无线传感器网络的体系结构及应用

张丽

（陕西职业技术学院 陕西 西安 710100）

在信息化社会中，信息的产生、获取、传输、存储以及处理是信息科学的重要组成部分。而各种各样的传感器就是我们获取和使用信息资源的主要媒介。微电子技术、无线通信技术、计算机技术以及互联网技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其能在很小的体积内集成数据采集与处理、无线通信以及电源等多种模块。而传统的传感器信息获取方式也从单一手段、数据有线传输向智能化、网络化、数据无线传输的方向发展，成为信息获取最重要的技术之一。

1 无线传感器网络的概述

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量随机分布在监测区域内的集成有传感器、数据处理模块和无线通信模块的微型节点通过无线通信方式构成的一个多跳的自组织的网络。WSN的主要目的是通过节点携带的各种传感器协作感知并采集监测区域内的温度、湿度、光强度、压力、噪声、移动物体的大小、速度和方向等我们感兴趣的信息并进行处理，然后按照预订的协议规则通过无线通信的方式将信息通过多跳传输发送给观察者。

目前的无线网络大致可以分为3类：无线宽带网、无线自组网（Ad–hoc NetWork）和WSN。WSN是一种高度应用相关的网络系统，针对不同的应用和需求有往往具有不同的网络形式，一般来讲WSN具有自组织性、可靠性、应用相关性、以数据为中心等特点。

2 体系结构

1）传感器节点结构

根据不同的应用需求，传感器网络节点的组成也不尽相同，但一般来讲都包含了传感器模块、处理器模块、无线通信模块、电源模块这4个部分。

传感器模块负责采集所需的监测区域内的信息并进行数据转换，其类型取决于被监测数据信号的物理形式；处理器模块负责控制整个节点的工作，存储并处理收到的数据，为操作系统和上层应用软件提供硬件支持；无线通信模块负责节点之间的无线通讯、数据和控制信息的传输；电源模块为节点的正常工作提供能量，常采用微型电池、太阳能电池等。

2）传感器网络结构

同节点组成一样，传感器网络的网络结构根据应用需求的不同也是丰富多样的。从功能划分上，传感器网络通常包括以下类型的节点：传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink node）和管理节点，如图1所示。大量传感器节点随机部署在监测区域，通过自组织方式构成网络。监测数据按照一定的协议规则，沿着各个传感器节点逐跳传输，经过多跳路由后汇聚到汇聚节点，最后通过互联网和卫星等渠道到达管理节点，用户通过管理节点对WSN进行配置管理，发布控制命令等。

图1 传感器网络结构Fig.1 Sensor network structure

3）传感器网络协议栈结构

目前研究人员为传感器网络开发了多种类型的协议栈，一般传感器网络协议栈都参考了互联网协议栈的5层协议，包括了物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，同时加入了针对WSN特点的能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台等，这些平台使得传感器节点在低能耗优先的前提下协同高效工作。

在改进的模型，新增加了定位子层和时间同步子层，为基于时分复用的MAC协议或基于地理位置的路由协议提供信息支持。同时提供了网络管理、拓扑控制、能量控制等诸多机制以优化和管理协议流程。

4）传感器网络体系结构的特点

体系结构对于无线传感器网络来说有着十分重要的意义，虽然WSN是高度应用相关的网络系统，不同的应用需求下，从传感器网络节点的软硬件到使用的网络协议以及其他的一些具体技术都不尽相同，但是通过考虑WSN的一些共性特点，为开发人员提供一套可参考的“体系”和“框架”能大大缩短WSN的开发时间并减小其复杂度。根据侧重点的不同，目前WSN体系结构有支持动态协议栈的、层次性的、自适应的、自管理/自恢复的、多任务的和基于代理的等等。

3 无线传感器网络的应用

传感器网络的应用前景非常广阔，能广泛应用于军事、环境监测预报、医疗、智能家居、城市交通、空间探索、安全监测等领域。

1）军事方面

在军事领域，传感器网络将会成为C4ISRT（command control communication computing intelligence surveillance reconnaissance and targeting）系统不可或缺的一部分，C4ISRT系统的目标是利用先进的高科技技术，为未来的现代化战争设计的一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统，受到了军事发达国家的普遍重视，因为传感器网络是密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，也正是这一点，使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中并实时监控我军兵力、装备和物资，监视冲突区，侦察地方地形和布防定位攻击目标，评估损失等。

2）工业方面

在计算机、通信和网络技术发展的推动下，工业通信技术的发展经历了20世纪六七十年代的模拟仪表控制系统、20世纪八九十年代的集散控制系统（DCS）和20世纪末的现场总线控制系统（FCS）阶段，正朝着智能化和网络化的方向不断发展。随着测控系统规模的不断扩大，降低投资和使用成本成为工业通信技术发展新阶段的迫切要求。在这一背景下，无线传感器网络的低成本、易用、泛在感知等特征引起了人们广泛的关注。利用它的这些特征，人们可以以较低的投资和使用成本实现对工业全流程的全面监测，获取传统由于成本原因无法在线监测的重要工业过程参数，并以此为基础实施优化控制，来达到提高产品质量，降低工业生产过程中的跑冒滴漏、提高能源效率的目标。

3）其他方面

环境科学所涉及的范围十分广泛，依靠传统的数据采集方式已经很难满足人们需要，而WSN为复杂环境下的数据获取提供了方便，比如跟踪候鸟迁徙、监测水体、空气和土壤的成分变化等，其对森林防火、山洪预报等也提供了很大帮助。传感器网络在医疗和健康护理方面也有重要应用，通过在病人身上安装特殊用途的传感器节点可以随时把握病人的病情并及时处理；还可以利用传感器网络在不影响正常生活的情况下长时间收集人体生理数据为日常保健和新药开发提供参考。

4 应用中存在的问题及改进方法

1）传感节点的物理操纵

未来的传感器网络一般有成百上千个传感节点，很难对每个节点进行监控和保护，因而每个节点都是一个潜在的攻击点，都能被攻击者进行物理和逻辑攻击。另外，传感器通常部署在无人维护的环境当中，这更加方便了攻击者捕获传感节点。当捕获了传感节点后，攻击者就可以通过编程接口（JTAG接口），修改或获取传感节点中的信息或代码，同时还可以修改程序代码，并加载到传感节点中。很显然，目前通用的传感节点具有很大的安全漏洞。由于传感节点容易被物理操纵是传感器网络不可回避的安全问题，必须通过其它的技术方案来提高传感器网络的安全性能。如在通信前进行节点与节点的身份认证；设计新的密钥协商方案，使得即使有一小部分节点被操纵后，攻击者也不能或很难从获取的节点信息推导出其它节点的密钥信息等。另外，还可以通过对传感节点软件的合法性进行认证等措施来提高节点本身的安全性能。

2）信息窃听

根据无线传播和网络部署特点，攻击者很容易通过节点间的传输而获得敏感或者私有的信息。 对传输信息加密可以解决窃听问题，但需要一个灵活、强健的密钥交换和管理方案，密钥管理方案必须容易部署而且适合传感节点资源有限的特点，另外，密钥管理方案还必须保证当部分节点被操纵后，不会破坏整个网络的安全性。由于传感节点的内存资源有限，使得在传感器网络中实现大多数节点间端到端安全不切实际。然而在传感器网络中可以实现跳-跳之间的信息的加密，这样传感节点只要与邻居节点共享密钥就可以了。

3）私有性问题

传感器网络是用于收集信息作为主要目的的，攻击者可以通过窃听、加入伪造的非法节点等方式获取这些敏感信息，如果攻击者知道怎样从多路信息中获取有限信息的相关算法，那么攻击者就可以通过大量获取的信息导出有效信息。一般传感器中的私有性问题，并不是通过传感器网络去获取不大可能收集到的信息，而是攻击者通过远程监听WSN，从而获得大量的信息，并根据特定算法分析出其中的私有性问题。保证网络中的传感信息只有可信实体才可以访问是保证私有性问题的最好方法，这可通过数据加密和访问控制来实现；另外一种方法是限制网络所发送信息的粒度，因为信息越详细，越有可能泄露私有性，比如，一个簇节点可以通过对从相邻节点接收到的大量信息进行汇集处理，并只传送处理结果，从而达到数据匿名化。

5 结束语

无线传感器网络具有自组织、微型化、对外部的感知能力等特点，这些特点决定了传感器网络在商业领域的也拥有十分广阔的前景，比如在家电中嵌入的传感器与嵌入式系统构成的无线网络与Internet链接在一起将提供更智能化和人性化的家居环境；传感器网络可用于空间探索，借助航天器在外星球撒播传感器节点，对兴趣环境进行长期监测等等，可预见的将来，唉灾难拯救、仓库管理、工厂自动化等领域，无线传感器网络都将孕育出全新的设计和应用模式。

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