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摘要

通過本文可了解傳感器的分類，以及無線傳感器的原理，這對于理解AGV等機器人的工作原理會帶來較大幫助，譬如人體仿真機器人，機器與人運動協(xié)同模式。

背景

因為超大規(guī)模集成電路 (VLSI) 以及微機電系統(tǒng)科技 (MEMS technology) 等硬件基礎(chǔ)以及radio frequency (RF) 技術(shù)的進步，使得傳感器的發(fā)展越來越快

傳感器具有的優(yōu)勢：

1.可以放置在任何環(huán)境：任何時間都可以工作，并且不需要太多的人力來進行管理。

2.具有更好的容錯能力：局部出現(xiàn)故障仍然能較好的完成工作。

3.獲取的數(shù)據(jù)更精確：通過多個傳感器獲取的信息更加可靠準(zhǔn)確。

4.成本低以及容易部署。

根據(jù)8月份國外媒體最新的報道，目前全球傳感器大約有2.6萬余種類型。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，傳感器應(yīng)用也正在不斷普及，同時高端傳感器的需求也持續(xù)提升。2018 年，《麻省理工科技評論》全球十大突破性技術(shù)榜單中將"傳感城市"(Sensing city)列入其中，這揭示了今后幾年傳感器技術(shù)的發(fā)展潮流。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成和結(jié)構(gòu)

常見傳感器的分類

傳感器在現(xiàn)實生活中隨處可見，如各種可穿戴設(shè)備、無線通信設(shè)備、智能控制設(shè)備等，很多常用的電子器件一般包含多種傳感器，比如一些高端手機已經(jīng)集成了超過15種傳感器，而且這一數(shù)字還會增加，一輛普通家用轎車上大約會安裝幾十到近百只傳感器，豪華轎車傳感器的數(shù)量可多達200余只，種類達幾十種。

按功能可以將傳感器劃分為：電傳感器、磁傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、流量傳感器、流速傳感器、溫度傳感器、光傳感器、射線傳感器、分析傳感器、仿生傳感器、氣體傳感器、離子傳感器等．

一些新型傳感器：紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器、溫濕度傳感器、紫外線傳感器、機器人傳感器、智能傳感器、數(shù)字傳感器。

無線傳感器的組成

傳感器最初是從有線傳感器發(fā)展到今天的無線傳感器，無線傳感器是傳感器中非常常見的一類。

雖然無線傳感器的種類也非常多，但是它們絕大部分都包含以下模塊：

1.感知模塊：主要由熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等敏感元件組成，用于記錄被監(jiān)控目標(biāo)的一些物理學(xué)參數(shù)。

2.信息處理模塊：處理模塊由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，用于處理存儲感知模塊采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)過來的數(shù)據(jù)，并負責(zé)協(xié)調(diào)傳感器節(jié)點各部分的工作，處理模塊還具有控制電源工作模式的功能，實現(xiàn)節(jié)能。

3.無線通信模塊：(傳統(tǒng)有線傳感器和無線傳感器的最本質(zhì)區(qū)別)無線通信模塊的基本功能是將處理器輸出的數(shù)據(jù)通過無線信道以及傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送給其他節(jié)點。

4.能量供應(yīng)模塊：為其他三個模塊的工作提供能量。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成

多個功能節(jié)點之間通過無線通信形成一個連接的網(wǎng)絡(luò)，這個網(wǎng)絡(luò)我們稱為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中主要包含兩類節(jié)點：

1.傳感器節(jié)點：具有感知和通信功能的節(jié)點，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中負責(zé)監(jiān)控目標(biāo)區(qū)域并獲取數(shù)據(jù)，以及完成與其他傳感器節(jié)點的通信，能夠?qū)?shù)據(jù)進行簡單的處理。

2.Sink節(jié)點：又稱為基站節(jié)點，負責(zé)匯總由傳感器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并作進一步數(shù)據(jù)融合以及其他操作，最終把處理好的數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)

三種常見拓撲結(jié)構(gòu)

1.星型拓撲：具有組網(wǎng)簡單、成本低；但網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍小，一旦sink節(jié)點發(fā)生故障，所有與sink節(jié)點連接的傳感器節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)中心的通信都將中斷。星形拓撲結(jié)構(gòu)組網(wǎng)時，電池的使用壽命較長。

2.網(wǎng)狀拓撲：具有組網(wǎng)可靠性高、覆蓋范圍大的優(yōu)點，但電池使用壽命短、管理復(fù)雜。

3.樹狀拓撲：具有星形和網(wǎng)狀拓撲的一些特點，既保證了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大，同時又不至于電池使用壽命過短，更加靈活、高效。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域

無線傳感器在生產(chǎn)和生活中處處可見，總結(jié)起來主要在以下八大領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3]：

1、軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

在軍事領(lǐng)域，由于WSN具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境。利用WSN能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測敵軍區(qū)域內(nèi)的兵力和裝備、實時監(jiān)視戰(zhàn)場狀況、定位目標(biāo)、監(jiān)測核攻擊或者生物化學(xué)攻擊等。

2、輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

WSN特別適用于以下方面的生產(chǎn)和科學(xué)研究。例如，大棚種植室內(nèi)及土壤的溫度、濕度、光照監(jiān)測、珍貴經(jīng)濟作物生長規(guī)律分析、葡萄優(yōu)質(zhì)育種和生產(chǎn)等，可為農(nóng)村發(fā)展與農(nóng)民增收帶來極大的幫助。采用WSN建設(shè)農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)，用一套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備完成風(fēng)、光、水、電、熱和農(nóng)藥等的數(shù)據(jù)采集和環(huán)境控制，可有效提高農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)程度，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植的科學(xué)性。

3、在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報中的應(yīng)用

在環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可用于監(jiān)視農(nóng)作物灌溉情況、土壤空氣情況、家畜和家禽的環(huán)境和遷移狀況、無線土壤生態(tài)學(xué)、大面積的地表監(jiān)測等，可用于行星探測、氣象和地理研究、洪水監(jiān)測等。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以通過數(shù)種傳感器來監(jiān)測降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預(yù)測山洪爆發(fā)描述生態(tài)多樣性，從而進行動物棲息地生態(tài)監(jiān)測。還可以通過跟蹤鳥類、小型動物和昆蟲進行種群復(fù)雜度的研究等。

4、基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

WSN技術(shù)對于大型工程的安全施工以及建筑物安全狀況的監(jiān)測有積極的幫助作用。通過布置傳感器節(jié)點，可以及時準(zhǔn)確地觀察大樓、橋梁和其他建筑物的狀況，及時發(fā)現(xiàn)險情，及時進行維修，避免造成嚴(yán)重后果。

5、工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

在工業(yè)安全方面，傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可用于危險的工作環(huán)境，例如在煤礦、石油鉆井、核電廠和組裝線布置傳感器節(jié)點，可以隨時監(jiān)測工作環(huán)境的安全狀況，為工作人員的安全提供保證。另外，傳感器節(jié)點還可以代替部分工作人員到危險的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，不僅降低了危險程度，還提高了對險情的反應(yīng)精度和速度。

6、在智能交通中保障安全暢通

智能交通系統(tǒng)主要包括交通信息的采集、交通信息的傳輸、交通控制和誘導(dǎo)等幾個方面。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以為智能交通系統(tǒng)的信息采集和傳輸提供一種有效手段，用來監(jiān)測道路各個方向的車流量、車速等信息。并運用計算方法計算出最佳方案，同時輸出控制信號給執(zhí)行子系統(tǒng)，以引導(dǎo)和控制車輛的通行，從而達到預(yù)設(shè)的目標(biāo)。

7、在醫(yī)療系統(tǒng)和健康護理中的應(yīng)用

無線傳感網(wǎng)技術(shù)通過連續(xù)監(jiān)測提供豐富的背景資料并做預(yù)警響應(yīng)，不僅有望解決這一問題還可大大提高醫(yī)療的質(zhì)量和效率。無線傳感網(wǎng)集合了微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信和分布式信息處理等技術(shù)，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成對各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息的實時監(jiān)測、感知和采集。

8、在智能家居中應(yīng)用

在家電中嵌入傳感器結(jié)點，通過無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，利用遠程監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對家電的遠程遙控，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使住戶可以在任何可以上網(wǎng)的地方通過瀏覽器監(jiān)控家中的水表、電表、煤氣表、電器熱水器、空調(diào)、電飯煲等，安防系統(tǒng)煤氣泄露報警系統(tǒng)、外人侵入預(yù)警系統(tǒng)等。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本特點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點

1.自組織方式組網(wǎng)：組網(wǎng)不依賴任何固定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，傳感器節(jié)點通過分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議形成自組織網(wǎng)絡(luò)，能夠自動調(diào)整來適應(yīng)節(jié)點的移動、加入和退出。因為傳感器的維護成本很高，所以需要具備自我管理能力 (self-managed, including self-organizing, self-healing, self-optimizing, self-protecting, self-sustaining, self-diagnostic) 。

2.無中心結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器節(jié)點地位對等，并構(gòu)成一個對等式網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點可以隨時加入和離開網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點發(fā)生故障不影響整個網(wǎng)絡(luò)的運行。

3.網(wǎng)絡(luò)有動態(tài)拓撲：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可能由于電池能量耗盡或者故障而從網(wǎng)絡(luò)中退出，也可能是按照某種設(shè)定的程序從網(wǎng)絡(luò)中退出（比如說休眠）；網(wǎng)絡(luò)外的節(jié)點可隨時加入網(wǎng)絡(luò)中。

4.采用多跳路由通信：覆蓋同樣大小的區(qū)域單跳路由消耗的能量遠遠超過了多跳路由，所以絕大部分傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多跳路由，不過多跳路由也會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)延遲、復(fù)雜的路由計算等新問題產(chǎn)生。

5.高冗余：由于大型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)量眾多，傳感器節(jié)點之間距離不能太大，所以采集的數(shù)據(jù)具有冗余特性。

6.硬件資源及功能有限：無線傳感器節(jié)點由于受價格、體積和攜載能源的限制，其計算能力、數(shù)據(jù)處理能力、存儲空間有限，決定了在節(jié)點操作系統(tǒng)的設(shè)計中，協(xié)議層次內(nèi)容不能過于復(fù)雜。

7.電源續(xù)航能力較小：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有電池供電，電池續(xù)航能力小，在許多應(yīng)用場景中無法更換電池。傳感器節(jié)點電能用完，該節(jié)點就失去了作用，所以在設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)時需要考慮節(jié)能。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的目標(biāo)

目標(biāo)一：提高性能

對傳感器網(wǎng)絡(luò)來說什么是性能？有很多指標(biāo)可以用來評估傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能情況，其中主要有：

1.Energy efficiency/system lifetime（能源效率/系統(tǒng)生命周期）：傳感器是電池驅(qū)動的，因此能源是一種非常稀缺的資源，為了延長網(wǎng)絡(luò)的壽命，必須明智地管理能源^[1]。

2.Latency（延遲）：許多傳感器應(yīng)用程序需要低延遲才能保證服務(wù)，所以協(xié)議必須確保感知到的數(shù)據(jù)將在一定的延遲內(nèi)交付給用戶。

3.Fault tolerance（容錯）：傳感器和鏈路故障的魯棒性必須要通過冗余和協(xié)同處理以及通信來實現(xiàn)。

4.Scalability（可擴展性）：由于傳感器網(wǎng)絡(luò)可能包含數(shù)千個節(jié)點，因此可伸縮性是一個關(guān)鍵因素，它保證了網(wǎng)絡(luò)性能不會隨著網(wǎng)絡(luò)大小(或節(jié)點密度)的增加而顯著下降。

5.Transport capacity/throughput（通信能力/吞吐量）：由于大多數(shù)傳感器數(shù)據(jù)必須傳送到單個基站或融合中心，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在一個關(guān)鍵區(qū)域（或者節(jié)點），這些區(qū)域必須中繼網(wǎng)絡(luò)中幾乎所有節(jié)點生成的數(shù)據(jù)。因此，即使在平均通信率較低的情況下，這些關(guān)鍵節(jié)點上的通信量也很大。顯然，這一領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)生命周期、數(shù)據(jù)包的端到端延遲和可伸縮性有至關(guān)重要的影響。

目標(biāo)二：節(jié)約能源

哪些設(shè)計和措施可以節(jié)約能源？

1.進行數(shù)據(jù)壓縮，以減少要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量：因為對傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，絕大部分能量消耗在無線通信模塊，數(shù)據(jù)包傳輸前進行壓縮可以大大減少通信過程中的能量消耗。

2.去除中心化，利用分布式處理數(shù)據(jù)的方法：因為傳感器上傳給中心節(jié)點的數(shù)據(jù)存在大量冗余信息，如果將所有的計算都集中在中心節(jié)點，將給中心節(jié)點帶來較大負荷以及不必要的能源浪費，可以考慮將一部分計算任務(wù)分配給傳感器節(jié)點。

3.引入傳感器睡眠機制減少電量消耗：為了防止傳感器節(jié)點在接收意外數(shù)據(jù)包時浪費能量，可以考慮睡眠機制。例如，通過協(xié)調(diào)策略來決定哪些節(jié)點應(yīng)該進入休眠狀態(tài)。

4.路由策略：最簡單的節(jié)能路由協(xié)議是最少能量路由，即尋找一條能耗最低的路由，通過它傳送數(shù)據(jù)。但這樣未必能延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間，因為某些處于關(guān)鍵位置的節(jié)點可能被過度使用而導(dǎo)致電源過早耗盡。最大最小路由更多的考慮了電池的剩余電量，而最少能量路由考慮的是某次通信需要消耗的電量，一個很自然的改進思路是可以將兩種方法結(jié)合起來，定義一個電源開銷函數(shù)，綜合考慮兩種策略。

5.拓撲管理：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署中，節(jié)點密度都比較高，因為提高節(jié)點密度可以提高結(jié)果的精確度，但如果系統(tǒng)生存時間更重要的話，就可以對網(wǎng)絡(luò)拓撲進行管理。如果硬件支持可變發(fā)射功率的話，采用低的發(fā)射功率也能夠降低網(wǎng)絡(luò)電源開銷，同時緩解共享空間信道的競爭，提高網(wǎng)絡(luò)容量。

目標(biāo)三：保證安全

導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不安全的原因^[2]：

1.資源非常有限：有限的內(nèi)存和存儲空間、能量有限、計算能力有限等，這些局限性使得一些較成熟的安全方法無法在傳感器網(wǎng)絡(luò)上實行。

2.不可靠的通信：信道的暴露使得數(shù)據(jù)包在傳輸過程不可靠，而且傳輸過程容易發(fā)生數(shù)據(jù)包沖突、延遲等問題。

3.無人管理：傳感器網(wǎng)絡(luò)在野外無人區(qū)域容易遭受物理攻擊，此外通過遠程管理方式無法檢測到物理篡改等。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的要求：

1.數(shù)據(jù)機密性：傳感器節(jié)點不能向鄰居節(jié)點泄露敏感參數(shù)；通信的信道必須保證安全可靠；加密的算法要安全可靠。

2.數(shù)據(jù)完整性：因為在通信過程中，篡改數(shù)據(jù)包會導(dǎo)致惡劣的通信環(huán)境，所以需要保證數(shù)據(jù)包在發(fā)送過程中難以被篡改。

3.數(shù)據(jù)的新鮮性：數(shù)據(jù)包要保證是最新的，防止舊消息被重播。

4.可用性：一些傳統(tǒng)的安全算法需要在修改后才能應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中一些算法在應(yīng)用時也會帶來更多的開銷等問題，導(dǎo)致這些算法在實際中不實用。

5.身份認證：因為攻擊者不僅能篡改數(shù)據(jù)包還可能注入附加數(shù)據(jù)包，所以需要確保數(shù)據(jù)的來源正確，需要對數(shù)據(jù)的來源進行驗證。

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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中主要應(yīng)用到以下關(guān)鍵技術(shù)^[4]：

一、網(wǎng)絡(luò)自組織連接技術(shù)

也稱為拓撲控制技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織組網(wǎng)和連接是指在滿足區(qū)域覆蓋度和連通度的條件下，通過節(jié)點發(fā)送功率的控制和網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點的選擇，構(gòu)建鄰居鏈路，形成一個高效的網(wǎng)絡(luò)連接拓撲結(jié)構(gòu)，以提高整個網(wǎng)絡(luò)的工作效率，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。自組織控制分為節(jié)點功率控制和層次拓撲控制兩個方面。

1.節(jié)點功率控制：在滿足網(wǎng)絡(luò)連通度的條件下，盡可能減少發(fā)射功率。相關(guān)研究成果有：基于節(jié)點度數(shù)進行功率控制（提出了LMA算法）、基于鄰近圖進行功率控制（提出了DRNG、DLMST算法）；

2.層次拓撲控制：采用分簇機制實現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)中選擇少數(shù)關(guān)鍵節(jié)點作為簇首，由簇首節(jié)點實現(xiàn)全網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，簇成員節(jié)點可以暫時關(guān)閉通信模塊，進入睡眠狀態(tài)。相關(guān)研究成果有：提出了LEACH、TopDisc、GAF算法。

當(dāng)前國內(nèi)外對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制取得了很多成果，許多新的算法被提出，其中一些拓撲控制算法不僅僅在理論體系較為完備，并且在實際工程中得到了應(yīng)用。還有一些拓撲控制算法通過計算機仿真，效果良好，但是大部分算法還處于理論研究階段。在研究特點上，出現(xiàn)了同時使用多種方式、多種算法的結(jié)合形成傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制機制。拓撲控制還面臨著一些重要的關(guān)鍵性問題，如對于大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，拓撲控制算法如果沒有較快收斂速度，工程上的實用性就會不強；面對動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)如何自適應(yīng)控制等。

二、網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制技術(shù)

為了保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的有效性，通常要求監(jiān)測范圍內(nèi)的每一點都至少處于一個無線傳感器節(jié)點的監(jiān)測范圍以內(nèi)；為使無線傳感器能夠完成對給定區(qū)域進行特定的監(jiān)測任務(wù)，必須要進行覆蓋控制。目前國內(nèi)外學(xué)者研究的覆蓋問題主要包括分為以下幾類^[5]：

1.區(qū)域/空間覆蓋：所有傳感器的監(jiān)測范圍需要覆蓋整個監(jiān)測區(qū)域。研究者將原問題轉(zhuǎn)化為SET K-COVER問題，提出了MCCH、PEAS算法；

2.點覆蓋：所有傳感器的監(jiān)測范圍需要覆蓋整個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)一些指定監(jiān)測點。點覆蓋問題比空間覆蓋問題簡單，當(dāng)監(jiān)測節(jié)點密度很大時，可以近似認為整個區(qū)域需要被覆蓋，從而轉(zhuǎn)化為區(qū)域覆蓋問題。

3.柵欄覆蓋：覆蓋區(qū)域為帶狀，應(yīng)用場景是：當(dāng)入侵者從部署區(qū)域穿過時能夠被傳感器檢測到，如非法偷渡人員的檢測。

4.信息覆蓋：不考慮物理區(qū)域的覆蓋，而是直接關(guān)注區(qū)域中信息的捕獲情況。這種覆蓋定義通常使用一個概率感知模型或者其他更復(fù)雜的感知模型（如基于信息融合理論的感知模型）。當(dāng)區(qū)域中任何一點上的信息能以高概率（大于某個閾值）被無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所捕獲時，那么整個區(qū)域是信息覆蓋的。

覆蓋問題關(guān)注傳感器對監(jiān)測區(qū)域信息的感知質(zhì)量，它是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的首要問題，也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最基本、最重要問題之一，并且一直是熱點問題。

三、網(wǎng)絡(luò)無線通信技術(shù)

因為傳感器節(jié)點傳輸信息時，比執(zhí)行計算時更消耗能量，傳輸1比特信息100m距離需要的能量相當(dāng)于執(zhí)行3000條計算指令消耗的能量，所以需要對無線通信模塊進行控制；另外，無線通信信息在發(fā)送過程中容易受到外界干擾，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要抗干擾的通信技術(shù)。目前有以下無線通信技術(shù)：

1.藍牙技術(shù)：藍牙技術(shù)是一種短距離微功耗的無線通信技術(shù)，具有較強的抗干擾能力，成本低而且在各種設(shè)備中都可以使用，不過存在通信距離較短的缺點（一般為10m左右）。

2.Wi-Fi技術(shù)：也稱為無線局域網(wǎng)通信技術(shù)，具有可移動性強，安裝靈活、便于維護、能快速方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連通等優(yōu)點，常見的如IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g。

3.超寬頻技術(shù)：簡稱UWB，超寬頻技術(shù)最初主要應(yīng)用于高精度雷達和隱秘通信領(lǐng)域，UWB技術(shù)是一種在寬頻帶基礎(chǔ)上，通過脈沖信號高速傳輸數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)，具有發(fā)射距離短、發(fā)射功率低、成本低等特點。

4.近短距無線傳輸：代表有NFC技術(shù)。

5.ZigBee技術(shù)：ZigBee主要應(yīng)用于短距離范圍、數(shù)據(jù)傳輸率不高的各種電子設(shè)備，傳輸速率低、成本比較低等特點，適合一些簡單的網(wǎng)絡(luò)，ZigBee比一些常見無線通信技術(shù)更加安全可靠。

幾種短距離無線通信技術(shù)的比較

四、定位技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點定位是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)，傳感器節(jié)點須明確自身位置才能為用戶提供有用的信息，實現(xiàn)對目標(biāo)的定位和追蹤。另一方面，了解傳感器節(jié)點的位置信息還能提高路由效率、報告網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負載均衡等。在一些應(yīng)用場合中，傳感器節(jié)點被隨機地撒布在特定的區(qū)域，事前無法知曉這些傳感器的位置，部署完成后需要通過一些定位技術(shù)來準(zhǔn)確地獲取其位置信息。現(xiàn)有的研究工作主要是根據(jù)以下三種物理參數(shù)來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的定位^[6]：

1.Received signal strength (RSS)：基于接收信號強度的計算方法，電磁波的功率與傳輸功率成正比，與到源距離的平方成反比。根據(jù)這一物理定律，通過不同路徑到達接收設(shè)備的信號強度是估計距離和位置的基礎(chǔ)。

2.Time of flight (TOF)：基于飛行時間的計算方法，發(fā)射器和接收器之間的距離等于發(fā)射信號的飛行時間或電磁傳播時間乘以傳播速度，即光速。當(dāng)傳輸時間已知時，距離可以通過測量接收器處的信號到達時間（TOA）來確定，或者根據(jù)不同位置的接收時間差異來確定距離。

3.Angle of arrival (AOA)：基于入射角的計算方法，根據(jù)電磁波的到達角（AOA）或到達方向（DOA）來確定傳感器的位置。

此外，還可以利用GPS系統(tǒng)來實現(xiàn)傳感器節(jié)點的高精度定位，不過這種方法成本較高。

五、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

前面已經(jīng)介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的安全隱患主要來源于三個方面：資源非常有限、不可靠的通信以及無人管理。這些特點使得傳感器網(wǎng)絡(luò)容易遭受各種攻擊，按照攻擊的方式可以劃分為：

1.擁塞攻擊（Congestion attack）：無線通信環(huán)境是一個開放環(huán)境，如果該環(huán)境中的兩個設(shè)備節(jié)點發(fā)送的信號使用同樣或相近的頻率，則彼此間會產(chǎn)生強烈的干擾，導(dǎo)致都不能正常通信。當(dāng)攻擊者使用一定的設(shè)備在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作的頻段上不斷發(fā)送干擾信號，則在干擾設(shè)備的通信覆蓋范圍內(nèi)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都不能正常工作。如果攻擊范圍足夠大還可能導(dǎo)致整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
防御策略：使用寬頻和跳頻通信，被攻擊的節(jié)點在檢測到所在空間遭受攻擊以后，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將通過統(tǒng)一的策略跳轉(zhuǎn)到另一個頻率進行通信。

2.碰撞攻擊（Collision Attack）：惡意節(jié)點可以像傳感器網(wǎng)絡(luò)的合法節(jié)點一樣參與發(fā)送數(shù)據(jù)，惡意節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包如果和合法節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包中有一個字節(jié)的數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生了沖突，那么整個數(shù)據(jù)包就會被丟棄。
防御策略：針對碰撞攻擊可以使用糾錯碼，可以更正沖突引起的數(shù)據(jù)包的錯位。使用信道監(jiān)聽機制，節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前，首先對信道進行一個隨機監(jiān)聽，在預(yù)測信道空閑的時間區(qū)段發(fā)送數(shù)據(jù)，可以降低沖突發(fā)生的概率。

3.能量耗盡攻擊（Energy exhaustion attack）：利用一些鏈路層協(xié)議中有錯包重傳機制，惡意節(jié)點通過不斷制造沖突，導(dǎo)致節(jié)點不斷重復(fù)發(fā)送上一數(shù)據(jù)包，最終耗盡傳感器節(jié)點的能量。
防御策略：對一個節(jié)點重傳信息次數(shù)設(shè)置一個門限值，如果重傳次數(shù)超過門限值，節(jié)點將判定自己受到攻擊并自動轉(zhuǎn)換到休眠模式。

4.女巫攻擊（Sybil attack）：無線傳感器中，女巫攻擊者可以捏造出很多身份對網(wǎng)絡(luò)進行攻擊。很多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議通過投票方式從一系列可能的通信鏈路中選擇最佳的傳輸鏈路，女巫攻擊者可以利用偽造的身份來填滿投票箱，來誤導(dǎo)投票結(jié)果。
防御策略：無線電資源測試是對抗女巫攻擊的一個有效方法。節(jié)點為它的每一個鄰居節(jié)點分配一個信道廣播測試信息，節(jié)點通過對信道的監(jiān)聽找出非法節(jié)點。另一個防御Sybil攻擊的技巧是使用隨機密鑰預(yù)先分配技術(shù)，限定有限數(shù)量密鑰的密匙環(huán)，因為一個節(jié)點隨機生成的身份不會擁有足夠的鑰匙來分配，因此無法在網(wǎng)絡(luò)上通信時進行加密或解密消息。

5.丟棄或貪婪破壞攻擊：通過一定的技術(shù)手段將一個或多個惡意節(jié)點偽裝成正常節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)會錯誤地將它們當(dāng)作正常的路由節(jié)點來使用。惡意節(jié)點在冒充正常節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，會隨即丟棄一些有用數(shù)據(jù)包或者將自己偽造的數(shù)據(jù)包以較高優(yōu)先級發(fā)送，大大增加了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)的出錯率。
防御策略：使用多徑路由，即使被惡意節(jié)點丟棄的數(shù)據(jù)包也可以采用其他路徑到達目的節(jié)點。

6.Sinkhole attack：攻擊者首先對外公布路由經(jīng)過某個節(jié)點A是低損耗的，引誘某一特定區(qū)域內(nèi)的幾乎所有的傳感器節(jié)點將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給這個被俘獲的傳感器節(jié)點A，再對所有經(jīng)過被俘獲節(jié)點A的數(shù)據(jù)包完全不轉(zhuǎn)發(fā)或者選擇性轉(zhuǎn)發(fā)，使得正常的路由機制被破壞。
防御策略：采用通信認證和多路徑路由等方式可以有效地抵御Sinkhole attack。

7.蟲洞攻擊（Wormhole attack）：傳感器網(wǎng)絡(luò)中混入一些惡意節(jié)點，某個正常節(jié)點A向其他節(jié)點廣播路由請求數(shù)據(jù)包，惡意節(jié)點B收到A廣播的請求后，它將A的廣播請求向自己的鄰居節(jié)點重放，收到惡意節(jié)點重放的正常節(jié)點C會誤認為自己在A節(jié)點的廣播范圍內(nèi)，即使C節(jié)點離A節(jié)點還有幾跳距離，也會誤將A節(jié)點作為自己的父節(jié)點，造成網(wǎng)絡(luò)路由混亂。
防御策略：在選擇路由時檢查雙向連接可以防御蟲洞攻擊，此外基于地理位置的路由協(xié)議也可以有效防御蟲洞攻擊。

8.拒絕服務(wù)攻擊（Dos attack）：攻擊者通過欺騙偽裝等手段使提供服務(wù)資源及文件資源的主機出現(xiàn)錯誤或者資源耗盡，從而使被攻擊的主機無法給正常請求提供服務(wù)。Dos攻擊是最常見的網(wǎng)絡(luò)攻擊方式。

防御策略：

（1）監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)信息流，對異常情況作出及時響應(yīng)和分析；

（2）做好節(jié)點身份認證，確保是安全節(jié)點后才能允許接入傳感器網(wǎng)絡(luò)；

（3）采取安全的路由協(xié)議，路由的組建過程中有效剔除出錯誤路由信息和惡意節(jié)點路由；

（4）經(jīng)常檢測系統(tǒng)配置信息，注意查看安全日志，并作出分析和記錄，可以采用入侵檢測系統(tǒng)來檢測是否發(fā)生了惡意攻擊行為。

此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到攻擊按照攻擊的類型可以劃分為外部攻擊和內(nèi)部攻擊。

1.外部攻擊：外部攻擊是指不可靠的無線信道和無人值守的操作使得傳感器很容易被入侵。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包在傳輸過程中常常會發(fā)生被偽造和篡改等非法操作(Illegal operation)，此外，攻擊者通過對信道進行監(jiān)聽和流量分析，查找傳感器節(jié)點存在的漏洞，利用漏洞攻破傳感器節(jié)點。
防御策略：外部攻擊可以通過一些防御方法如密鑰管理^[7,8]、身份認證^[9]等來對數(shù)據(jù)的機密性和完整性進行識別。

2.內(nèi)部攻擊：內(nèi)部攻擊是指攻擊者控制了傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一些內(nèi)部節(jié)點，然后采用篡改或者虛假數(shù)據(jù)注入的方式破壞了這些傳感器內(nèi)部正常的數(shù)據(jù)。基于密碼學(xué)、認證和密鑰管理等防御方法在應(yīng)對外部攻擊時是有效的，這類方法可以驗證數(shù)據(jù)的機密性和完整性以及對數(shù)據(jù)進行認證等，然而對于來自內(nèi)部傳感器節(jié)點發(fā)起的數(shù)據(jù)的篡改，如果這些異常數(shù)據(jù)經(jīng)過傳感器加密后再傳輸給其他傳感器節(jié)點，因為數(shù)據(jù)的完整性和機密性沒有被破壞，所以很難被防御方法識別出來。

防御策略：應(yīng)用入侵檢測系統(tǒng)來檢測。

信息安全技術(shù)主要分為兩大類：防御和檢測。防御的作用是阻止入侵的發(fā)生，與之相關(guān)的研究主要集中在密鑰管理、身份認證、訪問控制、防火墻、隱私問題、安全路由協(xié)議等，這類方法主要用來對外部攻擊進行檢測和識別。一旦設(shè)備被入侵，這些防御手段就會失效，這時需要用到對系統(tǒng)內(nèi)部進行檢測的方法，如入侵檢測。防御和檢測是系統(tǒng)的兩道防線。

因為傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)是通過無線信道進行通信的，區(qū)別于傳統(tǒng)的有線通信，所以防火墻技術(shù)很難適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，一些基于密碼學(xué)的防御方法需要不小的計算量，對于密集型通信的傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，用這些密碼學(xué)方法對所有通信數(shù)據(jù)在傳輸過程中都進行加密是不現(xiàn)實的，安全技術(shù)中入侵檢測技術(shù)則比較靈活，而且是資源友好的，所以非常適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)。入侵檢測技術(shù)主要分為兩類^[10,11]：Misuse入侵檢測系統(tǒng)(或者基于簽名的入侵檢測系統(tǒng))和異常檢測系統(tǒng)：

1.Misuse入侵檢測系統(tǒng)：首先專家給一些已知的攻擊行為建立攻擊的簽名庫，然后利用檢測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析和匹配，查看數(shù)據(jù)中是否存在和簽名庫匹配的攻擊簽名。這種方法雖然能夠快速從數(shù)據(jù)中鑒別出簽名庫中已知的攻擊行為，但是對于新型的攻擊卻無法識別。

2.異常檢測系統(tǒng)：異常檢測方法的第一步是建立監(jiān)測數(shù)據(jù)的正常剖面，建立正常刨面的方法包括基于規(guī)則的方法，統(tǒng)計學(xué)的方法，數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習(xí)方法等，然后可以將異常確定為偏離正常剖面的測量值。因此，異常檢測能夠檢測出現(xiàn)在系統(tǒng)中的新型安全攻擊或入侵。不過，異常檢測方法的問題是會出現(xiàn)高水平的假警報。

六、能量獲取技術(shù)

因為傳感器的電量非常有限，傳感器節(jié)點的電量使用完后如果不及時補充電量，將無法工作并且退出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)補充電量的方式主要有三種方法：更換電池、能量搜集方法和無線充電方法。

1.更換電池：這種方法需要給傳感器網(wǎng)絡(luò)配備維護人員來更換電池，但是考慮到很多傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在條件惡劣的野外，而且覆蓋區(qū)域廣、部署比較隱蔽等特點，人工維護的效率低，而且維護成本高。

2.能量搜集方法：傳感器節(jié)點通過自身配備的能量轉(zhuǎn)換模塊，如太陽能、風(fēng)能、熱能等發(fā)電模塊，從環(huán)境中收集能量來延長其生命期的方法。但是，由于環(huán)境能量密度低，為了達到一定的能量獲取率，傳感器節(jié)點需要配備體積較大的能量轉(zhuǎn)換器，并且能量轉(zhuǎn)換效率低，此外，因為能量獲取的效率受環(huán)境和氣候等因素影響，如太陽能電池在陰天發(fā)電效率低，所以發(fā)電過程不可控且難以精確預(yù)測。

3.無線充電方法：傳感器節(jié)點一旦部署好后一般不能移動，這類方法給網(wǎng)絡(luò)中配備主動性的充電電源節(jié)點，可以為任意傳感器節(jié)點進行無線充電以延長其生命期。采用這類方法需要在網(wǎng)絡(luò)中部署靜態(tài)的充電站，或者移動充電節(jié)點和服務(wù)站節(jié)點。由靜態(tài)或移動充電節(jié)點主動為傳感器節(jié)點提供高效、及時的充電服務(wù), 充電過程可控、可預(yù)測。

無線充電技術(shù)最早起源于19世紀(jì)末，Tesla首次在實驗中實現(xiàn)無線充電；20世紀(jì)末期，移動設(shè)備的廣泛使用進一步刺激了無線充電技術(shù)的發(fā)展，多種可行的方案, 如電感耦合技術(shù)(inductive coupling)^[12]、電磁輻射技術(shù)(electromegnetic radiation)^[13]及磁耦合諧振技術(shù)(magnetic resonant coupling)[14]等被提出來，其中，磁耦合諧振技術(shù)由于其高效率、無需對準(zhǔn)、全方向、允許阻擋及不受環(huán)境影響等優(yōu)勢, 受到各界廣泛關(guān)注^[15]。

無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中充電規(guī)劃分類^[15,16]

無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中的充電規(guī)劃問題是當(dāng)前研究的熱點^[17]，具有重要的研究意義和應(yīng)用背景，目前還處在研究的起步階段。相信隨著硬件技術(shù)的成熟和相關(guān)理論的發(fā)展, 無線充電方案最終將得到普遍應(yīng)用。

來源：HiCloud