文章插图
·物理层提供简单但健壮的信号调製和无线收发技术；·数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制；·网路层主要负责路由生成与路由选择；·传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；·套用层包括一系列基于监测任务的套用层软体；·能量管理器管理感测器节点如何使用能源，在各个协定层都需要考虑节省能量；·移动管理器检测并注册感测器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得感测器节点能够动态跟蹤其邻居的位置；·任务管理器在一个给定的区域内平衡和调度监测任务 。经过十几年发展，已出现了大量的WSN协定，如MAC层的S-MAC、T-MAC、BMAC、XMAC、ContikiMAC等，路由层的AODV、LEACH、DYMO、HiLOW、GPSR等 。不过这些均属于私有的协定，均针对特定的套用场景进行最佳化，适用範围较窄，由于缺乏标準，推广十分困难，对产业化十分不利 。面对这种情况，国际标準化组织参与到无线感测器网路的标準制定中来，希望通过共同努力，制定出适用于多行业的、低功耗的、短距离无线自组网协定 。WSN相关的标準有：①IEEE 802.15.4, 属于物理层和MAC层标準，由于IEEE组织在无线领域的影响力，以及TI, ST, Ember, Freescale, NXP等着名晶片厂商的推动，已成为WSN的事实标準 。②Zigbee, 该标準在IEEE 802.15.4之上，重点制定网路层、安全层、套用层的标準规範，先后推出了Zigbee 2004, Zigbee 2006, Zigbee 2007/ Zigbee PRO等版本 。此外，Zigbee联盟还制定了针对具体行业套用的规範，如智慧型家居、智慧型电网、消费类电子等领域，旨在实现统一的标準，使得不同厂家生产的设备相互之间能够通信 。值得说明的是，Zigbee在新版本的智慧型电网标準SEP 2.0已经採用新的基于IPv6的6Lowpan规範，随着智慧型电网的建设，Zigbee将逐渐被IPv6/6Lowpan标準所取代 。与zigbee类似的标準还有z-wave、ANT、Enocean等，相互之间不兼容，不利于产业化的发展 。③ISA100.11a, 国际自动化协会ISA下属的工业无线委员会ISA100发起的工业无线标準 。④WirelessHART, 国际上几个着名的工业控制厂商共同发起的，致力于将HART仪表无线化的工业无线标準 。⑤WIA-PA, 中国科学院瀋阳自动化所参与制定的工业无线国际标準 。此外，网际网路标準化组织IETF也看到了无线感测器网路(或者物联网)的广泛套用前景，也加入到相应的标準化制定中 。以前许多标準化组织认为IP技术过于複杂，不适合低功耗、资源受限的WSN，因此都是採用非IP技术 。在实际套用中，如Zigbee需要接入网际网路时需要複杂的套用层网关，也不能实现端到端的数据传输和控制 。IETF和许多研究者发现了存在的这些问题，尤其是Cisco的工程师基于开源的uIP协定实现了轻量级的IPv6协定，证明了IPv6不仅可以运行在低功耗资源受限的设备上，而且，比zigbee更加简单，彻底改变了大家的偏见，之后基于IPv6的无线感测器网路技术得到了迅速发展 。IETF已经完成了核心的标準规範，包括IPv6数据报文和帧头压缩规範 6Lowpan、 面向低功耗、低速率、链路动态变化的无线网路路由协定 RPL、以及面向无线感测器网路套用的套用层标準CoAP，相关的标準规範已经发布 。IETF已组织成立了IPSO联盟，推动该标準的套用，并发布了一系列白皮书 。IPv6/6Lowpan已经成为许多其它标準的核心，包括智慧型电网 zigbee SEP2.0、工业控制标準ISA100.11a、有源RFID ISO1800-7.4（DASH） 等 。IPv6/6Lowpan具有诸多优势： 可以运行在多种介质上，如低功耗无线、电力线载波、WiFi和乙太网，有利于实现统一通信；IPv6可以实现端到端的通信，无需网关，降低成本；6Lowpan中採用RPL路由协定，路由器可以休眠，也可以採用电池供电，套用範围广，而Zigbee技术路由器不能休眠，套用领域受到限制 。6Lowpan已经有了大量开源软体实现，最着名的是Contiki、TinyOS系统，已经实现完整的协定栈，全部开源，完全免费，已经在许多产品中得到套用 。IPv6/6Lowpan协定将随着无线感测器网路以及物联网的广泛套用，很可能成为该领域的事实标準 。安全需求由于WSN使用无线通信，其通信链路不像有线网路一样可以做到私密可控 。所以在设计感测器网路时，更要充分考虑信息安全问题 。手机SIM卡等智慧卡，利用公钥基础设施(Public Key Infrastructure, PKI)机制，基本满足了电信等行业对信息安全的需求 。同样，亦可使用PKI来满足WSN在信息安全方面的需求 。(1) 数据机密性数据机密性是重要的网路安全需求，要求所有敏感信息在存储和传输过程中都要保证其机密性，不得向任何非授权用户泄露信息的内容 。(2)数据完整性有了机密性保证，攻击者可能无法获取信息的真实内容，但接收者并不能保证其收到的数据是正确的，因为恶意的中间节点可以截获、篡改和干扰信息的传输过程 。通过数据完整性鉴别，可以确保数据传输过程中没有任何改变 。(3) 数据新鲜性数据新鲜性问题是强调每次接收的数据都是传送方最新传送的数据，以此杜绝接收重複的信息 。保证数据新鲜性的主要目的是防止重放(Replay)攻击 。(4) 可用性可用性要求感测器网路能够随时按预先设定的工作方式向系统的合法用户提供信息访问服务，但攻击者可以通过伪造和信号干扰等方式使感测器网路处于部分或全部瘫痪状态，破坏系统的可用性，如拒绝服务(Denial of Service, DoS)攻击 。(5)鲁棒性无线感测器网路具有很强的动态性和不确定性，包括网路拓扑的变化、节点的消失或加入、面临各种威胁等，因此，无线感测器网路对各种安全攻击应具有较强的适应性，即使某次攻击行为得逞，该性能也能保障其影响最小化 。(6)访问控制访问控制要求能够对访问无线感测器网路的用户身份进行确认，确保其合法性 。套用範围由于技术等方面的制约，WSN的大规模商用还有待时日 。但随着微处理器体积的缩小和性能的提升，已经有中小规模的WSN在工业市场上开始投入商用 。其套用主要集中在以下领域：环境监测随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要採集的环境数据也越来越多，无线感测器网路的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏 。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型感测器连进网际网路，以读出缅因州"大鸭岛"上的气候，用来评价一种海燕巢的条件 。无线感测器网路还可以跟蹤候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等 。此外，它也可以套用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸硷度和施肥状况等 。医疗护理罗彻斯特大学的科学家使用无线感测器创建了一个智慧型医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要徵兆(血压、脉搏和呼吸)、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况 。英特尔也推出了基于WSN的家庭护理技术 。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目Center for Aging Services Technologies(CAST)的一个环节开发的 。该系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体感测器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活 。利用无线通信将各感测器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理 。而且还可以减轻护理人员的负担 。英特尔主管预防性健康保险研究的董事Eric Dishman称，"在开发家庭用护理技术方面，无线感测器网路是非常有前途的领域" 。军事领域由于无线感测器网路具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合套用于恶劣的战场环境中，使其非常适合套用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途 。美国国防部远景计画研究局已投资几千万美元，帮助大学进行"智慧型尘埃"感测器技术的研发 。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：智慧型尘埃式感测器及有关的技术销售将从2004年的1000万美元增加到2010年的几十亿美元 。目标跟蹤DARPA支持的Sensor IT项目探索如何将WSN技术套用于军事领域，实现所谓“超视距”战场监测 。UCB的教授主持的Sensor Web是Sensor IT的一个子项目 。原理性地验证了套用WSN进行战场目标跟蹤的技术可行性，翼下携带WSN节点的无人机(UAV)飞到目标区域后抛下节点，最终随机布撤落在被监测区域，利用安装在节点上的地震波感测器可以探测到外部日标，如坦克、装甲车等，并根据信号的强弱估算距离，综合多个节点的观测数据，最终定位目标，并绘製出其移动的轨迹 。虽然该演示系统在精度等方面还远达不到装备部队用于实战的要求，这种战场侦察模式尚未套用于实战，但随着美国国防部将其武器系统研製的主要技术目标从精确制导转向目标感知与定位，相信WSN提供的这种新颖的战场侦察模式会受到军方的关注 。其他用途WSN还被套用于一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测 。也可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具 。此外和还可以在工业自动化生产线等诸多领域，英特尔正在对工厂中的一个无线网路进行测试，该网路由40台机器上的210个感测器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件 。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用时间 。儘管无线感测器技术仍处于初步套用阶段，但已经展示出了非凡的套用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的套用 。案例WSN套用于智慧型小区火灾报警系统WSN火灾报警检测系统採用星型无线网路系统，系统中只有一个网路协调器和很多个RFD节点，网路协调器设定在管理中心，负责建立网路和管理网路，并显示当前整个网路的状况并把收到的数据通过串口传给计算机 。而检测终端节点分布在监测地点，负责採集相关採集值，然后定期传送到网路协调器 。关键技术无线通信技术能量收集技术感测器技术嵌入式作业系统技术低功耗技术多跳自组织网路的路由协定数据融合和数据管理技术信息安全技术无线感测器延伸无线感测器网路的嵌入式网关硬体设计