和跳频的方法可很好地解决它。 2）物理破坏：WSN节点分布在一个很大的区域内，很难保证每个节点都是物理安全的。攻击者可能俘获一些节点，对它进行物理上的分析和修改，并利用它干扰网络的正常功能。甚至可以通过分析其内部敏感信息和上层协议机制，破坏网络的安全性。 对抗物理破坏可在节点设计时采用抗窜改硬件，同时增加物理损害感知机制。另外，可对敏感信息采用轻量级的对称加密算法进行加密存储。 2．2 MAC层 MAC层为相邻节点提供可靠的通信通道。MAC协议分3类：确定性分配、竞争占用和随机访问。其中随机访问模式比较适合无线传感网络的节能要求。 随机访问模式中，节点通过载波监听的方式来确定自身是否能访问信道，因此易遭到拒绝服务攻击(Distributed Denial of Service，DOS)[2]。一旦信道发生冲突，节点使用二进指数倒退算法确定重发数据的时机。攻击者只需产生一个字节的冲突就可以破坏整个数据包的发送，这时接收者回送数据冲突的应答ACK，发送节点则倒退并重新选择发送时机。如此这般反复冲突，节点不断倒退，导致信道阻塞，且很快耗尽节点有限的能量。
无线传感器网络面临的安全隐患及安全定位机制 随着通信技术的发展，安全问题显得越来越重要。在现实生活中，有线网络已经深入到千家万户：互联网、有线电视网络、有线电话网络等与人们生活的联系越来越紧密，已经成为必不可少的一部分，有线网络的安全问题已经能够得到有效的解决。在日常生活中，人们可以放心的使用这些网络，利用它来更好的生活和学习。然而随着无线通信技术的不断发展，无线网络在日常生活中已占据重要的地位，如无线LAN技术、3G技术、4G技术等，同时也有许多新兴的无线网络技术如无线传感器网络， Ad-hoc 等有待进一步发展。随着人们对无线通信的依赖越来越强烈，无线通信的安全问题也面临着重要的考验。本章首先介绍普通网络安全定位研究方法，随后介绍无线传感器网络存在的安全隐患以及常见的网络攻击模型，分析比较这些攻击模型对定位的影响，最后介绍已有的一些安全定位算法，为后续章节的相关研究工作打下基础。 3.1 安全定位研究方法 不同的定位算法会面临着不同的安全方面的问题，安全定位的研究方法可以 采用图 3-1 所示的流程来进行。
图3-1安全定位方法研究流程图 Figure 3-1 Flowchart of security positi oning research method 在研究中首先要找出针对不同定位算法的攻击模型，分析这些攻击对定位精 度所造成的影响，然后从两方面入手来解决这个安全问题或隐患：一方面改进定 位算法使得该定位算法不易受到来自外界的攻击，另一方面可以设计进行攻击检 测判断及剔除掉受到攻击的节点的安全定位算法或者把已有的安全算法进行改进使之能够应用于无线传感器网络定位，还可以从理论上建立安全定位算法的数学模型，分析各种参数对系统性能的影响，最后根据这个数学模型对算法进行仿真，并把仿真结果作为反馈信息，对安全定位算法进一步优化和改进，直到达到最优为止。 3.2安全隐患 由于无线传感器网络随机部署、网络拓扑易变、自组织成网络和无线链路等特点，使其面临着更为严峻的安全隐患。在传感器网络不同的定位算法中具有不同的定位思想，所面临的安全问题也不尽相同。攻击者会利用定位技术的弱点设计不同的攻击手段，因此了解各定位系统自身存在的安全隐患和常见的攻击模型对安全定位至
无线传感器网络的特点 大规模网络 为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。 传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。 自组织网络在 传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传
感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，
从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。 可靠的网络 传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。
基于无线传感器网络的桥梁安全检测系统 摘要 根据桥梁监测无线传感器网络技术的桥梁安全监测系统，以实现方案的安全参数的需要；对整个系统的结构和工作原理的节点集、分簇和关键技术，虽然近年来在无线传感器网络中，已经证明了其潜在的提供连续结构响应数据进行定量评估结构健康，许多重要的问题，包括网络寿命可靠性和稳定性、损伤检测技术，例如拥塞控制进行了讨论。 关键词：桥梁安全监测；无线传感器网络的总体结构；关键技术 1 阻断 随着交通运输业的不断发展，桥梁安全问题受到越来越多人的关注。对于桥梁的建设与运行规律，而特设的桥梁检测的工作情况，起到一定作用，但是一座桥的信息通常是一个孤立的片面性，这是由于主观和客观因素，一些桥梁安全参数复杂多变[1]。某些问题使用传统的监测方法难以发现桥梁存在的安全风险。因此长期实时监测，预报和评估桥梁的安全局势，目前在中国乃至全世界是一个亟待解决的重要问题。 桥梁安全监测系统的设计方案，即通过长期实时桥跨的压力、变形等参数及测试，分析结构的动力特性参数和结构的评价科关键控制安全性和可靠性，以及问题的发现并及时维修，从而确保了桥的安全和长期耐久性。 近年来，桥梁安全监测技术已成为一个多学科的应用，它是在结构工程的传感器技术、计算机技术、网络通讯技术以及道路交通等基础上引入现代科技手段，已成为这一领域中科学和技术研究的重点。 无线传感器网络技术，在桥梁的安全监测系统方案的实现上，具有一定的参考价值。 无线传感器网络（WSN）是一种新兴的网络科学技术是大量的传感器节点，通过自组织无线通信，信息的相互传输，对一个具体的完成特定功能的智能功能的协调的专用网络。它是传感器技术的一个结合，通过集成的嵌入式微传感器实时监控各类计算机技术、网络和无线通信技术、布式信息处理技术、传感以及无线发送收集到的环境或各种信息监测和多跳网络传输到用户终端[2]。在军事、工业和农业，环境监测，健康，智能交通，安全，以及空间探索等领域无线传感器网络具有广泛应用前景和巨大的价值。 一个典型的无线传感器网络，通常包括传感器节点，网关和服务器，如图1
无线传感器网络的应用与影响因素分析 摘要：无线传感器网络在信息传输、采集、处理方面的能力非常强。最初，由于军事方面的需要，无线传感网络不断发展，传感器网络技术不断进步，其应用的X围也日益广泛，已从军事防御领域扩展以及普及到社会生活的各个方面。本文全面描述了无线传感器网络的发展过程、研究领域的现状和影响传感器应用的若干因素。关键词：无线传感器网络；传感器节点；限制因素applications of wireless sensor networks and influencing factors analysis liu peng (college of puter science,yangtze university,jingzhou434023,china) abstract:wireless sensor networks in the transmission of informa- tion,collecting,processing capacity is very strong.initially,due to the needs of the military aspects of wireless sensor networks,the continuous development of sensor network technology continues to progress its increasingly wide range of applications,from military defense field to expand and spread to various aspects of social life.a prehensive description of the development process of the wireless sensor network,the status of the research areas and a number of factors affecting the application of the sensor. keywords:wireless sensor networks;sensor nodes;limiting factor 一、无线传感器网络的技术起源以及特点
第36卷 增刊Ⅰ2008年 10月 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版) J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Natural Science Edition )Vol.36Sup.Ⅰ Oct. 2008 收稿日期:2008207215. 作者简介:郝志凯(19832),男,博士研究生,E 2mail :zk -hao @https://www.doczj.com/doc/9e622905.html,. 基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(2006AA11Z225);国家自然科学基金资助项目(60635010, 60605026). 无线传感器网络定位方法综述 郝志凯 王 硕 (中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室,北京100190) 摘要:介绍了国内外研究机构在无线传感器网络定位方法方面开展的研究工作,并对这些研究工作进行了归纳和总结.定位的基本方法分为距离式定位和非距离式定位.距离式定位是通过测量距离或角度进行位置估计,测量数据的精度对定位精度有很大影响.非距离式定位是通过节点间的hop 数或估计距离计算节点的坐标,这种方法不需要测量距离或角度,利用估计距离代替真实距离,算法简单但精度不高.无线传感器网络中定位方法的应用需要针对不同的应用场合,综合考虑节点的规模、成本及系统对定位精度等要求来进行设计和选择. 关 键 词:无线传感器网络;定位方法;距离式定位;非距离式定位;相对定位 中图分类号:TN919.2;TP732 文献标识码:A 文章编号:167124512(2008)S120224204 Survey on localization algorithms for wireless sensor net w orks H ao Zhi k ai W ang S huo (Laboratory of Complex Systems and Intelligence Science ,Institute of Automation , Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100190) Abstract :Current researches in wireless sensor networks (WSNs ′ )localization algorit hms are int ro 2duced ,and t hese researches are analyzed and concluded.The p recision of t he nodes ′locations are im 2portant for t he data ′s effectiveness in WSNs ′.The localization algorit hms are divided into range 2based and range 2free.Range 2based algorit hms use t he measured distance and angle to calculate t he nodes ′coordinates.However ,t he range 2f ree researches use hop s or evaluated distance to localization ,which are simple but low 2precision.In different occasions ,t he algorit hm should be taken account in t he net 2work ′s size ,co st ,p recision and so on. K ey w ords :wireless sensor networks (WSNs ′ );localization ;range 2based ;range 2f ree ;relative po sitio 2ning 目前广泛使用的全球卫星导航定位系统GPS 可用来确定携带者的绝对位置,但不适合在 无线传感器网络中大量使用.主要有以下原因[1]:a .成本高.无线传感器网络中的节点数量多、分 布密集,如果各节点都配备GPS 接收器成本很高;b .能源限制.网络中的节点通常是通过内部电池进行供电,由于其工作环境有时在森林、山地等人迹罕至的地方,对其进行电源更换困难;c .工作环境限制.节点有时会分布在室内等电磁 波较难到达的环境中,这种工作环境下GPS 无法完成定位任务;d .尺寸较大.由于上述种种原因使得GPS 不能广泛用在无线传感器网络系统的节点上,这就需要发展适合于无线传感器网络应用的节点定位方法. 鉴于无线传感器网络节点在能耗、计算能力、通信能力等方面的限制,其节点的定位方法应该具有分布式、低复杂性、精度较高、通用性较好等特点,国内外的研究机构已开展了大量工作[2～9].
一、课题研究目的 针对目前中国的交叉路口多，车流量大，交通混乱的现象研究一种控制交通信号灯的基于无线传感器的智能交通系统。 二、课题背景 随着经济的快速发展，生活方式变得更加快捷，城市的道路也逐渐变得纵横交错，快捷方便的交通在人们生活中占有及其重要的位置，而交通安全问题则是重中之重。据世界卫生组织统计，全世界每年死于道路交通事故的人数约有120 万，另有数100 万人受伤。中国拥有全世界1. 9 %的汽车，引发的交通事故占了全球的15 % ，已经成为交通事故最多发的国家。2000 年后全国每年的交通事故死亡人数约在10 万人，受伤人数约50万，其中60 %以上是行人、乘客和骑自行车者。中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5180 亿(人民币)，死亡率为9 人/ 万·车，因此，有效地解决交通安全问题成为摆在人们面前一个棘手的问题。 在中国，城市的道路纵横交错，形成很多交叉口，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集通过。而目前的交通情况是人车混行现象严重，非机动车的数量较大，路口混乱。由于车辆和过街行人之间、车辆和车辆之间、特别是非机动车和机动车之间的干扰，不仅会阻滞交通，而且还容易发生交通事故。根据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/ 3，在所有交通事故类型中居首位，对交叉口交通安全影响最大的是冲突点问题，其在很大程度上是由于信号灯配时不合理(如黄灯时间太短,驾驶员来不及反应)，以及驾驶员不遵循交通信号灯，抢绿灯末或红灯头所引发交通流运行的不够稳定。随着我国经济的快速发展，私家车也越来越多，交通控制还是延续原有的定时控制，在车辆增加的基础上，这种控制弊端也越来越多的体现出来，造成了十字交叉路口的交通拥堵和秩序混乱，严重的影响了人们的出行。智能交通中的信号灯控制显示出了越来越多的重要性。国外已经率先开展了智能交通方面的研究。 美国VII系统(vehicle infrastructure integration)，利用车辆与车辆、车辆与路边装置的信息交流实现某些功能，从而提高交通的安全和效率。其功能主要有提供天气信息、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。目前发展的重点主要集中在2个应用上: ①以车辆为基础; ②以路边装置为基础。欧洲主要是CVIS 系统(cooperative vehicle infrastructure system)。它有60 多个合作者，由布鲁塞尔的ERTICO 组织统筹，从2006 年2 月开始到2010年6月，工作期为4年。其目标是开发出集硬件和软件于一体的综合交流平台，这个平台能运用到车辆和路边装置提高交通管理效率，其中车辆不仅仅局限于私人小汽车，还包括公共交通和商业运输。日本主要的系统是UTMS 21 ( universal traffic management system for the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 为基础的综合系统概念,由NPA (National Police Agency) 等5个相关部门和机构共同开发的，是继20 世纪90 年代初UTMS 系统以来的第2代交通管理系统，DSSS是UTMS21中保障安全的核心项目，用于提高车辆与过街行人的安全。因此，从国外的交通控制的发展趋势可以看出，现代的交通控制向着智能化的方向发展，大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络系统，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源，减轻驾驶疲劳等功能，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。
一、填空 1.无线传感器网络系统通常包含汇聚节点、传感器节点、管理节点。 2.传感器节点一般由通信模块、传感器模块、存储模块和电源模块 组成。 3.无线传感器节点的基本功能是：采集数据、数据处理、控制和通 信。 4.传感器节点通信模块的工作模式有发送、接收和空闲。 5.无线通信物理层的主要技术包括介质的选择、频段的选择、调制 技术和扩频技术。 6.扩频技术按照工作方式的不同，可以分为四种：直接序列扩频、 跳频、跳时和宽带线性调频扩频。 7.目前无线传感器网络采用的主要传输介质包括无线电波、光纤、 红外线等。 8.无线传感器网络可以选择的频段有：868MHz、915MHz、和5GHz。 9.传感器网络的电源节能方法：休眠机制、数据融合。 10.根据对传感器数据的操作级别，可将数据融合技术分为一下三类： 决策级融合、特征级融合、数据级融合。 11.根据融合前后数据的信息含量分类（无损失融合和有损失融合） 12.根据数据融合与应用层数据语义的关系分类（依赖于应用的数据 融合、独立于应用的数据融合、结合以上两种技术的数据融合）13.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩散、梯度建立、路 径加强。
14.无线传感器网络的关键技术主要包括：时间同步机制、数据融合、 路由选择、定位技术、安全机制等。 15.无线传感器网络通信安全需求主要包括结点的安全保证、被动抵 御的入侵能力、主动反击入侵的能力。 16.标准用于无线局域网，标准用于低速无线个域网。 17.规定三种帧间间隔：SIFS、PIFS、DIFS。 18.标准为低速个域网制定了物理层和MAC子层协议。 19.ZigBee主要界定了网络、安全和应用框架层，通常它的网络层支 持三种拓扑结构：网状网络、树形网络、星型网络。 20.传感器网络中常用的测距方法有：接收信号强度指示、到达时间 差、到达角。 21.ZigBee网络分4层分别为：物理层、网络层、应用层、数据链路 层。 22.与传统网络的路由协议相比，无线传感器网络的路由协议具有以 下特点：能量优先、基于局部拓扑、以数据为中心、应用相关。 23.数据融合的内容主要包括：目标探测、数据关联、跟踪与识别、 情况评估与预测。 24.无线传感器网络信息安全需求主要包括数据的机密性、数据鉴别、 数据的完整性、数据的实效性。 25.传感器结点的限制条件是电源能量有限、通信能力有限、计算和 存储能力有限。
1武警部队监控平台架构介绍与设计 1.1监控系统的系统结构 基站监控系统的结构组成如上图所示，主要由三个大的部分构成，分别是监控中心、监控站点、监控单元。整个系统从资金、功能以及方便维护性出发，我们采用了干点加节点方式的监控方法。 监控中心（SC）：SC的定义是指整个系统的中心枢纽点，控制整个分监控站，主要的功能是起管理作用和数据处理作用。一般只在市级包括（地、州）设置相应的监控中心，位置一般在武警部队的交换中心机房内或者指挥中心大楼内。 区域监控中心（SS）：又称分点监控站，主要是分散在各个更低等级的区县，主要功能是监控自己所负责辖区的所有基站。对于固话网络，区域监控中心的管辖范围为一个县/区；移动通信网络由于其组网不同于固话本地网，则相对弱化了这一级。区域监控中心SS的机房内的设备配置与SC的差不多，但是不同的是功能不同以及SS的等级低于SC,SS的功能主要是维护设备和监控。 监控单元（SU）：是整个监控系统中等级最低的单元了，它的功能就是监控并且起供电，传输等等作用，主要由SM和其他供电设备由若干监控模块、辅助设备构成。SU侧集成有无线传感网络微设备，比如定位设备或者光感，温感设备等等。 监控模块（SM）：SM是监控单元的组成部分之一，主要作用监控信息的采集功能以及传输，提供相应的通信接口，完成相关信息的上传于接收。
2监控系统的分级管理结构及监控中心功能 基站监控系统的组网分级如果从管理上来看，主要采用两级结构：CSC集中监控中心和现场监控单元。CSC主要设置在运营商的枢纽大楼，主要功能为数据处理，管理远程监控单元，对告警信息进行分类统计，可实现告警查询和存储的功能。一般管理员可以在CSC实现中心调度的功能，并将告警信息进行分发。而FSU一般针对具体的某一个基站，具体作用于如何采集数据参数并进行传输。CSC集中监控中心的需要对FSU采集的数据参数进行报表统计和分析，自动生产图表并为我们的客户提供直观，方便的可视化操作，为维护工作提供依据，维护管理者可以根据大量的分析数据和报表进行快速反应，以最快的速度发现网络的故障点和优先处理点，将人力资源使用在刀刃上。监控中心CSC系统的功能中，还有维护管理类，具体描述如下： 1）实时报警功能 该系统的报警功能是指发现机房里的各种故障后，通过声音，短信，主界面显示的方式及时的上报给操作者。当机房内的动力环境，空调，烟感，人体红外等等发生变量后，这些数据通过基站监控终端上传到BTS再到BSC。最后由数据库进行分类整理后存储到SQLSEVRER2000中。下面介绍主要的几种报警方式： 2)声音报警 基站发生告警后，系统采集后，会用声卡对不一样的告警类别发出对应的语音提示。比如：声音的设置有几种，主要是以鸣叫的长短来区分的。为便于引起现场维护人员的重视紧急告警可设置为长鸣，不重要的告警故障设置为短鸣。这样一来可以用声音区分故障的等级，比方某地市的中心交换机房内相关告警声音设置，它的开关电源柜当平均电流达到40AH的时候，提示声音设置为长鸣，并立即发生短信告警工单。如果在夜晚机房无人值守的情况下：
摘要 无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）是近年来迅速发展并受到普遍重视的新型网络技术，它的出现和发展给人类的生活和生产的各个领域带来了深远的影响。无线传感器网络节点定位技术是无线传感器网络应用研究的基础。目前，已有多种定位技术被应用于室内定位中，尤其是基于接收信号强度（RSSI，Received Signal Strength Indication）的定位技术以其低功耗、低成本、易于实现等优点，得到了无线传感器网络研究学者们的青睐。 本文重点研究了基于RSSI的室内定位的关键技术，主要包括定位模型分析和定位算法设计。首先，为了获得较为精确的定位，根据RSSI测距原理和无线信号传播衰减模型在设定的室内环境进行多次实验，通过计算及均值处理等方法反复调整以获得标准的定位模型参数，得到高精度的等效距离。接着，根据三边定位算法原理简化定位算法，建立更为简单的定位模型，采用双边定位得到两个可能的定位点，再利用RSSI测距原理对两个定位点进行择优选择确定定位点。最后，在Arduino开发平台上对参考节点与未知节点这两类iDuino节点的室内定位模型进行了软件开发设计和程序开发。在设定的室内环境部署iDuino节点，搭建实验定位模型，并实现了定位。 关键词：无线传感器网络，节点，室内定位，RSSI，Arduino
ABSTRACT Wireless sensor network (WSN) is developed rapidly and universally emphasized as a new network technology in recent years, the advent and development of WSN have had a profound and lasting impact on the life and all areas of production of human beings. Wireless nodes localization technology is the basis in the application and studies of wireless sensor network. There are a variety of positioning technology have been used in indoor location at present, especially the based on RSSI (received signal strength) positioning technology gets a great preference from many scholars of studies of wireless sensor network with the advantages of low power consumption, low cost and easy to realize. This paper mainly studies the key technology of indoor positioning based on RSSI, which mainly includes the positioning model analysis and positioning algorithm design. First, in order to obtain more accurate positioning, we perform several experiments according to the RSSI ranging principle and wireless signal propagation attenuation model in the setting of indoor environment, and get accurate positioning model parameters and equivalent distance by the methods of calculation and mean processing. Then, we simplify Trilateral Localization Algorithm to Bilateral Location Algorithm and establish a simpler positioning model, with which we can get two nodes of possible location, and determine the better node according to the RSSI ranging principle. At last, we make software designing and programming of these nodes that are anchor nodes and nodes of unknown on the Arduino development platform. Combined with the indoor environment we selected, we deploy the iDuino nodes and then build location model, with which we implement the location. KEY WORDS：Wireless Sensor Network，Nodes，Indoor Location，RSSI，Arduino
文章编号:1004-9037(2009)02-0254-05 基于无线传感网络的大型结构健康监测系统 尚 盈 袁慎芳 吴 键 丁建伟 李耀曾 (南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室,南京,210016) 摘要:针对大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构,实现了基于无线传感网络的多点应变结构健康监测系统,采用自组织竞争神经网络成功判别了集中载荷模拟的损伤位置。本系统由传感采集子系统、无线传感网络子系统和终端监控子系统三部分组成。为了降低系统网络功耗及成本,提高系统的稳定性和可靠性,改善传感网络的实时性和同步性,设计了可直接配接无线传感网络节点的低功耗多通道应变传感器信号调理电路和基于无线传感网络的层次路由协议,开发了多通道应变数据采集、网络簇头转发和中继节点接收等主要软件模块。实验证明,相比于传统有线的监测方法和数据采集系统,基于无线传感网络的结构健康监测系统具有负重轻、成本低、易维护和搭建移动方便等优点。 关键词:无线传感网络;结构健康监测;层次路由协议;自组织竞争网络中图分类号:T P2;T P9 文献标识码:A 基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划(2007AA 032117)资助项目;国家自然科学基金(60772072,50420120133)资助项目;航空基金(20060952)资助项目。 收稿日期:2007-09-05;修订日期:2008-04-17 Large -Scale Structural Health Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks S hang Ying ,Yuan Shenf ang ,Wu J ian ,Ding J ianw ei ,L i Yaoz eng (T he A ero nautic Key La bo rat or y o f Smart M ater ial and Str uct ur e,N anjing U niv ersit y o f Aer onautics and A str onautics,N anjing,210016,China) Abstract :Aimed at the large-scale structure and anisotropy nature o f the carbon fiber compos-ite material w ing box ,a large-scale structural health m onitoring system based on w ireless sen-sor netw orks is presented .A kind of artificial neural netw ork is designed to distinguish the damag e locatio n simulated by the co ncentrated load .The sy stem co nsists o f the sensor data ac-quisition,the w ireless sensor netw or ks,and the terminal monitoring sub-sy stem s.To im pro ve the performance o f the system ,the signal conditio ning circuit and the hierarchical routing pro -to col are designed based o n w ireless sensor netw orks ,the prog rams of data acquisition and Sink node are ex ploited.Experimental result pro ves that the system has advantag es of flexibili-ty o f deplo yment,low maintenance and deploym ent costs . Key words :w ir eless senso r netw or ks ;str uctural health monitoring ;hierarchical routing ;self -org anizing com petitive netw o rk 引 言 结构健康监测技术是采用智能材料结构的新概念,利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络,在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等),结 合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模 方法,提取特征参数,识别结构的状态,包括损伤,并对结构的不安全因素在其早期就加以控制,以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展,从而实现结构健康自诊断、自修复、保证结构的安全和降低维修费用[1]。 无线传感网络节点具有局部信号处理的功能, 第24卷第2期2009年3月数据采集与处理Jour nal of D ata A cquisition &P ro cessing Vo l.24N o.2M a r.2009