物聯(lián)傳媒 旗下網(wǎng)站
登錄 注冊(cè)

詳解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)要點(diǎn)

作者:佚名
來源:RFID世界網(wǎng)
日期:2018-11-12 16:44:12
摘要:隨著社會(huì)和現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)超然而至,得到了很多國(guó)家和人民的關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)是基于現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起來的,它除了融合網(wǎng)絡(luò)、RFID技術(shù)、信息技術(shù)之外,還引入了無線,使得M2M型物聯(lián)網(wǎng)有了更深的發(fā)展,而且無線傳感器技術(shù)結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)以及無線通信技術(shù),所以它本身也是一個(gè)熱點(diǎn)的研究領(lǐng)域。今天我們就來了解下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

  隨著社會(huì)和現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)超然而至,得到了很多國(guó)家和人民的關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)是基于現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起來的,它除了融合網(wǎng)絡(luò)、RFID技術(shù)、信息技術(shù)之外,還引入了無線,使得M2M型物聯(lián)網(wǎng)有了更深的發(fā)展,而且無線傳感器技術(shù)結(jié)合了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)以及無線通信技術(shù),所以它本身也是一個(gè)熱點(diǎn)的研究領(lǐng)域。今天我們就來了解下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

詳解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和技術(shù)要點(diǎn)

  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是一種分布式傳感網(wǎng)絡(luò),它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器。WSN中的傳感器通過無線方式通信,因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)置靈活,設(shè)備位置可以隨時(shí)更改,還可以跟互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有線或無線方式的連接。通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)。

  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)(Sensor node)、匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink node)和管理節(jié)點(diǎn)。

  大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近,能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐條地進(jìn)行傳輸,在傳輸過程中檢測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理,經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn),最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理,發(fā)布監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

  傳感器網(wǎng)絡(luò)

  處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力較弱,通過小容量電池供電。從網(wǎng)絡(luò)功能上看,每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外,還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合,并與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。

  匯聚節(jié)點(diǎn)

  匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較強(qiáng),它是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān),實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議間的轉(zhuǎn)換,同時(shí)向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布來自管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù),并把WSN收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。

  管理節(jié)點(diǎn)

  管理節(jié)點(diǎn)用于動(dòng)態(tài)地管理整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有者通過管理節(jié)點(diǎn)訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源。

  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要特點(diǎn)

  大規(guī)模

  為了獲取精確信息,在監(jiān)測(cè)區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點(diǎn),可能達(dá)到成千上萬,甚至更多。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性包括兩方面的含義:一方面是傳感器節(jié)點(diǎn)分布在很大的地理區(qū)域內(nèi),如在原始大森林采用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行森林防火和環(huán)境監(jiān)測(cè),需要部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn);另一方面,傳感器節(jié)點(diǎn)部署很密集,在面積較小的空間內(nèi),密集部署了大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。

  傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性具有如下優(yōu)點(diǎn):通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比;通過分布式處理大量的采集信息能夠提高監(jiān)測(cè)的精確度,降低對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)傳感器的精度要求;大量冗余節(jié)點(diǎn)的存在,使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性能;大量節(jié)點(diǎn)能夠增大覆蓋的監(jiān)測(cè)區(qū)域,減少洞穴或者盲區(qū)。

  自組織

  在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方,傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定,節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道,如通過飛機(jī)播撒大量傳感器節(jié)點(diǎn)到面積廣闊的原始森林中,或隨意放置到人不可到達(dá)或危險(xiǎn)的區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力,能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理,通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

  在傳感器網(wǎng)絡(luò)使用過程中,部分傳感器節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡或環(huán)境因素造成失效,也有一些節(jié)點(diǎn)為了彌補(bǔ)失效節(jié)點(diǎn)、增加監(jiān)測(cè)精度而補(bǔ)充到網(wǎng)絡(luò)中,這樣在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)就動(dòng)態(tài)地增加或減少,從而使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之動(dòng)態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。

  動(dòng)態(tài)性

  網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因?yàn)橄铝幸蛩囟淖儯?/p>

 ?、侪h(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點(diǎn)故障或失效;

  ②環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化,甚至?xí)r斷時(shí)通;

  ③傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性;

  ④新節(jié)點(diǎn)的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化,具有動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性。

  可靠性

  WSN特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達(dá)的區(qū)域,節(jié)點(diǎn)可能工作在露天環(huán)境中,遭受日曬、風(fēng)吹、雨淋,甚至遭到人或動(dòng)物的破壞。傳感器節(jié)點(diǎn)往往采用隨機(jī)部署,如通過飛機(jī)撒播或發(fā)射炮彈到指定區(qū)域進(jìn)行部署。這些都要求傳感器節(jié)點(diǎn)非常堅(jiān)固,不易損壞,適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件。

  由于監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目巨大,不可能人工“照顧”每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分困難甚至不可維護(hù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信保密性和安全性也十分重要,要防止監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽造的監(jiān)測(cè)信息。因此,傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有魯棒性和容錯(cuò)性。

  以數(shù)據(jù)為中心

  互聯(lián)網(wǎng)是先有計(jì)算機(jī)終端系統(tǒng),然后再互聯(lián)成為網(wǎng)絡(luò),終端系統(tǒng)可以脫離網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立存在。在互聯(lián)網(wǎng)中,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用網(wǎng)絡(luò)中惟一的IP地址標(biāo)識(shí),資源定位和信息傳輸依賴于終端、路由器、服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址。如果想訪問互聯(lián)網(wǎng)中的資源,首先要知道存放資源的服務(wù)器IP地址。可以說現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)。

  傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò),脫離傳感器網(wǎng)絡(luò)談?wù)搨鞲衅鞴?jié)點(diǎn)沒有任何意義。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)編號(hào)標(biāo)識(shí),節(jié)點(diǎn)編號(hào)是否需要全網(wǎng)惟一取決于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署,構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點(diǎn)編號(hào)之間的關(guān)系是完全動(dòng)態(tài)的,表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)位置沒有必然聯(lián)系。用戶使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時(shí),直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò),而不是通告給某個(gè)確定編號(hào)的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)在獲得指定事件的信息后匯報(bào)給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的習(xí)慣。所以通常說傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。

  例如,在應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤的傳感器網(wǎng)絡(luò)中,跟蹤目標(biāo)可能出現(xiàn)在任何地方,對(duì)目標(biāo)感興趣的用戶只關(guān)心目標(biāo)出現(xiàn)的位置和時(shí)間,并不關(guān)心哪個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到目標(biāo)。事實(shí)上,在目標(biāo)移動(dòng)的過程中,必然是由不同的節(jié)點(diǎn)提供目標(biāo)的位置消息。

  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全問題

  安全路由

  通常,在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,大量的傳感器節(jié)點(diǎn)密集分布在一個(gè)區(qū)域內(nèi),消息可能需要經(jīng)過若干節(jié)點(diǎn)才能到達(dá)目的地,而且傳感器網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)性和多跳結(jié)構(gòu),要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)都應(yīng)具備路由功能。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是潛在的路由節(jié)點(diǎn),因此更易受到攻擊,使網(wǎng)絡(luò)不安全。網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議認(rèn)為整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了關(guān)鍵的路由服務(wù),安全的路由算法會(huì)直接影響無線傳感器的安全性和可用性。安全路由協(xié)議一般采用鏈路層加密和認(rèn)證、多路徑路由、身份認(rèn)真、雙向連接認(rèn)證和認(rèn)證廣播等機(jī)制,有效提高網(wǎng)絡(luò)抵御外部攻擊的能力,增強(qiáng)路由的安全性。

  安全協(xié)議

  在安全保障方面主要有密匙管理和安全組播兩種方式。

  密匙管理:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有諸多限制,例如節(jié)點(diǎn)能力限制,使其只能使用對(duì)稱密匙和技術(shù);電源能力限制,應(yīng)使其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中盡量減少通信,因?yàn)橥ㄐ诺暮碾妼⒋笥谟?jì)算的耗電;傳感器網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)考慮匯聚等減少數(shù)據(jù)冗余的問題。在部署節(jié)點(diǎn)錢,將密匙先配置在節(jié)點(diǎn)中,通常,預(yù)配置的密匙方案通過預(yù)存的秘密信息計(jì)算會(huì)話密匙,由于節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)和能量的限制,預(yù)配置密匙管理方案必須節(jié)省存儲(chǔ)空間和減少通信開銷。

  安全傳播:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能設(shè)置在敵對(duì)環(huán)境中,為了防止供給者向網(wǎng)絡(luò)注入偽造信息,需要在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)基于源端認(rèn)證的安全組播。