无线传感器节点的组成 无线传感器网络的体系结构和应用安全

无线传感器网络的体系结构和应用安全

丁革媛1，李振江2，李诗涵3

（1．沈阳工业大学 化工过程自动化学院，辽宁 辽阳 111003；2．中国石油辽阳石化公司动力厂，辽宁 辽阳 111003；3．沈阳工业大学 管理学院，辽宁 沈阳 110870）

摘要 ：随着物联网应用领域的不断扩大，无线传感器网络的应用也以前所未有的速度迅速拓展。无线传感器网络（WSN）具有覆盖区域广泛、检测精度高、可以远程监控和高容错性等优点，使其在军事、工业、农业、环境保护、医疗系统、智能交通等各领域得到了广泛的应用。虽然无线传感器网络的应用前景非常广泛，但仍存在很多技术问题需要解决，包括最大限度减少传感节点的功耗，以及如何有效提高网络系统容量、减少碰撞阻塞等。为了有效解决以上技术难题，通过对MSN的体系结构以及具体应用领域的研究，提出了解决办法。

0引言

通信技术、嵌入式技术和传感器技术的飞速发展，使得无线传感器网络发挥着越来越重要的作用。无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，是通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络系统，其目的是感知、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。

无线传感器网络主要涉及计算机网络技术、传感器技术、数据传输技术、分布式处理技术、嵌入式技术等多种技术，是涉及多学科、跨领域的交叉技术，表现出信息时代知识密度大、学科交叉领域宽等特征［1］。

传感器网络的发展经历了传感器、无线传感器、无线传感器网络三个阶段。在传感器阶段，最早的应用是在越南战争时期。当时美国军队使用传感器系统，使越军受到沉重打击。无线传感器的发展是在20世纪80年代至90年代之间，主要设备是美国研制的分布式传感器网络系统、远程战场传感器系统等，该系统具备感知能力、计算能力和通信能力。无线传感器网络阶段始于21世纪初，发展到目前，无线传感器网络已在很多领域得到应用。其最突出的特点是网络传输可以实现自组织方式，加上低功耗特性，更进一步推动了它的应用进程［2］。

1无线传感器网络的体系结构

无线传感器网络的系统架构包括无线传感器节点、汇聚节点、外部网络以及任务管理节点和用户等几个组成部分，如图1所示。

由图1可以看出，网络中的传感器按一定规律部署在目标监测区域，通过无线多跳方式形成网络，负责本地信息收集、数据处理任务，同时还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合。网络中每个传感器测量得到的数据在传输的过程中可能经过其他传感器节点，因此，测量得到的数据还可以由其他节点进行相关操作和处理。测量到的数据到达网络中的汇聚节点，最终可以通过互联网、卫星通信网络等传送至远程任务管理节点，再提供给用户进行收集［3］。

设计无线传感器网络时，对于其体系结构，要重点考虑以下几个方面。

(1)有效利用节点资源。由于低成本微型传感器节点的资源有限，如何有效地管理和使用这些资源并最大限度地延长网络寿命，是WSN面临的一个关键问题。常用的方法有下面几种：

①选择低功耗的硬件设备，设计低功耗的MAC协议和路由协议；

②各功能模块间保持必要的同步，即同步休眠与唤醒，有效降低设备功耗；

③设计能耗均衡的路由协议，避免因为追求低功耗而忽视系统的分层设计。

(2)支持在网络内部完成数据处理功能。传感器网络以数据为中心，而传统网络以传输数据为目的。传统网络中的节点不实现任何与分组内容相关的功能，只是简单地用存储或转发的模式为用户传送分组。而WSN仅仅实现分组和传输功能是不够的，有时特别需要在网络内进行数据的聚合、压缩或过滤等操作，同时减少分组传输，才能有效控制网络数据传输的流量，保证网络畅通。

(3)保障网络的安全性。无线传感器网络利用无线方式进行通信，因此网络信道没有必要的物理屏蔽，容易受到外部黑客等的恶意攻击。所以对于WSN，要加强网络安全考虑，提供可靠的安全保护措施，保障网络的安全性和可靠性［4］。

可以看出WSN综合了传感器、嵌入式计算、分布式信息处理、无线通信等技术，能实时监测、感知、采集网络区域内的各种环境或被监测对象的信息，并通过系统对信息进行处理，以便进一步获取更详尽准确的数据，传送给需要这些数据信息的用户。它具有以下突出特点：

(1)网络规模大。工作时，为使获取的信息更准确，往往需要在监测区域内设置大量传感器节点。除此之外，WSN也可以建立在面积较大的地理空间范围内，通过紧密布置、功能各异的传感器实现数据的采集和传送，还能有效减少检测空洞或盲区。

(2)自组织性。具有较好的自组织能力是WSN能够广泛应用的重要基础。当被监测的区域处于人力难以到达，或者是比较危险的区域时，就需要传感器节点发挥其自组织能力，通过系统能够自动进行网络配置和管理，实现数据采集和通信等功能。

(3)低功耗。一般传感器节点都是利用电池进行供电，为确保其能够长时间地使用，要求各节点的功耗要尽可能降低，这样才能有效地保证传感器的工作时效和使用寿命。

(4)高可靠性。在正常情况下，WSN的传感器都是直接暴露在其地理环境中，很容易遭到破坏。所以，当WSN需要建立在比较恶劣的复杂环境时，要求传感器必须具有较高的可靠性，才能保证在复杂环境中依然能够实现数据采集、传输等功能［5］。

2无线传感器网络的应用

无线传感器网络的应用目前已经扩展到很多领域，主要包括农业、军事、环境及土壤监测、智能家居、健康护理、智能交通、机械制造流程监控、空间探索以及机场、火车站的安全监测等。

(1)在军事相关领域的应用

利用无线传感器网络可以实现敌我双方战场的监视、寻找敌方目标并进行定位等功能，而且在攻击范围、目标搜索和监视等功能领域的应用已得到很好的验证。在这些应用中，通过相关的生物传感器，能够准确地检测出生化武器的化学成分，并通过网络系统将检测信息及时传送给指挥系统，帮助指挥人员制定做战计划。

(2)在自然环境监测中的应用

在自然环境监测领域中，WSN可以发挥更大的作用。利用WSN能够实现对农作物的灌溉、空气的温度和湿度、家禽的生长环境、迁移时间及距离、家畜的生长环境及生长规律、地球表面大面积的监测等。此外，WSN还能够应用在气象研究、行星探测、洪水易发地域特殊监测等。基于无线传感器网络，可以通过数量繁多、功能各异的多种传感器监测一个地区的河水水位、夏季的降雨量以及土壤温度和湿度的变化情况，利用这些数据作为自然环境生态描述、山洪爆发等的参考数据。

(3)在医疗和健康护理中的应用

在医疗和保健系统，可以通过无线传感器网络监控病患的病情。例如将具有心跳速率和血压监测功能的设备佩戴到病患胳膊上，医生可以通过网络对患者进行实时监控，当患者出现异常情况时，可以随时掌握病人的病情迅速出救。

(4)在信息家电设备中的应用

通过无线传感器网络建立的智能家居系统，可以通过远程操控系统遥控器，对家居中的设备进行远程监控。(5)在建筑物状态监控中的应用

任何一个建筑都有它的生命周期，可以通过WSN对城市中的所有建筑物的存在状态实施监测，通过网络中的传感器获得建筑物的实时状态信息，及时发现存在的安全隐患，保障建筑物处于安全状态。如果用传统方法进行建筑物状态监控往往需要使建筑物封闭几个月，而用传感器网络进行监控，就可以实时报告建筑物的相关信息给管理部门，同时还能够按照系统设置的程序选择合适的方案进行修复操作。WSN在建筑领域的应用使得建筑物具有智能控制系统［6］。

(6)在空间探索中的应用

用航天器在外星体上撒播一些传感器节点，可用于探索外星体表面。通过这种方式，传感器节点之间可以互相通信，还可以与地面站通信。 NASA的JPL实验室的传感器网目前正在研究用于火星探测技术的项目。

3结论

无线传感器网络具有覆盖区域广、检测精度高、可以远程监控、可自组织和高容错性等优点，再加上其网络规模大、低功耗、高可靠性等特点，使得其在工业、农业、军事、环境保护、智能交通等各领域得到了广泛的应用。虽然无线传感器网络的应用前景非常广泛，但也存在很多技术上的难题没有得到有效解决，其中最主要的便是如何最大限度地减少传感节点的功耗问题。随着时间的推移和技术的进步，可以通过联合路由协议和MAC协议来实现。另外，如何有效提高WSN系统容量、减少碰撞和阻塞也是急需解决的问题。目前，可以考虑更多地使用并行传输技术，这样可以有效提高中心节点的数据传输能力，有效提高网络容量，减少阻塞［7］。

参考文献

［1］ 王汝传、孙力娟、肖甫，等.无线传感器网络技术导论［M］ .北京：清华大学出版社，2012.

［2］ 许毅.无线传感器网络原理及方法［M］.北京：清华大学出版社，2012.

［3］ 汪涛.无线网络技术导论［M］. 北京：清华大学出版社，2012.

［4］ 叶剑春.一种基于改进遗传算法的无线网络覆盖研究［J］. 微型机与应用，2011，30（22）：5961.

［5］ 司海飞，杨忠，王珺 .无线传感器网络研究现状与应用［J］ .机电工程，2011，28（1）：1620.

［6］ 王珺.无线传感器网络能量有效性的研究［D］.南京：南京大学，2012.

［7］ 何拥军，曾文权，曾文英.基于BP神经网络的多传感器数据融合技术优化［J］ . 微型机与应用，2011，30（22）：5254.

物联网无线传感器节点设计

无线传感器节点（ WSN ）在促进物联网（ IoT ）发展方面发挥着关键作用。WSN的优点在于，它的功耗极低，尺寸极小，安装简便。对很多物联网的应用而言，譬如安装在室外的应用，WSN可使用太阳能供电。当室内有光，系统就由太阳光供电，同时为细小纽扣电池或超级电容器充电，以在没有光的情况下为系统供电。

在一般情况下，无线传感器节点是传感器为基础的设备，负责监察温度、湿度或压力等条件。节点从任何类型的传感器收集数据，然后以无线方式传递数据到控制单位，譬如计算机或移动设备，并在此处理、评估数据，并采取行动。理想情况下，节点可以由能量收集机制获得作业电源，成为独立运作的设备。从一般意义上讲，能量收集的过程是捕捉并转换来自光、振动，或热等来源的极少量能量为电能的过程。

图 1：能量收集系统设计示例

图 1 显示了能量收集系统的框图。能量是由能量收集系统 （如太阳能板）收集，并由电源管理集成电路 (IC) (PMIC) 转换成稳定的能量，再使用低漏、低阻抗的电容器储存。这些能源能供给传感器接口负载 （譬如微控制器MCU），而MCU是用无线方式来传送数据的传感器。本图中，能量收集传感器（ EHS ）是无线传感器节点。

图 2：无线传感器节点系统示例

图2显示了无线传感器节点的框图。在这里，已处理的传感器数据会透过低功耗蓝牙（ BLE ）以无线方式传输。BLE 是用于短距离、低功耗无线应用的标准，以交流状态或控制信息。BLE 在2.4 GHz ISM 频带及二进制频移键控（GFSK）调制下运作，此支持1 Mbps 的数据速率。

而电源管理 IC是用来稳定能量收集设备所要求的功秏，以支持其超低功耗的运作。 打个比方，赛普拉斯S6AE103A PMIC 器件的电流消耗低至280 nA，启动功率为 1.2uW（见图3）。因此，在约100勒克斯（lx） 的低亮度的环境中，紧凑型太阳能电池依然可以获得少量的能量。

图 3：用于能量收集的S6AE103A PMIC 器件框图

高效的无线传感器节点设计

让我们考虑一下设计无线传感器节点所涉及的步骤：

第 1 步：选择硬件：

在硬件方面，你需要适当的传感器，一台最终能用能量收集设备供电的MCU及 PMIC。你可能需要额外的无源组件，此视乎设计而定。

传感器可以是仿真或数字形式。现今市面上很多传感器是使用基于集成电路总线（I2C）、串行外设接口 （SPI）或异步收发传输器（UART）界面为标准的数字传感器。电耗极低的传感器在市面上亦有售。为了保持设备成本维持低水平，外形小巧，配有综合BLE的MCU能够简化设计，并缩短推出市场的时间。为了进一步加快设计，许多厂商都使用完全综合，完全通过认证的可编程模块，例如赛普拉斯EZ-BLE Modules。模块由一个主要MCU、两块结晶、芯片或跟踪天线、扩展板及无源组件组成。由于这些模块已经拥有必须的BLE认证，产品可以快速推出市场。

图 4：BLE模块示例：太阳能供能的低功耗蓝牙传感器信标CYALKIT-E02

第 2 步：设计固件和估计功耗

选择了可编程的MCU 后，下一步就是编写适当的固件。固件需要具备的基本功能是收集传感器数据的接口，用无线传送数据的BLE组件或堆栈，和能够负责固件处理的CPU。

由于超低耗运作是关键，电流消耗总和需要由一开始纳入考虑。总计电流消耗是传感器所消耗的电流及MCU 所消耗的电流总和。由于传感器通常不会消耗太多的总电流，其重点应该放在如何将MCU所消耗的电流减至最低。在优化电流之前，要考虑在MCU内在消耗电流的三个主要的组件：CPU、传感器接口模块（如 I2C 、SPI 等）和BLE子系统。这里，当无线电收音机开动（例如BLE Tx及Rx），电流的主要消费者会是BLE电收音机。

嵌入式 MCU 提供各种低功耗模式，以减少电流消耗。固件设计人员需要考虑这些低功耗模式和设计代码，这样，平均电流的消耗就能减至最低。例如，传感数据并不是瞬速变更的，固件需要间中扫瞄传感数据（例如每隔 5 至 10 秒钟，时间间隔视乎传感器而定）。传感器的已读数据通过 BLE， 以无线方式传输。

就 BLE 固件而言，传感器可以连同 BLE 广播包将数据发送。我们建议不要连同广播包转送太多其他数据，因为这样会进一步增加电流。在广播间隔与传感器扫描间隔之间， MCU需进入低功耗模式，譬如是「休眠功能 」。低电耗定时器就如看门狗定时器，可以在定时器倒数完毕时，唤醒设备。 为了使用低功耗操作，MCU进行了优化，提供一个 BLE 内部定时器，当广播间隔结束，可唤醒进入了休眠功能的设备。图 5显示了操作的固件流程。

图 5：为高效无线传感器节点设计而设立的固件流程

只要设计好固件，您可以测量电流。你可以使用原型电路板测量电流。请注意，MCU的启动及低耗模式的电流需要独立量度。只要你知道MCU分别以启动及低耗模式操作的时间，平均的电流消耗是：

有了平均电流的数字，你就可以将它乘以PMIC电压，从而找出平均功率。

第 3 步优化固件，最大限度地降低平均电流消耗

情况有可能是，初始计算出的设计功率的太高，太阳能 PMIC 无法支持。如果是这样，你就需要优化固件。这里有几个有效方法来执行此操作：

执行优化 MCU 的启动代码：当MCU 正在启动，你不需要使用如24MHz晶产时钟的高频外部时钟，以操作BLE。最初就关掉此时钟，能够节约能源。再者，时钟晶体可以利用这些时间稳定下来，而其亦是启动的其中一个部件。这些时钟渐渐稳定下来，MCU 可以再次调较至低耗模式，内部低频时钟可以在时钟预备好的时候唤醒设备。简而言之，启动代码的执行时间可以很长，并且固件设计人员需要尽量减少启动电流消耗。

a.降低主 CPU 运作频率

b.在进入低功率模式前，控制驱动模式，以防止MCU引脚泄漏电流。

c.如果MCU支持任何调试接口，要将它们废除。

这些步骤有助降低平均电流消耗。

第 4 步：设计硬件

有了功耗优化的固件，是时候基于PMIC设计硬件 。图 6 显示了一个简单以能量收集基础的 PMIC 设计。

图 6：简单的能量收集设计

在 PMIC 首先储存太阳能到储存的设备 VSTORE1 (VST1)，此事例为一个300-μF 的陶瓷电容器。当 VST 1 达到 VOUTH V，能量就可以发送到 MCU 。但这个简单的能量收集设计不能全日运作，原因是没有备份电容器。让我们来看看，备份电容器如何加配到PMIC设备，和电容器能够如何帮忙MCU。

图 7：能量收集与备份电容器

操作WSN 所需的能量首先存储在 VST 1 ，剩余的能量用于 VST 2充电 。存储在 VST 2 的能量可于没有光线照射的情况下持续提供予 WSN 。此外，还可以连接一个额外的纽扣电池到 PMIC，以增加可靠性，如图8所示 。

图 8：多个电源输入的能量收集

PMIC 转换两种电源来源，以便 WSN 可以在所有条件下（即使没有灯光的情况）运行。转换自动产生，使能源在有需要时供应给WSN 。因此，这可能是 WSN的 最适当的硬件设计。

第 5 步：设计用户界面

连接到无线传感器节点的用户界面设计可以是用WSN传输，以接收数据的手机应用，就是这么简单。由于传感器的数据可能会在广播包固定位置出现，BLE应用可以设计到能够从这些位置提取相关数据，并将数据显示到你的手机上。这种技术可用于管理多个 WSNs 构成的复杂网络。

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