基于无线传感器网络的Modbus虚拟设备

收稿日期：2010－09－13；修回日期：2010－11－20。基金项目：国家863计划项目（2008AA01Z208；2009AA01Z405）；国家自然科学基金资助项目（60772150）；广东省科技计划项目（2009GJE00013）。

作者简介：胡四泉（1973－），男，湖北鄂州人，讲师，博士，主要研究方向：无线传感器网络、并行和分布式系统；杨金阳（1986－），男，山东淄博人，硕士研究生，主要研究方向：无线传感器网络；汪红兵（1978－），男，安徽巢湖人，讲师，博士，主要研究方向：无线传感器网络、分布式仿真；佘春东（1971－），男，安徽芜湖人，副教授，博士，主要研究方向：无线传感器网络、数据挖掘；王俊峰（1976－），男，安徽芜湖人，教授，博士，主要研究方向：无线传感器网络、空间信息网络、航空电信网络。

文章编号：1001－9081（2011）S1－0008－03

基于无线传感器网络的Modbus 虚拟设备

胡四泉1，杨金阳1，汪红兵1，佘春东2，王俊峰

3

（1．北京科技大学信息工程学院，北京100083；2．北京邮电大学电子工程学院，北京100876；

3．四川大学计算机学院，成都610064）

(husiquan@ustb．edu．cn)

摘

要：为有机结合无线传感器网络（WSN ）和Modbus 现场总线网络，提出了一种新的解决方案，利用网关的协

议转换功能，将无线传感器网络节点虚拟成Modbus 设备，从而扩展了Modbus 协议的使用范围。该方案的优点在于

不增加无线传感器网络节点的开销实现无线传感器网络和Modbus 总线的无缝集成，同时保证了无线传感器网络响应Modbus 查询时的实时性。仿真实验证明了该方案的可行性。

关键词：无线传感器网络；虚拟Modbus 设备；Modbus 总线；网关中图分类号：TP393．04文献标志码：A

Virtual Modbus device based on wireless sensor networks

HU Si-quan 1，YANG Jin-yang 1，WANG Hong-bing 1，SHE Chun-dong 2，WANG Jun-feng 3

(1．School of Information Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China ;

2．College of Electronic Engineering，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100876，China ;

3．College of Computer Science，Sichuan University，Chengdu Sichuan 610064，China )

Abstract:To integrate Wireless Sensor Network (WSN)into Modbus field bus，a new solution was proposed based on the protocol conversion function of a gateway．In this solution，every sensor node reported its sensor data to the gateway periodically，and the gateway delegated the sensor nodes to response to the Modbus query．So each sensor node could be considered as a virtual Modbus device．The advantage of the proposed solution was to extend the Modbus function into WSN without incurring extra cost on resource constrained sensor nodes．Any Modbus query on the sensor nodes could be responded in a real-time way．The simulation results validate the feasibility of the presented solution．

Key words:Wireless Sensor Network (WSN);virtual Modbus device;Modbus bus;gateway

0引言

Modbus 是工业控制中的一种标准的通信协议，在工业生

产自动化领域得到了广泛的应用。通过此协议，控制器经由

串行链路（或以太网）和其他设备之间可以通信，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。传统的Modbus 通信系统通过有线连接方式建立在串行链路或TCP /IP 网络上，现场设备之间通过RS485总线或以太网连接，生产现场的监控数据和控制指令以Modbus 应用协议定义的报文格式在系统中设备之间传输

［1－3］

。

无线传感器网络（Wireless Sensor Network ，WSN ）是由一

组传感器以自组织方式构成的无线网络，其目的是协作地感知采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。传感器网络中的部分或全部节点可以移动。传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断地动态变化。每个节点都可以充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索定位和恢复连接的能力。无线传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量，从而实现人们对物理世界认知的数字化，因此具有十分广阔的应用前景

［4－6］

。

无线传感器网络在工业自动化领域正得到越来越多的应

用。但是，目前无线传感器网络中的无线通信还存在链路不

稳定和通信延迟较大等缺点，还不可能完全代替工业领域的

现场总线。因此，结合两者的长处形成的综合工业网络是未来发展趋势。然而，

Modbus 网络和无线传感器网络采用不同的通信介质和通信协议，这就需要一个协议转换网关作为两种网络的桥梁来整合它们，

从而充分发挥两者各自的优点。关于无线传感器网络和Modbus 现场总线网络之间的协议转换，目前已报道的工作均是基于ZigBee 的无线网络来实

现Modbus 协议的无线传输。涂煊等人［7］

利用ZigBee 设备的IEEE 地址与其设定Modbus 地址进行绑定；刘桂臣等人［8］设计了一种可兼容有线/无线网络混合传输的帧结构与寻址方

法；Liu 等人［9］

提出了一个基于协调器的ZigBee 协议/Modbus 协议转换方案；许洪华等人

［10］

提出了一种ZigBee /工业以太

网网关设计方案。尽管这些工作提出了ZigBee 无线传感器

网络与Modbus 总线的协议转换，但方法上都是基于在ZigBee 协议中嵌入Modbus 查询和响应机制，存在比较严重的缺陷：一是将Modbus 协议数据帧嵌入无线传感器网络协议数据帧会增加资源受限的传感器节点的开销，从而造成节点耗电量增加而过早失效；二是由于无线传感器网络传输延迟从而无法及时对Modbus 查询命令做出响应，导致查询失败。基于网关的协议转换方法把无线传感器节点虚拟为Modbus 设备，由部署于无线传感器网络和Modbus 总线之间

第31卷增刊12011年6月

计算机应用

Journal of Computer Applications Vol．31Suppl．1

June 2011

的网关负责代理这些虚拟Modbus 设备，对Modbus 查询进行响应，实现了无线传感器网络和Modbus 现场总线网络的无缝

集成。该方法一个明显的优点在于适用性好，

不限于ZigBee 网络，任何无线传感器网络都可以用这种方法接入Modbus 总

线）。另外，

协议转换完全在与传感器网络节点独立的网关上进行，不需要增加无线传感器网络节点的开销。同时，由于各传感器数据保存在网关的内存区域中并得到周期性更新，网关收到主站的查询后能够直接从内存中取出数据进行应

答，

不需要等待在多跳传感器网络中的查询延迟，能够对Modbus 查询进行实时响应。

1WSN 接入Modbus 总线的系统结构

本设计方案是通过网关转换协议的作用将无线传感器节

点虚拟为Modbus 从站设备，

无线传感器网络在Modbus 现场总线网络面前是不透明的。即无线传感器网络周期性地将传

感器数据通过基站节点送入网关，按照预先建立好的地址映射表存入内存中。网关接到Modbus 主站设备的查询指令后按地址取出相应的数据，立即产生响应信息返回Modbus 主站设备。无线传感器网络中的每个节点都被看做是一台Modbus 从站设备，而其上的每个传感器则被看做是一个寄存器，

随时响应Modbus 主站设备的查询请求，满足了Modbus 网络的实时性要求，无线传感器网络的节点也没有增加额外的通信开销。

无线传感器网络接入Modbus 总线的基于网关方案采用如图1所示系统通信结构。网关是一台工业计算机，其处理能力和I /O 速度比资源受限的传感器节点要强得多。网关通

过USB 接口或串口连接无线传感器网络的基站节点，通过RS232或RS485或TCP /IP 接入Modbus 总线

。

图1通信结构示意图

2

网关协议转换机制

无线传感器网络与Modbus 总线之间的网关的主要功能

有：

1）接收传感器网络通过与网关相连的基站发回的传感器数据帧并解析该数据帧；

2）根据映射配置文件确定无线传感器节点地址与对应

的虚拟Modbus 设备地址之间的映射关系，

以及传感器节点上的多个传感器的编号与Modbus 寄存器地址的映射关系，将解

析后的传感器数据按照虚拟Modbus 设备地址和寄存器地址保存在内存数据结构中，以便对Modbus 查询做出响应时组装Modbus 响应包，这将由数据处理模块完成；3）网关与Modbus 总线进行交互，接收并分析Modbus 查询并作出响应，由Modbus 串行通信模块完成。2．1

Modbus 数据帧的封装和解析

Modbus 应用协议定义了独立于其下面通信层的协议数

据单元（Protocol Data Unit ，PDU ）［11］

，如图2所示

。

图2协议数据单元

在不同总线或网络的Modbus 协议映射在协议数据单元

之外引入了一些附加的域。发起Modbus 事务处理的客户端构造Modbus PDU ，然后添加附加的域以构造适当的通信PDU 。在串行链路中的Modbus 设备使用的通信PDU 如图3所示

。

图3Modbus 串行链路PDU

Modbus 串行链路中的地址域只含有子节点地址。合法

的子节点地址为十进制0 247。每个子设备被赋予1 247范围中的地址。主节点通过将子节点的地址放到报文的地址

域对子节点寻址。当子节点返回应答时，

它将自己的地址放到应答报文的地址域以便让主节点知道哪个子节点在回答。

在Modbus 协议规范中详细说明了Modbus 应用层协议上使用的标准功能码。在本例中提出的网关中用到的是功能码04：读输入寄存器。

Modbus 协议规定了两种串行传输模式：RTU （Remote Terminal Unit ）模式和ASCII （American Standard Code for Information Interchange ）模式。不失一般性，以RTU 模式为例

说明协议转换方法，

该方法仍然适用于ASCII 模式。当设备使用RTU 模式在Modbus 串行链路中通信时，报文中每个8位字节含有两个4位16进制字符。这种模式的主要优点是有较高的数据密度，在相同的波特率下比ASCII 模式有更高的吞吐率。每个报文必须以连续的字符流传送。

由发送设备将Modbus 报文构造为带有已知起始和结束标记的帧。这使设备可以在报文的开始接收新帧，并且知道何时报文结束。不完整的报文必须能够被检测到而错误标志

必须作为结果被设置。在RTU 模式下，

报文帧由时长至少为3．5个字符时间的空闲间隔区分。RTU 帧的帧格式如图4所示

。

图4

RTU 报文帧

2．2

无线传感器网络数据帧的封装和解析

只要网关理解传感器网络数据帧的封装结构，本协议转换适用于所有无线传感器网络，包括ZigBee 网络和采用TinyOS ［12］内建协议栈的网络。本例以采用TinyOS 操作系统

的Telosb 节点［13］

组成的无线传感器网络为例，说明无线传感

器网络的帧格式，

如图5所示

。图5TinyOS 数据帧格式

原始的TinyOS 数据帧是一连串的16进制数据，经过数

据解析、进制转换、单位转换后得到国际单位制符号表示的数

据。以湿度为例，

原始湿度数据为0x022a ，转换为十进制为554；原始温度数据为0x1aa8，转换为十进制为6824；根据Telosb 的XML 配置文件定义的转换函数，最后可以得到实际的湿度数据为17．77，即最终输出的湿度是17．77%。2．3地址映射表的建立

为了将无线传感器网络节点虚拟为Modbus 设备，需要将

9

增刊1胡四泉等：基于无线传感器网络的Modbus 虚拟设备

节点及其传感器映射为Modbus 设备及其寄存器，即建立地址映射表，这在网关初始化时就要完成。对无线传感器网络，可

以使用节点ID 作为传感器网络地址，

也可以采用IEEE 地址。Modbus 串行链路PDU 中提供了地址域，即Modbus 地址。地址映射表需要建立Modbus 地址和传感器网络节点地址之间的映射。在对Modbus 数据帧进行拆包之后，通过地址域中的

地址信息找到对应的节点ID ，

网关就能知道客户机想要查询的是哪个节点的数据。但具体到哪个传感器还尚未可知，所以还需要建立传感节点上的多个传感器的编号与Modbus 寄

存器地址之间的映射关系，

同时必须为节点传回的传感器数据分配内存空间。

网关初始化时需要读取预定义的地址映射配置文件，这

可以是任何可处理的文本文件，

如csv 文件或者XML 文件，文件包括多个记录，每条记录分为4个字段，分别为传感器节

点地址、

传感器号码、Modbus 从站地址、Modbus 寄存器地址，如要表述传感器网络节点中的5号节点上的第2个传感器映射为Modbus 从站12中的寄存器地址4002，则在csv 文件中

可以表述为这样的记录：5，

2，12，4002，而在XML 文件中可以表述为：＜Mapping name ="Mapping1"，value ="5，

2，12，4002"/＞。

在网关上，地址映射表被建立后以链表形式存在内存中，使用Glib 库提供的函数Glist 建立双向链表modbus _mappings ，每个节点的结构体类型定义为：

typedef struct _directmodbusmap{

int nodeid;uint8_t devaddress;uint16_t regaddress;uint16_t defaultval;uint32_t timeremaining;uint32_t

timetillstale;

}DirectModbusMap;

建立的传感器数据存储在direct_modbus_registers 数组中，数组为结构体类型，结构体定义为：

typedef struct _modbusregisters{

int devstartaddr;int numdev;int regstartaddr;int numreg;uint16_t*devregdata;}ModbusRegisters;

2．4

协议转换过程

协议转换工作都是在网关上进行的，网关将无线传感器网

络节点虚拟成的Modbus 从站，

Modbus 现场总线中的主站发出查询后，网关代替虚拟的Modbus 从站进行响应。网关的总体

流程如图6所示，

网关上电后进行初始化，并建立地址映射表。此后，网关一方面接收基站节点传来的无线传感器网络发回的数据，更新内存；另一方面等待Modbus 主站的查询

。

图6

网关的总体流程

Modbus 总线上查询到达网关后，要求查看某个或者某些寄存器中的数据，这些寄存器中的数据来源于节点传感器发回的传感信息。网关接收到的Modbus 查询是标准的Modbus 串行链路RTU 帧，经过Modbus 串行通信模块拆包后的串行

链路PDU 将送入数据处理模块。Modbus 主站通过指定串行链路PDU 中地址域的值来确定它请求的传感器节点；在Modbus PDU 的数据字段中含有想要请求的寄存器的地址，数据处理模块会根据这两处信息按照建立完毕的地址映射表查询寄存器数组获得对应的传感器数据，生成Modbus 响应数据帧，再送入Modbus 串行通信模块封装为RTU 帧通过串行链路返回Modbus 总线，完成一次查询工作。该过程协议帧转换如图7所示

。

图7两种协议数据帧的处理过程

3实验结果及分析

为了测试设计方案的可行性，利用10个Telosb 节点搭建

了一个小型的无线传感器网络系统，

网关软件运行在一台普通计算机上。为简单起见，直接在网关上使用Modbus Poll 软件仿真一个Modbus 主站。网关与一个作为基站的Telosb 节点通过USB 接口相连，无线传感器网络的数据包通过多跳路

由传送到该基站并被网关处理后存入内存，

等待Modbus 设备的查询。

网关和Modbus 主站之间的通信通过一对虚拟串口实现。Modbus 主站即Modbus Poll 的设置为：从站ID 中填入1，即要查询地址为1的Modbus 设备；Function 中选择第四项：读输入线圈；Address 填0，即要查询的寄存器起始地址为0；Quantity 中填入4，即要查询4个寄存器的数据；扫描速率为1000ms 。即Modbus 主站每秒向网关发送一次查询报文，并实时显示接收到的响应信息，如图8所示

。

图8Modbus Poll 仿真结果

通过通信记录，如图9所示，可以看到，每一个请求报文发出之后，在下一个请求报文发出之前都收到了响应报文，符合Modbus 现场总线网络实时性的要求。

上述半实物仿真整个过程和传统的Modbus 现场总线网络完全相同，无线传感器网络固有的传输延迟没有对Modbus 网络要求的实时性产生任何影响；同时无线传感器网络也在不影响节点负载的情况下完成了Modbus 客户机的查询请求

。

图9Modbus 通信记录

（下转第14页）

Narada

。

图2

平均路径伸展率性能比较

图3平均链路压力性能比较

4结语

本文针对基于Mesh 优先的应用层组播树构建算法进行了研究，利用PPAF 启发式算法对SMesh 的应用层组播树构

建方法进行了改进。实验结果表明，

CDDMA 降低了节点压力及路径伸展率，

并能够均衡负载。但由于系统不仅要维护Mesh ，并且还需要维护更多的节点信息，例如PPAF 值，增加

了系统的控制开销。另外，

PPAF 算法只对节点出度和网络延迟两项因素进行评价，

而丢包率、带宽等因素并没有考虑。未来工作将对以上问题做进一步的研究。参考文献：

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（上接第10页）

4结语

无线传感器网络扩展了Modbus 报文的传输范围，使Modbus 总线能够架设到有线连接难以实现的现场，同时使工控领域也能利用起无线传感器网络的强大功能。针对无线传感器网络和Modbus 现场总线网络之间的协议转换提出了一种新的实现方案并进行了仿真，将无线传感器网络节点虚拟成Modbus 设备，并能通过Modbus 协议进行实时查询。在不影响传感器网络节点负载和Modbus 网络实时性的前提下，实现了两个网络之间的有机结合。参考文献：

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基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现

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

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。

无线传感器网络试题库1教学内容

无线传感器网络试题 库1

《无线传感器网络》 一、填空题（每题4分，共计60分） 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、 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.无线通信物理层的主要技术包括：介质选择、频段选取、调制技术、扩频 技术 5.扩频技术按照工作方式的不同，可以分为以下四种：直接序列扩频、跳 频、跳时、宽带线性调频扩频 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.无线传感器网络的关键技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同 步、定位技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术 9.IEEE 802.15.4标准主要包括：物理层。介质访问控制层 10.简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据 库、数据处理引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。 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 12.无线传感器网络可以选择的频段有：_800MHz___915M__、2.4GHz、___5GHz

13.传感器网络的电源节能方法：_休眠（技术）机制、__数据融合 14.传感器网络的安全问题：(1) 机密性问题。 (2) 点到点的消息认证问题。 (3) 完整性鉴别问题。 15.802.11规定三种帧间间隔：短帧间间隔SIFS，长度为 28 s a)、点协调功能帧间间隔PIFS长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度，即 78 s b)分布协调功能帧间间隔DIFS ，DIFS长度=PIFS +1个时隙长度，DIFS 的长度为 128 s 16.任意相邻区域使用无频率交叉的频道是，如：1、6、11频道。 17.802.11网络的基本元素SSID标示了一个无线服务，这个服务的内容包括 了：接入速率、工作信道、认证加密方法、网络访问权限等 18.传感器是将外界信号转换为电信号的装置，传感器一般由敏感元件、转换 元件、转换电路三部分组成 19.传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四 部分组成 20.物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构 造一个覆盖万物的网络。RIFD无线识别、嵌入式系统技术、能量供给模块和纳米技术列为物联网关键技术。 二、基本概念解释（每题5分，共40分） 1.简述无线网络介质访问控制方法CSMA/CA的工作原理 CSMA/CA机制:

无线传感器网络的特点

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。

(中文)基于无线传感器网络桥梁安全监测系统

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及影响因素分析

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

(完整版)无线传感器试题库

无线传感器网络试题 一填空题 1、传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 2、感知目标、网络节点、用户构成了无线传感器网络的三个要素。 3、无线传感器网络的通信协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层与互联网协议栈的五层协议相对应 4、无线传感器网络的产业化障碍包括四个方面。它们分别是：大规模组网问题、大规模组网问题实用化低功耗技术、微型化加剧信号串扰、可靠性提高资源需求 二、判断题 1、无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式（对） 2、SINK节点：亦称网关节点，与簇头结点的功能完全相同。（错） 3、通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。（对） 4、美国军方最先开始无线传感器网络技术的研究。（对） 三、选择题

1、最先开始无线传感器网络技术的研究的国家是（B） A中国B美国C日本D韩国 2、无线传感器网络的特点包括（C） （1）可快速部署 （2）可自组织 （3）隐蔽性强和高容错性 （4）成本高，代价大 A （1）（2）（4） B （2）（3）（4） C （1）（2）（3） D（1）（3）（4） 3、将“信息社会技术”作为优先发展领域之一。其中多处涉及对WSN 的研究，启动了EYES 等研究计划的组织是（D） A日本总务省 B韩国信息通信部 C美国国防部 D欧盟 4、与无线传感器网络的兴起无关的技术是（A） A虚拟运营技术 B无线通信 C片上系统（SOC） D低功耗嵌入式技术

无线传感器网络的应用研究

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：

基于无线传感器网络的智能交通系统的设计

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。

无线传感器网络练习题(1)

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。

无线传感器网络技术试题

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

无线传感器网络研究报告现状及发展

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

基于无线传感网络的大型结构健康监测系统_尚盈

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

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