关键词无线传感器网络;发展;组成;特点;关键技术;应用
中图分类号tp212文献标识码a文章编号1007-5739(2010)01-0016-02
随着微机电技术、无线通信技术和数字信息处理技术的发展,低成本、低功耗、多功能、小尺寸的传感节点变成现实,此类节点包含有传感、数据处理和通信功能,传感节点可以在短距离内进行通信。与传统传感器不同的是,此类传感器依赖于大量传感节点的协同工作,传感器网络是对传统传感器的一大革新[1]。传感器网络被美国的《商业周刊》评为影响21世纪的21个方面[2],被美国麻省理工学院《技术评论》评为即将改变世界的十大技术[3]。
1无线传感器网络的发展
无线传感器网络的构想最初由美国军方提出,美国国防部高级研究所计划署于1978年开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络的研究,这被看成是无线传感器网络的雏形。此后,类似的项目在全美高校间广泛展开,著名的有ucberkeley的smartdust项目、ucla的wins项目以及多所机构联合攻关的sensit计划[4]等。在这些项目取得进展的同时,其应用也从军用转向民用。在森林火灾、洪水监测等环境应用中,在人体生理数据监测、药品管理等医疗应用中,在家庭环境的智能化应用及商务应用中都已形成。
2无线传感器网络的组成
2.1无线传感器网络的节点结构
无线传感器的网络节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成(见图1)[5]。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。
2.2无线传感器网络的网络结构
传感器网络是由大量的传感节点组成,传感节点部署在检测区域的附件传感器网络结构如图2所示,传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,监测任务以及收集监测数据。
3无线传感器网络的特点
传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统,节点数目更为庞大(上千甚至上万),节点分布更为密集;由于环境影响和能量耗尽,节点更容易出现故障;环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化;另外,传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用,其次才考虑节约能源;而传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用,这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一[6]。因为无线传感器网络的节点数量巨大,每个传感节点的尺寸和成本的的限制,而且还处在随时变化的环境中,这就使它有着不同于普通传感器网络的独特“个性”。
3.1无中心和自组网特性
在无线传感器网络中,所有节点的地位都是平等的,没有预先指定的中心,各节点通过分布式算法来相互协调,在无人值守的情况下,节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没有中心,网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。
3.2网络拓扑的动态变化性
网络中的节点是处于不断变化的环境中,它的状态也在相应地发生变化,加之无线通信信道的不稳定性,网络拓扑因此也在不断地调整变化,而这种变化方式是无人能准确预测出来的。
3.3传输能力的有限性
无线传感器网络通过无线电波进行数据传输,虽然省去了布线的烦恼,但是相对于有线网络,低带宽则成为它的天生缺陷。同时,信号之间还存在相互干扰,信号自身也在不断地衰减。
3.4能量的限制
为了测量真实世界的具体值,各个节点会密集地分布于待测区域内,人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量,或者从自身以外汲取能量(如太阳能)。
3.5安全性的问题
无线信道、有限的能量,分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此,安全性在网络的设计中至关重要。
4无线传感器网络的关键技术
4.1物理层技术
无线传感器网络是一个开放系统互联,按照国际标准化组织(iso)的规定,为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做物理层。从这个定义可以看出,物理层需要承担为数据终端提供数据传输通路、传输数据和完成管理工作的职责。具体到无线传感器网络就是介质的选择、频段的选择、调制技术以及扩频技术[7]。由于是无线网络,传输介质自然要选电磁波。不过,源信号要依靠电磁波传输必须通过调制技术变成高频信号,当抵达接受端时,又通过解调技术还原成原始信号。
在物理层面上,无线传感器网络遵从的主要是ieee802.15.4标准。依照此标准,其物理层主要进行如下工作:激活和去活无线收发器,检测当前信道的能量,发送指示,信道频率的选择,数据发送与接收。ieee802.15.4标准规划了几个工作频段。其中,2.4ghz频段的物理层可提供250kb/s的数据传输率,适用于高吞吐量、低延时或低作业周期的场合;工作在869/915mhz频段的物理层则能提供20kb/s的数据传输率,适用于低速率、高灵敏度和大覆盖面积的场合。依据ieee802.15.4标准的协议被称为zigee,其传输带宽虽然不及wi-fi和bluetooth,但是能耗较低,非常适合无线传感器网络[8]。图3为各无线协议工作的频段。
4.2mac层协议
信号的传输要靠信道,因此信道也就成为了一种宝贵的资源。如何合理有效地分配信道,是数据链路层中的mac子层要解决的问题。
无线传感器网络经常使用的有3种mac协议,即传感器协议(s-mac)、分布式能量意识协议(de-mac)和协调设备协议[9]。s-mac协议通过调配节点的休眠方式来有效地分配信道;de-mac则采用周期性监听和休眠机制,避免空闲监听和串音,其目的是减少能耗和增加网络的生存周期;md协议则能为大规模、低占空比运行的节点提供不需要高精度时钟的可靠通信。总体来说,无线传感器网络的mac协议在分配信道的同时还要保证系统的能耗最低。
4.3路由协议
在具备底层传输协议的保障后,信息如何快速地从源传输到目的地是由路由协议来解决的。路由要实现2个基本功能,即确定最佳路径和通过网络传输信息。数据传输的途径存于路由表,由路由算法初始化并负责维护[8]。无线传感器网络与普通的网络不同,它具有能量受限、通信方式以数据为中心、相邻节点的数据具有相似性、拓扑结构也在不断变化等特点。与此对应,常规网络的路由并不一定能适应无线传感器网络。
4.4能量管理
能耗是无线传感器网络所面临的最大问题,因为节点长期处于无人值守的状况下,有效的能耗策略必不可少。目前最常使用的策略是休眠机制,即在节点空闲时,使其处于休眠状态,此时其能耗降到最低。但是休眠的节点在转回正常状态的时候,往往会消耗大量的能量,因此寻找合理的状态转换策略是确保休眠机制成功的关键[10]。数据融合是另一项节能技术。多个邻近节点经常会采集同样的信息,发送这些冗余信息就给系统增加了不必要的负担。因此,通过本地计算和筛选,确保发送出最有效的信息就是数据融合的任务。其他能量管理策略还有冲突避免和纠错以及多跳短距离通信等。
4.5软件支持
tinyos是ucberkeley针对其无线传感器网络节点开发的操作系统。该系统不同于传统意义上的操作系统,它更像一个编程构架,在此构架下,搭配一组必要的组件,就能方便地编译出面向特定应用的操作系统。tinyos由众多组件组成,包括了主组件、应用组件、执行组件、传感组件、通信组件和硬件抽象组件。每一个组件在其内部都封装了命令处理程序和事件处理程序,它们通过接口声明所调用的命令和将要触发的事件。调度器则负责根据任务的轻重缓急来安排系统的工作。crossbow公司生产的mica传感器平台上就使用了tinyos系统[11]。实践证明,其基本应用只占用很少的系统资源,能圆满的完成数据采集、处理和通信组网以及数据传输等任务。
5无线传感器网络的应用
关键字：无线传感器网络；安全技术；运用实践
无线传感器是一种符合无线纤细传输特点的设备，具有成本低廉、结构简单和体积小、无需展开总线安装结构，可以有效的应用到的数据信息的采集，具有较高的应用价值。针对无线传感器的有效应用，需要重视对无线传感器网络安全技术的分析，合理的对网络安全技术进行运用，尽可能的减少网络安全问题的发生，避免数据的丢失和错误，进而保障的无线传感器的功能。现阶段，无线传感器的网络安全技术种类较多，主要有安全路由技术、密钥管理技术和密码技术等，对于无线传感器网络安全具有积极的推动作用。
1无线传感器网络分析
1.1涵义
无线传感器网络与协作感知之间具有模切的联系，能在网络覆盖的区域内，完成对相关信息的采集和处理，并将这一结果发送到需求信息的区域。目前，无线传感器网络是现代常用的通讯类型，可以有效的完成信息的传递和交流。
1.2无线传感器网络结构
如下图1所示为无线传感器网络的具体节点结构图。由图可见，每一个传感器节点，均能够成为一个独立的小系统。除去节点之外，还由数据的汇聚和数据处理部分构成，保障数据的传输质量。
1.3无线传感器网络的特点
无线传感器网络的特点，是使其有效应用的基本条件。其具体的特点有：（1）规模大，通过合理的布置传感器节点，可以有效的完成对区域范围内的数据信息的采集和监控工作。（2）自行管理，无线传感器网络拥有良好的网络的配置功能，能够完成自行管理，保障信息的有效性。（3）以数据文中心，无线传感器网络是建立在数据信息的基础上，根据数据信息的基本情况，发现观察者主要是对无线传感器最终数据结果具有需求。（4）成本低廉，无线传感器网络的构建成本较低，主要是由于无线传感器的成本较低，符合具体的应用需求。
2无线传感器网络的安全问题分析
无线传感器在实际的应用中，网络安全问题对无线传感器的应具有十分不利的影响，故此，需要合理的对无线传感器网络的安全问题进行分析和解读，为无线传感器网络安全技术的合理应用提供基础。
2.1安全机制不够健全
安全机制是保障无线传感器网络合理应用的关键，由于无线传感器网络是由多个节点构成，如果节点的能量、通信方面等没有合理的展开安全机制的构建，物理安全保护效果不够理想，也就可能会导致安全隐患的影响扩大，再加上安全机制的不够健全，引起整个系统出现安全问题，影响系统的有效应用，致使信息的丢失和残缺的情况发生。
2.2能量限制
无线传感器网络构建过程中，需要合理的将各类微型传感器按照节点设计进行布置，布置完成后就不能轻易的对网络内部的传感器进行变动。而传感器在不通电的情况下，各个微型传感器就不能完成充电，而无线传感器网络应用中=传奇的没有足够的能量，也就导致传感器不能得到持续应用。另外，由于传感器网络中的部分设备具有高能耗的问题，也就会导致无线传感器网络出现能量限制问题，制约网络的安全性。
2.3通信问题
无线传感器网络需要具备稳定可靠的通信通道，但是在实际的应用中，路由的问题十分明显，主要是由于路由存在一定的延迟，而这部分延迟会导致路由出现安全问题。另外，数据传输的过程中，可能会出现数据出现被拦截的情况，也就会导致数据泄漏的情况。这类不安定的通信方式，对通信的质量具有明显的影响，制约无线传感器网络安全。
2.4节点管理问题
节点是传感器网络的中的重要部分，节点的管理内容对的无线传感器网络的安全具有直接的影响。但是，在实际的管理中，存在节点组织随机性强的问题，也就会导致，部分接电位置得不到确定，这一内容也就可能会导致相关保护工作不能得到有效的实施，严重影响无线传感器网络的安全。2.5节点量大和节点故障为了保障无线传感器网络具有较大的覆盖面积，就需要具有大量的节点，其中有部分节点处于的位置较为敏感，甚至可能布置在极端环境中，导致传感器容器容易受到外界因素的影响，这增加了节点受到恶意攻击的风险。此外，无线传感器网络，在实际的应用中，单个节点容易受到损坏，一旦单个节点受到损坏，就会导致整个无线传感器网络受到不利影响，导致安全隐患的发生。
3无线传感器网络安全技术分析
无线传感器网络安全技术对是保障网络安全的关键，而且这些技术能够对网络安全问题进行处理，避免数据丢失和损坏。
3.1路由器安全技术
路由器安全技术是保障路由器安全的重要部分。无线传感器网络构建时，路由器主要是达到节能能量的目的，保障无线传感器系统的最大化形式的体现。然而这种情况，也就会导致数据传输出现隐患，也就导致网络不能按照最初的方式进行展开。针对路由器安全技术，可以合理的对TESLA协议和SNEP协议进行应用，进而构成符合的无线传感器网络的SPINS协议，进而有效的避免信息出现的泄露的情况，进而增加系统的防御能力，保障网络的安全与稳定。
3.2密钥管理安全技术
管理密钥是提升无线传感器网络安全的重要网络安全技术。通过自动生成密钥的方式，完成对系统的加密。但是，在实际的无线传感器网络中，而这一周期中，可能会出现薄弱环节，也就会导致信息泄露的情况发生。现阶段，针对无线传感器网络的密钥管理安全技术主要有：（1）对称密钥管理，这类加密方式主要是建立在共同保护的基础上，并通过设定防止密钥丢失的程序，并根据公开密钥加密技术，提升密钥管理的有效性。（2）节点密钥共享技术，在实际传感器网络中，通过节点间的网络共享的方式，可以使得节点对基站的依赖性小，且复杂程度低，并保障两个节点受到威胁，也不会导致其他不会产生密钥泄漏的情况。（3）加密算法的有效应用，通常情况下加密算法和氛围加密算法、非对称加密算法。（4）概率性的分配模式，这类分配模式，根据一课可以计算的概率，完成对密钥的分配，属于中非常确定的方式。
3.3密码技术
密码技术主是完成对使无线传感器网络中一些不安定的特性进行控制，采用密码的方式，减少系统的安全问题。密码可以采用自定的形式和随机生成的形式，其中密码安全技术主要取决于密码的复杂程度，密码复杂程度越高，密码丢失的可能性越低。鉴于密码技术的功能性，密码技术可以广泛的应用到无线传感器网络安全问题的处理中。针对不同通信设备的基本情况，合理的展开的密码技术，如：节点设备的通信可靠性不能得到有效的应用，密码技术体现出较好的优势，而且由于密码技术的成本较低，且保密的效果较为理想，故此，可以广泛的应用到无线传感器网络中。
3.4安全数据的融合
安全数据的融合同样是无线传感器网络安全技术中的重要组成部分，这一技术主要应用于的数据传输的过程中。由于无线传感器网络主要是用到大量的数据。如果不能有效的对数据进行控制，也就可能会导致数据的流失和损坏的现象明显。故此，可以采用安全数据的融合技术，严格的控制数据的安全融合，进而使得数据在传输过程中，不会出现丢失和流失的现象，增加数据信息的安全性和真实性。
3.5无线传感器网络各层的安全技术的运用
针对无线传感器网络的物理层、网络层和应用层、传输层等部分合理的展开安全保护，物理层可以通过主动篡改保护和被动篡改保护两中，有效的避免物理层的攻击，网络层需要通过合理的对路由安全协议进行设计，网络层的安全。应用层，需要通过恶意节点检测和孤立、密码技术等。针对传输层，可以采用认证和客户端谜题、安全数据的融合等方式。通过对无线传感器网络各个层的安全技术进行应用，保障无线传感器的稳定运行，有效的规避网络安全问题。
4结语
无线传感器网络是现代人们生活中的重要问题，是便利人们生活的重要途径。无线传感器网络在实际的应用中，可能会出现一些安全问题，导致安全隐患的发生。为此，需要合理的对无线传感器网络安全技术进行分析，再合理的应用，保障无线传感器网络的安全性。（1）无线传感器网络在实际的应用中，具体的问题主要体现在安全机制不够健全、能量限制、通信问题、节点管理问题、节点量大和节点故障。（2）针对无线传感器网络安全问题，需要合理安全路由技术、安全认证技术、安全数据融合技术。另外，针对无线传感器网络的入侵，需要合理的对入侵检测技术进行应用，有效的发现网络中的安全问题。（3）无线传感器网络中的节点问题，需要重视对节点的管理工作，尽可能的控制节点的能量限制和物理损坏情况。
参考文献
[1]刘昌勇,米高扬,胡南生.无线传感器网络若干关键技术[J].通讯世界,2016,08:23
[2]朱锋.无线传感器网络安全技术及应用实践探微[J].无线互联科技,2016,14:30-31
[3]袁玉珠.无线传感器网络安全协议及运用实践[J].电子技术与软件工程,2016,16:215
关键词无线传感器网络;发展;组成;特点;关键技术;应用
中图分类号tp212文献标识码a文章编号1007-5739(2010)01-0016-02
随着微机电技术、无线通信技术和数字信息处理技术的发展,低成本、低功耗、多功能、小尺寸的传感节点变成现实,此类节点包含有传感、数据处理和通信功能,传感节点可以在短距离内进行通信。与传统传感器不同的是,此类传感器依赖于大量传感节点的协同工作,传感器网络是对传统传感器的一大革新[1]。传感器网络被美国的《商业周刊》评为影响21世纪的21个方面[2],被美国麻省理工学院《技术评论》评为即将改变世界的十大技术[3]。
1无线传感器网络的发展
无线传感器网络的构想最初由美国军方提出,美国国防部高级研究所计划署于1978年开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络的研究,这被看成是无线传感器网络的雏形。此后,类似的项目在全美高校间广泛展开,著名的有ucberkeley的smartdust项目、ucla的wins项目以及多所机构联合攻关的sensit计划[4]等。在这些项目取得进展的同时,其应用也从军用转向民用。在森林火灾、洪水监测等环境应用中,在人体生理数据监测、药品管理等医疗应用中,在家庭环境的智能化应用及商务应用中都已形成。
2无线传感器网络的组成
2.1无线传感器网络的节点结构
无线传感器的网络节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成(见图1)[5]。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据;能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量。
2.2无线传感器网络的网络结构
传感器网络是由大量的传感节点组成,传感节点部署在检测区域的附件传感器网络结构如图2所示,传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,监测任务以及收集监测数据。
3无线传感器网络的特点
传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统,节点数目更为庞大(上千甚至上万),节点分布更为密集;由于环境影响和能量耗尽,节点更容易出现故障;环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化;另外,传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用,其次才考虑节约能源;而传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用,这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一[6]。因为无线传感器网络的节点数量巨大,每个传感节点的尺寸和成本的的限制,而且还处在随时变化的环境中,这就使它有着不同于普通传感器网络的独特“个性”。
3.1无中心和自组网特性
在无线传感器网络中,所有节点的地位都是平等的,没有预先指定的中心,各节点通过分布式算法来相互协调,在无人值守的情况下,节点就能自动组织起一个测量网络。而正因为没有中心,网络便不会因为单个节点的脱离而受到损害。
3.2网络拓扑的动态变化性
网络中的节点是处于不断变化的环境中,它的状态也在相应地发生变化,加之无线通信信道的不稳定性,网络拓扑因此也在不断地调整变化,而这种变化方式是无人能准确预测出来的。
3.3传输能力的有限性
无线传感器网络通过无线电波进行数据传输,虽然省去了布线的烦恼,但是相对于有线网络,低带宽则成为它的天生缺陷。同时,信号之间还存在相互干扰,信号自身也在不断地衰减。
3.4能量的限制
为了测量真实世界的具体值,各个节点会密集地分布于待测区域内,人工补充能量的方法已经不再适用。每个节点都要储备可供长期使用的能量,或者从自身以外汲取能量(如太阳能)。
3.5安全性的问题
无线信道、有限的能量,分布式控制都使得无线传感器网络更容易受到攻击。被动窃听、主动入侵、拒绝服务则是这些攻击的常见方式。因此,安全性在网络的设计中至关重要。
4无线传感器网络的关键技术
4.1物理层技术
无线传感器网络是一个开放系统互联,按照国际标准化组织(iso)的规定,为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做物理层。从这个定义可以看出,物理层需要承担为数据终端提供数据传输通路、传输数据和完成管理工作的职责。具体到无线传感器网络就是介质的选择、频段的选择、调制技术以及扩频技术[7]。由于是无线网络,传输介质自然要选电磁波。不过,源信号要依靠电磁波传输必须通过调制技术变成高频信号,当抵达接受端时,又通过解调技术还原成原始信号。
在物理层面上,无线传感器网络遵从的主要是ieee802.15.4标准。依照此标准,其物理层主要进行如下工作:激活和去活无线收发器,检测当前信道的能量,发送指示,信道频率的选择,数据发送与接收。ieee802.15.4标准规划了几个工作频段。其中,2.4ghz频段的物理层可提供250kb/s的数据传输率,适用于高吞吐量、低延时或低作业周期的场合;工作在869/915mhz频段的物理层则能提供20kb/s的数据传输率,适用于低速率、高灵敏度和大覆盖面积的场合。依据ieee802.15.4标准的协议被称为zigee,其传输带宽虽然不及wi-fi和bluetooth,但是能耗较低,非常适合无线传感器网络[8]。图3为各无线协议工作的频段。
4.2mac层协议
信号的传输要靠信道,因此信道也就成为了一种宝贵的资源。如何合理有效地分配信道,是数据链路层中的mac子层要解决的问题。
无线传感器网络经常使用的有3种mac协议,即传感器协议(s-mac)、分布式能量意识协议(de-mac)和协调设备协议[9]。s-mac协议通过调配节点的休眠方式来有效地分配信道;de-mac则采用周期性监听和休眠机制,避免空闲监听和串音,其目的是减少能耗和增加网络的生存周期;md协议则能为大规模、低占空比运行的节点提供不需要高精度时钟的可靠通信。总体来说,无线传感器网络的mac协议在分配信道的同时还要保证系统的能耗最低。
4.3路由协议
在具备底层传输协议的保障后,信息如何快速地从源传输到目的地是由路由协议来解决的。路由要实现2个基本功能,即确定最佳路径和通过网络传输信息。数据传输的途径存于路由表,由路由算法初始化并负责维护[8]。无线传感器网络与普通的网络不同,它具有能量受限、通信方式以数据为中心、相邻节点的数据具有相似性、拓扑结构也在不断变化等特点。与此对应,常规网络的路由并不一定能适应无线传感器网络。
4.4能量管理
能耗是无线传感器网络所面临的最大问题,因为节点长期处于无人值守的状况下,有效的能耗策略必不可少。目前最常使用的策略是休眠机制,即在节点空闲时,使其处于休眠状态,此时其能耗降到最低。但是休眠的节点在转回正常状态的时候,往往会消耗大量的能量,因此寻找合理的状态转换策略是确保休眠机制成功的关键[10]。数据融合是另一项节能技术。多个邻近节点经常会采集同样的信息,发送这些冗余信息就给系统增加了不必要的负担。因此,通过本地计算和筛选,确保发送出最有效的信息就是数据融合的任务。其他能量管理策略还有冲突避免和纠错以及多跳短距离通信等。
4.5软件支持
tinyos是ucberkeley针对其无线传感器网络节点开发的操作系统。该系统不同于传统意义上的操作系统,它更像一个编程构架,在此构架下,搭配一组必要的组件,就能方便地编译出面向特定应用的操作系统。tinyos由众多组件组成,包括了主组件、应用组件、执行组件、传感组件、通信组件和硬件抽象组件。每一个组件在其内部都封装了命令处理程序和事件处理程序,它们通过接口声明所调用的命令和将要触发的事件。调度器则负责根据任务的轻重缓急来安排系统的工作。crossbow公司生产的mica传感器平台上就使用了tinyos系统[11]。实践证明,其基本应用只占用很少的系统资源,能圆满的完成数据采集、处理和通信组网以及数据传输等任务。
5无线传感器网络的应用
商业化的无线传感器产品中最常见的就是智能节点。ucberkeley是无线传感器研究开展较早的美国高校。基于他们研发成果的无线传感器器件被称为mote,这也是目前最为整理的一种无线传感器网络产品,是由crossbow公司生产的。最基本的mote组件是mica系列处理器+无线模块,完全符合ieee802.15.4标准。最新型的mica2可以工作在868/916、433、315mhz3个频带,数据速率为40kb/s,通信范围可达304.8m。其配备了128kb的编程用闪存和512kb的测量用闪存,4kb的eeprom,串行通信接口为uart模式。著名的芯片公司ti也推出了基于其低功耗处理器msp430单片机的无线传感器网络的组件和模块。
从应用的情况来看,北美的状况最好,在楼宇自动化、环境监控等方面,无线传感器网络已经开始大范围应用。但对于整理
6参考文献
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关键词：智能电网；无线传感器网络；应用
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.08.175
0引言
随着我国社会及经济的迅猛提升，用户需求的多样化，电力系统受到了越来越多的挑战，不仅要满足用户对安全性要求越来越高的需要，还要满足用户对用电的时段需要，以及互动方面的需求。面对这些需求，过去的电网系统很难满足，而智能电网的出现，很好的适应了当前新形势下对电力的需求。智能电网与很多产业都有关联，例如通信产业、能源产业、传感器和检测产业以及新材料和IT产业等。其中，最为基础和关键的技术要输通信技术以及微传感器网络。从电力系统的分布来看，不论是在城市，孩子在乡村，每个角落都有配电网络和输出网络，因此，了解各个点力参数有助于对局部电网的运行状况及时有效的了解，进而对电力资源进行调整，合理的进行分配，从而更为有效的对电力资源进行利用。通过对各种物联网传感器进行利用，电力企业对电网里的配电、发电，以及输电和供电等设备时时进行检测，了解其运行状况，促进对远程设备监控能力的提升，进而可以对故障现象及时的发现，对故障区域迅速的做好定位，提升电网的质量。作为消费者和电力运营双方之间连接的平台，智能电网能够对两者的关系进行有效的协调。从电力企业方面来看，能够对用户的用电信息自动进行采集，同时进行相应的统计和分析，从而为其营销运行奠定基础，并为电力建设的决策提供参考，从而可以对需求真正的做到智能化管理。从消费者方面来看，能够通过传感器网络对自己家的用电情况更好的了解，还能够使智能电表与家用电器之间进行互联，进而使家居实现智能化，达到对电力使用的安全、可靠、经济和互动。
1智能电网以及无线传感器网络的概况
1.1智能电网介绍
所谓智能电网，是结合其所处在的实际环境的需要，同时将其具有的实际的物理电网作为基础而构建的（总体结构见图1），其把互联网通信技术和电网系统进行结合，并将其当做最为重要的核心，进而通过互联的方式实现电网的智能化。智能电网是聚集了很多前沿理论的技术，是对传统电网进行的更新和升级，能够实时的对电力系统进行保护、控制、测量和监测的一种电力设施，从而确保更加的经济、安全、环保和可靠，进而达到人们期待的智能电网的需求。传感技术、通信技术、状态检测以及测量和计算技术等都是智能电网的核心支撑技术。为了最大程度的使运营成本减少，使得智能电网的运营与管理得到全面的优化，促进其可靠性的提升，设计者在智能电网中引入了传感器，利用传感器，有机的将各种物理设备进行结合，从而构建一个把电力消费者和各种服务，包括其他设备进行结合的一个规模较大的网络，进而能够更为智能、人性化的对信息数据进行采集和分析。
图1表示智能电网总体的结构。
1.2无线传感器网络概况
从当前来看，在社会科学研究当中，无线传感器网络成为大家探究的新热点，不仅和多个领域进行融合和相交，同时在很多方面使需要进一步进行研究和开发的一种应用型技术。随着电池技术、通信技术以及微制造行业的迅猛发展，传感器结点在发展性能等很多方面也越来越完善。从特征上来看，无线传感器网络具有以下几方面的特点：首先，无线传感器是将数据作为中心的一个对等性的网络；其次，在硬件资源上具有一定的局限性；再次具有动态性的网络拓扑；第四，在传输能力以及能源上具有一定的局限性能源的有限性；具有安全上的潜在威胁等。因此，在对无线传感器网络进行设计的时，相关人员一定要对各种基本的技术充分的给予考虑，这时确保网络功能可以正常运行，传感器网络可以实现任务的基础。
2智能电网中无线传感器的应用
2.1无线传感器在对设备进行状态检修中的应用
从当前来看，远程控制系统和监视是促进电力企业资产运作以及管理水平提升的关键，通过传感器对电力设备进行的检测，能够通过获取信息数据而实现在线监控设备的运行状态，再利用通信网络将获取的信息数据传送给状态监测中心，之后利用监测中心所做出的状态评估，结合其实际的情况而对设备是否要进行替换或进行修理进行确定。如果发现设备发生故障，状态监测中心要立刻向维修人员提示，协助维修人员进行操作和优化，进而使维修成本达到最小化，停电的时间最短。通常来看，因为要在设备的内部对状态传感器进行维护，所以从工作环境上来看，是十分复杂的。在这样的环境当中，过去的有线通信设备不够方便，也不够灵活，因此安装起来不是十分的方便。但无线传感器网络则是多变灵活、不用进行布线，所以能够在对设备状态进行检修时就可以更好的使作用得以发挥。
2.2无线传感器在对分布式母线进行保护中的具体应用
为了能够保证用户的供电质量，可靠性的配电网非常的重要。随着对电力市场开拓的越来越深入，为确保配电网具有更高的可靠性，目很多电力用户都希望在配电网中装入母线保护装置。母线作为其中非常重要的构成部分，其是否具有稳定的工作状态对于整个电力系统是否具有可靠性具有直接的影响。然而处于成本的原因，电力企业通常不会单独的对母线保护进行设置，而是由发电机过流或是变压器来对隔离配电网的母线故障进行保护。从目前来看，通信网络中所采用的主要是有线进行传输的方式，但是因为布线的不灵活，使得组网比较困难，因此越来越多的研究人员开始在分布式母线保护当中引入无线传感器网络。如果母线在连接时很容易改变、出线较多，且距离较短时，这时就比较适宜将无线传感器网络作为前提而构建的分布式母线保护。
2.3无线传感器在电网灾变里的应用
在电网灾变中，无线传感器具有许多的应用，例如，在对冰灾进行监测时，预警系统会结合目标，根据本地具体的地理状况和杆塔的类型，在让系统覆盖范围得以满足的基础上，挑选一个最为合适的地方作为传感器应用的节点。最先考虑的是成本的最优，其次是对传感器节点进行合理部署。而以无线传感器网络作为基础的冰灾监测预警系统，是利用无线网络多跳路由，将从系统各杆塔上获取的监测数据信息传递给监控中心，之后监控中心再进一步对数据进行处理和分析。
2.4无线传感器网络在智能家居和计量里的具体应用
根据传统的思维概念，对电量进行统计就是要通过电表来进行，之后在结合电表中显示的数值计算电费。从电力企业和消费者双方而言，所获得的数据就是一个家庭或是一个用户的用电数量，因此从精细度上来看，明显不够，所包括的数据信息也显然不足，其中有很多隐藏的数据未能真实的获得。而将来的智能计量，会是对传统概念的颠覆，通过给用户安装智能电表，能够很好的避免窃电，能够获得比过去更为精准、全面和用电数据，同时还能够对负载情况有一个实时和细致的了解。而从电力消费者角度而言，智能计量管理系统的引入，会让电力用户具有较强的体验性，进而能够很好的调动其积极性，同时还可以使用户可以真实的了解用电情况，有针对性的调节自己的生活，关闭不必要的电子设备，进而实现能耗减低的目的。此外，无线传感器网络的应用还能够促使更多的设备制造企业对智能家居产品进行研发。例如，可以对远程监控系统进行开发，实现对家电设备的远程控制，将智能电表和电冰箱、热水器进行连接，这样用户就能够通过通信网络实现对家电设备的距离控制，例如想一到家能够洗到热水澡，就可以在下班前对热水器进行设置等等，进而可以对电力进行更好的更有效的作用，从而构建舒适的智能家居环境。
3结语
总之，智能电网是当前产业发展中受到较大关注的领域，伴随电力市场的迅猛发展，越来越成熟的无线传感器网络技术因为其所具有的优势，必然会具有更好的发展空间，受到更多的关注和应用。
参考文献：
[1]杜加根.无线传感器网络在智能电网中应用的研究[D].武汉理工大学，2011.
[2]董浩.无线长安其网络在智能电网中的应用研究[D].南京邮电大学，2014.
摘要：滑坡是一种严重的地质灾害，对居住在山区的人们的生命和财产造成严重的威胁，滑坡监测系统可采用ZigBee无线传感器网络技术和北斗卫星相结合对滑坡的状态进行监测。文章介绍了基于ZigBee无线传感器技术的滑坡监测系统的实际应用方法，研制了包括普通节点和网关节点、面向滑坡监测的无线传感器网络节点，从而完成了滑坡参数的实时采集和传输。
关键词：ZigBee；CC2530；无线传感器网络；滑坡监测
中图分类号：TP302文献标识码：A文章编号：2095-1302（2013）05-0029-03
0引言
无线传感器网络诞生于20世纪70年代，经过30多年的发展，无线传感器网络的应用逐渐转向民用，在河流、森林的环境监测中，在建筑环境的智能化应用中，以及在一些无法放置有线传感器的工业环境中，都已经出现了它的身影。无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）系统在当前备受关注，综合了传感器技术、现代网络技术及无线通信技术、分布式信息处理技术等。它是一种全新的信息获取技术，可实时采集监测区域内各对象的检测参数，并将这些数据发送到协调器节点，实现复杂监测区的目标检测与跟踪，并能够快速组网，而且拥有很强的抗毁性，因此其应用前景非常广泛。
1传输系统工作原理
1.1无线传感器网络的网络节点
无线传感器网络中数以千计的传感器节点被散布到监测区域内，节点相互之间以自组织的方式构成庞大的无线传感器网络。各节点之间通过协同去冗余的工作方式负责监测区域内的数据采集任务，然后采用多跳、中继等方式将信息传送到汇聚节点处，再由汇聚节点将信息集中传送至用户，以进行数据处理或对节点进行实时的控制或操作。图1所示是一个无线传感器网络的体系结构。
图1无线传感器网络体系结构
由于无线传感器网络所处环境的影响，节点一般都是采用能量有限的电池进行供电，所以其数据存储和处理能力以及通信能力就会受到制约。从整个网络来看，每个传感器节点都具有网络节点和路由的双重“身份”，除了能完成数据采集和处理任务外，还能够将其他节点转发过来的数据信息进行存储、融合等处理。
1.2无线传感器的节点结构
作为网络基本组成单元的无线传感器节点结构如图2所示，该结构也叫测试节点结构，主要由数据采集、处理、无线传输和电源四个部分组成。数据采集单元由各种传感器对监测区域内待测对象的信息进行采集；数据处理单元实现数据的存储、处理分析等功能；无线传输模块负责节点间的通信和数据传输；能量模块负责对传感器节点进行能量供应。当然，根据需要还会有其他扩展的功能模块，如北斗传输模块等。
图2测试节点结构
1.3无线传感器网络的选择
ZigBee无线传感器网络是基于IEEE802.15.4技术标准和ZigBee网络协议而设计的无线数据传输网络。传输距离为中短距离；传输速率低；通信可靠，采用碰撞避免机制，节点之间具有自动组网功能；短的时延，只有15～30ms；免收专利费的ZigBee协议大大降低了开发成本；自配置、自组网；大容量的网络，整个网络可达到64000个节点；通过工作和休眠模式实现长时间的监测。
ZigBee无线传感器网络由监控机、网关、路由节点和传感器节点4部分组成，图3所示是ZigBee网络的组成。据此，用户可以很方便地实现传感器网络的无线化和网络化。
图3ZigBee网络组成
2无线传感器系统硬件设计
2.1无线传感器核心控制器选择
本设计采用CC2530芯片作为数据采集模块的处理器。CC2530的优势在于其集成度高，可支持多种不同应用，价格低廉，支持多种协议，具有业界最佳的RF共存性以及选择性，在最小化干扰源影响的同时最大化稳健通信范围。CC2530模块可视通信距离最远可达400m（实测）。
CC2530芯片是一种集成度较高的芯片，其电路相对很简单，最小系统所需器件很少，所以用CC2530芯片进行无线传感器网络的设计就相对简单。
2.2网络节点的硬件组成
2.2.1传感器节点设计
每个传感器节点包含孔隙水压力传感器、土壤水分传感器与倾角传感器元件、检波器、CC2530无线传感器处理收发模块、接口处理采集板和电池组。
2.2.2网关节点设计
网关节点的硬件结构示意图如图4所示，网关节点也是由CC2530芯片构成，通过RS232连接TSS-0-03嵌入式北斗模块。另外，一个雨量计与网关节点连接，采集本地区的降雨量。网关节点将ZigBee网络采集到的数据进行缓存，并且定期将数据通过北斗卫星上传到监测中心，实现远距离通信。
图4网关节点结构示意图
2.2.3路由节点设计
路由节点的硬件设计和传感器采集节点的结构差不多，只是没有接传感器，由电源、CC2530芯片和天线组成。在网关不能与所有的传感器节点通信时，它作为一种中介使网关和传感器节点通信，实现路由通信功能。路由节点将来自传感器节点的数据传输到网关节点。当路由节点由于电池耗尽或故障，或是有新节点加入时，路由节点将重新选择路由链路。
3无线传感器系统软件设计
3.1网关节点程序设计
网关节点上电启动后，首先进行初始化，并自动建立了一个新的网络，这样其他节点上电后就可以自动加入到这个网络中。节点加入后给节点分配网络地址，然后对连接的北斗模块进行初始化。当收集到ZigBee网络传来的数据时进行ZigBee协议数据解包放入缓存区，通过RS232传送数据到北斗模块，再由北斗模块发送至监测中心。图5所示是网关节点的程序流程。
图5网关节点程序流程图
3.2采集节点程序设计
传感器节点上电后，进行节点初始化并向网关节点发送入网请求，加入成功后，进入休眠状态。按设定的时间对滑坡参数进行采集，然后向网关发送采集数据。也可以接收来自网关的命令，按照命令进行相应的动作。图6为传感器节点的程序流程。
4结语
本文对滑坡监测系统的Zigbee无线传感器网络提出了设计方案，研究了面向滑坡监测的无线传感器网络节点，包括普通节点和网关节点，完成了滑坡参数的实时采集和传输，为推进我国滑坡监测工作的信息化、自动化与智能化提供了一种有效的新思路。
参考文献
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[3]孙旭光，高方平，陈丹琪，等.基于无线传感器网络的防盗监测系统设计[J].传感器与微系统，2009，28（10）：67-69.