分布式无线传感器网络的故障诊断
摘要：无线传感器网络部署在恶劣环境中,传感器节点容易出现故障。因此很好的故障检测和定位可以较好的提高传感器网络的鲁棒性和健壮性。本文介绍了一个高效的分布式算法对接点进行故障诊断。它是基于本地感知数据和邻近的节点进行相似性比较，时间冗余对一些传感器网络的瞬态故障和通信有一定的容错性。matlab仿真显示该算法可以高效率诊断错误和很好的诊断精度。
引言
无线传感器网络是新兴人工智能，广泛应用于环境监控、安全监视和目标跟踪[1]。低成本，低功耗的微型传感器由信号发送、信息处理和通信单元组成。由于无线传感器网络通常部署在恶劣的环境中，难免传感器网络中会出现一些故障。传感器网络故障导致不正确的数据产生和错误的数据处理进而危及整个传感器网络。
文献[2-9]是一些关于无线传感器网络故障监测与诊断的调查研究。文献[5]提出一种基于外部事件驱动对无线传感器网络进行故障诊断的方法。它可以全局上管理整个网络，虽然外部处理可以执行更复杂的功能，但传感器节点间的通信及管理是一个急需解决的问题。
丁等人[8]提出了一种较低的计算开销的局部诊断算法。每个传感器节点通过比较自己的邻居的感知数据和中位数数据来确定自己的状态。局部诊断对于随机部署的非均匀节点度的传感器网络处理能力非常有限。此外，在无线传感器网络环境中,对无故障的传感器节点的拓扑也是一个很重要的方面。
近几年，提出了无线传感器网络的分布式故障诊断方法，如文章[9]，它通过节点自身感知数据和可信的邻居节点数据进行比较，采用多数投票判决的方式进行故障诊断。这种算法针对出现两次与临节点达到预定阀值而进行判决的场景较为复杂，并且此算法不适用于节点间通信时产生的瞬态故障的情况下。
在本文中，提出了一种高效的分布式算法对无线传感器网络中的故障节点进行隔离。通过利用自节点与临节点间的数据比较和互传测试结果来提高诊断精度。同时，时间冗余技术对一些问题节点和通信故障有一定的容错性，通过无故障节点对故障节点进行剔除。在故障诊断中，无论节点是否被确定为无故障亦或是没有参与诊断，传感器网络的连通性及故障诊断精度都极其重要。
故障诊断模型
在传感器故障诊断模型中，假定传感器节点随机部署在目标区域及所有节点具有相同的传输范围。每个节点拥有器邻居节点的信息(该节点传播范围内的邻居节点)。
以下为故障诊断模型。故障不受位置的影响，可能发生在任何传感器网络节点上。两个相邻节点之间的通信可能会出现间歇性故障甚至永久性故障。最后传感器节点传送的数据可能会因为通信的间歇问题而导致发送出错误的数据，并被判别成正常节点。换句话说，就是只把永久故障的节点从网络中移除。
对传感器网络数据模型进行定义。每一个无故障传感器节点和其及临节点具有非常相近的数据值，假设Vi与Vj是两个邻居节点，Xi为节点Vi的发送数据。设定无故障阀值公式为
|Xi-Xj|<=δ,其中δ依赖于传感器网络应用场景。例如，在温度监测的传感器网络中，传感器节点的监测数据和气临节点具有极其相似性，这就要求δ是一个比较小的阀值。 分布式故障诊断
用G （V ，E ）代表传感器网络，其中V 代表网络中传感器节点的集合和E 代表的边缘连接传感器节点集。如果节点vi 和vj 之间的通信距离小于r ，则相互进行链接并诊断。当（vi ，vj ）在E 内时，vi 与vj 间的比较也是指G （V ，E ）的一个测试图。如果链接正常则测试结果输出为0.
定义1：对于图G （V ，E ）和Vi ∈V ，R （Vi ）={Vj ∈V:(Vi ，Vj)∈E}的所有Vi 邻居节点点集用R （Vi ）定义。
定义2：对于图G （V ，E ），用Cij 表示（Vi ，Vj ）∈E ；状态正常则用Cij=0表示，否则Cij=1。
定义3：对于图G （V ，E ）和Vi ∈V ，用|Ci|标记Vj ∈R （Vi ）中Cij=0的数目，因此，0≤|Ci|≤|R （Vi ）|。
一个完整的诊断系统是指所有的故障节点可以根据确定的综合系统生成，否则它是一个不完备的诊断。类似这种诊断，它不会把正常节点误认为是故障节点。当无线传感器网络部署在恶劣环境中，其节点发生故障的可能性也大大增加。一个完备且正确的诊断系统是很难实现甚至在某些条件下是不可能的。在传感器网络可接受的不完备诊断方法，必须可以对故障节点被视为正常节点有一定的容错性，并能较好的管理整个节点网络。此外,它是仍然可以使用诊断算法把可能不正确的但被识别为无故障节点进行孤立并剔出网络。原因是传感器节点通常将廉价的和冗余节点来实现容错反馈。
使用上面的定义,我们提出一个分布式算法隔离传感器网络中故障节点。诊断包括三个步骤。它始于每个传感器节点存储的邻居表NT 。每个节点的邻居表都包含了其所有邻居节点的状态Cij ，以及每个节点的初始故障状态值（故障用1表示）。用以下两个决策标准来判定一个节点是否无故障：
1. 对每个节点Vi ，如果|Ci|≥θ1,则把Fi=0（无故障）。
2. 对每个节点Vi ，如果他的邻居节点Vj 有Fj=0且Cij=0，则Vi 被诊断为无故障节点(Fi=0)。 虽然我们的诊断算法是在某一时刻t 基于比较感知数据的收集，我们收集q 时刻发送的数据是为了对节点间通信的瞬态故障有一定的容错能力。节点Vw 根据邻居节点在q 个不同时间（t1，t2，t3……）发送的数据进行决策。这样一个可变动范围能更好的进行决策。用j
i x 去表示在时刻i t 在Vi 节点的状态。然后，j w x 与每一个邻节点数据的比较，其中1≤j ≤q 。
Cwj 由Vw 与Vj 节点间的比较次数来决定，最后结果我们用θ2来表示。
举个例子，有六个邻居节点的节点Vw ，并设定q=4，用每一个邻节点与该节点数据进行比较，结果如下：
如果θ2=2，则输出结果为w c1=0，w c2=0，w c3=0，w c4=0，w c5=1。θ2的值取决于q和
节点间通信可靠程度。如果|Cw|≥θ1，则判为无故障节点，在这个实例中如果θ1=3、|Cw|=4，Vw将被诊断为无故障节点。
至少一个节点必须满足开始启动的第一个诊断条件。一旦发现故障的节点，其结果将被传播给它的邻居节点，并所有节点都刷新当前数据变成另一状态。其大致诊断策略可用如下描述：
为了说明诊断算法，我们认为传感器网络有11个节点，如图1所示，其中六他们都是无过错的。为方便各边标记1（不匹配）或0（匹配），“匹配”的意思是该端点具有类似的
检测值。在本例中缺省值为Cij=Cji。所有成员节点运行的诊断算法的阈值缺省为θ1=3。在步骤二中，在A、B和C、D的节点的协助下|Ch|和|Cc|大于或等于3则认为C、H是没有故障的（即Fc=0）。
第三步，C、H将把它们的诊断结果状态告知邻居节点，并让网络把A、B、D、G、I、J、
K设置为无故障节点，C节点如果通信等级已被标记为1将不会对节点E造成影响。每一个A、B和D将检查它是否有权限广播其无故障状态的邻居节点。如果没有权限将不采取任何操作。G发送它的状态给邻节点F，把Ff置为0（无故障），直至E和F都被标记为1才能执行下一步操作。确定故障的节点的数目是10，而不是6。这种不良状态的原因是故障节点A、B、D、C产生相同的故障。故障节点c，错误地确定为无故障，并传播错误的决定给它的邻居把自己状态设置成无故障。虽然我们选择了这个特殊的案例说明，这种情况不太可能
发生，可通过设置阈值θ1来最小化这类故障。
传感器部署后的初步诊断节点进行，故障节点将被识别和从传感器网络中分离。他们中的一些人可能不工作从一开始就这样被忽略。后有故障的节点数量的增加将是相当小而慢。也就是说，这将是更自然的假设有故障的传感器节点的概率是比较一旦初始部署后的故障节点被隔离。在隔离故障节点后的正常运行网络，这是更现实的假设，平均节点度随着时间的推移逐渐减少，除非有更多的传感器节点增加。
性能评估
为了评估所提出的分布式的诊断算法的性能，利用蒙特卡洛进行模拟。它取决于各种参数：平均节点度、节点故障率、和阀值θ1。以下是仿真设定的初始缺省值：1）故障间相互独立；
2）故障率p是指忽略定位错误的情况下的节点故障率。Ng、Nf分别代表节点的正常和故障。Ng、Nf由也让被确定为故障的故障的节点数和被诊断出故障的节点的数目。诊断精度（DA）和虚警率（FAR）通过下列公式计算：
n是节点总数。DA和FAR的范围是0到1，而我们想要的是他们的值尽量接近于0.
用计算机模拟一个传感器网络。1024个节点被随机部署到512*512的区域范围内。假定所有节点有一个默认的传输范围。选择的范围决定着传感器网络具有所需的平均节点度。
在模拟中，传感器节点被认为是错误的概率为0.05，0.1，0.15，0.20，0.25。为获得最坏的情况下的结果，我们还假定所有错误节点的情况下进行比较。我们已经得到不同p和θ情况下DA和FAR的值。表1实在d=15是的结果。
在忽略p和θ1的影响只考虑d=15是，虚警率得到了一个很好的结果。不过，阀值θ1也是
一个很重要的影响因素，尤其在大面积故障的情况下。在d=15的情况下尽量保证Nfg低于4.例如，θ1比第3个p=0.05和第9个p=0.20都好，在d=15时，建议选择θ1的范围为11到19，这样可以减少错误节点被误认为是正确节点。在大部分p变动比较大的情况下取θ1=d。改变d的值研究仿真结果如表二所示：
在d=7的情况下得到不同的DA和FAR，为保证p小于等于0.25，取Nfg小于4，例如，θ
1>7.然而会使Ngg为一个相对较小的值，实际上在这种情况下，Ngf会大于等于30，导致无故障节点数目不太理想。没有很好的仿真结果是因为d值较小使无故障传感器节点不太可能形成连通图。一小群无故障节点或没有使用，并与其他无故障的节点相隔离并不会对该故障诊断算法产生很大的影响。当p=0.25时，举个例子，因为一小部分节点和其他正常节点相隔离导致FAR从0.006变化到0.041。
所提出的诊断算法是构建一个功能的传感器网络的识别无故障传感器节点尽可能，作为反对识别故障节点将形成一个连通图，不会与故障节点诊断为无故障。一旦有故障的节点从
网络中隔离，他们可以被视为死亡节点。由于这些节点的删除不需要的考虑，这是合理的假设，相对较小，经初步诊断。此外，所提出的诊断算法，如果周期性地施加，将删除故障节点新生成的相邻的两个测试周期之间，保持相对小，除非事件导致大量的传感器节点在同一时间失败。
我们已经观察到的诊断算法的性能强烈依赖于底层的连接图。随机部署部分隔离的传感器无故障节点，即使节点被正确诊断也不可能有效的降低这种依赖性。因此，一个高效的诊断算法应该适当的部署传感器网络和拥有一个相对高的d值，算法复杂度低点也能相对的降低通信开销。
由于文章内容量限制，在传感和通信的瞬态故障的仿真结果在本文中没有给出。我们发现，可以通过选择合适的q和 2来对瞬时故障进行容错。
总结
在本文中，我们提出了一种分布式算法，用于隔离故障传感器节点的无线传感器网络。在其初始状态的基础上的检测数据和传播的测试结果的局部比较，对每个传感器节点的状态进行了确定。该算法简单，并高效的实现了对高故障率情况下的故障诊断。传感器无故障节点的连通性在实现高性能的自诊断中非常重要，小部分无故障节点被隔离或没有使用也能被正确识别。该算法还对通信中的一些瞬时故障具有容错能力。
致谢
本工作经基础研究项目韩国科学与工程基金会批准，批准号为R01-2006-000-10073-0。
参考文献
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。
中英文资料对照外文翻译 基于网络共享的无线传感网络设计 摘要：无线传感器网络是近年来的一种新兴发展技术，它在环境监测、农业和公众健康等方面有着广泛的应用。在发展中国家，无线传感器网络技术是一种常用的技术模型。由于无线传感网络的在线监测和高效率的网络传送，使其具有很大的发展前景，然而无线传感网络的发展仍然面临着很大的挑战。其主要挑战包括传感器的可携性、快速性。我们首先讨论了传感器网络的可行性然后描述在解决各种技术性挑战时传感器应产生的便携性。我们还讨论了关于孟加拉国和加利 尼亚州基于无线传感网络的水质的开发和监测。 关键词：无线传感网络、在线监测 1.简介 无线传感器网络，是计算机设备和传感器之间的桥梁，在公共卫生、环境和农业等领域发挥着巨大的作用。一个单一的设备应该有一个处理器，一个无线电和多个传感器。当这些设备在一个领域部署时，传感装置测量这一领域的特殊环境。然后将监测到的数据通过无线电进行传输，再由计算机进行数据分析。这样，无线传感器网络可以对环境中各种变化进行详细的观察。无线传感器网络是能够测量各种现象如在水中的污染物含量，水灌溉流量。比如，最近发生的污染涌流进中国松花江，而松花江又是饮用水的主要来源。通过测定水流量和速度，通过传感器对江水进行实时监测，就能够确定污染桶的数量和流动方向。 不幸的是，人们只是在资源相对丰富这个条件下做文章，无线传感器网络的潜力在很大程度上仍未开发，费用对无线传感器网络是几个主要障碍之一，阻止了其更广阔的发展前景。许多无线传感器网络组件正在趋于便宜化（例如有关计算能力的组件），而传感器本身仍是最昂贵的。正如在在文献[5]中所指出的，成功的技术依赖于
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
Wireless sensor network monitoring system design Kang yi-mei,Zhao lei,Hu jiang,Yang en-bo (Study on Beijing University of Aeronautics and Astronautics) Summary: A car wireless sensor network monitoring system based on IEEE 802.15.4 and ZigBee standards. With universal wireless sensor networks, expansion of the scope of monitoring and monitoring functions for in-car system, car data acquisition and condition monitoring of equipment status and the necessary equipment control, topology control, topology query functions. Keywords: wireless sensor networks; monitoring system Introduction In order to satisfy the people to car safety, handling and comfort requirements, vehicle integrated with more and more electronic system .At present, car electronic equipment is widely used 16 or 32-bit microprocessor control. Creating in-vehicle monitoring system based on IEEE 802.15.4 and ZigBee standard for wireless sensor networks, designed to achieve a more optimized wireless sensor networks, the progressive realization of the network of automotive systems, intelligent and controllable to provide high-Car System security. System design In this paper, the existing vehicle system, the data transmission mode is extended to the wireless transmission mode, the realization of a star network data acquisition system. And can place each data acquisition node of the acquired data is transmitted to the gateway, the gateway through the serial port to upload data to the host computer, in the host data real-time waveform display, and method of database to preserve, for the follow-up data processing. The application of system object is composed of a temperature sensor, pressure sensor, speed sensor, speed sensor, a current sensor, pressure sensor, sensor subsystem. The purpose of this design is to use a monitoring host machine end to the detection of multiple target environment, taking into account the access data throughput and software system complexity, using time-division multiplexing way, one by one on the net terminal collecting point of control and data acquisition. As shown in Figure 1, the system is divided into 3 parts: Vehicle Monitoring Center, gateway and mobile sensor node. Gateway is the whole vehicle system core, and all vehicular sensor node communication. Vehicle monitoring center to the gateway sends a control command by the gateway, the control command is converted to an RF signal and sent to the vehicle sensor node. When the vehicle sensor nodes to transmit data, gateway into the data reception state, and upload data to the monitoring center for further processing. In addition, car between sensor nodes cannot communicate with each other. The monitoring center of the monitoring software and gateway in RS232standard interface for communication. Vehicle sensor node life cycle is active and dormant periods. Nodes in the active phase of the completion of data acquisition, data sent to the gateway, receiving and
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：
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
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 positioning 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关重要。 影响无线传感器网络定位的原因大致可以分为两类：其一，节点失效（如节点被破坏、电量耗尽）、环境毁坏（通信干扰）等引起的定位误差；其二，恶意攻击[30]，攻击者主要是通过内部攻击和外部攻击两种方式来增大无线传感器网络的定位误差或使节点定位失效。 采用不同的定位算法，系统存在不同的安全隐患。按照定位算法的分类将安全隐患大致分为：基于测距的定位的安全隐患和基于无需测距定位的安全隐患。 3.2.1 基于测距定位的安全隐患 基于测距的定位技术需要测量未知节点和参考节点之间的距离或方位信息。攻击者主要针对定位系统位置关系的测量阶段和距离估计阶段进行攻击。在测距阶段，攻击者通过改变测距所需要的参数或者产生干扰和欺骗以增大误差，达到攻击的目的。 基于测距定位的攻击手段主要有以下几种：（1）通过移动、隔离信标节点来
2011学年第一学期高一无线传感器网络期末试卷适用班级：11计6 满分：100分考试时间：60分钟 一、单项选择题（将最合适的选项填入括号中，每小题3分，共24分） 1.下列对无线传感器网络中传感器结点的叙述错误的是（）。 A.数目庞大 B.分布密集 C.易受环境干扰 D.可随意移动 2.关于传感器的现代感知方法，下列说法错误的是（）。 A.使用多跳路由算法向用户报告观测结果 B.多个传感器协同完成感知区域的大观测任务 C.传感器无计算能力 D.每个传感器完成临近感知对象的观测 3.无线网络技术使用的介质是（）。 A.无线电波 B.双绞线 C.光缆 D.同轴电缆 4.（）是传感器结点没有的组件。 A.处理子系统和无线通信子系统 B.传感器子系统 C.一个简单的操作系统和基本的变成语言 D.传统的Web浏览界面 5.以下哪个不是对无线传感器网络技术的设计挑战？（） A.驱动程序 B.有限的能源 C.可靠性 D.对Linux的支持 6.以下名词中中英文对应错误的是（）？ A.无线传感器网络——Wireless Sensor Network，WSN B.全球定位系统——Geographical Information System，GIS C.云计算——Cloud Computing D.智能家居——Intelligent Home 7.电饭煲中的主要传感器是（） A.压力传感器 B.红外传感器 C.温度传感器 D.湿敏传感器 8.智能家居功能包括（） A.家居安全监控 B.家电控制 C.门禁系统 D.以上皆是 二、填空题（每个空格1分，共21分） 1.传感器网络的主要应用领域有__________________、__________________、__________________、__________________等。 2. 无线传感器网络的三大基础技术是__________________、__________________、__________________。 3.传感器网络的协议可分为五层，从下到上可分为_________________、_________________、_________________、_________________、_________________。 4.传感器结点的物理结构是： 5.传感器网络节点的功能模块组成为： 三、简答题（共30分）