无线传感器网络安全定位问题研究概要

中国科学技术大学

硕士学位论文

无线传感器网络安全定位问题研究

姓名：刘晓凤

申请学位级别：硕士

专业：信息安全

指导教师：黄刘生

20080501

摘要

摘要

在传感器网络中，确定节点或事件发生的位置对其监测活动至关重要，传感器网络节点自身定位算法的研究应运而生。关于定位问题的研究，通常是在安全可信任的环境中加以考察，忽略了定位过程中的安全问题，一旦网络受到攻击或破坏，将可能导致灾难性的后果。如何在可能不可信的环境中，有效地或者是在一定容错范围内，实现对目标的定位，是一个亟待解决的关键问题。

为实现系统的安全定位，本课题首先研究了无线传感器网络安全定位的相关问题，并提出了一个完全分布式的无线传感器网络安全定位协议和基于传染病模型的恶意信息传播研究及安全恢复机制。

在有恶意攻击的网络中，实现分布式的安全定位是非常重要的，本文提出了一个完全分布式的无线传感器网络安全定位协议。首先，锚节点利用多层发射功率机制对区域中的传感器节点进行分层；其次，传感器节点计算出交叉区域，采用微分的思想，并利用最大覆盖次数选举方案计算出节点的位置；在定位中针对本算法可

能受到的攻击加入了安全机制，最后给出了使用移动验证机制来实现对节点位置的安全校正，增强了鲁棒性。实验表明，本算法能有效地减少交叉区域的大小，降低硬件成本，简化定位操作，并且在定位算法中加入的安全机制，使得算法在有恶意节点存在的条件下，依然能够实现有效的定位。

如何量化攻击对定位算法的影响对实现安全定位和定位后的安全恢复有重要意义。本文采用传染病模型对定位算法中恶意信息的传播过程加以分析，量化了恶意信息对定位算法的网络威胁度。结合典型的ＡＨＬｏｓ定位算法，通过分析图的变迁过程对模型的各参数加以量化，利用反定位与重定位机制，实现了一定容错范围内的安全定位，并将其扩展到不完全信息动态博弈下的安全定位。仿真表明，该模型能够有效模拟恶意信息的传播过程，并能实现节点恢复和恶

意节点检测。

本文的贡献和创新点在于：

?针对在有恶意攻击的网络中如何安全的定位，我们提出了一个非测距

的完全分布式的安全定位协议，使用移动验证机制来实现对节点位置的安全校正，增强了鲁棒性。本算法能有效地减少交叉区域的大小，并降低硬件成本，在定位算法中加入的安全机制，使算法在有恶意节

摘要

点存在的条件下，依然能够实现有效的定位；

?量化了攻击对定位算法的影响，采用传染病模型对恶意信息的传播过

程加以分析，利用反定位与重定位机制，实现了一定容错范围内的安全定位，并有效地实现了节点恢复和恶意节点检测；

?初步考察了在恶意节点具有智能性的基础上，和定位系统进行博弈的

模型，并将基于传染病理论的安全机制扩展到不完全信息动态博弈下的安全定位。关键词：无线传感器网络安全定位非测距移动验证传染病算法

Ａｂｓｔｒａｃｔ

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保密的学位论文在解密后也遵守此规定。

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第一章绪论

第一章绪论

无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，国际上对无线传感器网络的研究仅有数年历史。随着科技的发展和应用的需要，无线传感器网络成为近几年来的研究热点之一，有大量关于无线传感器网络的研究成果出现。然而这些研究成果还处于起步阶段，距离实际需求还相差甚远。特别是无线传感器节点的安全定位问题成为无线传感器网络研究的关键问题之一。但是随着研究的深入、技术的进步以及新应用的出现，诸多层面还需要做研究和探讨。

本课题针对无线传感器网络的安全定位问题做了系统的调研，首先提出一个不基于测距的使用移动验证的安全定位机制，通过锚节点多层功率控制的非测距定位算法，实现传感器节点的定位，并通过移动的验证节点对已定位的传感器节点进行位置校正和错误位置信息更新，其次，针对无线网络中恶意信息传播问题加以研究，利用传染病模型分析恶意攻击问题，并利用这一结论和不完全信息动态博弈理论，采用反定位和重定位机制实现安全定位。

本章首先介绍了无线传感器网络的背景知识，多角度详细地阐述了无线传感器网络的研究意义，并对当前国内外各研究机构和相关科研部门完成或正在进行的项目作了一个简单的介绍，然后阐述了无线传感器网络安全定位的意义，最后列出了本文的主要工作及内容上的结构安排。

１．１无线传感器网络研究的相关背景

１．１．１传感器节点的组成与网络体系

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，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器节点开始出现【ｌ棚。在不同的应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都主要由数据采集、数据处理、数据传输和电源四部分组成【９１。此外，它还可能包括与特殊应用相关的部分，如能

量产生装置、定位系统和动力系统。电源是传感器节点比较重要的部分，由它驱使其他三个部分进行正常运作。数据采集单元通常有两个子部件组成：一１一

第一章绪论

传感器和模数转化器，被监测物理信号的形式决定了传感器的类型，传感器对监测区域的环境进行感应，产生模拟信号，经模数转化器生成数字信号，并移交数据处理单元。数据处理单元中主要组成部件是一个嵌入式ＣＰＵ，此外，一般还带有一个小型存储器，用于存储应用程序及相关数据。数据处理单元负责执行用户的程序和进行计算和处理数据。数据传输单元主要由低能耗、短距离的无线通信模块组成，正是它们将一个个传输范围有限的传感器节点连接成无线传感器网络。无线传感器网络许多重要的应用，如灾难监控、军事侦测等，网络的部署环境往往十分复杂，有些区域甚至人员不能到达，但这些应用又通常要求高准确的地理位置信息和侦测范围的覆盖率，因此节点的定位系统就显得十分重要。在本文中我们研究的重点就是这类重要的用于执行特殊任务的定位系统安全性。

由数以百计的这些微型传感器节点以无线ＡｄＨｏｃ方式形成的无线传感器网络开始逐渐成为广大科研人员的研究热点。在这种无线传感器网络中，各个传感器节点以某种拓扑形式分散在监控区域内，它们负责收集监控区域内的声音、温度、湿度、电磁或地震信号等多种与应用相关的有用信息，并将数据以多跳的形式发送至基站。基站是具有充足的计算处理能力、数据存储能力及较强电源的数据收集点，因而它能够处理所有收集到的数据，并将结果送往其他的大型网络——如企业内部的局域网或教育网等，使得远程用户能够检索并获知有关信息【ｌｏ。１４Ｊ。无线传感器网络的体系架构如图１．１所示。一２一

第一章绪论

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图１．１无线传感器网络的体系架构

１．１．２传感器网络的研究内容与关键问题

由于无线传感器网络不同于一般的无线网络，因此传统的无线网络协议并不能适用于传感器网络中。目前研究无线传感器网络的主要问题有物理层通信、ＭＡＣ协议、路由协议、节能问题、定位问题、网络拓扑问题、时间同步、安全问题等。

这里，我们将首先简单地介绍无线传感器网络各层的研究问题：

１）物理层：由于传感器节点之间通过无线介质通信，连接节点的无线介质

信号传输受到无线信道中路径衰落，多径，散射，和障碍物吸收等的影响，导致能量消耗的增加，如何对信道传输进行建模是物理层研究的大方向之一。而对调制机制的选择是传感网中进行可靠通信的关键问题，参考文献【１５’ｌ６】对此进行了研究。

２）数据链路层：在无线传感器网络中，节点的通信形式为广播，节点的通

信距离有限，因此如何有效且公平可靠的访问、竞争无线信道以减少数据冲突是数据链路层需要考虑的首要问题之一。当前的研究方向主要有以下几类：如何解决隐藏终端（ＨｉｄｄｅｎＳｔａｔｉｏｎ）和暴露终端（Ｅｘｐｏｓｅｄ一３一

第一章绪论

Ｓｔａｔｉｏｎ）问题【ｌ７Ｊ；如何通过多信道解决数据传输的冲突及上述终端暴露问题：如何通过对退避时钟和竞争窗口等参数的调整获得性能提升；如何在已有算法的基础上加入或改进节点休眠调度算法以节省能耗。

３）网络层：网络层的主要功能就是实现路由机制。无线传感器网络的主要

功能在于收集监测区域内感兴趣的数据并做出有关决策和命令，而如何将这些数据传送至基站便是一个关键。根据网络内数据通信模式的不同，涉及单播，广播和多播协议；为了保证路径信息的冗余性，除了简单的单条路径，还有多路路由的概念：为了节省能耗，在数据传输的过程中还有数据聚集的功能。

４）应用层：应用层主要提供信息采集、数据处理和查询等各种与特定应用

相关的服务。

其次，我们简单介绍几个当前研究的热点也是关键问题：

１）能量问题：能量是无线传感器网络中最为稀缺的资源，所以节能问题贯

穿网络的各个层次。

２）定位问题：定位是大多数应用，特别是军事应用的基础。在节点自身定

位方面，通行采用ＧＰＳ（ｇｌｏｂａｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）技术，但是由于ＧＰＳ系统需要人造卫星的支持，且结构复杂，成本较高，所以需要研究定位算法。文献【Ｉ昏２０Ｊ对节点定位算法进行了综述，并做了详细

的性能比较。３）网络拓扑问题：无线传感器网络的拓扑问题分为拓扑发现和拓扑控制。

拓扑发现包括给予地理信息的路由和传感器空洞的发现；拓扑控制包括网络覆盖拓扑和网络连接拓扑【２¨。网络覆盖拓扑问题需要考虑静态网络、动态网络和混合型网络下的覆盖和连通问题：而网络连接拓扑则包含了能量控制和管理机制，如节点调度问题。

４）时钟同步问题：时钟同步在所有的分布式系统中都是一个重要的问题，

在无线传感器网络中更是如此。首先，由于传感器节点相互协作工作以完成一项复杂的任务，那么就需要一定的精确度以确保获得正确及时且有效的数据；其次，传感器节点具有休眠／苏醒功能，让节点同步的遵循某个调度算法可以大幅度的减少能耗。文酬２２，２３１对已有的同步算法进行了综述。

５）安全问题：传感器网络由于其能量、存储空间、运算能力有限，不能使一４一

第一章绪论

用传统网络中对运算次数、速度要求都比较高的对称或非对称加解密算法，传统的数字签名和公钥私钥体系也不再适用于大规模的传感器网络

【２４】。而攻击者可以使用能量更充足、运算存储能力更大的节点设备进行攻击，使得相对能力较低的传感器节点的安全防御工作较为困难。在目前已经提出的各种传感器网络安全协议中，大都采用基于基站的安全模型２５１。此外，ｕｃＬＡ大学提出了分层的安全机制口６１。文献ｆ２７】对传感器网络中的安全问题进行了详细的调研。本课题正是基于这一点结合定位问题加以研究的。

６）配置问题：也叫部署问题，即通过一定的算法来布置无线传感器节点，优化现有的网络的资源，以期网络在未来的应用中利用率最大或单个任务消耗量最

小。它是无线传感器网络应用的一个最基本问题，决定着传感器节点监测物理空间的效果，进而影响传感器网络的服务质量。

１．２无线传感器网络的研究意义

无线传感器网络作为一种新型的无线通信网络，因其自身独特的特点及广泛的应用背景，具有着重要的理论和实际意义。美国《商业周刊》未来技术专版，在论述四大新技术时，也将无线传感器网络列入其中。美国《今日防务》杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。

１．２．１无线传感器网络的应用

无线传感器网络具有广泛的应用价值，像其它许多新新的技术一样，最早的传感器网络的研发基于国防角度。传感器通过通信网络相互协作，把信息传送到决策方，它可以通过多重观测、扩大探测区域、缩短响应时间等技术来提高侦察和追踪的性能。传感器网络在民生方面的应用主要有：预警系统，环境科学，医疗健康，空间探索和商业应用。下面我们将介绍一下无线传感器网络在各领域的实际运用。

１）军事应用：由于战争的伤亡性，传感器设备将取代人去执行一些危险任务，如监控我军兵力、装备和物资，监视冲突区；侦察敌方地形和布防，一ｂ一

第一章绪论

定位攻击目标等。另外与独立的卫星和地面雷达系统相比，传感器网络通过多角度和多方位信息的综合有效地提高信噪比，而卫星和地面雷达系统难以克服，而且传感器节点通过近距离的与目标接触能够获得更加精准的数据。另外，传感器网络在成本上，远低于昂贵的卫星雷达系统。２）环境科学：通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作，传感器网络

正适合解决环境科学研究中遇到的普遍问题。由普林斯顿大学电子工程系提出并实施的ＺｅｂｒａＮｅｔ【２８Ｊ工程，是无线传感器网络在野生动物研究和保

护方面的典型应用。在灾难预警方面，本人参与的国家９７３项目子课题——古建筑物保护系统，通过传感器网络获取的温度、湿度及烟雾等信息来预测建筑内火灾或受潮的可能性。类似地，传感器网络在森林火灾准确预报、及时地震预报，天气预报等都有很大的应用前景。

３）医疗健康：传感器节点小的特点在医学上有特殊的用途。台湾国立大学

开展的“ＷＨＡＭ．ＢｉｏＳ”系统【２９】涵盖了生物技术，信息技术，网络通信和纳米技术等多项前沿技术【３０１。此外，在药物管理等诸多方面也有独特的应用，其典型项目有Ｉｎｔｅｌ正在研究通过检测压力来预测初期溃疡的“ｓｍ积Ｓｏｃｋｓ”，以及通过伤口化脓情况来确定有效抗生物质的“智能绷带’’。总之，传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。

４）商业应用：智能化是社会的发展趋势，很多智能家电带有嵌入式处理器，

与执行机构组成的无线网络与Ｉｍｅｍｅｔ连接在一起将会为我们提供更加舒适、方便和具有人性化的智能家居环境。国内一些高速公路已经通过传感器网络来监测和跟踪车辆。另外，无线传感器网络在仓库管理、交互式博物馆、交互式玩具、工厂自动化生产线等众多领域都有其独特的设计和应用１３¨。

１．２．２国内外研究机构

无线传感器网络的挑战性也为研究人员提供了广阔的研究空间。目前国内外研究无线传感器网络的一些活跃的研究机构有：

加州大学洛杉机分校开发了一个无线传感器网络模拟环境，用于考察传感器网络各方面的问题，他们提出了低级通信不依赖于网络拓扑结构的分布式系一６一

第一章绪论

统技术、支持多应用传感器网络中命名数据和网内数据处理的软件结构、交换初始感知为高级数据流的层次系统结构、传感器网络的时钟同步方法等。加州大学伯克利分校开展的ＮＥＳＴ（Ｎｅ咖ｒｋｅｄＥｍｂｅｄｄｅｄＳｅｎｓｏｒＴｅ

ｃｈｎｏｌｏｇｙ）１３２】项目，包含了ｎｎｙＯＳ和ＴｉｎｙＤＢ两个子项目。ＴｉｎｙＯＳ是一个为无线传感器网络设计的开源操作系统，它的程序采用模块化设计，因此程序核心不大，能够适用于存储资源受限的传感器节点。ＴｉｎｙＯＳ本身提供了一系列的功能模块，它们之间可以进行组合并相互通信，这样程序的设计调试都变得简单方便。ＴｉｎｙＤＢ是一个从装备ＴｉｎｙＯＳ的传感器网络中抽取信息的查询处理系统。ＴｉｎｙＤＢ提供有类似于ＳＱＬ的查询接口，用户可以指定查询条件，ＴｉｎｙＤＢ从环境中收集数据并将数据返回给用户。

Ｉｎｔｅｌ公司、ＣａｎｌｅｇｉｅＭｅｌｌｏｎ大学和Ｕ．ＣＢｅｒｋｅｌｅｙ提出了无线传感器网络的系统结构，称为ＩＲＩＳ（Ｉｎｔｅｍｅｔ．ｓｃａｌｅＲｅｓｏｕｒｃｅ．ＩｎｔｅｎｓｉｖｅＳｅｎｓｏｒｓｅⅣｉｃｅ）【３３Ｊ，用ＩＲＩＳ生成一个公共的可扩展规模的软件基层结构，以解决实际应用中的各种问题。

我国无线传感网络的理论研究和算法研究起步比这些发达国家稍晚，从２００２年开始，在国家自然科学基金委的引导下，国内掀起了一个理论研究的高潮，尤其是在２００５年和２００６年的国家发改委下一代互联网ＣＮＧＩ项目以及２００６年国家９７３基础研究计划的资助下，国内对无线传感网络的研究热情空前高涨。２００６年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与无线传感网络的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。哈尔滨工业大学数据库与并行计算研究中心提出传感器网络的数据模型，并研制了一个传感器网络数据管理系统：浙江大学现代控制工程研究所成立的无线传感器网络控制实验室在传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面进行了研究；中国科学院计算技术研究所信息网络室的无线传感器项目等。

本实验室从２００３下半年成立无线传感器网络研究小组，先后开展了国家发改委ＣＮＧＩ项目的基于ＩＰｖ６的无线传感器网络环境监测系统，国家９７３项目一级子课题无线传感网络应用示范系统的研究，国家发改委第二批ＣＮＧＩ重大专项基于ＣＮＧＩ和ＷＳＮ的矿山井下定位与应急联动系统，８６３项目的具有高

可靠信息收集能力的ＷＳＮ体系结构研究，及中国科学院知识创新工程重要方向项目的无线传感器网络节点定位和目标跟踪技术研究。一７一

第一章绪论

１．３无线传感器网络安全定位的研究意义

在传感器网络中，确定节点或事件发生的位置对其监测活动至关重要，例如，目标检测和跟踪通常都是跟位置信息有关的，节点自身的准确定位可以提供监测事件或目标位置信息，对网络拓扑自配置、提高路由效率以及提供网络的覆盖质量等网络功能也有重要作用。由于节点工作区域或者是人类不适合进入的区域，或者是敌对区域，传感器节点随机地抛撒于工作区域，因此节点的位置都是随机并且未知的。然而在许多应用中，节点所采集到的数据必须结合其位置信息才有意义，否则，如果不知道数据所对应的地理位置，数据就失去意义。

可以通过全球定位系统（ＧＰＳ）获得节点位置信息，但是，在无线传感器网络中使用ＧＰＳ来获得所有节点的位置受到价格、体积、功耗以及可扩展性等因素限制，存在着一些困难。而且为每一个节点配置ＧＰＳ接收器，或手动的进行位置配置，对无线传感器网络的很多应用并不是非常有效的。因此目前主要的研究工作是利用传感器网络中少量已知位置的节点来获得其他未知位置节点的位置信息。

关于无线传感网络定位问题的研究【３４４２１，一般是在安全可信任的环境中加以考察，忽略了定位过程中的安全问题。所谓传感器网络安全定位问题【５２】，就是在可能不可信的环境中，可能受到各种网络攻击，能够有效地或者是在一定容错范围内，实现对目标的定位，监测或跟踪。

传感器网络的许多应用在很大程度上取决于网络的安全运行，一旦传感器网络受到攻击或破坏，将可能导致灾难性的后果。然而，传感器网络的开放性和无人看护性使节点的定位过程极易受到来自恶意节点或被俘获节点的攻击。针对节点定位系统的攻击主要为了使目标定位系统失效，攻击手段因系统所采用的定位技术不同具有多样性。攻击所产生的无效或错误的定位结果将可能导致严重后果（如错误监

测结果，网络功能局部或整个瘫痪等等），进而给传感器网络应用，尤其是那些位置信息具有重要作用的应用（如军事目标的监测和跟踪等），造成难以估量的重大损失。因此，如何为存在敌对可能的传感网络应用提供安全的节点定位算法，是一个亟待解决的关键问题。一８一

第一章绪论

１．４本文工作及内容安排

我们针对无线传感器网络安全定位问题，首先对前人所作的工作进行了总结和分析；其次，提出了一个分布式的安全定位机制，通过锚节点多层功率控制的非测距定位算法，实现传感器节点的定位，并通过移动验证机制实现位置校正和错误位置信息更新；最后，针对无线网络中恶意信息传播问题，利用传染病模型加以研究，并利用这一结论和不完全信息动态博弈理论，采用反定位和重定位机制实现安全定位。我们的主要工作如下：

１）对无线传感器网络中定位问题和定位中可能受到的攻击模型进行总结和分析，然后介绍了安全定位研究的相关工作；

２）我们针对无线传感器网络的定位和安全性提出了一个不基于测距的使

用移动验证的安全定位机制；

３）针对系统定位中的恶意信息传播问题，我们利用传染病模型加以研究，

采用反定位和重定位机制实现安全恢复。

本文的内容组织如下：

１）第一章为本文的绪论部分，介绍无线传感器网络的相关背景知识，分析

了无线传感器网络的研究内容和研究意义，并对当前国内外研究机构及高校的相关科研项目进行了简单介绍，最后阐明了无线传感网络安全定位问题的研究意义；

２）第二章介绍了无线传感器网络定位问题的相关背景知识，以及攻击者对

定位系统攻击模型，最后研究了目前的安全定位方面的相关工作；

３）第三章针对定位安全性，我们提出了一个不基于测距使用移动验证的安

全定位机制，通过锚节点多层功率控制的非测距算法，实现传感器节点的定位，并通过移动验证节点对位置信息校正和错误位置信息更新，分析了攻击类型和对应的安全策略，最后通过模拟实验分析了其性能；４）第四章研究了无线传感器网络定位中恶意信息传播问题，量化了攻击对

定位算法的影响，利用反定位与重定位机制，实现了一定容错范围内的安全定位，并在此基础上并结合不完全信息动态博弈理论又提出了结合反定位和重定位机制的一个安全恢复算法。

５）第五章对本文进行了总结，提出了一些有待解决的问题，并指出了一些

可继续研究下去的工作方向。一９一

第二章无线传感器网络交全定位问题相关背景知识

第二章无线传感器网络安全定位问题相关背景知识

传感器网络的许多应用都要求知道传感器节点的位置信息，例如，目标检测和跟踪通常都是跟位置信息有关的。关于节点定位系统的研究，一般是在安全可信任的环境中加以考察，并不能有效的防止各种攻击。传感器网络的许多应用在很大程度上取决于网络的安全运行，一旦传感器网络受到攻击或破坏，将可能导致系统的不可用。因此，如何为传感器网络应用提供安全的节点定位算法，是一个必须解决

的关键问题。本章首先介绍了已有的经典的传感器网络定位技术，接着分析了定位系统中可能受到的攻击类型，最后重点分层次介绍了当前的一些安全定位研究。

２．１传感器网络节点定位算法

根据具体的定位机制，可以将现有的无线传感器网络自身定位方法分为两类：基于测距的（Ｒａｎｇｅ－ｂａｓｅｄ）方法和不基于测距的（Ｒａｎｇｅ－疗ｅｅ）方法。基于测距的定位机制需要测量未知节点与锚节点之问的距离或者角度信息，然后计算未知节点的位置。而不基于测距的定位机制无需距离或角度信息，或者不用直接测量这些信息，仅根据网络的连通性等信息实现节点的定位。

２．１．１基于测距的定位方法

在基于测距定位方法中需要先得到两个节点之间的距离或者角度信息，通常采用以下方法。

１）信号强度测距法（ＲＳＳＩ）ｐ４ｊ

已知发射功率，在接收节点测量接收功率，计算传播损耗，使用理论或经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离。这样，通过测量接收信号的强度，就能计算出收发节点问的大概距离。得到锚节点与未知节点之间的距离信息后，采用三边测量法或最大似然估计法可计算出未知节点的位置。然而，上述方案只是电磁波在理想的自由空间中传播的数学模型，实际应用中的情况要复杂的一１０一

第二章无线传感器网络安全定侮问题相关背景知识

多，尤其是在分布密集的无线传感器网络中。反射、多径传播、天线增益等问题都会对相同距离产生不同的传播损耗，因此这种方法的主要误差来源是环境影响所造成的信号传播模型的复杂性。信号强度测距法通常属于一种粗糙的测距技术。

２）到达时间测距法（ＴＯＡ）ｐ５Ｊ

到达时ｌ’自Ｊ（ＴＯＡ）技术通过测量信号传播时ｌｔ日Ｊ来测量距离。在ＴＯＡ方法中，若电波从锚节点到未知节点的传播时间为，，电波传播速度为ｃ，则锚节点到未知节点的距离为ｆ×ｃ。ＴＯＡ要求接收信号的锚节点或未知节点知道信号开始传输的时刻，并要求节点有非常精确的时钟。使用ＴＯＡ技术比较典型的定位系统是ＧＰＳ，ＧＰＳ系统需要昂贵高能耗的电子设备来精确同步卫星时钟。在无线传感器网络中，节点问的距离较小，采用ＴＯＡ测距难度较大，同时节点硬件尺寸、价格和功耗的限制也决定了ＴＯＡ技术对无线传感器网络是不可行的。

３）时间差定位法（ＴＤＯＡ）１３６Ｊ

ＴＤＯＡ测距是通过计算两种不同无线信号到达未知节点的时间差，再根据两种信号传播速度来计算得到未知节点与锚节点之间的距离。ＴＤＯＡ定位与ＴＯＡ测距不同，ＴＤＯＡ定位计算两个锚节点信号到达未知节点的时问差，将其转换成到两个锚节点的距离之差，未知节点通过到多组锚节点的距离之差得出自身的位置。由于这种方法不是采用到达的绝对时问来确定节点的位置，降低了对时间同步的要求，但是仍然需要较精确的计时功能，同时由于无线传感器

网络具有分布密集和无线通信范围小的特点，这种方法实现起来难度较大。４）到达角定位法（ＡＯＡ）ｐ¨

到达角（ＡＯＡ）定位法通过阵列天线或多个接收器结合来得到相邻节点发送信号的方向，从而构成一根从接收机到发射机的方位线。两根方位线的交点即为未知节点的位置。另外，ＡＯＡ信息还可以与ＴＯＡ、ＴＤＯＡ信息一起使用成为混合定位法。采用混合定位法或者可以实现更高的精确度，减小误差，或者可以降低对某一种测量参数数量的需求。ＡＯＡ定位法的硬件系统设备复杂，并且需要两节点之间存在视距（ＬＯＳ）传输，因此不适合用于无线传感器网络的定位。

第一二章无线传感器网络安全定位问题相关背景知识

２．１．２不基于测距的定位方法

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 positi oning 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

(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

无线传感器网络安全技术综述

无线传感器网络安全技术综述 摘要：本文总结了无线传感器网络面临的安全问题，并从安全协议、安全算法、密钥管理、认证技术、入侵检测等方面分析了近年来无线传感器网络所用的安全技术。最后分析总结了无线传感器网络未来安全技术研究应该注意的地方。 关键词：安全问题协议算法认证技术入侵检测 1 引言 无线传感器网络在近些年来发展迅速，被认为是新一代的传感器网络，由于其体积小，成本低，功耗低，具有自组织网络，现已经广泛应用于军事、环境监测、交通管制、森林防火、目标定位、医疗保健、工业控制等场景[1]。 大多无线传感器网络节点被部署在无人值守或地方区域，传感器网络受到的安全威胁就变得更为突出，且由于传感器节点体积小，其储存开销、能量开销、通信开销都受到限制，所以传统无线网络的安全机制并不能完全的应用于无线传感器网络中。缺乏有效的安全机制已经成为传感器网络应用的主要障碍. 近些年来，随着无线传感器网络的发展，其安全技术也有了很大的进步。虽然传感器网络安全技术研究与传统网络有着很大的区别，但他们的出发点有相同的敌方，均需要解决信息机密性、完整性、消息认证、信息新鲜性、入侵检测等问题[2]，无线传感器网络的安全协议跟传统网络的安全协议有着其独特性也有其同性。国内外研究人员针对无线传感器网络安全协议、算法、密钥管理、认证技术、体系结构等方面都进行了大量的研究，取得了很多成果。本文将对这些已有的研究成果进行总结分析。 2 无线传感器网络安全概述 无线传感器网路安全要求是基于在传感器节点和网络本身条件限制而言的，如而节点的电池能量、睡眠模式、内存大小、传输半径、时间同步等。部署的环境也是网络安全问题的一个重要因素。 2.1网络受到的威胁和攻击 攻击是一种非法获取服务、信息，改变信息完整性，机密性的行为。无线传感

无线传感器网络定位方法综述

第36卷　增刊Ⅰ2008年　10月　华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版) J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Natural Science Edition )Vol.36Sup.Ⅰ　Oct.　2008 收稿日期:2008207215. 作者简介:郝志凯(19832),男,博士研究生,E 2mail :zk -hao @https://www.sodocs.net/doc/2f7841228.html,. 基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(2006AA11Z225);国家自然科学基金资助项目(60635010, 60605026). 无线传感器网络定位方法综述 郝志凯　王　硕 (中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室,北京100190) 摘要:介绍了国内外研究机构在无线传感器网络定位方法方面开展的研究工作,并对这些研究工作进行了归纳和总结.定位的基本方法分为距离式定位和非距离式定位.距离式定位是通过测量距离或角度进行位置估计,测量数据的精度对定位精度有很大影响.非距离式定位是通过节点间的hop 数或估计距离计算节点的坐标,这种方法不需要测量距离或角度,利用估计距离代替真实距离,算法简单但精度不高.无线传感器网络中定位方法的应用需要针对不同的应用场合,综合考虑节点的规模、成本及系统对定位精度等要求来进行设计和选择. 关　键　词:无线传感器网络;定位方法;距离式定位;非距离式定位;相对定位 中图分类号:TN919.2;TP732 文献标识码:A 文章编号:167124512(2008)S120224204 Survey on localization algorithms for wireless sensor net w orks H ao Zhi k ai W ang S huo (Laboratory of Complex Systems and Intelligence Science ,Institute of Automation , Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100190) Abstract :Current researches in wireless sensor networks (WSNs ′ )localization algorit hms are int ro 2duced ,and t hese researches are analyzed and concluded.The p recision of t he nodes ′locations are im 2portant for t he data ′s effectiveness in WSNs ′.The localization algorit hms are divided into range 2based and range 2free.Range 2based algorit hms use t he measured distance and angle to calculate t he nodes ′coordinates.However ,t he range 2f ree researches use hop s or evaluated distance to localization ,which are simple but low 2precision.In different occasions ,t he algorit hm should be taken account in t he net 2work ′s size ,co st ,p recision and so on. K ey w ords :wireless sensor networks (WSNs ′ );localization ;range 2based ;range 2f ree ;relative po sitio 2ning 目前广泛使用的全球卫星导航定位系统GPS 可用来确定携带者的绝对位置,但不适合在 无线传感器网络中大量使用.主要有以下原因[1]:a .成本高.无线传感器网络中的节点数量多、分 布密集,如果各节点都配备GPS 接收器成本很高;b .能源限制.网络中的节点通常是通过内部电池进行供电,由于其工作环境有时在森林、山地等人迹罕至的地方,对其进行电源更换困难;c .工作环境限制.节点有时会分布在室内等电磁 波较难到达的环境中,这种工作环境下GPS 无法完成定位任务;d .尺寸较大.由于上述种种原因使得GPS 不能广泛用在无线传感器网络系统的节点上,这就需要发展适合于无线传感器网络应用的节点定位方法. 鉴于无线传感器网络节点在能耗、计算能力、通信能力等方面的限制,其节点的定位方法应该具有分布式、低复杂性、精度较高、通用性较好等特点,国内外的研究机构已开展了大量工作[2～9].

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。

无线传感器网络安全技术

无线传感器网络安全技术Last revision on 21 December 2020

无线传感网络设计报告 题目无线传感器网络安全设计 报告人 指导老师 二○一六年十二月 无线传感器网络安全技术 摘要：针对目前库在未来的几十年里，传感器网络作为首要的技术的出现给许多研究拘束人员带来了很多挑战。这些传感器网络由大量的同质节点，这些节点可以用来限制计算机的资源。现实生活中的很多应用在传感器网络的研究文献中被提出来。当传感器网络部署在一个意想不到的或敌对的环境中，安全问题成为一个重要的关注点，因为这些安全问题都来自不同类型的恶意攻击。在本文中，我们目前的关于无线传感器网络安全问题的调查、网络受到的攻击还有相应的对策以及对未来工作范围的都有了很好结论和概述。 关键字：无线传感器网络；安全；威胁；危险 1 引言 传感器网络监控物理或环境条件如温度、声音、压力、湿度等。传感器网络由大量的低功率、低成本的智能设备与极端的资源约束。每个设备是称为传感器节点,每个节点连接到一个有时几个传感器节点。它具有无线通信的能力和一些情报信号处理和数据网络。这些传感器节点通常是在各种随机方向地区收集数据、过程数据并将其传递给中央节点进行进一步处理。每个传感器节点由三个子系统组成:传感器子系统、处理子系统和通信子系统。传感器子系统用于传感环境。处理子系统用于执行当前计算数据感知和负责通信子系统与邻近的传感器节点的信息交换。 传感器网络在许多应用程序中使用。这些应用程序包括：

1)军事应用,如监测出对方是否是友好的和设备、军事影院或战场监测、核、生物和化学攻击检测。 2)环境应用程序等小气候、森林火灾探测、精确农业和洪水检测。 3)应用程序,如跟踪和健康监控，医生对在医院的病人进行药物生理数据的管理、远程监控。 4)家庭应用,如食品自动化的环境,自动抄表等。 5)环境等商业应用控制在工业办公楼和车辆跟踪和检测、库存控制、交通流监测 [1]。 2 传感器节点的体系结构 传感器节点是无线传感器的重要组成部分。通过网络可以收集传感器和执行一些计算的信息和其他结果网络中连接节点沟通。 图1:传感器节点的体系结构 传感器节点由以下部分组成: a:控制器 它是传感器节点的大脑。它的功能是控制其它部分的传感器节点。它能够处理数据执行任务。由于其低成本,灵活地连接到其他设备,方便编程和低功耗主要在传感器微控制器作为控制器比通用微控制器节点(数字信号桌面处理器,处理器)。 b .收发器 无线传输介质可以像无线电频率(RF),光学(激光)和红外通信以不同的方式。激光有优势它只需要更少的能量,但主要缺点是它大气状况更为敏感。红外是也是一个不错的选择,但它广播有限能力。所以大部分的基础是基于射频通信。收发器的主要功能能够作为发射机和接收机。 c .外部存储器 由于成本和存储容量,使用闪存。 d .电源 电源是最重要的一个单位例如单电池可能是有限的。有些支持清除设备(如太阳能电池)。 e .传感器 任何物理变化条件下,传感器硬件设备产生可测量的数据。他们通过这可测量的数据来进行ADC模拟信号的形式然后将ADC转换成数字形式。ADC传递单片机和数字形式的数据单片机处理数据和执行一些的任务。 3 无线传感器网络的安全要求

无线传感网络的历史现状与发展趋势

无线传感网络的历史现状与发展趋势 摘要：无线传感器网络将传感器技术、通信技术、计算机技术结合在一起，具有信息采集、传输、处理的能力。传感器网络最初是由于军方的需要而发展期来的，随着传感器网络技术的逐步发展，它的应用也越来越广泛现在已从军事防御普及到社会的各个领域，本文主要介绍了无线传感网络的发展历史。研究现状以及未来的发展趋势。 关键词：无线传感网络；历史现状；发展趋势及前景 引言 科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。 无线传感的发展历史 早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。 无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展，美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其

基于arduino的无线传感器网络室内定位方法的研究大学论文

摘要 无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）是近年来迅速发展并受到普遍重视的新型网络技术，它的出现和发展给人类的生活和生产的各个领域带来了深远的影响。无线传感器网络节点定位技术是无线传感器网络应用研究的基础。目前，已有多种定位技术被应用于室内定位中，尤其是基于接收信号强度（RSSI，Received Signal Strength Indication）的定位技术以其低功耗、低成本、易于实现等优点，得到了无线传感器网络研究学者们的青睐。 本文重点研究了基于RSSI的室内定位的关键技术，主要包括定位模型分析和定位算法设计。首先，为了获得较为精确的定位，根据RSSI测距原理和无线信号传播衰减模型在设定的室内环境进行多次实验，通过计算及均值处理等方法反复调整以获得标准的定位模型参数，得到高精度的等效距离。接着，根据三边定位算法原理简化定位算法，建立更为简单的定位模型，采用双边定位得到两个可能的定位点，再利用RSSI测距原理对两个定位点进行择优选择确定定位点。最后，在Arduino开发平台上对参考节点与未知节点这两类iDuino节点的室内定位模型进行了软件开发设计和程序开发。在设定的室内环境部署iDuino节点，搭建实验定位模型，并实现了定位。 关键词：无线传感器网络，节点，室内定位，RSSI，Arduino

ABSTRACT Wireless sensor network (WSN) is developed rapidly and universally emphasized as a new network technology in recent years, the advent and development of WSN have had a profound and lasting impact on the life and all areas of production of human beings. Wireless nodes localization technology is the basis in the application and studies of wireless sensor network. There are a variety of positioning technology have been used in indoor location at present, especially the based on RSSI (received signal strength) positioning technology gets a great preference from many scholars of studies of wireless sensor network with the advantages of low power consumption, low cost and easy to realize. This paper mainly studies the key technology of indoor positioning based on RSSI, which mainly includes the positioning model analysis and positioning algorithm design. First, in order to obtain more accurate positioning, we perform several experiments according to the RSSI ranging principle and wireless signal propagation attenuation model in the setting of indoor environment, and get accurate positioning model parameters and equivalent distance by the methods of calculation and mean processing. Then, we simplify Trilateral Localization Algorithm to Bilateral Location Algorithm and establish a simpler positioning model, with which we can get two nodes of possible location, and determine the better node according to the RSSI ranging principle. At last, we make software designing and programming of these nodes that are anchor nodes and nodes of unknown on the Arduino development platform. Combined with the indoor environment we selected, we deploy the iDuino nodes and then build location model, with which we implement the location. KEY WORDS：Wireless Sensor Network，Nodes，Indoor Location，RSSI，Arduino

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

无线传感器网络概述

无线传感器网络概述 1科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代，作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，得到了极大的发展。 2目前无线网络可分为两种:一种是有基础设施的网络,需要固定基站,例如我们使用的手机，属于无线蜂窝网，它就需要高大的天线和大功率基站来支持，基站就是最重要的基础设施；另外，使用无线网卡上网的无线局域网，由于采用了接入点这种固定设备，也属于有基础设施网。 另一类是无基础设施网，又称为无线Ad hoc网络,节点是分布式的，没有专门的固定基站。 无线Ad hoc网络又可分为两类: 一类是移动Ad hoc网络(Mobile Ad hoc Network,简称MANET)，它的终端是快速移动的。一个典型的例子是美军101空降师装备的Ad hoc网络通信设备，保证在远程空投到一个陌生地点之后，在高度机动的装备车辆上仍然能够实现各种通信业务，而无需借助外部设施的支援。另一类就是我们讲的无线传感器网络,它的节点是静止的或者移动很慢。 3传感器网络的标准定义是这样的： 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，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。它的英文是Wireless Sensor Network, 简称WSN。 如图所示，大量的传感器节点将探测数据，通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。 在这个定义中，传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。 4它们分别构成了信息系统的“感官”、“大脑”和“神经”三个部分。因此说，无线传感器网络正是这三种技术的结合，可以构成一个独立的现代信息系统。 5第一阶段：最早可以追溯二十世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，这条道路是胡志明部队向南方游击队源源不断输送物资的秘密通道，美军曾经绞尽脑汁动用航空兵狂轰滥炸,但效果不大。后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。所谓“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。 这种早期使用的传感器系统的特征在于传感器节点只产生探测数据流，没有计算能力，并且相互之间不能通信。 6第二阶段是二十世纪80年代至90年代之间。 主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。 7第三阶段：21世纪开始至今。也就是本课开始介绍的911事件发生之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。 除了应用于情报部门反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室－－橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。 由于无线传感网在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，2003年美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一。 在现代意义上的无线传感网研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。在2006年我国发布的《国家中长期科学