無線傳感器傳輸數據:一種面向無線傳感器網絡的數據傳輸方法

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摘要:

無線傳感器傳輸數據:一種面向無線傳感器網絡的數據傳輸方法摘要:本發明涉及無線傳感器網絡的數據傳輸技術領域,具體為一種面向無線傳感器網絡的數據傳輸方法,旨在解決現有傳輸技術中無線傳感器網絡采集數據傳輸能耗大,網絡節點能量消耗不均衡以及網絡壽命不長等技術問題.本發明采用組合調度的

無線傳感器傳輸數據:一種面向無線傳感器網絡的數據傳輸方法  第1張

無線傳感器傳輸數據:一種面向無線傳感器網絡的數據傳輸方法

摘要:

本發明涉及無線傳感器網絡的數據傳輸技術領域,具體為一種面向無線傳感器網絡的數據傳輸方法,旨在解決現有傳輸技術中無線傳感器網絡采集數據傳輸能耗大,網絡節點能量消耗不均衡以及網絡壽命不長等技術問題.本發明采用組合調度的思想同時為多個待發送數據包選擇合適的匹配中繼,在選擇中繼節點時不僅考慮服務質量因素,還會立足于當前已進行匹配的數據包和中繼節點情況來預測傳感器節點的可能剩余能量,并據此對節點的優先級作出適當調整,避免同一節點頻繁地被選作中繼進行數據傳輸,從而造成網絡中出現越來越多的能量過低節點;基于此,本發明能夠實現網絡中采集數據的高效傳輸,保證服務質量并盡可能均衡網絡能耗.

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無線傳感器傳輸數據:關于常見的無線傳感器數據采集傳輸系統的三種組網

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無線傳感器傳輸數據:關于無線傳感器網絡的組成

WSN(wireless sensor networks)是無線傳感器網絡,是由大量的具有感知能力的傳感器節點,通過自組織方式構成的無線網絡。傳感器監控不同位置的物理或環境狀況(比如溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物)。無線傳感器網絡的發展最初起源于戰場監測等軍事應用。而現今無線傳感器網絡被應用于很多民用領域,如環境與生態監測、健康監護、家居自動化以及交通控制等。
一個典型的無線傳感器網絡的系統架構包括分布式無線傳感器節點(群)、接收發送器匯聚節點、互聯網或通信衛星和任務管理節點等,如下圖所示。大量傳感器節點隨機部署在監測區域內部或附近,能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節點監測的數據沿著其他傳感器節點逐跳地進行傳輸,在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理,經過多跳后路由到匯聚節點,最后通過互聯網或衛星到達管理節點。用戶通過管理節點對傳感器網絡進行配置和管理,發布監測任務以及收集監測數據。
無線傳感器網絡中主要包含兩類節點:
傳感器節點:具有感知和通信功能的節點,在傳感器網絡中負責監控目標區域并獲取數據,以及完成與其他傳感器節點的通信,能夠對數據進行簡單的處理。
Sink節點:又稱為基站節點,負責匯總由傳感器節點發送過來的數據,并作進一步數據融合以及其他操作,最終把處理好的數據上傳至互聯網。
匯聚節點
匯聚節點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強,它是連接傳感器網絡與 Intemet 等外部網絡的網關,實現兩種協議間的轉換,同時向傳感器節點發布來自管理節點的監測任務,并把WSN收集到的數據轉發到外部網絡上。匯聚節點既可以是一個具有增強功能的傳感器節點,有足夠的能量供給和更多的、 Flash 和 SRAM 中的所有信息傳輸到計算機中,通過匯編軟件,可很方便地把獲取的信息轉換成匯編文件格式,從而分析出傳感節點所存儲的程序代碼、路由協議及密鑰等機密信息,同時還可以修改程序代碼,并加載到傳感節點中。
管理節點
管理節點用于動態地管理整個無線傳感器網絡:傳感器網絡的所有者通過管理節點訪問無線傳感器網絡的資源。
無線傳感器網絡的拓撲結構
三種常見拓撲結構
星型拓撲:具有組網簡單、成本低;但網絡覆蓋范圍小,一旦sink節點發生故障,所有與sink節點連接的傳感器節點與網絡中心的通信都將中斷。星形拓撲結構組網時,電池的使用壽命較長。
網狀拓撲:具有組網可靠性高、覆蓋范圍大的優點,但電池使用壽命短、管理復雜。
樹狀拓撲:具有星形和網狀拓撲的一些特點,既保證了網絡覆蓋范圍大,同時又不至于電池使用壽命過短,更加靈活、高效。
無線傳感器網絡的特點
1. 自組織性; 2. 以數據為中心; 3. 應用相關性; 4. 動態性; 5. 網絡規模大; 6. 可靠性
無線傳感器網絡(WSN)被認為是影響人類未來生活的重要技術之一,這一新興技術為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。由于WSN本身的特點,使得它與現有的傳統網絡技術之間存在較大的區別,給人們提出了很多新的挑戰。
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無線傳感器網絡
(Wireless Sensor Network)
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無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks, WSN)是一種分布式傳感網絡,它的末梢是可以感知和檢查外部世界的傳感器。WSN中的傳感器通過無線方式通信,因此網絡設置靈活,設備位置可以隨時更改,還可以跟互聯網進行有線或無線方式的連接。通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡。
中文名
無線傳感器網絡
外文名
Wireless Sensor Networks
特 點
大規模、自組織、動態化等
用 途
環境監測、軍事領域、醫療護理、其他用途
目錄
1
概述
2
特點
3
組成結構
4
信息安全
?
安全需求
?
威脅
?
關鍵技術
5
應用范圍
無線傳感器網絡概述
編輯
語音
無線傳感器網絡是一項通過無線通信技術把數以萬計的傳感器節點以自由式進行組織與結合進而形成的網絡形式。構成傳感器節點的單元分別為:數據采集單元、數據傳輸單元、數據處理單元以及能量供應單元。其中數據采集單元通常都是采集監測區域內的信息并加以轉換,比如光強度跟大氣壓力與濕度等;數據傳輸單元則主要以無線通信和交流信息以及發送接收那些采集進來的數據信息為主;數據處理單元通常處理的是全部節點的路由協議和管理任務以及定位裝置等;能量供應單元為縮減傳感器節點占據的面積,會選擇微型電池的構成形式。無線傳感器網絡當中的節點分為兩種,一個是匯聚節點,一個是傳感器節點。匯聚節點主要指的是網關能夠在傳感器節點當中將錯誤的報告數據剔除,并與相關的報告相結合將數據加以融合,對發生的事件進行判斷。匯聚節點與用戶節點連接可借助廣域網絡或者衛星直接通信,并對收集到的數據進行處理。
[1]
傳感器網絡實現了數據的采集、處理和傳輸三種功能。它與通信技術和計算機技術共同構成信息技術的三大支柱。無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network, WSN)是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡,以協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感知對象的信息,并最終把這些信息發送給網絡的所有者。無線傳感器網絡所具有的眾多類型的傳感器,可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環境中多種多樣的現象。潛在的應用領域可以歸納為:軍事、航空、防爆、救災、環境、醫療、保健、家居、工業、商業等領域。
無線傳感器網絡特點
編輯
語音
相較于傳統式的網絡和其他傳感器相比,無線傳感器網絡有以下特點:(1)組建方式自由。無線網絡傳感器的組建不受任何外界條件的限制,組建者無論在何時何地,都可以快速地組建起一個功能完善的無線網絡傳感器網絡,組建成功之后的維護管理工作也完全在網絡內部進行。(2)網絡拓撲結構的不確定性。從網絡層次的方向來看,無線傳感器的網絡拓撲結構是變化不定的,例如構成網絡拓撲結構的傳感器節點可以隨時增加或者減少,網絡拓撲結構圖可以隨時被分開或者合并。(3)控制方式不集中。雖然無線傳感器網絡把基站和傳感器的節點集中控制了起來,但是各個傳感器節點之間的控制方式還是分散式的,路由和主機的功能由網絡的終端實現各個主機獨立運行,互不干涉,因此無線傳感器網絡的強度很高,很難被破壞。(4)安全性不高。無線傳感器網絡采用無線方式傳遞信息,因此傳感器節點在傳遞信息的過程中很容易被外界入侵,從而導致信息的泄露和無線傳感器網絡的損壞,大部分無線傳感器網絡的節點都是暴露在外的,這大大降低了無線傳感器網絡的安全性。
[2]
無線傳感器網絡組成結構
編輯
語音
無線傳感器網絡主要由三大部分組成,包括節點、傳感網絡和用戶這3部分。其中,節點一般是通過一定方式將節點覆蓋在一定的范圍,整個范圍按照一定要求能夠滿足監測的范圍;傳感網絡是最主要的部分,它是將所有的節點信息通過固定的渠道進行收集,然后對這些節點信息進行一定的分析計算,將分析后的結果匯總到一個基站,最后通過衛星通信傳輸到指定的用戶端,從而實現無線傳感的要求。
[3]
無線傳感器網絡信息安全
編輯
語音
無線傳感器網絡安全需求
由于WSN使用無線通信,其通信鏈路不像有線網絡一樣可以做到私密可控。所以在設計傳感器網絡時,更要充分考慮信息安全問題。手機SIM卡等智能卡,利用公鑰基礎設施(Public Key Infrastructure, PKI)機制,基本滿足了電信等行業對信息安全的需求。同樣,亦可使用PKI來滿足WSN在信息安全方面的需求。(1) 數據機密性數據機密性是重要的網絡安全需求,要求所有敏感信息在存儲和傳輸過程中都要保證其機密性,不得向任何非授權用戶泄露信息的內容。(2)數據完整性有了機密性保證,攻擊者可能無法獲取信息的真實內容,但接收者并不能保證其收到的數據是正確的,因為惡意的中間節點可以截獲、篡改和干擾信息的傳輸過程。通過數據完整性鑒別,可以確保數據傳輸過程中沒有任何改變。(3) 數據新鮮性數據新鮮性問題是強調每次接收的數據都是發送方最新發送的數據,以此杜絕接收重復的信息。保證數據新鮮性的主要目的是防止重放(Replay)攻擊。(4) 可用性可用性要求傳感器網絡能夠隨時按預先設定的工作方式向系統的合法用戶提供信息訪問服務,但攻擊者可以通過偽造和信號干擾等方式使傳感器網絡處于部分或全部癱瘓狀態,破壞系統的可用性,如拒絕服務(Denial of Service, DoS)攻擊。(5)魯棒性無線傳感器網絡具有很強的動態性和不確定性,包括網絡拓撲的變化、節點的消失或加入、面臨各種威脅等,因此,無線傳感器網絡對各種安全攻擊應具有較強的適應性,即使某次攻擊行為得逞,該性能也能保障其影響最小化。(6)訪問控制訪問控制要求能夠對訪問無線傳感器網絡的用戶身份進行確認,確保其合法性。
無線傳感器網絡威脅
根據網絡層次的不同,可以將無線傳感器網絡容易受到的威脅分為四類:(1)物理層:主要的攻擊方法為擁塞攻擊和物理破壞。(2)鏈路層:主要的攻擊方法為碰撞攻擊、耗盡攻擊和非公平競爭。(3)網絡層:主要的攻擊方法為丟棄和貪婪破壞、方向誤導攻擊、黑洞攻擊和匯聚節點攻擊。(4)傳輸層:主要的攻擊方法為泛洪攻擊和同步破壞攻擊。
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無線傳感器網絡關鍵技術
1、混沌加密技術
無線傳感器網路
密碼學屬于跨學科的一門科目,其探究的主要是通過一些手段與方式把真正有用的信息給隱藏起來,只有通過授權人的授權方可正確解讀信息中的內容,把信息轉變為無法讀取形式的這項技術即為加密技術。無線傳感器當中諸多的混沌加密技術里,最具代表性的一項技術就是對稱密鑰體制技術,也是一項密碼算法,其耗能較低,相對來說計算起來并不是十分煩瑣。在判斷無線傳感器網絡利用的密碼技術是不是最恰當的標準通常有以下幾個方面:數據占用的長度跟處理花費的時間、消耗能量的大小、密碼算法代碼所需的長度。這當中密碼算法包括有高級加密算法跟對稱加密算法等等?;煦缑艽a技術整體來說屬于較為復雜的一項技術,它遵守了動力學的機制跟混亂與擴散的基本原則。2、密鑰管理協議密鑰管理協議是將密鑰被生成到利用的所有步驟進行分級授權保護,保證密鑰的封閉性同時也能做到靈活的使用。例如密鑰的生成、分發授權于金融機構使其能夠生成密鑰分發給傳遞中支付方,使其能生成數字簽名保證信息不可否認性,而最終的密鑰公證則授權與特定機構,以驗證信息的真實性。數據驗證協議,是對用戶將要使用數據進行安全驗證的協議,驗證大數據時代活動中交換的數據是否具有端級簽名和個人簽名。安全審計協議,協議內容是對大數據時代活動中所有有關安全的事件進行收集、檢測和控制,起到危險防護的作用和對危害安全事件進行追責的作用。3、數字水印認證技術數字水印認證技術是通過算法將標識信息嵌入至原始載體中,便于合法使用者進行提取并識別。利用數字水印技術,能夠保障認證信息是否被篡改,從而提升無線傳感器網絡的傳輸可靠性。數字水印技術主要由嵌入器、檢測器兩部分構成,其與密碼學相結合,可以實現對信息的多重安全保護。通常,對于傳輸信息,利用水印嵌入器來形成水印密鑰與原始載體數據的結合,而在使用時根據水印檢測器來進行水印解密,輸出信息。4、防火墻技術在具體的應用當中,這項技術具備很強的AAA管理功能,把內部主機IP地址翻譯到外網中,使無線傳感器網絡共享Internet,還可促使外網隱藏到內網結構當中:可支持多種AAA協議對撥入ASA的各式各樣遠程來訪問VPN、登錄ASA管理會話中來認證AAA,并予以授權。在無線傳感器網絡當中,通過防火墻技術,能夠確保網絡不會遭受到蠕蟲、黑客、病毒和壞件等的攻擊,而且還含有無客戶端模式VPN,保障無線傳感器網絡客戶不用安裝VPN客戶端就可提供給他們網絡服務。在無線傳感器網絡的組成中,可將無線網絡跟核心網絡有效隔離開,通過防火墻將一個或者幾個無線網絡實行分開管理的方式,這樣一來即使成功地將無線客戶端破解了,也無法攻擊有線網絡。
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無線傳感器網絡應用范圍
編輯
語音
1、無線傳感器在電氣自動化中的應用在我國自動化技術不斷發展的進程中,我國電力系統是發展較快的一個領域,電力系統的自動化,有助于減少不必要的能源浪費,減少事故的發生率,以及提高在事故發生時對其進行修理維護的效率。人工電力系統管理工作容錯率較低,人們在進行工作的過程中,必須根據電力系統設備的運行情況進行適時調整,在電氣自動化的過程中同樣,需要對電力系統進行實時的監控,根據需求對電壓進行調節,電力系統在運行的過程中,由于外界環境比如天氣溫度等,會時時刻刻發生變化,如果外界條件變化較為劇烈,在電力系統中的各項電力屬性同樣會發生較大的變化,為了補償這部分變化,便需要對其進行調節,數據的采集首先是一項重要的內容,需要有一些裝置能夠對電氣系統中的各項電氣屬性值進行統計,然后進行處理,將數據進行記錄傳輸,根據傳輸的內容對其進行控制,提高其自動化水平。此外,還需要在電力系統中,在單位路程內設置一些溫度和濕度等環境傳感設備對電力系統的環境進行監管,以便預計電力系統的變化。在電氣自動化中,大多使用無線傳感裝置,通過無線傳感裝置能夠避免一些線路問題,提高傳感裝置的高效性。采用無線傳感裝置,相較于過去的監控管理裝置而言具有較多的優點,其中較為明顯的優點便是減少了線路的復雜性,在電力系統中,特別是高壓輸電線,如果線路較為復雜,在進行管理維護的過程中,會增加工作難度,而且具有較高的風險。相較于傳統的感應裝置,無線傳感裝置受損的可能性較小,而且傳輸的數據也更加具有精確性也使其具有更高的價值。2、無線傳感技術在進行監測工作中的應用在使用無線傳感技術進行監測的過程中,不同類型的監測工作所用的監測設備也不僅相同。其中在工業生產過程中,較為常用的傳感技術是溫度傳感技術,在使用傳感技術對工業生產進行監測的過程中,主要針對鍋爐方面進行監測,確保鍋爐的安全性。在鍋爐中,與鍋爐溫度息息相關的是鍋爐的水冷管,當今常見的水冷管大多都是由鋼管組成的,熱量在排出的過程中,需要通過鋼管排出。但是由于在進行冷卻的過程中,隨著大量熱量的排出,同時會排出一些雜物,比如一些細小的煙塵顆粒等,久而久之水冷壁內部可能會出現一些污垢附著在鋼管上,如果污垢堆積過厚,會影響到鋼管的散熱情況,而水冷壁所能夠承受的熱量往往有一定的上限,水冷壁上的熱量難以及時得到散失,便會在壓力過大的情況下進行工作,長時間處于超負荷狀態,會對水冷壁的結構造成較為嚴重的影響,使用一段時間之后,便可能出現較為嚴重的事故。在當今對鍋爐工作進行管理大多采用計算機進行遠程操控,這樣可以避免高溫環境對工作人員造成危害。但是,采用遠程操控技術便需要對鍋爐進行監控,在高溫的環境下,采用有線監控裝置,線路會受到高溫環境的影響,造成額外的損失,需要投入較多的成本。而采用無線傳感技術進行監控,在進行數據的傳輸過程中,無需其他物品作為媒介,可以直接傳輸測量數據,這樣在進行監控管理的過程中,受損部位的數量會減少,能夠有效降低生產成本。而且采用無線傳感網絡,可以更加全面地對不同部位進行監控,使工作更加全面。3、無線傳感技術在進行定位中的應用無線傳感技術在當今的應用,不僅僅可以有大型組織進行工作和科研進行使用。對于個人來說,由于技術的不斷發展,無線傳感技術的成本也越來越低,越來越多的人可以將無線傳感技術用于個體身上。對于個人來說,無線傳感技術的主要使用目的是用來進行定位,定位技術對于傳感技術來說是應用較廣的方面,在車輛上安裝無線傳感裝置,可以通過無線傳感技術,將車輛所在位置信息進行傳輸,然后再由中轉站將信息進行處理發送,這樣在接收站能夠明確了解汽車所處位置信息。對于汽車進行導航具有重要的意義。此外,還可以對一些隨身攜帶的物品采用無線傳感技術,對一些老年人或者兒童進行實時定位,避免一些弱勢人員出現意外事故。
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詞條圖冊
更多圖冊
參考資料
1.

范波.無線傳感器網絡安全的關鍵技術[J].建筑工程技術與設計,2018,(30):3397.
2.

袁夢鑫.淺談無線傳感器網絡安全及策略[J].科教導刊-電子版(中旬),2018,(11):274.
3.

范波.無線傳感器網絡入侵檢測分析[J].建筑工程技術與設計,2018,(32):4157.
4.

唐明雙.無線傳感器網絡應用技術綜述[J].科技資訊,2018,16(36):42-43.

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