无线传感器网络自供能技术分析
黄金鑫，张黎，李庆民，吕鑫昌
(山东大学电气工程学院)
摘要:本文对无线传感器网络节点的能量供应现状进行了讨论，介绍了无线传感器网络中应用前景广阔的自供能技术的原理和工作特点，着重分析在高压变电站中基于空间电磁能的自供能技术的原理和关键技术，提出了一种新的球型集能电容收集结构，进行了初步的磁能收集探索，最后总结未来需解决的难题以及可能的研究方向.
关键词:无线传感器 自供能技术 电磁能收集
1引言
传感器作为获取监测信息的最重要和最基本单元，已广泛应用于各个专业领域，成为工业自动化系统不可或缺的重要技术支撑。尤其是近年来兴起的由大量分布式无线传感器节点组成的面向目标信息的实时监测网络——无线传感器网络[1-3]，因传感节点占用空间小和无线数据传输方式的突出优点，特别适用于环境条件复杂苛刻、布线困难的工业环境，被认为是未来传感器技术的发展方向。然而，无线传感器技术并未像人们当初预想的那样快速市场化，其中非常关键的一个制约瓶颈便是传感器的能量供给问题
[4-8]。无线传感器通常采用自带电池的供电方式，尽管电池的储能密度和使用寿命不断提高，但因电池有供能寿命有限，需重复充电，体积与质量较大等自身无法克服的缺陷，并不能完全满足无线传感器网络的发展要求。随着无线传感器网络节点数目越来越庞大，大规模的更换电池既不经济也不现实。因此，供能问题已成为无线传感器网络发展的瓶颈，能量供给技术也成为无线传感器网络研究的核心课题之一。
2 自供能技术
为了摆脱对电池的依赖而实现对无线器件的供能，研究人员提出了自供能技术。它是一种通过收集周围环境中其它形式的能量
基金资助项目：教育部新世纪优秀人才支持计划项目
（NCET-08-0335） （如太阳能、振动能、风能、声能、热能、电磁能等）并将其转换成电能[9-16]，为传感器或其它电子设备提供安全、稳定、高效、理论上无寿命限制的电能供给技术。自供能技术以其独有的自持续性（self-sustaining）特点，大大拓展了无线传感器网络的应用空间。（1）基于太阳能的自供能技术
太阳辐射能量巨大,而且它具有清洁、环保、价格低廉、可再生的优点,可谓是人类的生活宝库,是我们取之不尽的能量的源泉。太阳能转化成电能的媒介就是太阳能电池，其基本原理是利用光电效应。光电材料在阳光照射下吸收大量的光子，如果吸收的光子足够多从而能够激活光电材料中的电子，再经过适当的设计结构对电子加以收集，则电能可获取。光电元件相当于解码器，在光的照射下产生电压，结合相应的调整和储存电路可为负载实现供电。
尽管太阳能利用已有较长时间，技术相对成熟，功率密度也较大。但是这种能量源的主要缺点是：第一，随着时间变化其功率密度变化较大，即白天光线强时，其功率密度大，在夜晚时几乎为零。另外，这种收集方法受天气变化影响，晴天和阴雨天时功率密度相差很大。第二，由于太阳能电池收集到的能量与表面积成正比，因此，为了使节点获得尽可能多能量，应尽量增大太阳能收集板表面积。但这与传感器节点微小化的要求相矛盾。因受成本、体积等因素的制约，将太阳能运用于无线传感器网络中还有许多急需解决的理论与实际问题。
（2）基于振动能的自供能技术
在自然环境中振动（vibration）能也是一种较普遍的能源形式，广泛存在于楼宇、桥梁、车辆、船舶、飞行器、机电设备等各种生产和生活设备，也存在于人体的肢体运动、血液流动、心脏跳动等生命过程中。因此，振动能的收集一直都是自供能技术关注的焦点。
根据振动能转换成电能原理的不同，转换主要存在三种方式：电磁式、静电式和压电式。电磁式转换是利用法拉第电磁感应定律，由振动时磁体部件和导电线圈发生的相对运动导致电信号的产生。静电式转换主要利用存储着一定电荷量的电容对在振动激励下的相对位移，实现电荷的流动。压电式转换主要利用压电效应，压电材料由于外界振动所产生的应力将引起其内部电荷的流动，产生电信号。
目前世界上有许多研究小组在从事振动能量收集器的研制工作，具有体积小、感测频率高、发电量大、工艺与半导体技术兼容、无需驱动电源、可应用于各种恶劣环境等优点，但依然存在着输出功率偏小、集成度不高、装配精度较低等缺点。尽管已经研制成功多种样机并实现了一定的应用。但多数的研究结果还处于实验室阶段。
（3）基于热能的自供能技术
通常利用热源存在或者发生的温度差实现热能的收集。温差发电利用热电转换材料的Seebeck 效应，将两种不同类型的热电转换材料N端和P端结合，并将其置于高温状态，另一端开路并处于低温环境。由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度比低温端高，在载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差，实现热能到电能的转换。
温差电技术研究始于20世纪40年代，于20世纪60年代达到高峰，并成功地在航天器上实现了长时发电。温差发电机具有体积小、重量轻、无振动、无噪音、性能可靠、维修少、可在极端恶劣环境下长时间工作的特点，适合用作小于5W的小功率电源，用于各种无人监视的传感器、微小短程通讯装置以及医学和生理学研究仪器。
但是，这种技术最大的限制在于其功率太小，直接限制了它的应用范围，而且在普通的环境条件下，恒定的较大的温差条件是很难满足的，基于热能的自供能技术还有待发展。
（4）基于风能的自供能技术
在大型结构中使用风能作为动力源已有数百年时间，今天大风车还十分普遍。采用大型的风车为传感器供电显然是没有必要的，风速较大的条件也不容易满足，因此小型的风力发电技术引起了研究人员的关注。
Arlington 德州大学很好的开展了小型
风力发电的研究工作。利用成熟的压电和机械技术制造出的一种小型发电机，可由8～16km/h的风力驱动，能为无线传感器网络节点提供50mW的功率。其本质是利用风能让压电材料产生形变，进而转化为电能。
实验结果表明：风速为5m/s时，功率密度为350μW/cm2，效率为11%。虽然效率差强人意，但如何保证空气中有稳定的气流成为另外一个问题，这就使自供能的可靠性大打折扣。保证微小结构前提下提高转换效率，提高供能的稳定性将是日后的研究必须解决的难题。
（5）基于声能的自供能技术
人造铌酸锂具有在高频高温下将声能转变为电能的特殊功能。当声波遇到屏障时，声能会转化为电能。英国科技人员根据这一原理，设计制造了鼓膜式接收器，将接收器与能聚集声能的共鸣器连接，当它把所收集的噪声输入声能变换器后，便可发出电来。还有一种新型热声学发动机，它由一个长棒球棍状的共振器与一个椭圆形的容器组成，没有把柄。发动机内盛有经过压缩的氨，当氨被加热时，就会产生声波，形成声能，这种声能可以启动活塞以产生电力。
这些新型发电技术原理新颖，还都处于实验室研发阶段，离大规模制造生产还有很大距离，实用化困难。
（6）基于电磁能的自供能技术
空间电磁波信号无处不在，通过电磁感应原理可以方便的将电磁能转变成电能。利用天线收集空间电磁波给传感器供电，供电
范围可以非常广大；电磁波可以绕过障碍物的阻碍，因此供能可以少受多种地理条件的限制。但这种供能方式最大的缺点是空间电磁波能量密度太小，收集的能量有限。在特高频和超高频频段，当场强E为1V/m时，可收集能量密度仅0.26μW/cm2，而场强达到伏特每米的情况很少，可获得的电磁能极为有限，除非在某些特定场合，如变电站、高压线附近等电磁场强度比较大的地方，收集到的能量密度可能会较高。
目前，电磁波的收集只在某些特殊应用中采用，需要通过发射端发射能量足够大的电磁能之后，接收端以特定方法耦合接受后再加以转化利用，如正广泛使用的射频识别(RFID)系统。可通过设计新换能器或者应用新材料提高磁电转换的电压和功率，如超磁致伸缩材料与压电材料复合能得到较高磁电转换系数，有可能用于电磁能收集。
3 变电站内无线传感器的自供能
随着变电站综合自动化技术的发展，兼具技术与经济优势的无线传感器网络在该领域的应用前景广阔，但也同样面临着传感节点的自供能问题。变电站内不仅工频高压母线与连接线缆密布，而且电晕放电与操作冲击等现象时时发生，自然形成了“工频与高频共生，近场与远场耦合交融，传导与辐射并存”的空间强场环境[17-22]。500kV变电站的实测数据表明，电场强度可达18kV/m，磁场强度可达7.62μT。可见，变电站附近的电磁能是相当丰富的。
电磁能无论白天黑夜阴晴雨雪都对其没有太大影响，不像光能会收到黑夜和天气的限制，更重要的是变电站不允许有大的太阳能电池板占用空间。某些电气设备也会有振动，但振动能的收集需要与振动源紧密连接，而变电站的高压设备是不允许触摸或者外挂其他部件的。目前发展相对比较成熟的自供能方式就是太阳能和振动能、热能、声能等自供能技术受环境制约条件太多，在变电站内这些能量源太微弱，根本无法满足无线传感器工作需要。综上所述，在变电站特殊环境情况下，基于电磁能的自供能技术比其他自供能方法更具优势，对无线传感器网络的广泛应用和变电站自动化的发展具有重大意义。
（1）变电站内电场能收集原理
由于变电站内电场能较磁场能要丰富的多，目前通常利用静电感应原理对电场能加以收集[23]，原理如图1所示：
图1 电场能收集原理图
图1中两平行金属板置于电场中，两板通过一开关S与后接整流电路和储能电容相连。根据静电感应原理，当高频开关S断开时，置于电场中的两平行金属电极板之间将出现电压差，两金属电极板上出现感应电荷；开关闭合时将两金属电极板短路，因而会产生一个短路脉冲电流，一旦感应电荷都随着脉冲短路电流传导出去，两金属电极板之间电压差为零；开关再次断开时，结束两金属电极板短路，电压差重新出现，两金属电极板上将会感应出新的电荷可供提取；以较高的频率重复上述过程，就可得到由电场能量转化而来的间歇电流，实现了电场能到电能的简单转化。得到的间歇电流可通过简单的整流控制电路储存到电池或超级电容器等储能装置中，给后续传感器供电。
（2）新型收集电容拓扑
收集电场能的最关键部件是电容式转换器，它决定了一定外电场条件下感应电荷与收集能量的多少。因此，有必要深入研究电容器的拓扑结构、几何参数、介电常数等对能量转换效率的影响。
对于图1中的平行板电容器，空间电场与板垂直时效率较高。但现实中的变电站内大多具有各个方向的复杂电场，本文着重提出一种新的球形电容拓扑结构，如图2所示，
电容两极板由上下两个金属半球壳组成，中间为绝缘介质。这种拓扑结构有以下优点：易于收集各个方向的电场；近似封闭的金属面还为内置电路提供电磁屏蔽；电场的畸变较小，可以避免尖端放电现象。
图2 球形电容器
此外，通过分析影响球形电容集能效率的因素，如金属球半径、球壳厚度、绝缘材料的厚度和介电常数等，研究电容结构参数对电能收集效率的影响程度，实现球形电容参数综合优化将是日后进一步的研究工作。（3）变电站内磁能的收集探索
在高电压变电站中电场分量一般较强，而磁场分量相对弱些，但并不意味着磁场能量无法加以利用。磁场分量也具有相当宽的频谱范围，尤其是其中的高频成分，倘基于电磁感应原理采用类似于天线的电感式磁能转换器加以接收[24-27]，做为辅助能量源与电场能综合利用，将会显著提高集能效率与自供能强度。此内容尚未见文献报道，但值得进行探索研究。
变电站内的磁场能没有电场能充足和稳定，无法成为自供能装置的供能主力，但可做为辅助能源。磁场能量的收集方法类似于天线接受电磁波，根据电磁感应定律，当线圈中的磁通发生变化时，线圈将产生感应电动势。由于变电站内磁场较弱且线圈收集不稳定，为了尽可能多是收集磁场能量，提出了如图3所示的感应环拓扑结构。每一环实际上都可由N匝导线缠绕而成，各环位置呈现一定角度交叉，可方便收集各个方向的高频磁场，收集电场能量的电容可放如其中心的空心位置。电场能与磁场能的同时收集，将改善集能装置的供能水平。
图3 磁能收集感应环示意图
基于空间电磁耦合的自供能技术，充分利用了高压变电站中电磁能量丰富的固有优势，可有效解决无线传感器节点的能量供给瓶颈问题，但至今为止，世界上在这方面的研究还不多，且基本上处于起步阶段，目前仍面临的诸多有待深入研究的关键技术难题，如：将电场能转换为电能的电容器的拓扑结构、几何参数、介电常数等对能量转换效率的影响及优化问题，简单、高效、低耗的电能存储电路设计与优化，磁场能量的收集方法探索等。
4 结论
近年无线传感器网络飞速发展，但节点的供能问题却阻碍了其在各个工业领域的实用化过程。自供能技术因“自给自足”的独特优势成为解决供能瓶颈问题的热点方案。本文对基于太阳能、振动能、风能、声能、热能、电磁能等多种不同能量形式的自供能技术的发展现状、工作原理、技术和方法进行了分析讨论，特别针对高压变电站特殊电磁环境条件，认为基于电磁能的自供能技术比其他自供能方法更具优势，可以满足无线传感器网络供能需求。
随着自供能技术的进一步研究和深入发展，还面临许多困难：各种能量收集技术与方法目前还不成熟，仍需研究者进行大量的创新性研究；各种能力收集组建必须满足无线传感器网络节点的尺寸苛刻要求；能量收集各组件能协调一致工作并将收集到的能量有效储存。将来自供能技术还可以在以下方向取得进展：通过新的集能结构设计或新材
料的应用将进一步提高能力转换的效率和功率；简单、高效、低耗的电能调理与存储技
术可大大改善后续电路的功能；几种收集方
式结合将提高不同条件下收集能量的能力
等。
可以预见，自供能技术的发展可为传感
器节点提供长期稳定可靠的工作能源，从根
本上解决节点的供能问题，加快无线传感器
网络的发展与应用。
参考文献
[1]刘凯, 陈志东, 邹德福, 等. MEMS传感器和
智能传感器的发展[J]. 仪表技术与传感器,
2007, (9): 9-10
[2]余勇, 昌韦岗. 无线传感器网络路由协议研
究进展及发展趋势[J]. 计算机应用研究, 2008,
25(6): 1616-1621
[3]Dasheng Lee. Wireless and Powerless Sensing
Node System Developed for Monitoring
Motors[J]. Sensors, 2008, 8(8): 5005-5022
[4]卞雷祥, 文玉梅, 李平. 微型传感器自供能
技术[C]. 中国仪器仪表学会第八届青年学术会
议, 2006年7月28日, 大连, 2006, : 297-298
[5]杜冬梅, 何青, 张志. 无线传感器网络能
量收集技术分析[J]. 微纳电子技术, 2007, 44(7):
430-433
[6]胡冠山, 姚彦青. 无线网络传感器能量收集管
理技术[J]. 传感器世界, 2006, (3): 33-36
[7]汪小燕, 王峻峰, 何岭松. 基于能量采集技术
的无线传感网研究进展[J]. 微计算机信息,
2006, 22(8-1): 4-6
[8]Nathan Ota, Paul Wright. Trends in wireless
sensor networks for manufacturing[J].
International Journal of Manufacturing Research,
2006, 1(1): 3-17
[9]张文保, 王国庆. 发展中的电化学电容器[J].
电池工业, 2006, 11(1): 42-47
[10]夏熙, 刘洪涛. 一种正在迅速发展的贮能装
置——超电容器[J]. 电池工业, 2004, 9(3):
115-120
[11]孙玉国. 基于太阳能供电的无线振动传感器试
验研究[J]. 噪声与振动控制, 2007, (4): 132-133 [12]Shahab Mehraeen, S. Jagannathan, Keith Corzine.
Energy Harvesting Using Piezoelectric Materials
and High V oltage Scavenging Circuitry[C]. IEEE
International Conference on Industrial Technology, 21-24 April, 2008, : 1 - 8
[13]邓冠前, 陶利民, 陈仲生, 等. 基于压电陶瓷的
自供电关键技术分析[J]. 兵工自动化, 2008,
27(5): 67-69
[14]Sarah Scherrer, Donald G. Plumlee, Amy J. Moll.
Energy Scavenging Device in LTCC Materials[C].
2005 IEEE Workshop on Microelectronics and
Electron Devices, 15 April 2005, : 77-78
[15]Joseph A. Paradiso, Thad Starner. Energy
Scavenging for Mobile and Wireless
Electronics[J]. IEEE Pervasive Computing, 2005,
4(1): 18-27
[16]余义斌, 余江, 王贵, 等. 传感器节点环境
能量的收集方法[J]. 广东海洋大学学报, 2007,
27(6): 93-96
[17]阮黎东, 宋福祥, 孙全红. 高压变电站对周围
环境的影响与评价[J].电力环境保护, 2005,
21(3): 1-3
[18]林晓宇, 陈仕修, 张晓敏. 高压输电线路电晕
放电电磁辐射影响分析[J]. 电力环境保护,
2004, 20(3): 6-16
[19]M. Rao, M. Thomas, B. Singh. Computation of
EMI fields in a high voltage gas insulated
substation during switching operations [C]. IEEE
International Symposium on Electromagnetic
Compatibility, Aug 18-22, 2003, 2: 743-748
[20]R. J. Gavazza, C. M. Wiggins. Reduction of
interference on substation low voltage wiring [J].
IEEE Transactions on Power Delivery, 1996,
11(3): 1317-1329
[21]M. Stewart, W. Siew, K. Walker. Conducted
immunity requirements for equipment operational
during high voltage network switching operations
[J]. IEE Proc. on Generation, Transmission and
Distribution, 2001, 148(5): 391-396
[22]M. Stewart, W. Siew, K. Walker. Radiated
immunity requirements for equipment operational
during high voltage network switching operations
[J]. IEE Proc. on Generation, Transmission and
Distribution, 2001, 148(6): 610-614
[23]M. Zhu, A. Reid, S. Finney, M. Judd. Energy
Scavenging Technique for Powering Wireless
Sensors[C]. 2008 International Conference on
Condition Monitoring and Diagnosis, Beijing,
China, 21-24 April, 2008, : 881-884
[24]R. D’hulst, J. Driesen. Power Processing Circuits
for Vibration-Based Energy Harvesters[C]. Power
Electronics Specialists Conference, 15-19 June
2008, : 2556-2562
[25]B.H. Stark, P. D.Mitcheson, P. Miao, et al.
Power Processing Issues for Micro-Power
Electrostatic Generators[C]. IEEE Power Elecrronics Specialisrs Conference, 20-25 June,
2004 , 6: 4156-4162
[26]Fumihiro Sato, Takashi Nomoto, Genki Kano, et
al. A New Contactless Power-Signal Transmission
Device for Implanted Functional Electrical
Stimulation[J]. IEEE Transactions on Magnetics,
2004, 40(4): 2964-2966
[27]Chunbo Zhu, Kai Liu, Chunlai Yu, et al.
Simulation and Experimental Analysis on
Wireless Energy Transfer Based on Magnetic
Resonances[C]. IEEE Vehicle Power and
Propulsion Conference, Harbin, China, 3-5 Sept,
2008, : 1-4
作者简介
黄金鑫（1984，11-），工学学士，毕业于山东大学，现为
山东大学电气工程学院博士研究生，研究方向为无线传感器自
供能技术。
张黎（1979，09-），工学博士，毕业于山东大学，现为
山东大学电气工程学院讲师，研究方向为高电压与绝缘技术。
李庆民(1968，12-)，工学博士，毕业于清华大学，现为
山东大学电气工程学院教授，博士生导师，研究方向为高电压
与绝缘技术。
吕鑫昌(1987，02-)，工学学士，毕业于山东大学，现为
山东大学电气工程学院硕士研究生，研究方向为输电线路过电
压计算。
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。
1-2.什么是无线传感器网络? 无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息,并报告给用户。 1-4.图示说明无线传感器网络的系统架构。 1-5.传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别是什么? (1)传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块电源模块和嵌入式软件系统 (2)传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。另外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。 1-8.传感器网络的体系结构包括哪些部分?各部分的功能分别是什么? (1)网络通信协议：类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系。它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。 (2)网络管理平台：主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理。包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。 (3)应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。 1-9.传感器网络的结构有哪些类型?分别说明各种网络结构的特征及优缺点。 （1）根据结点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。如果网络的规模较小，一般采用平面结构；如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。 （2）平面结构：
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
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：
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。
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。
无线传感器网络的研究现状及发展 默认分类 2008-06-12 18:19:20 阅读910 评论0 字号：大中小 摘要：无线传感器网络(WSN>综合了传感器技术、微电子机械系统(MEMS>嵌入式计算技术．分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时感知、采集、处理和传输各种环境或监测对象的信息．具有十分广阔的应用前景，成为国内外学术界和工业界新的研究领域研究热点。本文简要介绍了无线传感器网络的网络结构、节点组成，分析了无线传感器网络的特点及其与现有网络的区别。进而介绍现有无线传感器网络中的MAC层技术、路由技术、节点技术和跨层设计等关键技术。最后展望无线传俄器网络的应用和发展并指出关键技术的进步将起到决定性的促进作用。 关键词：无线传感器网络节点 MAC层路由协议跨层设计 Abstract: Wireless sensor network (WSN> is integration of sensor techniques, Micro-Electro-Mechanical Systems, embedded computation techniques, distributed computation techniques and wireless communication technique. They can be used for sensing, collecting, processing and transferring information of monitored objects for users. As a new research area and interest hotspot of academia and industries, Wireless Sensor Network(WSN> has a wide application future. This paper briefly introduced the wireless sensor network of networks, nodes, the analysis of the characteristics of wireless sensor networks and the differences wih the existing networks. And the MAC layer technology, routing technology, joint cross-layer design technology and key technology are introduced . At last the prospects of wireless sensor network are discussed in this article. Key Words: Wireless Sensor Network, node, MAC, routing protocol, Cross-layer design 一、概述 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的发展进步，包括微电子机械系统 无线传感器网络技术试 题 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998 一、填空题 1. 传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者) 2. 传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息 3. 无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信 4. 传感节点中处理部件用于协调节点各个部分的工作的部件。 5. 基站节点不属于传感器节点的组成部分 6. 定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩展阶段、梯度建立阶段、路径加强阶段 7. 无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络 8. NTP时间同步协议不是传感器网络的的时间同步机制。 物理层。介质访问控制层 10. 从用户的角度看，汇聚节点被称为网关节点。 11. 数据融合的内容主要包括：多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测 13. 传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14. 分布式系统协同工作的基础是时间同步机制 15. 无线网络可以被分为有基础设施的网络与没有基础设施的网络，在无线传感器网络，Internet网络，WLan网络，拨号网络中，无线传感器网络属于没有基础设施的网络。 16. 传感器网络中，MAC层与物理层采用的是IEEE制定的IEEE协议 17. 分级结构的传感器网络可以解决平面结构的拥塞问题 18. 以数据为中心特点是传感器网络的组网特点，但不是Ad-Hoc的组网特点 19. 为了确保目标节点在发送ACK过程中不与其它节点发生冲突，目标节点使用了SIFS帧间间隔 20. 典型的基于竞争的MAC协议为CSMA 二、选择题 1.无线传感器网络的组成模块分为：通信模块、（）、计算模块、存储模块和电源模块。A A．传感模块模块 C网络模块 D实验模块 2..在开阔空间无线信号的发散形状成（）。A A．球状 B网络 C直线 D射线 3.当前传感器网络应用最广的两种通信协议是（）D A. B. C. D. 4.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，下列哪种不是。D A．星型结构、B网状结构C簇树型结构D树形结构 5.下面不是传感器网络的支撑技术的技术。B A．定位技术B节能管理C时间同步D数据融合 6.下面不是无线传感器网络的路由协议具有的特点D A．能量优先 B.基于局部拓扑信息 C.以数据为中心 D预算相关 7.下面不是限制传感器网络有的条件C A电源能量有限 B通信能力受限 C环境受限 D计算和存储能力受限 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 无线传感器网络技术的应用 摘要：无线传感器网络(WSN)是新兴的下一代传感器网络，在国防安全和国民经济各方面均有着广阔的应用前景。本文介绍了无线传感器网络的组成和特点，讨论了无线传感器网络在军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通等方面的现有应用，最后提出无线传感器网络技术需要解决的问题。 关键词：无线传感器网络，军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通。 1．无线传感器网络研究背景以及发展现状 随着半导体技术、通信技术、计算机技术的快速发展，90年代末，美国首先出现无线传感器网络（WSN）。1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。WSN是由布置在监测区域内传感器节点以无线通信方式形成一个多跳的无线自组网（Ad hoc），其目的是协作的感知，采集 和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者是WSN的三要素。将Ad hoc技术与传感器技术相结合，人们可以通过WSN感知客观世界，扩展现有网络功能和人类认识世界的能力。WSN技术现已经被广泛应用。图为WSN基本结构。 WSN经历了从智能传感器，无线智能传感器到无线传感器三个发展阶段，智能传感器将计算能力嵌入传感器中，使传感器节点具有数据采集和信息处理能力。而无线智能传感器又增加了无线通信能力，WSN将交换网络技术引入到智能传感器中使其具备交换信息和协调控制功能。 无线传感网络结构由传感器节点，汇聚节点，现场数据收集处理决策部分及分散用户接收装置组成，节点间能够通过自组织方式构成网络。传感器节点获得的数据沿着相邻节点逐跳进行传输，在传输过程中所得的数据可被多个节点处理，经多跳路由到协调节点，最后通过互联网或无线传输方式到达管理节点，用户可以对传感器网络进行决策管理、发出命令以及获得信息。无线传感器网络在农业中的运用是推进农业生产走向智能化、自动化的最可行的方法之一。近年来国际上十分关注WSN在军事，环境，农业生产等领域的发展，美国和欧洲相继启动了WSN研究计划，我国于1999年正式启动研究。国家自然科学基金委员会在2005年将网络传感器中基础理论在一篇我国20年预见技术调查报告中，信息领域157项技术课题中7项与传感器网络有直接关系，2006年初发布的《国家长期科学与技术发展无线传感器网络技术试题
基于无线传感网络的大型结构健康监测系统_尚盈
无线传感器网络面临的安全隐患及安全定位机制
无线传感器网络技术的应用
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