时间：2023-03-06 15:58:07
导语：在无线传感器网络的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
[论文摘要]无线传感器网络研究具有重大的科学意义及应用前景。协作技术是其重要组成部分。通过介绍无线传感器网络协作技术，对协作技术研究中的一些热点问题进行分析，展望无线传感器网络协作技术研究中一些很有前景的研究方向。
一、引言
无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）包含大量智能传感节点，分布在大范围地理区域内，近似实时地监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的数据，并对数据进行处理，获得详尽准确的信息传送给用户。WSN以其监测精度高、布设灵活性强、造价低廉等特点，在军事侦察、工业控制、交通监管、环境监测等领域具有非常广阔的应用前景[1]。
由于单个传感器节点的通信、处理和感知能力有限，无法处理大规模复杂问题，多数情况下不能获取网络全局信息，传感节点要求具有协同通信功能。WSN的协同主要是指资源的协同、任务的协同、信号与信息的协同。资源的协同和信号与信息的协同从根本上是为任务协同服务的[2]。本文通过对协作技术研究中的一些热点问题进行分析，展望无线传感器网络协作技术研究中一些很有前景的研究方向。
二、无线传感器网络协作技术研究热点
（一）协作任务描述
任务描述是任务协同的基础，任务描述能力直接影响任务分配系统的复杂性。WSN的任务描述涉及两方面的内容，即对任务功能进行描述和对参与任务的节点进行描述。根据WSN的特点，感知任务可以从面向应用和面向任务分配两个角度加以描述。
文献[3]分析比较了当前具有代表性的几种无线传感器网络任务描述方式，如有向无环图、抽象任务图、基于角色的任务图、类SQL查询语言描述等。目前并没有一种任务描述方式能同时从两个角度出发有效地对任务进行描述。
（二）协作信号处理
协作信号信息处理协作信号信息处理（collaborativesignalandinformasionprocessing，CSIP）技术。文献[4]描述了CSIP针对WSN网络的特点，在数据表达、存储、传输和处理等方面研究新的方法和算法来满足应用对信息精度、网络节能、低延迟、可扩展和高可靠的要求。
文献[5]分析WSN的特点和CSIP的需求，讨论它的一般流程和主要处理模式，接着结合功能框架，归纳并总结目前已有的主要方法。CSIP基于节点间的协商和合作，选择合适的传感节点参与协作，平衡节点个体和网络整体在协作过程中的信息收益和资源代价，解决网络信息处理中的驱动机制、节点选择、处理地点、时机和算法等问题。
（三）协作时间同步
无线传感器网络的应用通常需要一个适应性比较好的时间同步服务，以保证数据的一致性和协调性。时间同步是同步分布式数据感知和控制所必需的。在无线传感器网络中协调、通信、安全、电源管理和分布式登陆等，都依赖于现有的全局时间。
文献[6]提出了协作时间同步同步的概念。协作同步原理如下：如果时间基准节点按照相等的时间问隔发出多个同步脉冲，其周围单跳节点接收后依据这一系列个脉冲的发送时刻估算出时间基准节点的下一个脉冲发送时刻，并在该时刻同时发出同步脉冲。此脉冲信号会扩散至周围单跳节点。如此重复下去，最终网内所有节点都会同时发出同步脉冲，即达到了同步状态。
（四）MAS协作
多Agent系统（Multi-agentSystem，MAS）是分布式人工智能的重要研究领域，agent可以定义为具有目标、知识和能力的软件或硬件实体，能力包括感知、行动、推理、学习、通信和协作等。
agent利用局部信息进行自主规划，通过规划推理解决局部冲突以实现协作，进而实现系统整体目标。Agent体系结构、交互语言、协商策略研究较为成熟，并且与WSN具有很多相似性。因此，可以考虑在WSN协作中引入agent。
文献[7]提出了一种WSN中基于P2P的多agent数据传输和汇总系统架构。此构架包括接口agent、查询agent、路由agent及数据采集agent。接口agent与用户交互，路由agent负责能源效率的数据传输。查询agent为agent与路由agent之间的协作提供便利的接口，并负责建立优化计划，以实现其预定目标。接口agent和查询agent放置在资源丰富的基站，因为它们需要计算密集操作。数据采集agent负责采集，筛选和格式化传感器的数据。提供MAS架构和设计，使它们在WSNs中能够协调和沟通，彼此之间相互传输和汇总数据。
三、总结与展望
随着WSN商业应用越来越广泛，WSN研究面临的挑战也日益严峻。单个的能源、功率、功能均受限的传感器节点需要协作完成任务。针对传感器间的协作技术的研究也日益受到重视。目前的协作研究仅仅局限在一些具体问题上，尚未形成通用方法。本文分析WSN协作研究还是很有前景的。
参考文献：
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【关键词】传感器;嵌入式;无线通信;分布式信息处理
0.引言
电系统(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系统（SOC，System on Chip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。
本文就无线传感器网络原理、特点以及主要应用进行分析。
1.无线传感器网络原理
所谓传感器网络是由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。传感器网络节点的组成和功能包括如下四个基本单元：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）、以及电源部分。此外，可以选择的其它功能单元包括：定位系统、运动系统以及发电装置等。在传感器网络中，节点通过各种方式大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集，处理和分析。一个典型的传感器网络的结构包括分布式传感器节点（群）、sink节点、互联网和用户界面等。传感节点之间可以相互通信，自己组织成网并通过多跳的方式连接至Sink（基站节点），Sink节点收到数据后，通过网关（Gateway）完成和公用Internet网络的连接。整个系统通过任务管理器来管理和控制这个系统。传感器网络的特性使得其有着非常广泛的应用前景，其无处不在的特点使其在不远的未来成为我们生活中不可缺少的一部分。
2.无线传感器的体系结构概述
无线传感器网络包括4类基本实体对象：目标、观测节点传感节点和感知视场，另外，还需定义外部网络、远程任务管理单元和用户来完成对整个系统的应用刻画。大量传感节点随机部署，通过自组织方式构成网络，协同形成对目标的感知视场。传感节点检测的目标信号经本地简单处理后通过邻近传感节点多跳传输到观测节点。用户和远程任务管理单元通过外部网络，比如卫星通信网络或Internet，与观测节点进行交互。观测节点向网络查询请求和控制指令，接收传感节点返回的目标信息。
传感节点具有原始数据采集、本地信息处理、无线数据传输及与其它节点协同工作的能力，依据应用需求，还可能携带定位，能源补给或移动等模块。节点可采用飞行器撒播、火箭弹射或人工埋置等方式部署。
目标是网络感兴趣的对象及其属性，有时特指某类信号源。传感节点通过目标的热、红外、声纳、雷达或震动等信号，获取目标温度、光强度、噪声、压力、运动方向或速度等属性。传感节点对感兴趣目标的信息获取范围称为该节点的感知视场，网络中所有节点视场的集合称为该网络的感知视场。当传感节点检测到的目标信息超过设定阀值，需提交给观测节点时，被称为有效节点。
观测节点具有双重身份。一方面，在网内作为接收者和控制者，被授权监听和处理网络的事件消息和数据，可向传感器网络查询请求或派发任务；另一方面，面向网外作为中继和网关完成传感器网络与外部网络间信令和数据的转换，是连接传感器网络与其它网络的桥梁。通常假设观测节点能力较强，资源充分或可补充。观测节点有被动触发和主动查询两种工作模式，前者被动地由传感节点发出的感兴趣事件或消息触发，后者则周期扫描网络和查询传感节点，较常用。
3.无线传感器主要用途
3.1环境的监测和保护
随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器连进互联网，以读出缅因州"大鸭岛"上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。
3.2医疗护理
无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。英特尔公司推出了无线传感器网络的家庭护理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目Center for Aging Services Technologies（CAST）的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称，“在开发家庭用护理技术方面，无线传感器网络是非常有前途的领域”。
3.3军事领域
由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行"智能尘埃"传感器技术的研发。
3.4其他用途
无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。
4.结束语
随着科学技术的发展，无线传感器的技术得到不断地更新，适用的领域越来越广泛，在未来，有许多广阔的应用领域可以使传感器网络成为人们生活中的一个不可缺少的组成部分。但就目前而言传统Ad hoc网络的技术并不能够完全适应于传感器网络的应用。因此，充分认识和研究传感器网络自组织方式及传感器网络的体系结构，为网络协议和算法的标准化提供理论依据，为设备制造商的实现提供参考，成为当前无线传感器网络研究领域中一项十分紧迫的任务。也只有从网络体系结构的研究人手，带动传感器组织方式及通信技术的研究，才能更有力地推动这一具有战略意义的新技术的研究和发展。■
【参考文献】
［1］孙利民,等编著.无线传感器网络.北京：清华大学出版社，2005,5.
关键字：无线传感器网络；安全技术；运用实践
无线传感器是一种符合无线纤细传输特点的设备，具有成本低廉、结构简单和体积小、无需展开总线安装结构，可以有效的应用到的数据信息的采集，具有较高的应用价值。针对无线传感器的有效应用，需要重视对无线传感器网络安全技术的分析，合理的对网络安全技术进行运用，尽可能的减少网络安全问题的发生，避免数据的丢失和错误，进而保障的无线传感器的功能。现阶段，无线传感器的网络安全技术种类较多，主要有安全路由技术、密钥管理技术和密码技术等，对于无线传感器网络安全具有积极的推动作用。
1无线传感器网络分析
1.1涵义
无线传感器网络与协作感知之间具有模切的联系，能在网络覆盖的区域内，完成对相关信息的采集和处理，并将这一结果发送到需求信息的区域。目前，无线传感器网络是现代常用的通讯类型，可以有效的完成信息的传递和交流。
1.2无线传感器网络结构
如下图1所示为无线传感器网络的具体节点结构图。由图可见，每一个传感器节点，均能够成为一个独立的小系统。除去节点之外，还由数据的汇聚和数据处理部分构成，保障数据的传输质量。
1.3无线传感器网络的特点
无线传感器网络的特点，是使其有效应用的基本条件。其具体的特点有：（1）规模大，通过合理的布置传感器节点，可以有效的完成对区域范围内的数据信息的采集和监控工作。（2）自行管理，无线传感器网络拥有良好的网络的配置功能，能够完成自行管理，保障信息的有效性。（3）以数据文中心，无线传感器网络是建立在数据信息的基础上，根据数据信息的基本情况，发现观察者主要是对无线传感器最终数据结果具有需求。（4）成本低廉，无线传感器网络的构建成本较低，主要是由于无线传感器的成本较低，符合具体的应用需求。
2无线传感器网络的安全问题分析
无线传感器在实际的应用中，网络安全问题对无线传感器的应具有十分不利的影响，故此，需要合理的对无线传感器网络的安全问题进行分析和解读，为无线传感器网络安全技术的合理应用提供基础。
2.1安全机制不够健全
安全机制是保障无线传感器网络合理应用的关键，由于无线传感器网络是由多个节点构成，如果节点的能量、通信方面等没有合理的展开安全机制的构建，物理安全保护效果不够理想，也就可能会导致安全隐患的影响扩大，再加上安全机制的不够健全，引起整个系统出现安全问题，影响系统的有效应用，致使信息的丢失和残缺的情况发生。
2.2能量限制
无线传感器网络构建过程中，需要合理的将各类微型传感器按照节点设计进行布置，布置完成后就不能轻易的对网络内部的传感器进行变动。而传感器在不通电的情况下，各个微型传感器就不能完成充电，而无线传感器网络应用中=传奇的没有足够的能量，也就导致传感器不能得到持续应用。另外，由于传感器网络中的部分设备具有高能耗的问题，也就会导致无线传感器网络出现能量限制问题，制约网络的安全性。
2.3通信问题
无线传感器网络需要具备稳定可靠的通信通道，但是在实际的应用中，路由的问题十分明显，主要是由于路由存在一定的延迟，而这部分延迟会导致路由出现安全问题。另外，数据传输的过程中，可能会出现数据出现被拦截的情况，也就会导致数据泄漏的情况。这类不安定的通信方式，对通信的质量具有明显的影响，制约无线传感器网络安全。
2.4节点管理问题
节点是传感器网络的中的重要部分，节点的管理内容对的无线传感器网络的安全具有直接的影响。但是，在实际的管理中，存在节点组织随机性强的问题，也就会导致，部分接电位置得不到确定，这一内容也就可能会导致相关保护工作不能得到有效的实施，严重影响无线传感器网络的安全。2.5节点量大和节点故障为了保障无线传感器网络具有较大的覆盖面积，就需要具有大量的节点，其中有部分节点处于的位置较为敏感，甚至可能布置在极端环境中，导致传感器容器容易受到外界因素的影响，这增加了节点受到恶意攻击的风险。此外，无线传感器网络，在实际的应用中，单个节点容易受到损坏，一旦单个节点受到损坏，就会导致整个无线传感器网络受到不利影响，导致安全隐患的发生。
3无线传感器网络安全技术分析
无线传感器网络安全技术对是保障网络安全的关键，而且这些技术能够对网络安全问题进行处理，避免数据丢失和损坏。
3.1路由器安全技术
路由器安全技术是保障路由器安全的重要部分。无线传感器网络构建时，路由器主要是达到节能能量的目的，保障无线传感器系统的最大化形式的体现。然而这种情况，也就会导致数据传输出现隐患，也就导致网络不能按照最初的方式进行展开。针对路由器安全技术，可以合理的对TESLA协议和SNEP协议进行应用，进而构成符合的无线传感器网络的SPINS协议，进而有效的避免信息出现的泄露的情况，进而增加系统的防御能力，保障网络的安全与稳定。
3.2密钥管理安全技术
管理密钥是提升无线传感器网络安全的重要网络安全技术。通过自动生成密钥的方式，完成对系统的加密。但是，在实际的无线传感器网络中，而这一周期中，可能会出现薄弱环节，也就会导致信息泄露的情况发生。现阶段，针对无线传感器网络的密钥管理安全技术主要有：（1）对称密钥管理，这类加密方式主要是建立在共同保护的基础上，并通过设定防止密钥丢失的程序，并根据公开密钥加密技术，提升密钥管理的有效性。（2）节点密钥共享技术，在实际传感器网络中，通过节点间的网络共享的方式，可以使得节点对基站的依赖性小，且复杂程度低，并保障两个节点受到威胁，也不会导致其他不会产生密钥泄漏的情况。（3）加密算法的有效应用，通常情况下加密算法和氛围加密算法、非对称加密算法。（4）概率性的分配模式，这类分配模式，根据一课可以计算的概率，完成对密钥的分配，属于中非常确定的方式。
3.3密码技术
密码技术主是完成对使无线传感器网络中一些不安定的特性进行控制，采用密码的方式，减少系统的安全问题。密码可以采用自定的形式和随机生成的形式，其中密码安全技术主要取决于密码的复杂程度，密码复杂程度越高，密码丢失的可能性越低。鉴于密码技术的功能性，密码技术可以广泛的应用到无线传感器网络安全问题的处理中。针对不同通信设备的基本情况，合理的展开的密码技术，如：节点设备的通信可靠性不能得到有效的应用，密码技术体现出较好的优势，而且由于密码技术的成本较低，且保密的效果较为理想，故此，可以广泛的应用到无线传感器网络中。
3.4安全数据的融合
安全数据的融合同样是无线传感器网络安全技术中的重要组成部分，这一技术主要应用于的数据传输的过程中。由于无线传感器网络主要是用到大量的数据。如果不能有效的对数据进行控制，也就可能会导致数据的流失和损坏的现象明显。故此，可以采用安全数据的融合技术，严格的控制数据的安全融合，进而使得数据在传输过程中，不会出现丢失和流失的现象，增加数据信息的安全性和真实性。
3.5无线传感器网络各层的安全技术的运用
针对无线传感器网络的物理层、网络层和应用层、传输层等部分合理的展开安全保护，物理层可以通过主动篡改保护和被动篡改保护两中，有效的避免物理层的攻击，网络层需要通过合理的对路由安全协议进行设计，网络层的安全。应用层，需要通过恶意节点检测和孤立、密码技术等。针对传输层，可以采用认证和客户端谜题、安全数据的融合等方式。通过对无线传感器网络各个层的安全技术进行应用，保障无线传感器的稳定运行，有效的规避网络安全问题。
4结语
无线传感器网络是现代人们生活中的重要问题，是便利人们生活的重要途径。无线传感器网络在实际的应用中，可能会出现一些安全问题，导致安全隐患的发生。为此，需要合理的对无线传感器网络安全技术进行分析，再合理的应用，保障无线传感器网络的安全性。（1）无线传感器网络在实际的应用中，具体的问题主要体现在安全机制不够健全、能量限制、通信问题、节点管理问题、节点量大和节点故障。（2）针对无线传感器网络安全问题，需要合理安全路由技术、安全认证技术、安全数据融合技术。另外，针对无线传感器网络的入侵，需要合理的对入侵检测技术进行应用，有效的发现网络中的安全问题。（3）无线传感器网络中的节点问题，需要重视对节点的管理工作，尽可能的控制节点的能量限制和物理损坏情况。
参考文献
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Lv Xiaofeng
（Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721013，China）
摘要： 无线传感器网络是近年来发展迅速的无线网络，与传统的无线网络相比具有更高的技术优势。本文介绍了无线传感器网络的主要特征和优势，通过与传统无线网络的技术比较分析了无线传感器的网络技术应用热点。
Abstract: Wireless sensor network is developing rapidly in recent years, wireless networks, compared with the traditional wireless networks, have higher technological advantage. This article describes the main features and advantages of wireless sensor networks, and analyzes the hot spots of wireless sensor network technology by comparing the traditional wireless network.
关键词：无线传感器 网络技术
Key words: wireless sensors；network technology
中图分类号：TP39 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）21-0138-02
0引言
无线传感器的网络应用集成了信息采集、数据传输、数据处理、数据管理等多种主体功能，涉及各种传感器技术、信息处理技术和数据管理技术等多个技术领域，并且由于网络所具有的自组织、协作、分布式控制等特点，使得上述每种技术的实现都与传统的技术实现方式有很大区别，具有鲜明的技术特色。
1无线传感器网络的主要特征
1.1 低功耗、微型化、高度集成、低价格的传感器节点相对传统意义的传感器网络节点（如雷达）而言，当前所指的无线传感器网络节点更强调节点的低功耗、微型化、高度集成、低价格等特征。虽然当前一些基于商用器件制造的无线传感器网络节点（如MICA、DOT等）在许多指标方面离预期目标仍有一定差距，但这些指标却代表了无线传感器网络今后的发展方向。微机电系统（MEMS）技术的发展，为开发低功耗、小体积、低价格、同时集成有微传感器/执行器、微处理器和无线通信等多种功能部件的无线传感器网络节点提供了重要技术条件，使得开发类似“灰尘”的无线传感器网络节点成为可能。
1.2 节点密集布设在监测区域内密集布设大量相同或不同类型的传感器节点，是无线传感器网络的一个重要特征。通过节点密集布设，可以获取密集的空间抽样信息或针对同一现象的多维信息，对这些信息进行分布式处理之后，可以有效地提高检测或识别目标的准确度，并降低对单一传感器节点的精度要求；通过节点密集布设，可以在同一区域内存在大量冗余节点，节点的冗余性使系统具有很强的容错性能，由此降低对单一传感器节点的可靠性要求。另外，通过节点密集布设并对其节点进行合理的休眠调度，也是延长网络寿命的重要途径。
1.3 协作式网络协作是无线传感器网络执行任务的基本工作方式，一般包括协作式信息采集、协作式信息处理、协作式信息存储、协作式信息传输等。通过协作，多个相同或不同类型的传感器节点可以从不同的空间位置或不同的现象角度（如物理现象、化学现象等）共同对感知对象进行感知，获得更为精确、完整的信息；通过协作，传感器节点可以克服自身处理和存储能力受限的不利因素，在多个节点的共同协作下完成对复杂任务的执行功能；通过协作，传感器节点之间既可以通过多跳中继转发实现远距离通信，也可以通过多节点协作发射、多节点协作接收等机制，实现延伸通信距离、改善通信质量、降低网络能耗等目的。
1.4 自组织网络无线传感器网络的诸多特点决定了其采用自组织工作方式的必要性。首先，传感器节点经常采用随机性布设的方式，节点的位置和相互邻居关系不能预先确定，如通过飞机播撒或由人随意放置的无线传感器网络；其次，传感器节点可能由于能量耗尽或受到环境因素影响而失效，一些节点又可能为了弥补失效节点或增加监测精度而补充进来，再加上节点可能移动以及采用休眠调度机制，网络拓扑往往处于动态变化之中。无线传感器网络的自组织主要包括自组织通信、网络功能的自调度以及网络的自管理等。
1.5 无线网络传感器节点采用无线方式进行组网，实现传感器节点之间、传感器节点与网关设备之间的通信。无线通信方式的采用大大提高了网络布设及应用的灵活性，通信线缆的节省有助于降低整个无线传感器网络的造价。
2无线传感器网络的主要优势
无线传感器网络采用微小型的传感器节点获取信息，节点之间具有自动组网和协同工作能力，网络内部采用无线通信方式，它与传统的传感器手段（如单一大型传感器、有线传感器网等）相比，具有以下几个比较明显的优势：
2.1 精度高 大量造价低廉的微小型传感器节点对监测区域进行密集空间抽样，或者对监测目标进行近距离密集监测，可以获取非常高的信息感知精度，这是传统单一大型传感器所难以达到的。
2.2 灵活性强 临时随机性布设、网络自组织等特点使无线传感器网络在布设之后很快就能展开工作，不需人为干预，非常适合一些急、险、偏的应用场合，在布设、使用上的灵活性要远远强于传统的传感器手段。
2.3 可靠性高 由于无线传感器网络具有自组织特点，当某一节点发生故障或失效时，其功能可迅速由其他节点替代承担。因此，虽然单一传感器节点的可靠性比较低，但作为一个系统整体，无线传感器网络可以获取非常高的可靠性。
2.4 经济性好 无线传感器网络利用无线传输取代传统的线缆传输，大大降低了系统的建设成本；另外，随着技术的发展与无线传感器网络的广泛采用，单一传感器节点的造价会越来越低。因此，与传统传感器手段相比，无线传感器网络在造价上的优势将越来越明显。
3与无线自组织通信网络的比较
在通信方式上，无线传感器网络与无线自组织通信网络最为接近，都可以在不依托任何网络基础设施的情况下展开工作，都可以依靠节点之间的自组织行为协调以及在网络拓扑动态变化的情况下实现多跳路由转发等功能。无线传感器网络与无线自组织通信网络在通信方式上具有很大的相似性，但当前无线自组织通信网络的许多协议及算法并不能高效地直接应用于无线传感器网络。主要体现为以下几个方面：
3.1 网络功能的不同无线传感器网络是一种以获取感知信息为主要目的的信息采集网络，而无线自组织通信网络是一种以解决人与人之间，或设备与设备之间信息传输为主要目的的通信网络，这是二者的一个根本区别。在无线传感器网络中，通信只是作为一种保障手段，实现传感器节点之间、传感器节点与管理控制节点之间、传感器节点与用户节点之间的信息传输。每个传感器节点除了集成有通信功能外，还集成有信息采集、信息处理等功能；而在自组织通信网络中，通信是它的核心功能，每个节点只是一个单纯意义上的通信节点。
3.2 节点能力的不同无线传感器网络节点需要执行的功能相对简单，并且要求小型化、低成本、低功耗，所配置的处理器能力一般都比较弱、存储容量比较小、通信速率及通信距离也非常有限，并且由于造价、体积以及工作环境的特殊性，传感器节点的可靠性相对较差；而自组织通信网络的节点在处理与存储能力、通信能力、可靠性等方面相对传感器节点都比较强大。
3.3 网络形态的不同无线传感器网络的规模较大，节点数常是无线自组织通信网络的数十倍至数千倍。无线传感器网络的节点密度高，远远高于无线自组织通信网络的节点密度。另外，动态拓扑是二者的共同特征，但造成动态拓扑的原因却存在一定的区别。在无线传感器网络中，造成网络拓扑变化的原因主要是传感器节点的休眠／激活、失效／补充以及可能存在的节点移动性等；而在无线自组织通信网络中，造成网络拓扑变化的原因主要是节点移动性。
3.4 业务特征的不同无线传感器网络中的通信业务主要发生在传感器节点和用户之间，普通传感器节点之间一般并不存在过多通信要求，网络中的通信业务具有很强的方向性，并且主要以“一到多（one-to-many）”、“多到一（many-to-one）”的形式而存在；而在自组织通信网络中，由于任意两点之间都有可能发生通信，网络中的通信业务主要以任意点到点（any-to-any）的形式而存在。另外，由于无线传感器网络中只有当用户发起查询或命令，传感器节点检测到异常事件，或者报告周期到达时，网络中才会产生通信业务，节点平时只处于监测状态，因此网络中的业务量相对较低，而无线自组织通信网络通常需要传输话音、数据、视频等业务，其业务量相对传感器网络而言是比较高的。
3.5 关注问题侧重点的不同无线传感器网络节点通常采用电池供电，且难以补充能量，能量有效性是无线传感器网络设计的主要目标之一；另外，适应传感器节点功能简单的特点，无线传感器网络的协议及算法设计都非常强调简单、高效。而无线自组织通信网络仍是一个通信网络，所关注问题的侧重点仍主要在于网络容量、业务的QoS保证、业务传输的有效性及可靠性等方面。
4结束语
无线传感器网络是目前信息技术领域中重要的前沿技术，由于精度、灵活性、可靠性、经济性的优良特性以及与传统无线网络相比的众多优势，其应用和发展具有广阔的市场前景。通过不断深入的研究无线传感器的网络应用技术，能够在更成熟的技术优势下，建立更成功更标准的应用模式。
参考文献：
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[2]杨卓静，孙宏志，任晨虹.无线传感器网络应用技术综述[J].中国科技信息，2010，（13）:127-129.
1 IPv6无线传感器网络协议栈
在无线传感器网络中引入IP技术有着重要意义[1]:
(1)经济价值方面。可以利用现有成熟的IP技术和已有的网络设施实现IP-Based的应用，不需要额外的基础设施建设，大大减少应用成本。
(2)知识产权方面。IP网络普遍性使得IP组网技术相对其他专用或新型组网技术更容易被人们接受。
(3)互联互通方面。IP-Based无线传感器网络采用与Internet相同的IP技术，可以更容易地实现其与现有外部网络的互联互通。
(4)应用方面。在安全监测应用领域，IP-Based无线传感器网络更具有抗毁鲁棒性，可以及时有效地监测灾害的发生以减少灾害所造成的损失。因此在无线传感器网络中采用IP技术是未来研究的主要方向。
将IPv6技术与无线传感器网络技术融合，在大规模节点组成的传感器网络应用中具有特殊优点。
鉴于此，IETF于2004年11月正式成立了6LoWPAN[2-5]工作组，着手制订基于IPv6的低速无线个域网标准，旨在将IPv6引入以IEEE 802.15.4作为底层标准的无线个域网中。当前此工作组正处于草案征集阶段，许多组织和个人已经提交了有价值的草案，各项技术都还只是处于理论研究及不断探讨中。
IPv6传感器网络是IPv6技术与无线传感器网络的融合，具有两者各自部分特征，同时也具有其独特性。这种独特性，决定了IPv6传感器网络不适合直接采用IPv6网络或无线传感器网络的传统体系结构，主要体现在:(1)传统的传感器网络体系结构不支持IPv6协议，无法实现与下一代互联网的直接融合，不支持端到端通信，可扩展性不高。(2)IPv6作为下一代互联网的核心协议，充分考虑了网络中的各种问题，已经形成一套功能强大、鲁棒性好的协议体系，无法应用在存储资源和处理资源受限的传感器网络中。因此，必须在充分考虑到此网络的特点和特殊性的前提下，重新构建基于IPv6的传感器网络体系结构。
目前国际上有很多科研机构和组织研究IPv6无线传感器网络的体系结构及协议栈，如Arch Rock[6]，uIPv6[7-8]等。Arch Rock是一个致力于IP-Based无线传感器网络应用的公司，其开发的Arch Rock IP/6LoWPAN协议栈以IETF工作组提出的6LoWPAN标准为核心技术，支持IEEE802.15.4标准。uIPv6是由Cisco、Atmel和SICS共同开发，于2008年的IPv6微型协议栈。其前身是uIP，是由瑞典计算机科学学院(网络嵌入式系统小组)Adam Dunkels开发的适用于嵌入式开发的传输控制协议/网间协议(TCP/IP)栈。然而uIPv6并不具备传感路由协议以及网络管理等，另外有关uIPv6的产品还未进入商业阶段，还远不能适应于大规模无线传感器网络的应用。
北京交通大学从2003年就开始紧密跟踪和研究IPv6无线传感器网络方面的最新技术，并于2004年9月研发出一套适用于小型无线传感器网络节点的嵌入式IPv6微型协议栈MSRLab6[9]，该协议栈遵循6LoWPAN规范，同样严格支持IEEE 802.15.4标准。该协议栈去掉了不必要的组件及扩展功能，使得IPv6、ICMPv6、ND、TCP、UDP等协议得到较大精简;直接面向硬件，设计独立于操作系统的调度机制;为提高运行效率，采用了最大容量限制的内存分配方案;设计了基于事件和数据类型驱动的应用程序接口。
MSRLab6微型传感路由器体系结构(见图1)自下而上由通信域、计算域和应用域组成，其中计算域采用了简化的IPv6微型协议栈和自主研发的微型传感路由协议(MSRP)[10]。
(1)通信域
通信域包含载波监听以及数据收发功能，并支持包含IEEE802.15.4标准在内的多种物理层接口，实现设备间数据帧的传输。
(2)计算域
计算域包含路由转发模块，实现网络层的基本功能，包括IPv6微型协议栈MSRLab6及IPv6 MSRP。在节省无线传感器网络系统资源的同时提供应用层数据的IPv6封装和解析，实现与现有TCP/IPv6协议体系的网络进行通信;适用于IPv6传感器网络环境的路由协议MSRP，用于IPv6传感器网络内数据传输时建立和维护路由[11]。
(3)应用域
应用域包括应用模块、传感模块、管理模块等。采用基于接口的独特设计，用于应用层与IPv6微型协议栈通信，实现系统的各种应用功能。
MSRLab6微型传感路由器结构基于IPv6数据传输与互联网体系结构兼容，无需复杂的协议转换设备;而路由机制与数据传输分离，具有传感器网络自身应用的特点能够保证路径最优，并减少选路的能耗和计算复杂度。2005年12月由北京交通大学下一代互联网研究中心研制的中国首台具有完全自主知识产权的新一代传感器网络核心设备——BJTU IPv6微型传感路由器，并通过了中国教育部组织的科技成果鉴定，通过该设备可以实现下一代互联网中“人与物”、“物与物”之间随时随地的通信，具有体积小、成本低、功耗低、组网简单方便等特点，这项成果解决了传感器网络的一系列关键技术问题，部分技术达到国际领先水平。由此，IPv6微型协议栈的传感路由器可以采用IPv6全球合法地址进行通信，实现了真正端到端通信，实现了传感器网络与Internet的无缝融合，使部署“无所不在”的传感器网络成为可能。
2 IPv6无线传感器网络与Internet的互联
将IPv6技术引入无线传感网络可以方便实现与现有网络设备端对端的通信，提高了转发效率，增强了安全性。根据不同的应用需求，IPv6无线传感器网络与现有网络的互联互通主要有两种:直接接入方式、网关接入方式。
(1)直接接入方式
当IPv6无线传感器网络内部有移动设备进入，需要获取传感器节点采集的相应数据信息时，如果按照常规方法即通过网关接入Internet网络再经Internet网络与移动设备进行互联的方式通信，显然是不够灵活的。而且网关接入方式在传输数据时中间节点的能量损耗会进一步加剧，整个互联过程中会造成较大的通信负担。因此可以采用移动终端直接与区域内无线传感器网络节点通信的方式进行互联，这样便简化了网络接入的模型。这种方式下，IPv6无线传感器网络设备可以不需要特殊的中间节点或者网关进行转发，直接接入现有网络，成为网络终端，实现与现有网络的无缝融合。Pv6无线传感器网络与现有网络互联互通的直接接入方式如图2所示。
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当移动终端进入无线传感器网络内采用直接互连方式与传感器节点进行通信时，移动终端可根据IPv6协议首先进行网络地址的自动配置。由于移动终端和传感器节点均配置了IPv6协议，因此两者可使用链路本地地址根据网络协议进行直接、便捷的通信。在环境监测的应用环境中，管理者可以手持移动终端进入传感器网络内部，通过与节点的直接互联获得感兴趣的数据。在这种情况下，传感器节点通常位于视距范围内，与移动设备仅一跳之隔。移动终端通过发送数据请求建立通信，这样大大降低了网络系统的复杂程度，减少了在数据获取过程中造成的能量损耗，延长了节点的使用寿命。
(2)网关接入方式
无线传感器网络设备低成本、低功耗、低复杂性的要求以及接入网络基础设施的多样性，决定了每个IPv6无线传感器网络设备都直接接入现有网络是不切实际的。通常，设备的程序存储区和数据存储区都非常有限，无法配置完备的网络协议栈和大规模路由协议，因此，采用一种硬件资源相对丰富的网络连接设备(网关)完成IPv6无线传感器网络与Internet的互联互通。
Pv6无线传感器网络与现有网络互联互通的网关接入方式如图3所示，IPv6无线传感器网络设备部署精简的网络协议栈，将采集的监测数据通过无线传感器网络路由协议汇聚到网际连接设备(网关)，网际连接设备进行数据的转发处理，接入各种承载网络将信息发送到服务器;承载网可以是WiFi、以太网、GSM等，网关只需配置相应的接入模块即可。服务器端对监测信息进行处理和分析，并存储到数据库中。用户终端通过现有网络的协议访问服务器，获取IPv6无线传感器网络设备的信息，实现对设备的访问、控制以及有效的管理。
采用网际连接设备完成IPv6无线传感器网络的互联互通，减少了无线传感器网络设备的复杂性，无需为每一个设备部署承载网络的接入设备(以太网口、AP设备等)，降低了应用成本。另外，网际连接设备(网关)只负责数据的转发，不做网络层、应用层协议的处理，与ZigBee[12]、蓝牙等网络网关设备相比，增加了转换效率，又没有破坏端对端的控制，保证了数据的透明传输以及安全性。无线传感器网络应用的不同，必须采用不同的承载网络，网际连接设备可以扩展不同的协议转换模块，接入各种承载网络，具有更强的灵活性。
3 IPv6无线传感器网络的应用
IPv6无线传感器网络在精准农业、安全监测、环境保护、智能建筑、医疗监护等诸多方面具有广阔的应用前景[13]。北京交通大学下一代互联网研究中心无线传感器网络组，利用IPv6无线传感器网络应用系统成功实现了在精准农业生产中的应用，在温室部署大量的不同类型的传感器节点，达到监测控制温室的目的。
在精准农业生产中的应用系统实现了以下主要功能:
(1)环境监测功能
各个温室内部署有温度、湿度、CO2浓度、土壤湿度、光强传感器监测系统，实现对温室内环境的监测，用户远程获知温室内环境信息并做出相应控制措施，当某个参数超过该设定值时，发出警报通知用户。
(2)温室内设备控制功能
用户获知温室内的环境参数后，可以根据各种植物要求的环境信息来远程控制温室内的设备，满足植物生长的环境。
IPv6无线传感器网络在精准农业中的应用如图4所示。该应用系统部署在3个温室内，根据用户需要测试的位置点已经固定，每个温室中部署16个不同应用类型的传感器节点，包括2个土壤湿度、2个CO2浓度、4个空气温度、4个空气湿度、3个室内光强、1个室外光强传感器节点，监测农作物的生长环境，采集节点可以直接传输数据到网关节点，承载网是CDMA网，实现与Internet的互联。另外在在室外也布置一个光强节点，通过比较室内外光的强度，从而决定是否放下或提起遮挡帘。
从实际应用系统的结果看来，IPv6无线传感器网络的应用系统设计满足精准农业的监测控制等各项要求，各采集节点动态的选择最优路由传输采集到的信息，实现系统的功能，由于每个节点具有IPv6地址，管理员可以方便地根据地址来控制该节点。另外，可以看出该应用系统灵活且可扩展，若改变节点传感器的类型或系统应用软件，则可以应用到无线传感器网络的其他应用领域，实现不同的应用要求。
4 结束语
IPv6无线传感器网络是当前通信领域的一个研究热点，是信息感知和采集的一场革命，具有广阔的应用前景。IPv6无线传感器网络将IPv6技术与无线传感器网络进行融合具有重要意义，值得深入研究。
5 参考文献
关键词：网络应用； IPv6技术； 无线传感器网络
1 IPv6无线传感器网络协议栈
在无线传感器网络中引入IP技术有着重要意义：
（1）经济价值方面：可以利用现有成熟的IP技术和已有的网络设施实现IP-Based的应用，不需要额外的基础设施建设，大大减少应用成本。
（2）知识产权方面：IP网络普遍性使得IP组网技术相对其他专用或新型组网技术更容易被人们接受。
（3）互联互通方面：IP-Based无线传感器网络采用与Internet相同的IP技术，可以更容易地实现其与现有外部网络的互联互通。
（4）应用方面：在安全监测应用领域，IP-Based无线传感器网络更具有抗毁鲁棒性，可以及时有效地监测灾害的发生以减少灾害所造成的损失。因此在无线传感器网络中采用IP技术是未来研究的主要方向。
IETF于2004年11月正式成立了6LoWPAN工作组，着手制订基于IPv6的低速无线个域网标准，旨在将IPv6引入以IEEE 802.15.4作为底层标准的无线个域网中。
IPv6传感器网络是IPv6技术与无线传感器网络的融合，具有两者各自部分特征，同时也具有其独特性。这种独特性，决定了IPv6传感器网络不适合直接采用IPv6网络或无线传感器网络的传统体系结构，主要体现在：（1）传统的传感器网络体系结构不支持IPv6协议，无法实现与下一代互联网的直接融合，不支持端到端通信，可扩展性不高。（2）IPv6作为下一代互联网的核心协议，充分考虑了网络中的各种问题，已经形成一套功能强大、鲁棒性好的协议体系，无法应用在存储资源和处理资源受限的传感器网络中。因此，必须在充分考虑到此网络的特点和特殊性的前提下，重新构建基于IPv6的传感器网络体系结构。
北京交通大学从2003年就开始紧密跟踪和研究IPv6无线传感器网络方面的最新技术，并于2004年9月研发出一套适用于小型无线传感器网络节点的嵌入式IPv6微型协议栈MSRLab6，该协议栈遵循6LoWPAN规范，同样严格支持IEEE 802.15.4标准。该协议栈去掉了不必要的组件及扩展功能，使得IPv6、ICMPv6、ND、TCP、UDP等协议得到较大精简；直接面向硬件，设计独立于操作系统的调度机制，为提高运行效率，采用了最大容量限制的内存分配方案；设计了基于事件和数据类型驱动的应用程序接口。
MSRLab6微型传感路由器体系结构自下而上由通信域、计算域和应用域组成，其中计算域采用了简化的IPv6微型协议栈和自主研发的微型传感路由协议（MSRP）。
（1）通信域
通信域包含载波监听以及数据收发功能，并支持包含IEEE802.15.4标准在内的多种物理层接口，实现设备间数据帧的传输。
（2）计算域
计算域包含路由转发模块，实现网络层的基本功能，包括IPv6微型协议栈MSRLab6及IPv6 MSRP。在节省无线传感器网络系统资源的同时提供应用层数据的IPv6封装和解析，实现与现有TCP/IPv6协议体系的网络进行通信；适用于IPv6传感器网络环境的路由协议MSRP，用于IPv6传感器网络内数据传输时建立和维护路由。
（3）应用域
应用域包括应用模块、传感模块、管理模块等。采用基于接口的独特设计，用于应用层与IPv6微型协议栈通信，实现系统的各种应用功能。
MSRLab6微型传感路由器结构基于IPv6数据传输与互联网体系结构兼容，无需复杂的协议转换设备；而路由机制与数据传输分离，具有传感器网络自身应用的特点能够保证路径最优，并减少选路的能耗和计算复杂度。
2 IPv6无线传感器网络与Internet的互联
将IPv6技术引入无线传感网络可以方便实现与现有网络设备端对端的通信，提高了转发效率，增强了安全性。根据不同的应用需求，IPv6无线传感器网络与现有网络的互联互通主要有两种：直接接入方式、网关接入方式。
（1）直接接入方式
当IPv6无线传感器网络内部有移动设备进入，需要获取传感器节点采集的相应数据信息时，如果按照常规方法即通过网关接入Internet网络再经Internet网络与移动设备进行互联的方式通信，显然是不够灵活的。而且网关接入方式在传输数据时中间节点的能量损耗会进一步加剧，整个互联过程中会造成较大的通信负担。因此可以采用移动终端直接与区域内无线传感器网络节点通信的方式进行互联，这样便简化了网络接入的模型，实现与现有网络的无缝融合。
当移动终端进入无线传感器网络内采用直接互连方式与传感器节点进行通信时，移动终端可根据IPv6协议首先进行网络地址的自动配置。由于移动终端和传感器节点均配置了IPv6协议，因此两者可使用链路本地地址根据网络协议进行直接、便捷的通信。在环境监测的应用环境中，管理者可以手持移动终端进入传感器网络内部，通过与节点的直接互联获得感兴趣的数据。在这种情况下，传感器节点通常位于视距范围内，移动终端通过发送数据请求建立通信，这样大大降低了网络系统的复杂程度，减少了在数据获取过程中造成的能量损耗，延长了节点的使用寿命。
（2）网关接入方式
无线传感器网络设备低成本、低功耗、低复杂性的要求以及接入网络基础设施的多样性，决定了每个IPv6无线传感器网络设备都直接接入现有网络是不切实际的。通常，设备的程序存储区和数据存储区都非常有限，无法配置完备的网络协议栈和大规模路由协议，因此，采用一种硬件资源相对丰富的网络连接设备（网关）完成IPv6无线传感器网络与Internet的互联互通。
3 IPv6无线传感器网络的应用
IPv6无线传感器网络在精准农业、安全监测、环境保护、智能建筑、医疗监护等诸多方面具有广阔的应用前景。北京交通大学下一代互联网研究中心无线传感器网络组，利用IPv6无线传感器网络应用系统成功实现了在精准农业生产中的应用，在温室部署大量的不同类型的传感器节点，达到监测控制温室的目的。
在精准农业生产中的应用系统实现了以下主要功能：
（1）环境监测功能
在温室内部署温度、湿度、CO2浓度、土壤湿度、光强传感器监测系统，实现对温室内环境的监测，用户远程获知温室内环境信息并做出相应控制措施，当某个参数超过该设定值时，发出警报通知用户。
（2）温室内设备控制功能
用户获知温室内的环境参数后，可以根据各种植物要求的环境信息来远程控制温室内的设备，满足植物生长的环境。
IPv6无线传感器网络在精准农业中的应用系统部署在3个温室内，每个温室中部署16个不同应用类型的传感器节点，包括2个土壤湿度、2个CO2浓度、4个空气温度、4个空气湿度、3个室内光强、1个室外光强传感器节点，监测农作物的生长环境，采集节点可以直接传输数据到网关节点，承载网是CDMA网，实现与Internet的互联。另外在在室外也布置一个光强节点，通过比较室内外光的强度，从而决定是否放下或提起遮挡帘。
4 结束语
IPv6无线传感器网络是当前通信领域的一个研究热点，是信息感知和采集的一场革命，具有广阔的应用前景。IPv6无线传感器网络将IPv6技术与无线传感器网络进行融合具有重要意义，值得深入研究。■
参考文献
【关键字】 无线传感器 网络 节能
一、无线传感器网络及其节点构成的基本认知
无线传感器网络是由大量传感器节点构成，在其网络系统中，采取人工或飞行器埋设方式，按照实际需求将传感器节点布置于监测区域内，采取自组织形式进行节点网络构建。节点在无线传感器网络系统中承担着信息采集与传输任务，同时承担着路由角色，节点作业所采取的数据信息则通过多条路由传输给汇聚节点。
汇聚节点属于无线传感器网络特殊节点，其具备较强的信号发射能力，能够通过移动网络通信、Internet或卫星等，将监测区域范围内数据远程传输给管理中心，实现数据收集与处理任务。
传感器节点属于无线传感器网络的基础部分，其节点以电池为能源，一旦电池消耗殆尽，则节点无法进行信息采集工作。
为确保网络传感器节点运行长期稳定，则需要采取节能策略以提高节点工作寿命。典型传感器节点主要包括四个部分，分别为感知子系统、处理子系统、通信子系统及功能单元系统。
传感器节点在工作中其耗能存在着一定差异性，如通信子系统较之处理子系统能耗更多，通信子系统进行一个比特数据的传输则相当于处理子系统完成数千个指令处理所消耗能量。
在睡眠状态下，通信子系统能耗水平较低。一般情况下感知子系统具备较低能耗，但如感知器精度要求较高，则其能耗水平增加。为确保无线传感器网络运行质量，提出基于工作周期、基于移动性与基于数据驱动的三种节能策略。
二、基于工作周期的无线传感器网络节能策略
在无线传感器网络中，节点状态分为睡眠与活动两种，其中活动状态即属于无线传感器网络节点的工作周期，建立于工作周期基础之上的无线传感器网络节能策略，主要以降低通信子系统能耗为目的，其节能策略分为能量控制策略与拓扑控制策略。
2.1能量控制策略
依据网络流量运行状况，进行通信子系统周期性睡醒状态切换，是实现能量控制策略的基本思路。能量控制策略，进行通信子系统唤醒，其主要包括三种方式，分别为依据要求的睡醒协议唤醒、异步唤醒协议与依据约定的睡醒协议。
2.1.1依据要求的睡醒协议
其中依据要求的睡醒协议，要求通讯节点只有在执行通信活动时方保持工作状态，其他时间则进入睡眠状态。为有效解决睡眠可节点唤醒并保持与其节点通信，可以采取唤醒无线电形式来实现。
唤醒无线电多采取低能量与低速率无线电，进行唤醒指令的有效传达。当无线电唤醒节点后，节点进入工作状态并保持通信，打开高能量与高速率无线电，执行数据传输工作，当数据传输结束后，节点重新进入到睡眠状态。这种节能策略在低工作周期环境中较为适用，如火灾探测与信息传输等领域，具备代表性意义的协议包括STEM-B、PTW、STEM-T等。
以STEM-B协议为例，对其唤醒工作方式进行探究。在源节点与附近目的节点需要进行通信时，采取唤醒无线电方式进行周期性唤醒信号发送，当目标节点接收到唤醒信号后，则会与系统进行唤醒确认，确认后打开数据无线电。如在唤醒操作过程中，唤醒信道出现冲突，任何感知到唤醒信号的节点则都将其无线电打开，不进行唤醒信号确认；如系统没有接收到唤醒确认，源节点将在设置发送次数最高值以内持续发送唤醒信号。
2.1.2异步唤醒协议
异步唤醒协议实现的基础为：无线传感器网络每个节点，均设置有相应的睡醒调度函数，从而进行睡醒时间表产生。不需要进行时钟考虑，相邻节点如需进行相应通信，只需要进行重叠唤醒时间表即可实现。其协议以异步算法设计为核心，异步算法则确保节点通信需求的基础上，将节点活动时间进行最小化处理，并确保节点满足网络拓扑及碰撞等特殊情况，如RAW协议。
RAW协议，以睡眠调度函数为依托，对节点进行周期性唤醒，节点唤醒后进入工作状态，在一定时间后重新进入睡眠。当节点被成功唤醒后，以邻居发现机制进行活动邻居寻找，如S节点需要向D节点进行数据包发送作业，S节点转发集中存在着m个邻居可以进行转发，其中存在与节点S一起被唤醒的概率，用公式表达则为：
通过公式可以看出，当m值越大时，P概率值越大，其在高密度感知网络中应用较为广泛。
2.1.3依据约定的睡醒协议
依据约定的睡醒协议，其是将邻居节点进行同一时间设定被进行唤醒，其时间设定同步，当节点唤醒后进行通信作业。采取这种协议方式，可实现邻居广播信息传递，较为典型的协议包括DMAC、SMAC、TMAC协议等。
2.2拓扑控制策略
应用无线传感器网络节点冗余，实现网络节点寿命延长是拓扑控制策略的基本思路。在其节能策略中，要求选择节点的一个子集，确保该子集通路正常并处于工作状态，其他节点则保持睡眠状态。
以GAF协议为例，将区域内节点感知区域划分为一定虚拟式方格，其节点路由等效，同一时间保持一个路由即可。GAF协议则对节点头进行周期性选择，并让其承担一定的路由任务。剩余能量愈多节点，其被设定为节点头的可能性越高，从而确保整个无线传感器网络生命周期与节点密度保持一致。
三、基于移动性的无线传感器网络节能策略
无线传感器网络依据移动物体特性，构建移动性节能策略，其策略包括移动MS策略与移动中继MR策略两种形式。建立于移动性的无线传感器节能策略，让普通节点采取一跳或若干跳的方式，将数据传输给移动relay或移动sink，实现了静态网络多跳数据传输的突破，从而在很大程度上降低了转发次数与连接错误，进而实现节能操作。
3.1 MS策略
MS移动性节能策略在无线传感器中的应用结构图如下所示：
图1 应用MS策略的无线传感器网络结构示意图
由图1可见，网络结构划分普通节点层与MS层，普通节点层进行数据感知，MS层执行数据收集。应用该策略时，要求在其区域内设定候选地点并选择出哨兵节点，通过哨兵节点进行附近节点能量信息的捕获，在接收到MS询问信号后将捕获信息传输给MS，依据剩余能量信息MS选择节点能量较多地点作下一次移动目的地。MS策略在应用中其目的地停留时间经过精确计算，在平衡能量消耗的同时可以实现无线传感器网络寿命最大化。
3.2 MR策略
在无线传感器网络中应用MR策略，其网络结构示意图如图2。
该策略下无线传感器网络结构分三层，分别为普通节点层，执行数据感知作业，第二层为MR层，承担着数据收集与数据中转工作，将获取数据传输给AP，第三层属AP层，承担MR数据接收工作，并将所收集的数据信息与sink节点进行同步。
图2 应用MR策略的无线传感器网络结构示意图
四、基于数据驱动的无线传感器节能策略
基于数据驱动的无线传感器节能策略主要包括数据预测及高效能数据采集两个模块，其在降低感知子系统能耗方面应用广泛。
4.1数据预测
通过数据预测，可以将源节点发送给sink节点的数据量进行有效降低，从而在很大程度上降低通信子系统能耗。在低阶AR基础上进行PAQ数据预测模型构建。在布置传感器初期，感知节点执行数据采样，并将其采样值进行队列存储，当队列存储满之后，感知节点以时间序列进行PAQ模型计算，并将该模型向sink节点发送。感知节点数据采集与模型预测数据执行对比，如预测值符合标准要求则认定模型有效，如预测值偏差较大，则应更换模型。采取这种工作方式，只要求感知节点向sink节点传递PAQ模型，无需进行采样值传输，从而实现了无线传感器节能。
4.2高效能数据采集策略
提高数据采集效率，能够有效降低采样数量并降低感知子系统能源消耗。较为典型的高能效数据采集策略如Backcasting，其策略应用空间联系进行采样数量控制。其策略要求在节点间采样值差异偏大的区域范围内，将更多节点激活并进行感知。因一定区域内开始节点处于睡眠状态，实现节点激活需经过以下操作：第一，进行部分节点激活，并将部分节点作为初始化节点子集，通过部分节点进行环境感知并划定子区域，子区域节点自组织成簇，由簇头进行节点激活评估并将评估结果发送给sink节点；第二，当区域内空间联系降低时，sink节点发送激活信号给簇头，按照信号要求簇头将区域内相应节点进行激活。
五、结语
无线传感器网络在抢险救灾、环境监测、目标跟踪及工业控制等领域应用十分广泛，其是由大量微型传感器节点构成，节点以电池为基础能耗，一旦能耗殆尽则无法实现其相应功能。为此，进行无线传感器节能策略研究则具备着重要的现实意义。在分析无线传感器网络及其节点构成的基础上，提出基于工作周期、基于移动性与基于数据驱动的三种节能策略，并对其策略工作模式及工作协议进行探究。实践证明，采取综合的节能策略，能够有效提高无线传感器网络生命周期，实现更好的现实效益。
参 考 文 献
[1]姚兰，曾锋.基于最大覆盖集的无线传感器网络节能策略研究[J].计算机工程与科学，2013，35（4）：47-52.
[2]掌明，王经卓，董自健等.基于分簇的无线传感器网络MAC节能算法[J].计算机工程，2012，38（15）：70-73.
[3]廖翊丞.无线传感器网络中节能数据收集技术研究[D].广西大学，2014.
[4]王莘.无线传感器网络节能策略分析[J].电子测试，2013，（14）：45-46.
[5]赵斌洁，陈光喜.一种基于移动无线传感器网络结构的数据采集协议[J].桂林电子科技大学学报，2012，32（4）：316-319.
[6]王越，万洪.一种节能的无线传感器网络多跳自适应时间同步算法[J].传感技术学报，2013，（11）：1557-1563.
关键词：无线传感器网络；安全技术；技术应用
无线传感器网络的民用化进程近些年来显著加快，其应用安全问题也越来越为人们所关注。但从现状来看，相关安全技术的实际应用并不理想，以目前对无线传感器网络应用较多的医疗领域为例，网络滞涩现象非常严重，物理损坏率很高，实际运作的可用网络空间与节点往往不足50%，安全问题导致了应用能效的极大下降。因此文章将针对这种特殊网络的常见安全技术问题加以分析并探析其安全技术的发展方向。
1无线传感器网络概述
无线传感器网络是一种以大量的外部传感器作为末梢的分布传感网络，这些传感器可以以无线的方式进行外部通信。由于网络灵活性非常高，而且三次元涵盖面极广，所以被认为在军事上有很大的发展潜力，近些年来更进一步进行了大量的民用应用研究。但民间的技术力毕竟与军方有一定的差距，所以无线传感器网络在民用领域的应用推广面临了一系列的困难，安全技术问题正是其中一例。
2无线传感器网络在安全上的技术问题
2.1安全机制缺失问题
虽然无线传感器网络近些年的民用发展很快，但从总体水平来看仍远不及普通网络，在诸多方面都存在着一定的局限性，比如后文将要说明的节点能量、通信稳定性等。在这种情况下，很难系统性地构建完整的安全防护机制，因此目前的安全措施大多是分散的、阶段性的，只针对无线传感器网络中的个别节点，所以不仅漏洞很多，而且有效性也难以保障，安全隐患扩散的几率相当高。
2.2节点能量限制问题
无线传感器的网络节点通常具有小型化、广域化特征，所以一旦部署完毕，不仅难以更换，而且充电也很困难。可另一方面，无线网络设备中有相当一部分属于高能耗设备，对能量的需求量非常大，这样一来容量小、充电困难的网络节点很难满足长效的能量需求。这种能量限制不仅会阻碍无线传感器网络通讯功能的进一步发展，而且会对安全技术的应用造成一定的负面影响。因为目前常用的安全算法中，有相当一部分会消耗大量的能量，在节点能量的限制下，这些安全算法无法使用，需要研究新的节能型安全算法。
2.3节点组织随机问题
无线传感器网络的构成基础是大量成规模的传感器，这些传感器的布置往往存在很强的自发性，而不是根据系统化、规范化的章程制度加以布置，在这种情况下，节点组织在布置上的随机性无法避免。这种随机性令安全技术在应用上面临很大的困难，因为节点位置随机，所以无法进行先期预知，先期安全防护自然无法实现，导致了节点安全防护的滞后性。
2.4节点物理安全问题
由于节点较小，所以在无线传感器网络中时常会产生被俘节点，这是一种物理安全问题。为了保证网络整体的运作效率，当被俘节点产生时，有必要迅速对其进行检测和拆除，否则被俘节点造成的安全隐患有进一步扩大化的可能。但目前来看，我们仍缺乏第一时间发现和拆除被俘节点的有效手段，而且拆除被俘节点这个行为本身也有可能令安全隐患发生扩散。
2.5通信稳定低下问题
使用无线传感器网络实现的通信属于一种无线通信，所以本身就具有无线通信固有的诸多通信不稳定特征，比如无线信道不稳、节点并发冲突等。此外，这种特殊的网络还具有自身独有的一些通信稳定性问题，例如，由于该类网络中多条路由同时存在，所以延迟性很强，在传输信息时，个别信息被拦截或者泄漏的可能性很高，在这种情况下，网络通信的安全性与稳定性都受到很大的负面影响。
3无线传感器网络在安全上的技术措施
3.1通过密码技术保障网络安全
在无线传感器网络的安全保障措施中，密码技术是较为传统也较为常规的一种。这种技术通过建立密钥来构成网络安全机制，通常情况下代码和数据的长度越长，防护等级越高，但这两项参数的长度增加会导致处理时间延长、能耗增大，进而令无线传感器网络的运作能效降低，所以在实际应用时要注意网络的基础条件，平衡安全防护能力和实际应用性。
3.2通过安全路由保障网络安全
通常情况下，路由只追求效率和能耗两大指标，对安全防护方面的要求比较低，在普通网络中，路由安全问题相对较少，但无线传感器网络由于具有多路由延迟，所以路由安全风险非常高。为此，安全路由技术被作为一种网络安全保障措施引入，具体来说，就是应用多种安全路由协议对多路径下的路由风险进行防范或者危害限制。
3.3通过密钥管理保障网络安全
密钥管理是另一种网络安全保障技术，严格来说，这种安全技术是从属于密码技术的，是对密码技术中所创立的密钥采取的安全管理措施。需要注意的是，虽然普通网络已经有了较为完善的密钥管理技术，但是在网络拓扑严重不稳定的无线传感器网络中，这种传统技术的应用适性很低，所以目前使用的大多是针对无线传感器网络特征开发的特殊密钥管理技术，比如预共享密钥模型等。
3.4通过入侵检测保障网络安全
以密码技术为基础构建的安全防护机制有一定的缺陷，具体来说，虽然可以对外来节点入侵加以识别，但对被捕获节点的入侵识别是做不到的。为此，相关人士研究了入侵监测技术，尝试通过SEF机制来识别网络中的虚假数据，用邻接节点评价机制来识别恶意节点。这两种入侵检测技术可以通过密码以外的技术进行被俘节点的检测，但相对的需要消耗更多的能量，所以在应用上仍待完善。
3.5通过数据融合保障网络安全
无线传感器网络中的数据大多是融合后使用的，但由于聚合数据中有可能存在虚假数据，所以最终融合值的安全性难以保障，在这种情况下我们需要安全融合措施。具体来说，一方面要借助上文所述的入侵检测技术分析和识别恶意节点，另一方面要订立安全评估用的数学框架，以对数据融合过程进行安全评价，规避恶意数据的干扰。
关键词：无线传感器网络；能量消耗；LEACH；网络均衡
中图法分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）03-0043-02
0 引 言
近几年来，随着各种技术的发展和应用的推进，传感器正在向微型化、网络化、集成化和智能化方向快速发展。在实际的应用中，由于微传感器的成本低、覆盖范围较小，所以通常需要大量的微传感器协同工作，无线传感器网络应运而生。无线传感器网络具有规模大、密度高、网络拓扑动态变化、自组织等特点，被广泛应用于环境监测、智能家居、智能交通等领域。
1 无线传感网络的体系结构
无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）通常由传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink node）和管理节点组成，如图1所示。大量传感器节点随机分布在待监测区域，这些传感器节点通过无线通信的方式自组织成网络，并将感知到的数据信息进行一定的处理分析后传递给汇聚节点，然后通过卫星、移动通信网络及互联网传输到后端的管理节点。
图1 无线传感器的体系结构
但是无线传感器网络有一个致命的问题，就是续航。由于大量的微传感器被抛撒在无人的监测区域内，所以没有办法给它更换电池或充电，当能量被消耗完时，微传感器将失效。但是无线传感器网络是以数据为中心的，用户关心的是在整个监测区域中监测对象所感知的信息，希望能够获取不同监测位置的信息，所以要尽可能地均衡能量消耗，使绝大部分传感器能够工作到整个无线传感网络集体失效的那一刻。所以如何最大化整个无线网络的生命周期，如何在保证完成工作的情况下节省能量消耗将成为研究的重中之重[1]。
2 LEACH层次路由
LEACH（low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是无线传感器网络中典型的低功耗自适应的层次路由协议[2]。该协议假定所有的传感器节点的地位都是平等的，每个节点具有的能量和各个方向的能耗都是相等的。以“轮”的方式随机选择簇头节点，簇头节点将获取的非簇头节点感知的信息传递给汇聚节点，将整个网络的能量消耗均衡地分摊到网络中的每一个传感节点，从而均衡网络中各个节点的能量消耗，来达到提高网络生存周期的目的。
LEACH路由算法在操作中采用“轮”的方法，每一轮由初始阶段和稳定阶段组成。在每一轮的初始阶段，每个传感节点产生一个0～1的随机数，如果这个随机数小于T（n），那么该节点就是簇头[3]。T（n）的计算公式为：
（1）
其中，p为簇头数占总传感节点数的百分比，r是当前的选举轮数，G是最近1/p轮不是簇头的节点集。
簇头节点选举成功后，向周围的节点宣布自己是本轮的簇头节点，非簇头节点将根据接收到的信号强弱来决定加入到哪个簇，并通知要加入的簇头节点。在稳定阶段，传感器节点采集数据，传递给簇头节点，簇头节点进行数据融合后传给汇聚节点。图2所示是LEACH层次路由算法示意图。
图2 LEACH层次路由算法
2.1 自动退避的簇头选举机制
在该路由算法中，采用“轮”的方式随机选举簇头，有效地均衡了传感器节点的能量消耗，延长了无线传感器网络的生存周期。但是在这样一个过程中，对于能量比较有限的传感节点而言，也是同样要消耗能量的。传感节点可以根据自己剩余能量与原有能量的对比结果，来决定自己是否参与簇头的选举。如果剩余能量比较多，那么可以参与簇头的选举，反之，则自动退避簇头的竞争以免消耗过多的能量，保存实力完成基本的信息感知功能，更好地服务于整个无线传感器网络。
2.2 设定阀值的数据融合
数据融合技术是无线传感网中的一项非常重要的技术。传感器节点的能量比较有限，而且经过大量的实践证明，节点发送和接收数据的能量消耗要远大于计算和正常工作的能耗。为了有效地提高传感节点的生存周期，采用设定阀值的方式。
传感器节点采集到监测数据后，根据节点中所设定的阀值和浮动范围值确定是否要将该数据上传，如果监测数据是在以阀值为中心的上下浮动范围内时，不上传数据；反之，如果超出了上下浮动范围，那么通过簇头上传该数据，修改管理中心数据库里的监测数据，同时将监测数据作为新的阀值继续监测。
由于分布于待检测区域的传感器，所感知的是周围环境中的一些模拟信息，而模拟量有连续变化的特征。基于这种实际情况，基于阀值的数据融合策略可以极大降低上传的数据信息量，从而能够节省自身的能量消耗。
2.3 基于能量的多路径路由
在LEACH层次路由算法中，非簇头节点根据信号的强弱来寻找自己合适的簇头节点，通过自动退避的簇头选举机制以及设定阀值的数据融合技术，可以大大降低非簇头节点和簇头节点的能量消耗，并且一定程度上均衡了能量消耗。但是待检测区域中的多个簇头节点与汇聚节点之间还是采用一跳的方式实现数据传输，这在一定程度上加剧了簇头节点的能量消耗。在这里提出基于能量的多路径路由算法，可以有效地提高多个簇头源节点和目标节点之间的数据传输效率，均衡能量消耗。图3所示就是基于能量的多路径路由。
图3 基于能量的多路径路由
能量感知是根据簇头节点的可用能量以及传输链路上的能量状况选择合适的路径。这样在簇头节点和汇聚节点间将建立多条可达路径，在此基础上，根据节点的能量情况给每条路径相应的选择概率，在簇头节点传送融合后的数据时就根据概率随机选择一条路径[4]。通过这样一种方式，将待检测区域中的多个簇头节点的一跳数据传送转换为基于能量的多路径路由，一方面由于距离的缩短减少了簇头节点的能量损耗，另一方面综合考虑多个簇头节点的剩余能量状况和能量消耗情况选择合适的传送路径，从而有效节省了能量消耗，延长了网络生存周期。
4 结 语
本文采用自动退避的簇头选举机制、设定阀值的数据融合技术以及基于能量的多路径路由策略优化了LEACH层次路由算法，不仅降低和均衡了传感器节点和整个无线传感网络的能量消耗，而且优化了从簇头节点到汇聚节点的数据传输的能量消耗。
参 考 文 献
[1]赵静，潘斌. 无线传感器网络能耗分析与策略研究[J].通信技术，2010，43（10）：87-88.
[2]杨明帅.无线传感器网络路由算法研究[D].杭州：浙江大学，2005.
[3]胡彧，王静.基于蚁群算法的LEACH协议研究[J].传感技术学报，2011，24（5）：747-748.
[4]孙利民，李建中，陈渝，等. 无线传感器网络[M]. 北京：清华大学出版社，2005.
[5]潘高峰，冯全源. 超宽带无线多媒体传感器网络中的能耗分析[J].高技术通讯，2011（6）： 569-574.
Discussion on energy consumption in wireless sensor network
SHANG Hong
（Wuxi South Ocean College， WuXi 24081， China）
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