无线传感器网络密钥管理研究进展

文章编号:1001-893X(2010)10-0118-06

无线传感器网络密钥管理研究进展

米 波1

,段书凯2

,宋 军1

,王 勇

1

(1.重庆交通大学信息科学与工程学院,重庆400074;2.西南大学电子信息工程学院,重庆400715)

摘 要:分析了当前无线传感器网络密钥管理协议设计中所存在的主要问题,在对具有代表性的最新研究成果进行系统论述的基础上,全面分析了其利弊以及适应性问题。考虑到传感器网络应用背景的细化和结构、功能的多元化,提出了今后的研究方向。

关键词:无线传感器网络;密钥管理;预分配;公钥

中图分类号:TP393.08 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2010.10.023

Advances on Key Management of Wireless Sensor Networks

MI Bo 1,DU AN Shu kai 2,SO NG Jun 1,W ANG Yong 1

(1.School of Information Science and Technology,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China;

2.School of Electronic Information Engineering,Southwest University,Chongqing 400715,China)Abstract:The c ritical problem of key distribution in wireless sensor networks(WSN)is analysed.Based on sys tematic characterization of up to date typical key management schemes,their advantages and disadvantages are described as well as their applicability.Through considering the application background and the diversification of architectures and functions of WSN,some promising research orientations are presented.

Key words:wireless sensor network(WSN);key mana gement;pre-distribution;symmetric key

1 引 言

集电子信息技术、嵌入式计算技术、无线通信技术及分布式信息处理技术于一身的无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)因其成本低廉、自组织等特点,受到军事、国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、反恐、危险区域远程控制等诸多领域的广泛关注。美国 商业周刊 将其列入未来四大新兴技术之中,足见其巨大的科研价值和广阔的应用前景。

作为传感器网络的主要组成部分,传感器节点通常集成了一个感知器(sensor)、一个数据处理单元、一个小容量的内存、一个短程无线通信设备以及电池电源。散布在目标区域的传感器节点利用感知器协作地监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,并通过自组织无线通信网络以多跳中继方式通信,而数据处理单元则对传送中的数据实时地进行处理融合以达到减少通信负荷等目的。通信的数据最终会到达基站或一系列的接收器(sink),并作为网关与外网连接。

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118!第50卷第10期2010年10月电讯技术

Telecommunication Engineering Vol.50 No.10Oct.2010

收稿日期:2010-05-21;修回日期:2010-07-22

基金项目:国家自然科学基金资助项目(60972155);中国博士后科学基金资助项目(CPSF20080430741);重庆市科委自

然科学基金资助项目(CS TC2009BB2305,2007BB2331);重庆市高等教育教学改革研究重点项目(09-2-011);西南大学教学改革重点项目(2008JY029);西南大学博士科研资助项目(SWUB2007008,20710906)

Foundation Item:The National Natu ral Science Foundati on of China (No.60972155);China Postdoctoral Science Foundation (No.

C PS F20080430741);Nati onal Natural Science Fou ndation of Chongqing(No.CS TC2009B B2305,2007BB 2331);Key Projects of Ch ongqi ng High Educatioanl Reform(No.09-2-011);Key Projects of High Educatioanl Reform in South west Univer sity(No.2008JY029)and Ph.D.Research Fund of Southwest Universi ty(No.SW UB2007008,20710906)

近年来,随着传感器节点成本的下降、路由技术的成熟、隐蔽性的增加以及稳定性的提高,无线传感器网络已逐步投入军事、医疗、教育甚至是商业应用。然而,由于其巨大的应用规模,全向射频通信方式和特殊的分布环境,网络极易遭受窃听、篡改、重放以及物理俘获等各种形式的攻击,从而为敏感数据的传输和处理带来安全方面的隐患。为打破这方面的使用瓶颈,国内外对无线传感器网络的认证、加密、入侵检测以及访问控制等安全机制进行了全面而深入的研究。

为提供无线传感器网络中机密性、完整性、鉴别等安全特性,实现一个安全的密钥管理协议是前提条件,也是传感器网络安全研究的主要问题。尽管密钥管理协议在传统网络中已经有了非常成熟的应用,但无线传感器网络有限的电源、有限的计算能力和存储容量、有限的通信能力、自组织的分布特性以及拓扑结构的动态变化等诸多限制,使得其密钥管理面临着一系列新的挑战。尽管当前大规模集成电路技术发展迅猛,但我们认为这些技术的发展不会使传感器网络的诸多限制有所缓解。与摩尔定理不同,我们认为技术的发展将推动传感器节点成本的迅速降低,而不是资源和能力的提高,这是由传感器网络巨大的应用规模所决定的。在传统方案中,一个密钥管理协议的优劣往往取决于其安全程度的高低。然而,综合考虑无线传感器网络中严格的资源限制及其自组织特点,我们认为一个好的密钥管理协议除了安全性方面的考虑外还应该满足协议的轻型化、节点捕获的可承受力(Resilience)、网络的连通性、可扩展性以及支持网络动态变化等其它要求。

尽管基于无线传感器网络的密钥管理方法在近十年来被大量提出,但它们都具有各自的局限性和相应的优缺点。另一方面,随着技术的发展,传感器网络应用背景的细化也为密钥管理方案的设计提出了更为具体的要求和更加广阔的空间。因此,对无线传感器网络密钥管理问题的最新代表性成果进行系统、深入的分析具有重要的现实意义。

2 无线传感器网络密钥管理方案

密钥管理是信息安全技术中的重要一环,其目的在于确保密钥的真实性和有效性,贯穿着密钥产生、存储、分配、使用、废除、归档、销毁的整个过程。考虑到无线传感器网络的成本、通信方式、组织结构以及分布环境等特定因素,密钥分配无疑成为密钥管理中的核心问题。

典型的密钥管理协议主要有基于信任服务器的密钥管理方案、基于公钥的密钥管理方案、基于初始信任的密钥管理方案、密钥预分配方案以及基于逻辑密钥树的密钥管理方案等。信任服务器模型的安全性取决于基站运行的鲁棒性[1,2];基于公钥的密钥管理模型需要非对称密码学的支撑,但却存在效能方面的缺陷;基于初始信任的密钥管理模型往往难以平衡初始信任时间T min与建立密钥所需时间T est之间的矛盾[3];密钥预分配模型是目前认为最适合无线传感器网络的密钥分配方法,但以往的算法通常不支持节点的身份认证,难以确定密钥池与密钥环之间的大小关系[4-8];而基于逻辑密钥树的密钥管理模型尽管很好地保证了组、簇密钥的前向安全性和后向安全性,但位于不同分枝的节点间无法建立起独享的通信密钥且存在与信任服务器模型相同的安全瓶颈问题[9]。由此可见,早期的方法往往试图建立一套普遍适用的密钥管理体系而忽略了不同种类传感器网络自身的特点。这种自上而下的设计方法不仅造成实际应用的困难,更使得传感器网络自身的优势难以得到充分利用,限制了密钥管理协议的优化空间。幸运的是,目前一些最新的研究成果表明,人们已经逐渐意识到传感器网络多元化趋势为密钥管理方案的设计所带来的机遇和挑战。下面就一些具有代表性的研究进展进行简要介绍和分析。

2.1 基于明文交换的密钥管理协议

Anderson等人认为由于传感器节点布置的随机性,在最初的一定时间内,敌人只能监控很小一部分区域的无线通信,根据这种信任关系我们完全可以用明文交换来快速建立对偶密钥。事实上,这种假设可以看作是基于初始信任的密钥管理方案的一种推广。

利用无线信道和节点位置的差异性(diversity), Miller对Anderson的方法进行了改进[10],使密钥分配更加安全。网络部署前,服务器首先为每个节点分配 个唯一的密钥,并计算相应的Bloom filter和Merkle tree[11-12]。节点部署后,每个传感器节点使用一个相同的信道广播其Bloom filter和相应的Merkle值以便在将来对其所拥有密钥的合法性进行验证。在初始化阶段,每一个节点随机选择一个信道(channel)并在切换到另一个信道之前广播其拥有的密钥且同时进行侦听(listen),而停留在每个信道的时间也是随意的。密钥交换结束后,传感器节点利用所有已知的密钥计算并广播一个Bloom filter,而通过收到的Bloom filter,节点就可以判断它与其它节点共享哪些密钥,从而建立起安全通信。实验

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结果表明,在不使用多路径密钥增强的情况下,网络的连通性几乎达到了100%。另外,该方法将节点捕获的威胁限制在了一个局部的范围内,并实现了链路的认证。然而,攻击者有可能对收到的消息进行重放而不被发现,他们也可以使用多频设备(Mul tiple Radio Device)或多个工作于不同频率的节点来窃取有用的密钥信息,因此该方案的安全性问题还有待进一步研究。

2.2 利用网络不对称结构的密钥管理协议

密钥预分配方案由于不知道节点的准确位置,导致大量的冗余信息存储在传感器节点中,而无线通信的范围有限,这些信息中的大部分可能永远都用不上,从而造成了资源的极大浪费。为解决这个问题,一个直观的方法就是在节点部署后使用公钥为它们按需建立密钥。

然而,公钥机制的使用需要消耗大量资源,致使传感器节点迅速失效,很难直接用于密钥协商。为此,研究者建议利用一些公钥算法加解密的不对称性,将计算负担分配给那些具有更多资源或特殊的节点,从而延长工作节点的使用寿命。

Liu等人提出的方法使用一种称为Rabin?s cryp tosyste m的公钥体制,其加密过程的复杂度明显小于解密[13]。节点部署后,它首先按照一定的规则决定成为服务节点还是工作节点,服务节点在完成密钥分配任务后将被废弃,因此可以用于大量的公钥计算。使用Rabin?s cryptosystem,服务节点产生一对密钥并将其公钥发送给一定范围内的工作节点。使用这个公钥,工作节点加密一个随机数返还给服务节点,从而建立起一条安全信道。利用这条安全信道,服务节点就可以将密钥信息(如基于多项式或矩阵的密钥空间[6,7,14-17])秘密发送给工作节点。该方法具有很好的可扩展性和很高的可连通度,节点捕获的可承受能力强,且存储需求低。然而,该方案需要一个初始信任时间,在这段时间内,一旦有节点被捕获,它就可以成为服务节点分配密钥,危害网络的安全性。

基于同样的思想,Huang等人使用椭圆曲线密码体制(ECC)建立安全服务器(Security Manager)与传感器节点之间的密钥,并将计算负载置于拥有更多资源的安全服务器之上[18]。

2.3 密钥预分配方案研究进展

2.3.1 超立方体多变元密钥预分配方案

Delgosha与Fekri在文献[15,19]中提出一种基于多变元对称多项式的密钥预分配方案,这里对称是指对于变量x1,x2,#,x n的任意置换(permuta tion)x (1),x (2),#,x (n),我们有f(x (1),x (2),#, x (n))=f(x1,x2,#x n)。该方案首先创建一个n维的超立方体,并为立方体的每一个面分配一个n元多项式。同时,我们将超立方体的顶点与每一个传感器节点相对应,用顶点的位置信息作为节点的ID,且利用节点ID和节点所在面的多项式计算出n 个单变量多项式存储在传感器节点中。这样,汉明距离(Hamming distance)为1的节点间就可以使用共享的n-1个多项式建立起会话密钥。具体来说,对于一个节点个数为N的传感器网络,服务器首先计算m=?m? ,其中m?=n N,随机产生nm个对称n元多项式f j i(x1,x2,#,x n)(i=1,2,#,m;j=1,2, 3,#,n),并将n个单变元多项式f j i

j

(I(j),x n)(j= 1,2,#,n)分配给标识符为I的节点,这里I(j)表示在节点的标识符I=(i1,i2,#i n)中去掉元素i j。最后,标识符中只有一个元素不同的节点间就可以计算出n-1个共享密钥k I,I?,l=f l i

l

(I(j,l),i j,i?j) =f l i

l

(I(j,l),i?j,i j)(l为1,2,#,n中除j以外的任意一个元素,而I(j,l)表示在节点的标识符中除去元素i j和i l),建立起安全链接。显然,由于超立方体是连通的,任意两个汉明距离大于1的节点间也一定能够找到一条安全路径建立起会话密钥。与以往的密钥预分配协议相比,该方案具有更高的安全性,但是,多项式的使用增加了系统额外的计算负担,而网络的规模也必须事先决定,这不利于新节点的加入。

2.3.2 基于概率密度函数的节点预分配方案

无线传感器网络中,节点的部署过程虽然是随机的,但根据部署的方式,节点之间成为邻居还是呈现出一定的概率分布,而且,这种概率分布在一定程度上可以提前预知。利用这些信息,我们可以在保持较高连通性的条件下,大幅降低传感器节点的存储需求,这就激发起诸多基于配置知识的密钥预分配方案的研究。

在Liu、Huang等人提出的方法中[8,20],传感器节点必须以一定的方式分组进行部署(如水平单元格[8]),这在很大程度上限制了其使用范围。然而,不管采用哪种部署方式,节点之间成为邻居还是呈现一定概率分布的,我们可以根据这些概率密度函数来决定预先存储于节点上的密钥,以避免不必要的密钥预存储。基于这样的思想,Ito等人直接使用概率密度函数来指导密钥的预分配[21]。首先,我们将全部n个密钥分配给分成n份的待部署区域,创

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造一个密钥-位置图(key position map)。然后根据节点分布的概率密度函数,我们选择一个期望的配置点(expect resident point)P,并以P为中心在节点的通信范围内随机选择一点Q,将位置Q所对应的密钥存储在该节点上。反复使用这样的方法,我们就可以为每个节点分配m个密钥并利用它们建立相邻节点间的安全通信。该方案具有连通性好、存储空间小、使用灵活等优点。但是,取得正确的概率密度函数是一件非常困难的事情,所以该问题还需要更进一步的研究。

2.4 面向节能的密钥管理协议

传感器网络通常采用电池供电,而且由于规模巨大,又常常分布在无法驾驭的环境,一旦电源耗尽就很难再补充。因此,密钥管理不能消耗太多的能源,这就需要对协议进行必要的优化。例如,传感器传输信息要比执行计算更消耗电能,传感器传输1位信息所需要的电源足以执行3000条计算指令[22],因此,我们就需要尽可能地减少消息的传输。

为此,Jolly等人设计了一个面向节能的密钥管理协议[23],包括密钥的分配、增加、撤消以及更新。他们使用一个由控制中心、多个网关以及节点所组成三级网络结构,尽可能地避免了节点之间的通信以节约内存空间和能量消耗。

(1)密钥的分配

每个节点预置两个密钥,一个与网关通信,另一个与控制节点(command node)通信。每个网关也拥有与其它网关和控制节点通信的密钥,以及一个组密钥。首先,我们为每个网关分配|S|/|G|个与节点通信的密钥,其中G是网关的数目,S是传感器的数目。每个网关用簇信息算法建立起簇,并从其它网关获得该簇内节点与网关通信的密钥,在网关层的密钥交换完成后,每个网关保存簇内传感器的密钥,并将其它的密钥清除掉。

(2)节点的增加

新节点像其它节点一样被预置两个密钥,同时控制中心发送新节点的ID及其与网关通信的密钥(预置信息)给随机选择的一个网关i。然后,新节点广播一个HELLO信息以加入到某个簇中,簇头网关广播节点的ID给被选择的网关i。最后,被选择的网关i发送密钥到节点簇的网关。

(3)节点或网关的撤消

如果一个节点或者一组节点被攻破,就将被网关或者控制中心驱逐出网络,并从列表上删除。而如果一个网关被攻破,则控制中心首先将该网关i 驱逐出去,然后选择一个未被攻破的网关h,向其发送被撤销的网关所对应簇中节点的I D、新网关的标识符j以及新的通信密钥。在控制中心将新密钥分别发送给每个节点之后,网关h也需将这些新密钥秘密发送给它们所对应的新网关j。

(4)密钥更新

控制中心产生新的密钥,并使用与撤销网关相同的方法把密钥发送给网关和节点。

该方案实现了密钥分配、增加、撤消和更新的功能,节点不需要存储大量的信息,在保持多跳路由功能的同时,排除了直接端到端(end to end)的通信,减少了节点的能量消耗。此外,该模型通过保持静态节点处于休眠模式,进一步延长了网络的使用寿命。这是利用基于MAC的时分多路接入(TD MA)技术来实现的,由网关分配给节点不同的活动时间段。然而,由于该网络具有特殊的分级结构且网关和控制点需要存储大量的密钥,因而变得非常复杂。同时,该方案的形式分析和安全强度仍然有待研究,网络启动阶段仍然需要一些其它的协议来支撑,网络中如何引入一个轻便有效的入侵检测机制来寻找被攻破节点也仍旧是一个难题。

3 发展趋势

上面的研究结果表明,针对不同的网络环境和资源配置,不同的密钥管理方案都表现出各自的优缺点和相应的适用性。传感器网络应用背景的细化和功能、结构的多元化,在为密钥管理协议的设计提出更加具体甚至是苛刻要求的同时,也为协议的拓展和优化带来更多的思考空间。尽管目前涌现出大量基于无线传感器网络的密钥管理方案,但这方面的研究还远远落后于其自身的发展,因此,我们认为将来的工作还需从以下几个方面着手:

(1)根据以往的开发经验,不少研究者指出,一个好的协议应该在设计之初就考虑其安全性问题,而不是在系统完成后才为其打上安全补丁。然而,目前设计的密钥管理方法却很少考虑对其它协议或应用的支持。为此,面向路由转发等底层协议和内网处理(in network processing)等具体应用,我们有必要对密钥管理的结构、方法等加以额外的考虑,并为这些协议或应用的开发者提供有价值的建议;

(2)安全性问题是传统网络中一个重要的,往往也是唯一的评估指标。介于传感器网络的独特性,仅考虑其密钥管理方案是否安全是远远不够的。尽管许多文章都或多或少地提到了一些评价协议好坏

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的标准,但都不够全面,还有很多方面都缺乏考量。而采用一些系统的方法,如在评估的过程中采用分类的思想并尽可能地将主观因素限制在很小的范围内,可以明显提高评估方案的准确度、可信度和完整性。显然,一个好的评估指标能够很好地指导协议的应用和开发,这就需要我们更加仔细深入地对密钥管理方案的性能评估加以研究;

(3)尽管目前有众多的密钥管理方法被提出,但它们都有各自的侧重点,适用于不同的需求。另一方面,随着技术的发展,基于各种应用的传感器网络也各不相同。因此,根据实际需要选取和修改现有的密钥管理方案是一个重要的研究方向;

(4)由于传感器网络安全性方面的研究才刚刚开始,设计一个健壮、适用的密钥管理方案仍是当前有待解决的一个重要问题。面向传感器网络能源、通信、拓扑等各方面的特点,我们有必要加强密钥分配、密钥更新机制的研究,以一个好的评价体系为目标,增强协议的安全性、可扩展性和自适应性等;

(5)混沌系统具有良好的伪随机特性、轨道的不可预测性、对初始状态及控制参数的敏感性等一系列特性,这些特性与密码学的很多要求是吻合的。近年来,将混沌理论应用到信息安全已成为研究的一个热点,出现了一大批有价值的研究成果。然而,目前我们还没有看到利用混沌密码学进行传感器网络密钥管理的文章,因此,这将是一个全新的研究方向;

(6)目前,传感器网络中关于公开密码密钥体制的研究还很少,公钥体制不适用于无线传感器网络密钥管理的结论还有待商榷。虽然对称密钥体制具有速度快、计算负荷小等特点,但它的使用远不如公钥方法灵活和安全。已有研究表明,经过优化的公钥密码算法在无线传感器网络中仍具有很高的实用价值。与RSA相比,椭圆曲线加密具有更高的计算速度,更短的密钥且使用更小的内存和更低的带宽。而利用中国剩余定理(Chinese Remainder Theorem)则可以加快RSA的运行速度。另外,使用Montgomery multiplication和优化的squaring方法也可以让RSA 的复杂度降低25%。基于类似的思想,我们有可能设计出适用于无线传感器网络的公钥体制,并通过实验证明其可行性;

(7)在传感器网络中,由于节点易被捕获,攻击者很容易利用获得的密钥信息,部署众多的恶意节点,截取、伪造和篡改传输中的数据,从而危害系统的安全性。传统网络通常使用基于公私钥的认证和签名体系来确保节点的合法身份,但这无法直接应用于传感器网络。因此,设计一个适合于传感器网络的密钥管理认证体系是WSN密钥管理亟待解决的问题。值得一提的是,基于无线网络的通信特征,我们应该着重加强组播、广播认证机制的研究,有效地减少网络流量,延长其生命期;

(8)无线传感器网络自身的特点和严格的资源限制使其比传统的网络更难抵抗各种攻击。我们应当从密钥管理的角度出发,详细审查其可能面临的攻击,并提出相应的对策;

(9)尽管一些基于配置知识的密钥管理方案被不断提出,但它们通常都假设传感器节点分组进行部署。而实际上,节点部署的方式往往更加复杂。即使直接使用单个节点的分布信息,要想取得正确的概率密度函数也是一件非常困难的事情。这就需要我们对基于配置知识的密钥分配模型作进一步的研究。

随着时间的推移,传感器网络可用的资源可能会逐步减少。为适应这种变化,我们可能需要不断降低安全服务等级来满足资源限制。为此,设计一种能够不断变换安全等级的密钥管理体制是有价值的。

4 结 论

无线传感器网络部署区域的开放性和无线网络的广播特性使其安全性问题成为发展、应用的重要瓶颈。我们在对WSN密钥管理问题的最新研究进展进行系统分析、论述的基础上,指出了亟待解决的根本问题,提出了一系列有价值的研究方向,并对无线传感器网络密钥管理的发展趋势进行了展望。

参考文献:

[1] Carman D W,Kruus P S,Matt B J.Constraints and Ap

proaches for Distributed Sensor Network Security[R].[S.

l.]:NAI Labs,2000.

[2] Perrig A,Szewczyk R,Wen V,et al.SPINS:Security Pro

tocols for Sensor Networks[J].Wireless Networks,2002,8

(5):521-534.

[3] 李志军,秦志光,王佳昊.无线传感器网络密钥分配

协议研究[J].计算机科学,2006,33(2):87-91.

LI Zhi-jun,QIN Zhi-guan g,WANG Jia-hao.Key Di stri

bu tion Protocols in Sensor Networks[J].Computer Science,

2006,33(2):87-91.(in Chinese)

[4] Perrig A,Song D,Tygar J D.A Ne w Protocol for Efficient

Large group Key Distributi on[C]//Proceedings of IEEE

Sympiu m on Securi ty and Privacy.Oakland:IEEE,2001:247.

[5] Huang S,Shieh S P,Wu S Y.Adapti ve Random Key Di stri

bution Schemes for Wireless Sensor Networks[C]//Proceed

!

122

!

https://www.wendangku.net/doc/fe15268057.html,电讯技术 2010年

ings of Computer Security in the21st Century.Berlin:

Springer,2005:91-105.

[6] Blundo C,Santis A D,Herzberg A,et al.Perfectly Secure

Key Distri bu tion for Dynamic Conferences[C]//Proceedings of12th Annual In t?l Cryptology Conf on Advances in Cryptol ogy.Berli n:Springer,1992:471-486.

[7] L i u D,Ning P.Establishing Pairwise Keys in Distributed

Sensor Networks[C]//Proceedings of the10th AC M confer

ence on Computer and communication security.New York:

ACM,2003:52-61.

[8] Liu D,Ning P.Location-Based Pairwise Key Es tablish

ments for Static Sensor Networks[C]//Proceedings of the

1st AC M Workshop on Security of Ad Hoc and Sensor Net

works.New York:ACM,2003:72-82.

[9] Dini G,Savino I.S2RP:a Secure and Scalable Rekeying

Protocol for Wireless Sensor Networks[C]//Proceedings of

IEEE MASS.Washington DC:IEEE,2006:457-466. [10] Miller M J,Vaidya N H.Leveraging Channel Diversity for

Key Establishmen in Wireless Sensor Networks[C]//Pro

ceedings of IEEE Infocom.New York:IEEE,2006:1-12.

[11] Camtepe S A,Yener https://www.wendangku.net/doc/fe15268057.html,binatorial Design of Key Distri

bution M echanisms for Wireless Sensor[J].IEEE/ACM

Transactions on Networking,2007,15(2):346-358. [12] Han S,Tian B,He M,et al.Efficient Threshold Self-

healing Key Distri bu tion with Sponsorization for Infrastruc

tureless Wireless Networks[J].IEEE Transactions on Wire

less Communications,2009,8(4):1876-1887.

[13] Liu F,Cheng X.A Self-Configured Key Establishmen t

Scheme for Large-Scale Sensor Net works[C]//Proceedings

of IEEE MASS.Washington DC:IEEE,2006:447-456. [14] Liu D,Ning P,Li R.Establishing Pairwise Keys in Dis

tributed Sensor Networks[J].ACM Transactions on Informa

tion and System Security,20058(1):41-77.

[15] Delgosha F,Fekri F.Key Pre-distribution in Wireless

Sensor Networks using Multivariate Polynomials[C]//Pro

ceedings of2nd IEEE Conference on Communication,Soci

ety Sensor and Ad Hoc Communication.Santa Clara,New

York:IEEE,2005:118-129.

[16] Blom R.An Opti mal Class of Symmetric Key Generation

Systems[C]//Proceedings of EUROCRYP T?84.Berlin:

Springer,1984:335-338.

[17] Du W L,Deng J,Yunghsiang S,et al.A Pairwise Key Pre

distribution Scheme for Wireless Sensor Networks[C]//

Proceedings of1st AC M Workshop on Computer and Com

municati ons Security.New York:AC M,2003:42-51. [18] Huang Q,Cukier J,Kobayashi H,et al.Fast Authenticat

ed Key Establishment Protocols for Self-organizing Sensor

Networks[C]//Proceedings of2nd ACM International Con

ference on Wi reless Sensor Networks and Applications.New

York:AC M,2003:141-150.

[19] Del gosha F,Fekri F.Threshold Key-establishmen t in Dis

tributed Sensor Networks using a Multivariate Scheme[C]//

Proceedi ngs of IEEE Conference on Computer Communica

tions.New York:IEEE,2006:134-145.

[20] Huang D,Mehta M,Medhi D,et al.Location-Aware Key

M anagement Scheme for Wireless Sensor Networks[C]//

Proceedings of the2nd AC M Workshop on Security of Ad

Hoc and Sensor Networks.New York:ACM,2004:29-42.

[21] Ito T,Ohta H,Matsuda N,et al.A Key Predistribution

Scheme for Secure Sensor Networks using Probability Density

Function of Node Deployment[C]//Proceedings of SASN%

05.New York:AC M,2005:69-75.

[22] Akyildiz I F,Su W,Sankarasubramaniam Y,et al.A Sur

vey on Sensor Networks[J].IEEE Communicati ons Maga

zine,2002,40(8):102-114.

[23] Jolly G,Kuscu M C,Kokate P,et al.A Low-Energy Key

Management Protocol for Wireless Sensor Networks[C]//

Proceedi ngs of IEEE Symposi um on Computers and Com mu

nications.Washington DC:IEEE,2003:335-340. [24] Oliveira L B,Aranha D F.TinyPBC:Pai rings for Authenti

cated Iden tity based Non interactive Key Distribution in Sen

sor Networks[C]//Proceedings of5th International Confer

ence on Networked Sensing Systems.Kanazawa:IEEE,2008:

173-180.

作者简介:

米 波(1982-),男,重庆人,2009年获博士学位,现为讲师,主要研究方向为无线传感器网络、信息安全;

MI Bo was born in Chongqing,in1982.He received the Ph.D. degree in2009.He is now a lecturer.His research interests i nclude wireless sensor network and in formation security.

Email:mi-bo@https://www.wendangku.net/doc/fe15268057.html,

段书凯,男,重庆人,博士后,教授,主要研究方向为非线性系统、嵌入式系统;

DUAN Shu-kai was born in Chongqing.He is now a professor with the Ph.D.degree.His research interests include nonlinear sys tem and embedded system.

宋 军(1971-),男,重庆人,博士,教授,主要研究方向为物联网、CPA;

SONG Jun was born in Chongqing,in1971.He is now a profes sor wi th the Ph.D.degree.His research in terests includethe in ternet of things and CPA.

王 勇,男,重庆人,硕士,讲师,主要研究方向为计算机应用技术。

WANG Yong was born in Chongqing.He is now a lecturer with the M.S.degree.His research direction i s computer application technology.

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第10期 米波等:无线传感器网络密钥管理研究进展总第263期

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：

无线传感器网络的应用与影响因素分析

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，其应用的范围也日益广泛，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 computer 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 comprehensive description of the development

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

无线传感器网络技术的应用

无线传感器网络技术的应用 摘要：无线传感器网络(WSN)是新兴的下一代传感器网络，在国防安全和国民经济各方面均有着广阔的应用前景。本文介绍了无线传感器网络的组成和特点，讨论了无线传感器网络在军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通等方面的现有应用，最后提出无线传感器网络技术需要解决的问题。 关键词：无线传感器网络，军事、瓦斯监测系统、智能家具，环境监测，农业。交通。 1．无线传感器网络研究背景以及发展现状 随着半导体技术、通信技术、计算机技术的快速发展，90年代末，美国首先出现无线传感器网络（WSN）。1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。WSN是由布置在监测区域内传感器节点以无线通信方式形成一个多跳的无线自组网（Ad hoc），其目的是协作的感知，采集

和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者是WSN的三要素。将Ad hoc技术与传感器技术相结合，人们可以通过WSN感知客观世界，扩展现有网络功能和人类认识世界的能力。WSN技术现已经被广泛应用。图为WSN基本结构。 WSN经历了从智能传感器，无线智能传感器到无线传感器三个发展阶段，智能传感器将计算能力嵌入传感器中，使传感器节点具有数据采集和信息处理能力。而无线智能传感器又增加了无线通信能力，WSN将交换网络技术引入到智能传感器中使其具备交换信息和协调控制功能。 无线传感网络结构由传感器节点，汇聚节点，现场数据收集处理决策部分及分散用户接收装置组成，节点间能够通过自组织方式构成网络。传感器节点获得的数据沿着相邻节点逐跳进行传输，在传输过程中所得的数据可被多个节点处理，经多跳路由到协调节点，最后通过互联网或无线传输方式到达管理节点，用户可以对传感器网络进行决策管理、发出命令以及获得信息。无线传感器网络在农业中的运用是推进农业生产走向智能化、自动化的最可行的方法之一。近年来国际上十分关注WSN在军事，环境，农业生产等领域的发展，美国和欧洲相继启动了WSN研究计划，我国于1999年正式启动研究。国家自然科学基金委员会在2005年将网络传感器中基础理论在一篇我国20年预见技术调查报告中，信息领域157项技术课题中7项与传感器网络有直接关系，2006年初发布的《国家长期科学与技术发展

2013秋川大无线传感器网络及应用第一二次作业答案

《无线传感器网络及应用》第一次作业答案 一、单项选择题。本大题共11个小题，每小题2.5 分，共27.5分。在每小题给出的选项中，只有一项是符合题目要求的。 1.下面哪种协议不属于路由协议（ C ）。 A.地理位置路由协议 B.能量感知路由协议 C.基于跳数的路由协议 D.可靠的路由协议 2.ZigBee的通信速率在2.4GHz时为（ D ）。 A.40Kbps B.20Kbps C.256 Kbps D.250kbps 3.传感器节点（ D ）范围以内的所有其它节点，称为该节点的邻居节点。 A.视线 B.跳数 C.网络 D.通信半径 4.TinyOS是一个开源的（ D ）操作系统，它是由加州大学的伯利克分校开发， 主要应用于无线传感器网络方面。 A.桌面 B.后台 C.批处理 D.嵌入式 https://www.wendangku.net/doc/fe15268057.html,N技术使用了哪种介质（ A ）。 A.无线电波 B.双绞线 C.光波 D.沙狼 6.传感器节点消耗能量主要消耗在（ A ）上。 A.无线通信模块 B.处理器模块 C.传感器模块 D.管理模块 7.传感器最早起于二十世纪（ B ）年代。 A.60年代 B.70年代 C.80年代 D.90年代 8.定向扩散（Directed Diffusion，DD）路由协议是一种（ B ）机制。 A.能量感知路 B.基于查询的路由

C.地理位置路由 D.可靠的路由 9.传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对方向性要求较高时，应 选择在其它方向上灵敏度（）的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越（）越好。 A A.小；小 B.小；大 C.高；高 D.高；底 10.传感器的频率响应越（），则可测的信号频率范围就越（）。C A.小；高 B.大；宽 C.高；宽 D.大；高 11.传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。理论上在此范围内，灵敏度保持 定值。传感器的线性范围越（），则它的量程就越（），并且能保证一定的测量精度。D A.小；宽 B.小；高 C.高；大 D.宽；大 二、多项选择题。本大题共29个小题，每小题2.5 分，共72.5分。在每小题给出的选项中，有一项或多项是符合题目要求的。 1.根据节点数目的多少，传感器网络的结构可以分为（AD）。 A.平面结构 B.网络结构 C.星形结构 D.分级结构 2.传感器节点消耗能量的模块包括（ACD）。 A.传感器模块 B.存储模块 C.处理器模块 D.无线通信模块 3.下面哪些属于数据融合的方法（ABD）。 A.模糊逻辑法 B.神经网络方法 C.优选法 D.综合平均法 4.目前人们采用的节能策略主要有（AC）。 A.休眠机制 B.定时发送机制 C.数据融合机制

无线传感器网络课后习题含答案

1-2.什么是无线传感器网络? 无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息,并报告给用户。 1-4.图示说明无线传感器网络的系统架构。 1-5.传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别是什么? (1)传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块电源模块和嵌入式软件系统 (2)传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。另外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。 1-8.传感器网络的体系结构包括哪些部分?各部分的功能分别是什么? (1)网络通信协议：类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系。它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。 (2)网络管理平台：主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理。包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。 (3)应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。 1-9.传感器网络的结构有哪些类型?分别说明各种网络结构的特征及优缺点。 （1）根据结点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。如果网络的规模较小，一般采用平

面结构；如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。 （2）平面结构： 特征：平面结构的网络比较简单，所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。 优点：源结点和目的结点之间一般存在多条路径，网络负荷由这些路径共同承担。一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。 缺点：①影响网络数据的传输速率，甚至造成网络崩溃。②整个系统宏观上会损耗巨大能量。③可扩充性差，需要大量控制消息。 分级结构： 特征：传感器网络被划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。簇头结点负责簇间数据的转发，簇成员只负责数据的采集。 优点：①大大减少了网络中路由控制信息的数量，具有很好的可扩充性。②簇头可以随时选举产生，具有很强的抗毁性。 缺点：簇头的能量消耗较大，很难进人休眠状态。 1-13.讨论无线传感器网络在实际生活中有哪些潜在的应用。 (1)用在智能家具系统中，将传感器嵌入家具和家电中，使其与执行单元组成无线网络，与因特网连接在一起。 (2)用在智能医疗中，将传感器嵌入医疗设备中，使其能接入因特网，将患者数据传送至医生终端。 (3)用在只能交通中，运用无线传感器监测路面、车流等情况。 2-2.传感器由哪些部分组成?各部分的功能是什么? 2-5.集成传感器的特点是什么? 体积小、重量轻、功能强、性能好。 2-7.传感器的一般特性包括哪些指标? 灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、重复性、漂移、精度、分辨（力）、迟滞。 2-15.如何进行传感器的正确选型？ 1.测量对象与环境：分析被测量的特点和传感器的使用条件选择何种原理的传感器。 2.灵敏度：选择较高信噪比的传感器，并选择适合的灵敏度方向。 3.频率响应特性:根据信号的特点选择相应的传感器响应频率，以及延时短的传感器。 4.线性范围：传感器种类确定后观察其量程是否满足要求，并且选择误差小的传感器。 5.稳定性：根据使用环境选择何时的传感器或采用适当的措施减小环境影响，尽量选择稳定性好的传感器。 6.精度：选择满足要求的，相对便宜的传感器。 2-17.简述磁阻传感器探测运动车辆的原理。 磁阻传感器在探测磁场的通知探测获得车轮速度、磁迹、车辆出现和运动方向等。使用磁性传感器探测方向、角度或电流值，可以间接测定这些数值。因为这些属性变量必须对相应的磁场产生变化，一旦磁传感器检测出场强变化，则采用一些信号处理办法，将传感器信号转换成需要的参数值。 3-2.无线网络通信系统为什么要进行调制和解调?调制有哪些方法? （1）调制和解调技术是无线通信系统的关键技术之一。调制对通信系统的有效性和可靠性有很大的影响。采用什

基于无线传感器网络的室内监控系统

30 无线传感器网络集传感器技术、微机电系统（MEMS）技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术于一体，它由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络因其具有成本低、能耗小等特点，已经展现了非常广阔的应用前景，参考文献[1]和参考文献 [2]中分别介绍了其在农业与医药学领域的应用。2003年MIT技术评论Technology Review在预测未来技术发展的报告中，将其列为改变世界的十大新技术之一。 随着社会经济的发展及生活条件的改善，人们对工作和生活环境的安全性和舒适度提出了更高的要求，而室内环境与人们的生活与工作息息相关，因此室内环境的监测与控制引起了人们越来越多的关注。为了实现各式各样的生活与工作要求，室内环境的结构也是多种多样的，正是这种结构复杂多样性及区域差异性，给室内环境的监测与控制带来了诸多挑战。但是，随着无线传感器网络技术的发展及应用，这些挑战均迎刃而解。 1　系统工作原理 系统的监控功能主要利用了无线传感器网络技术来实现。系统分为三个部分，分别为监控节点、 下位机和上位机。系统结构如图1所示： 图1 系统结构示意图 监控节点：作为无线传感器网络的基本组成部分，它可以利用搭载的多种传感器来获取室内的环境参数，通过微机电系统将这些参数进行数字化处理，并打包通过无线通讯模块发送至下位机。 下位机：作为无线传感器网络的中心节点，下位机起着承上启下的作用。它既能够通过无线通讯模块与诸传感器节点通讯，又能通过串口与上位机实现信息交互，最终实现了传感器节点与上位机的协调。 上位机：作为无线传感器网络的“大脑”，上位机负责整个传感器网络的正常运行。通过对下位机呈递的数据包进行解码，上位机能够提取各环境参数信息，并将其图形化显示。此外，通过设置环境参 数阈值，上位机可以实现整个系统的自动控制。 基于无线传感器网络的室内监控系统 张新耀　冯启朋　霍　鹏　王亚慧 （中国海洋大学信息科学与工程学院，山东 青岛 266100） 摘要： 室内环境与人的生活、工作密切相关，一般具有结构复杂及区域差异性大的特点。无线传感器网络是由具有感知能力、计算能力、无线通讯能力的传感器节点组成的智能网络，可以有效地监测环境参数变化，并能够对环境异常做出实时处理，从而实现复杂环境下的分区域环境监控，由此设计了一套基于无线传感器网络（WSN）的智能室内监控系统。文章通过对整个系统的设计方法、软硬件实现及系统测试结果进行了分析研究，最终证明了由无线传感器网络构成的系统可以高效地实现室内环境监控的任务。关键词： 无线传感器网络；室内监控系统；环境监控；环境参数中图分类号： TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）30-0030-032012年第30期（总第237期）NO.30.2012 （CumulativetyNO.237）

无线传感器网络的研究进展

计算机研究与发展 ISSN 100021239ΠCN 1121777ΠTP Journal of Computer Research and Development 45(1):1～15,2008 　收稿日期:2007-11-08 　基金项目:国家“九七三”重点基础研究发展规划基金项目(2006CB303000);国家自然科学基金重点项目(60533110);国家自然科学基金项 目(60473075);国家教育部新世纪优秀人才支持计划基金项目(NCET 20520333) 无线传感器网络的研究进展 李建中 高　宏 (哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院　哈尔滨　150001)(lijzh @hit 1edu 1cn ) Survey on Sensor N et work R esearch Li Jianzhong and G ao Hong (School of Com puter Science and Technology ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001) Abstract Recent advances in sensing techniques ,embedded computing techniques ,distributed information processing techniques and communication techniques have enabled the development of wireless sensor net 2works 1As there is a bright future in their application ,wireless sensor networks have become a new research area in the 21century 1There are large numbers of challenge problems in science and engineering in the wireless sensor network area 1Since 2000,more and more researchers have been engaged in the research work on wireless sensor networks and a lot of research results have already been obtained 1Suiveyed in this paper is the research work on wireless sensor networks ,including the wireless sensor network communica 2tion techniques ,infrastructure techniques ,middleware techniques ,data management techniques ,sensor node and embedded software techniques 1The existing problems in the current research work and the new research issues are also discussed 1At the end of the paper ,many significant references are listed for the re 2searchers 1 K ey w ords sensor node ;sensor network ;communication protocol ;infrastructure ;middleware ;data man 2agement 摘　要　随着传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术的迅速发展,无线传感器网 络应运而生1由于无线传感器网络的广阔应用前景,它已经成为21世纪的一个新研究领域,在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量挑战性问题1从2000年开始,国内外无线传感器网络的研究日趋热烈,取得了大量研究成果1从无线传感器网络的网络通信技术、基础设施技术、中间件技术、数据管理技术、节点及其嵌入式软件技术等5个方面系统综述了无线传感器网络的研究进展,讨论目前存在的问题和需要进一步研究的方向,并提供了广泛的参考文献1 关键词　传感器节点;传感器网络;通信协议;基础设施;中间件;数据管理中图法分类号　TP393 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,人们研制出了各种具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器1由许多微型传感器构成的无线传感器网络(WSN )引起了人们的极大关注1WSN 综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环 境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得 详尽准确的信息,传送到需要这些信息的用户1WSN 可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件 下获取大量详实可靠的物理世界的信息,并可以被广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域1WSN 是信息感知和采集的一场革命,在新一代网络中具有