第一篇：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課后習(xí)題答案

1-2.什么是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。目的是協(xié)作地探測(cè)、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的監(jiān)測(cè)信息,并報(bào)告給用戶。1-4.圖示說明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)。

1-5.傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探測(cè)結(jié)點(diǎn)由哪些部分組成?這些組成模塊的功能分別是什么?(1)傳感模塊（傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換）、計(jì)算模塊、通信模塊、存儲(chǔ)模塊電源模塊和嵌入式軟件系統(tǒng)

(2)傳感模塊負(fù)責(zé)探測(cè)目標(biāo)的物理特征和現(xiàn)象，計(jì)算模塊負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理，存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)存放程序和數(shù)據(jù)，通信模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理信息和探測(cè)數(shù)據(jù)兩種信息的發(fā)送和接收。另外，電源模塊負(fù)責(zé)結(jié)點(diǎn)供電，結(jié)點(diǎn)由嵌入式軟件系統(tǒng)支撐，運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的五層協(xié)議。

1-8.傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)包括哪些部分?各部分的功能分別是什么?

(1)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議：類似于傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)中的TCP/IP協(xié)議體系。它由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。

(2)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)：主要是對(duì)傳感器結(jié)點(diǎn)自身的管理和用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理。包括拓?fù)淇刂?、服?wù)質(zhì)量管理、能量管理、安全管理、移動(dòng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理等。

(3)應(yīng)用支撐平臺(tái)：建立在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)之上。包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件，通過應(yīng)用服務(wù)接口和網(wǎng)絡(luò)管理接口來為終端用戶提供各種具體應(yīng)用的支持。

1-9.傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)有哪些類型?分別說明各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特征及優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）根據(jù)結(jié)點(diǎn)數(shù)目的多少，傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以分為平面結(jié)構(gòu)和分級(jí)結(jié)構(gòu)。如果網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小，一般采用平面結(jié)構(gòu)；如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大，則必須采用分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。（2）平面結(jié)構(gòu)：

特征：平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)比較簡單，所有結(jié)點(diǎn)的地位平等，所以又可以稱為對(duì)等式結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)：源結(jié)點(diǎn)和目的結(jié)點(diǎn)之間一般存在多條路徑，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷由這些路徑共同承擔(dān)。一般情況下不存在瓶頸，網(wǎng)絡(luò)比較健壯。

缺點(diǎn)：①影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸速率，甚至造成網(wǎng)絡(luò)崩潰。②整個(gè)系統(tǒng)宏觀上會(huì)損耗巨大能量。③可擴(kuò)充性差，需要大量控制消息。分級(jí)結(jié)構(gòu)：

特征：傳感器網(wǎng)絡(luò)被劃分為多個(gè)簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)簇成員組成。這些簇頭形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。簇頭結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，簇成員只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。

優(yōu)點(diǎn)：①大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，具有很好的可擴(kuò)充性。②簇頭可以隨時(shí)選舉產(chǎn)生，具有很強(qiáng)的抗毀性。

缺點(diǎn)：簇頭的能量消耗較大，很難進(jìn)人休眠狀態(tài)。

1-13.討論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際生活中有哪些潛在的應(yīng)用。

(1)用在智能家具系統(tǒng)中，將傳感器嵌入家具和家電中，使其與執(zhí)行單元組成無線網(wǎng)絡(luò)，與因特網(wǎng)連接在一起。(2)用在智能醫(yī)療中，將傳感器嵌入醫(yī)療設(shè)備中，使其能接入因特網(wǎng)，將患者數(shù)據(jù)傳送至醫(yī)生終端。(3)用在只能交通中，運(yùn)用無線傳感器監(jiān)測(cè)路面、車流等情況。2-2.傳感器由哪些部分組成?各部分的功能是什么?

2-5.集成傳感器的特點(diǎn)是什么? 體積小、重量輕、功能強(qiáng)、性能好。2-7.傳感器的一般特性包括哪些指標(biāo)? 靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、重復(fù)性、漂移、精度、分辨（力）、遲滯。2-15.如何進(jìn)行傳感器的正確選型？

1.測(cè)量對(duì)象與環(huán)境：分析被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件選擇何種原理的傳感器。2.靈敏度：選擇較高信噪比的傳感器，并選擇適合的靈敏度方向。

3.頻率響應(yīng)特性:根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)選擇相應(yīng)的傳感器響應(yīng)頻率，以及延時(shí)短的傳感器。4.線性范圍：傳感器種類確定后觀察其量程是否滿足要求，并且選擇誤差小的傳感器。

5.穩(wěn)定性：根據(jù)使用環(huán)境選擇何時(shí)的傳感器或采用適當(dāng)?shù)拇胧p小環(huán)境影響，盡量選擇穩(wěn)定性好的傳感器。6.精度：選擇滿足要求的，相對(duì)便宜的傳感器。2-17.簡述磁阻傳感器探測(cè)運(yùn)動(dòng)車輛的原理。

磁阻傳感器在探測(cè)磁場的通知探測(cè)獲得車輪速度、磁跡、車輛出現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)方向等。使用磁性傳感器探測(cè)方向、角度或電流值，可以間接測(cè)定這些數(shù)值。因?yàn)檫@些屬性變量必須對(duì)相應(yīng)的磁場產(chǎn)生變化，一旦磁傳感器檢測(cè)出場強(qiáng)變化，則采用一些信號(hào)處理辦法，將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成需要的參數(shù)值。3-2.無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)為什么要進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)?調(diào)制有哪些方法?（1）調(diào)制和解調(diào)技術(shù)是無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。調(diào)制對(duì)通信系統(tǒng)的有效性和可靠性有很大的影響。采用什么方法調(diào)制和解調(diào)往往在很大程度上決定著通信系統(tǒng)的質(zhì)量。

調(diào)制技術(shù)通過改變高頻載波的幅度、相位或頻率，使其隨著基帶信號(hào)幅度的變化而變化。

解調(diào)是將基帶信號(hào)從載波中提取出來以便預(yù)定的接收者(信宿)處理和理解的過程。（2）根據(jù)調(diào)制中采用的基帶信號(hào)的類型?？梢詫⒄{(diào)制分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。

根據(jù)原始信號(hào)所控制參量的不同，調(diào)制分為幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制。3-4.試描述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層幀結(jié)構(gòu)。

3-6.根據(jù)信道使用方式的不同。傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議可以分為哪幾種類型? 時(shí)分復(fù)用無競爭接入方式、隨機(jī)競爭接入方式、競爭與固定分配相結(jié)合的接入方式。3-7.設(shè)計(jì)基于競爭的MAC協(xié)議的基本思想是什么？

當(dāng)結(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過競爭方式使用無線信道。如果發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了碰撞，就按照某種策略重發(fā)數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。

3-8.試寫(畫）出CSMA/CA的基木訪問機(jī)制。并說明隨機(jī)退避時(shí)間的計(jì)算方法。

3-9.IEEE802.11MAC協(xié)議有哪兩種訪問控制方式?每種方式是如何工作的?（1）分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）、點(diǎn)協(xié)調(diào)功能（PCF），期中DCF是基本訪問控制方式。

3-10.通常有哪些原因?qū)е聜鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生無效能耗? 空閑偵聽、數(shù)據(jù)沖突、串?dāng)_、控制開銷 3-11.敘述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)S-MAC協(xié)議的主要特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

（1）S-MAC協(xié)議的適用條件是傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)

行數(shù)據(jù)的處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信量，網(wǎng)絡(luò)能容忍一定程度的通信延遲。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供良好的擴(kuò)展性，減少結(jié)點(diǎn)能耗。

（2）周期性偵聽和睡眠機(jī)制、流量自適應(yīng)機(jī)制、沖突和串音避免機(jī)制、消息傳遞機(jī)制。3-12.簡述路由選擇的主要功能。

（1）尋找源結(jié)點(diǎn)和目的結(jié)點(diǎn)間的優(yōu)化路徑。（2）將數(shù)據(jù)分析沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。

3-14.常見的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議有哪些類型?并說明各種類型路由協(xié)議的主要特點(diǎn)。（1）能量感知路由協(xié)議、基于查詢的路由協(xié)議、地理位置協(xié)議、可靠的路由協(xié)議。

（2）能量感知路由協(xié)議：從數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯某霭l(fā)，討論最少能量消耗和最長網(wǎng)絡(luò)生存期等問題。

基于查詢的路由協(xié)議：主要用于需要不斷查詢傳感器結(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，通過減少通信流量來節(jié)省能量，即數(shù)據(jù)融合技術(shù)與路由協(xié)議的設(shè)計(jì)相結(jié)合。

地理位置協(xié)議：主要應(yīng)用于需要知道目的結(jié)點(diǎn)的精確或大致地理位置的問題中，把結(jié)點(diǎn)的位置信息作為路由選擇的依據(jù)，從而完成結(jié)點(diǎn)的路由選擇功能，并且降低維護(hù)路由協(xié)議的能耗。可靠的路由協(xié)議：應(yīng)用在對(duì)可靠性和實(shí)時(shí)性等方面有特別要求的問題中。3-15.如何設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定向擴(kuò)散路由協(xié)議? 4-2.傳感器網(wǎng)絡(luò)常見的時(shí)間同步機(jī)制有哪些? RBS、Ting/Mini-Sync、TPSN 4-3.簡述TPSN時(shí)間同步協(xié)議的設(shè)計(jì)過程。

TPSN時(shí)間同步協(xié)議采用層次結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步。所有結(jié)點(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行邏輯分級(jí)。表示結(jié)點(diǎn)到根結(jié)點(diǎn)的距離，通過基于發(fā)送者-接收者的結(jié)點(diǎn)對(duì)方式。每個(gè)結(jié)點(diǎn)與上一級(jí)的一個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步。從而最終所有結(jié)點(diǎn)都與根結(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。TPSN協(xié)議包括兩個(gè)階段: 第一個(gè)階段生成層次結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)賦予一個(gè)級(jí)別。根結(jié)點(diǎn)賦予最高級(jí)別第0級(jí)。第i 級(jí)的結(jié)點(diǎn)至少能夠與一個(gè)第(i-1)級(jí)的結(jié)點(diǎn)通信;第二個(gè)階段實(shí)現(xiàn)所有樹結(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步。第1級(jí)結(jié)點(diǎn)同步到根結(jié)點(diǎn)。第i級(jí)的結(jié)點(diǎn)同步到第(i-1)級(jí)的一個(gè)結(jié)點(diǎn)，最終所有結(jié)點(diǎn)都同步到根結(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。

4-6.簡述以下概念術(shù)語的含義:錨點(diǎn)、測(cè)距、連接度、到達(dá)時(shí)間差、接收信號(hào)強(qiáng)度指示、視線關(guān)系。

錨點(diǎn)：指通過其他方式預(yù)先獲得位置坐標(biāo)的結(jié)點(diǎn)，有時(shí)也稱作信標(biāo)結(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的其余結(jié)點(diǎn)稱為非錨點(diǎn)。測(cè)距：指兩個(gè)相互通信的結(jié)點(diǎn)通過測(cè)量方式來估計(jì)出彼此之間的距離或角度。

連接度：包括結(jié)點(diǎn)連接度和網(wǎng)絡(luò)連接度兩種含義。結(jié)點(diǎn)連接度是指結(jié)點(diǎn)可探測(cè)發(fā)現(xiàn)的鄰居結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。網(wǎng)絡(luò)連接度是所有結(jié)點(diǎn)的鄰結(jié)點(diǎn)數(shù)目的平均值，它反映了傳感器配置的密集程度。

到達(dá)時(shí)間差：兩種不同傳播速度的信號(hào)從一個(gè)結(jié)點(diǎn)傳播到另一個(gè)結(jié)點(diǎn)所需要的時(shí)間之差。接收信號(hào)強(qiáng)度指示：結(jié)點(diǎn)接收到無線信號(hào)的強(qiáng)度大小。

視線關(guān)系：如果傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間沒有障礙物，能夠?qū)崿F(xiàn)直接通信，則稱這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)問存在視線關(guān)系。4-9.RSSI測(cè)距的原理是什么?

4-10.簡述ToA測(cè)距的原理。

4-11.舉例說明TDoA的測(cè)距過程。

4-12.舉例說明AoA測(cè)角的過程。

4-13.試描述傳感器網(wǎng)絡(luò)多邊定位法的原理。

4-14.簡述Min-max定位方法的原理。

4-15.簡述質(zhì)心定位算法的原理及其特點(diǎn)。

★4-16.舉例說明DV-Hop算法的定位實(shí)現(xiàn)過程。

4-17.什么是數(shù)據(jù)融合技術(shù)?它在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主要作用是什么?（1）數(shù)據(jù)融合也被稱作信息融，是一種多源信息處理技術(shù)。它通過對(duì)來自同一目標(biāo)的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化合成，獲得比單一信息源更精確、完整的估計(jì)或判斷。

（2）①節(jié)省整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量②增強(qiáng)所收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性③提高收集數(shù)據(jù)的效率 4-18.簡述數(shù)據(jù)融合技術(shù)的不同分類方法及其類型。

(1)依據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量進(jìn)行分類：無損失融合、有損失融合

(2)依據(jù)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用層數(shù)據(jù)語義的關(guān)系進(jìn)行分類：依賴于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合、獨(dú)立于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合、結(jié)合以上兩種技術(shù)的數(shù)據(jù)融合

(3)依據(jù)融合操作的級(jí)別進(jìn)行分類：數(shù)據(jù)級(jí)融合、特征級(jí)融合、決策級(jí)融合 4-19.什么是數(shù)據(jù)融合的綜合平均法?

4-20.常見的數(shù)據(jù)融合方法有哪些? 綜合平均法、卡爾曼濾波法、貝葉斯估計(jì)法、D-S證據(jù)推理法、統(tǒng)計(jì)決策理論、模糊邏輯法、產(chǎn)生式規(guī)則法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。

4-21.無線通信的能量消耗與距離的關(guān)系是什么?它反映出傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖裁刺攸c(diǎn)?（1）通常隨著通信距離的曾加，能耗急劇增加。

（2）在傳感器網(wǎng)絡(luò)中要減少單跳通信距離，盡量使用多跳短距離的無線通信方式。4-22.簡述節(jié)能策略休眠機(jī)制的實(shí)現(xiàn)思想。

當(dāng)結(jié)點(diǎn)周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，計(jì)算與通信單元處十空閑狀態(tài)，把這些組件關(guān)鐘或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)，即休眠狀態(tài)。該機(jī)制對(duì)于延長傳感器結(jié)點(diǎn)的生存周期非常重要。但休眠狀態(tài)與工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要消耗一定的能量。并且產(chǎn)生時(shí)延。所以狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略對(duì)于休眠機(jī)制比較重要。如果狀態(tài)轉(zhuǎn)換策略不合適，不僅無法節(jié)能，反而會(huì)導(dǎo)致能耗的增加。

4-23.簡述傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)各單元能量消耗的特點(diǎn)

傳感器結(jié)點(diǎn)中消耗能量的模塊有傳感器模塊、處理器模塊和通信模塊。隨著集成電路工藝的進(jìn)步。處理器和傳感器模塊的功耗都很低。無線通信模塊可以處于發(fā)送、接收、空閑或睡眠狀態(tài)?？臻e狀態(tài)就是偵聽無線信道上的信息，但不發(fā)送或接收。睡眠狀態(tài)就是無線通信模塊處于不工作狀態(tài)。4-24.動(dòng)態(tài)電源管理的工作原理是什么? 當(dāng)結(jié)點(diǎn)周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時(shí)，部分模塊處于空閑狀態(tài)。應(yīng)該把這些組件關(guān)掉或調(diào)到更低能耗的狀態(tài)(即休眠狀態(tài))。從而節(jié)省能量。

4-25.傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性需求包括哪些內(nèi)容? 結(jié)點(diǎn)的安全保證、被動(dòng)抵御入侵的能力、主動(dòng)反擊入侵的能力。4-26.什么是傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息安全?

4-27.簡述在傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施Wormhole攻擊的原理過程

4-28.SPINS安全協(xié)議簇能提供哪些功能? SPINS安個(gè)協(xié)議簇是最早的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全框架之一。包含了 SNEP和μTESLA兩個(gè)安全協(xié)議。SNEP協(xié)議提供點(diǎn)到點(diǎn)通信認(rèn)證、數(shù)據(jù)機(jī)密性、完整性和新鮮性等安全服務(wù)；μTESLA協(xié)議則提供對(duì)廣播消息的數(shù)據(jù)認(rèn)證服務(wù)。6-3.低速無線個(gè)域網(wǎng)具有哪些特點(diǎn)? 低速無線個(gè)域網(wǎng)是一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的無線通信網(wǎng)絡(luò)，它使得在低電能和低吞吐量的應(yīng)用環(huán)境中使用無線連接成為可能。與無線局域網(wǎng)相比。低速無線個(gè)域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)只需很少的基礎(chǔ)設(shè)施。甚至不需要基礎(chǔ)設(shè)施。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為低速無線個(gè)域網(wǎng)制定了物理層和MAC子層協(xié)議。6-7.簡述ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)

(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。數(shù)據(jù)率只有l(wèi)okb/s~250kb/s，專注十低速傳輸應(yīng)用。

(2)有效范圍小。有效似蓋范圍10~75m之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定。(3)工作頻段靈活。使用的頻段分別為2.4GHz,868MHz(歐洲)及915MHz(美國)，均為無需申請(qǐng)的ISM頻段。

(4)省電。由于工作周期很短。收發(fā)信息功耗較低，以及采用了休眠模式，ZigBee可確保兩節(jié)5號(hào)電池支持長達(dá)6個(gè)月至2年左右的使用時(shí)間，當(dāng)然不同應(yīng)用的功耗有所不同。

(5)可靠。采用碰撞避免機(jī)制。并為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突。MAC層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。

(6)成本低。由于數(shù)據(jù)傳輸速率低，并且協(xié)議簡單。降低了成本，另外使用ZigBee協(xié)議可免專利費(fèi)。

(7)時(shí)延短。針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化。通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延的典型值為30ms.休眠激活時(shí)廷的典型值是15ms?；顒?dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。(8)網(wǎng)絡(luò)容量大。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可容納多達(dá)254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可同時(shí)布置多達(dá)100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

(9)安全。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和認(rèn)證功能。加密算法采用AES-128，應(yīng)用層安全屬性可根據(jù)需求來配置。

第二篇：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述(網(wǎng)安).

2008.2 80 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述 唐啟濤

陶滔

南華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

湖南

421001 摘要:本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、特點(diǎn)、通信結(jié)構(gòu)及其安全需求,并對(duì)其應(yīng)用過程中可能遇到的攻擊方式和相 應(yīng)的抵御方法做了簡單介紹。指出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)今后的研究方向及最新研究動(dòng)態(tài)。

關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧;傳感器節(jié)點(diǎn);多跳路由 0

引言

近年來隨著傳感器、計(jì)算機(jī)、無線通信及微機(jī)電等技術(shù) 的發(fā)展和相互融合,產(chǎn)生了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN, wireless sensor networks。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與當(dāng)今主流無線網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)使用同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)——802.15.14, 它是一種新型的信息獲 取和處理技術(shù)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合了嵌入式計(jì)算技術(shù)、傳感 器技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及通信技術(shù),能夠協(xié)作地實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的不同監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息。它的應(yīng)用極其廣泛, 當(dāng)前主要應(yīng)用于國防軍事、智能建筑、國 家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、家庭等方面。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(WSNS, wireless sensor networks system通常由傳感器節(jié)點(diǎn)、聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)組成。它的結(jié) 構(gòu)圖如圖1。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器 節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸, 經(jīng)過多跳路由, 然后到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn), 最 后通過衛(wèi)星或者互聯(lián)網(wǎng)到達(dá)管理節(jié)點(diǎn), 然后, 用戶1通過管理 節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理, 發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合、任務(wù)的 協(xié)同控制等。

圖

1無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

目前常見的無線網(wǎng)絡(luò)包括移動(dòng)通信網(wǎng)、Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)、無 線局域網(wǎng)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)等,與這些網(wǎng)絡(luò)相比,無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 具有以下特征:(1硬件資源有限

由于受到價(jià)格、硬件體積、功耗等的限制,WSN 節(jié)點(diǎn)的 信號(hào)處理能力、計(jì)算能力有限,在程序空間和內(nèi)存空間上與 普通的計(jì)算機(jī)相比較,其功能更弱。

(2電源容量有限

由于受到硬件條件的限制,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常由電池供電, 電池能量有限。同時(shí),無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常被放置在惡劣 環(huán)境或者無人區(qū)域,使用過程中,不能及時(shí)給電池充電或更 換電池。

(3無中心

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中沒有嚴(yán)格的中心節(jié)點(diǎn),所有節(jié)點(diǎn)地位平等,是一個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)僅知道自己鄰近節(jié)點(diǎn) 的位置及相應(yīng)標(biāo)識(shí),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用相鄰節(jié)點(diǎn)之間的相 互協(xié)作來進(jìn)行信號(hào)處理和通信,它具有很強(qiáng)的協(xié)作性。

(4自組織

網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開不需要依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備, 節(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的監(jiān)控行為,節(jié)點(diǎn) 開機(jī)后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的無線網(wǎng)絡(luò)。

(5多跳路由

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)只能同它的鄰居直接通信。如果想與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,則需要 通過中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由 是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來完成的,沒有專門的路由設(shè)備。

(6動(dòng)態(tài)拓?fù)?/p>

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)能夠隨處移 動(dòng);一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)殡姵啬芰坑猛昊蚱渌收显?退 出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行;一個(gè)節(jié)點(diǎn)也可能由于某種需要而被添加到當(dāng)前 網(wǎng)絡(luò)中。這些都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化,因此無線傳

感器網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能。(7節(jié)點(diǎn)數(shù)量多,分布密集

為了對(duì)一個(gè)區(qū)域執(zhí)行監(jiān)測(cè),往往需要很多的傳感器節(jié)點(diǎn) 被放置到該區(qū)域。傳感器節(jié)點(diǎn)分布非常密集,通常利用節(jié)點(diǎn) 之間高度連接性來保證系統(tǒng)的抗毀性和容錯(cuò)性。

2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧由以下五部分組成:物理層、數(shù) 據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層,與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧的五 層協(xié)議相對(duì)應(yīng),其結(jié)構(gòu)如圖

2。

作者簡介:唐啟濤(1982-,男,南華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 2006級(jí)碩士研究生,研究方向:計(jì)算機(jī)網(wǎng)

絡(luò)與信安全。陶滔(1969-,男,網(wǎng)絡(luò)教研室主任、副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全。2008.2

網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用 圖

2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 2.1物理層

物理層主要負(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù)的收集,并對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行 采樣、信號(hào)的發(fā)送和接收、信號(hào)的調(diào)制解調(diào)等任務(wù)。在物理 層中的主要安全問題是建立有效的數(shù)據(jù)加密機(jī)制。由于對(duì)稱 加密算法的局限性,它不能在 WSN 中很好的發(fā)揮作用,因而 如何使用高效的公鑰算法是 W S N 有待解決的問題。

2.數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層主要負(fù)責(zé)媒體接入控制和建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間 可靠通信鏈路,為鄰居節(jié)點(diǎn)提供可靠的通信通道,主要由介 質(zhì)訪問控制層組成。介質(zhì)訪問控制層使用載波監(jiān)聽方式來與 鄰節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)使用信道,一旦發(fā)生信道沖突,節(jié)點(diǎn)使用相應(yīng)的 算法來確定重新傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)機(jī)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)訪 問控制協(xié)議通常采用基于預(yù)先規(guī)劃的機(jī)制來保護(hù)節(jié)點(diǎn)的能量。

2.3網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的主要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)和維護(hù)路由。正常情況下,無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的大量傳感器節(jié)點(diǎn)分布在一個(gè)區(qū)域里,消息 可能需要經(jīng)過多個(gè)節(jié)點(diǎn)才能到達(dá)目的地,且由于傳感器網(wǎng)絡(luò) 的動(dòng)態(tài)性,使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要具有路由的功能。節(jié)點(diǎn)一般 采用多跳路由連接信源和信宿。

2.4傳輸層

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件限制,節(jié)點(diǎn)無法維持端到 端連接的大量信息傳輸,而且節(jié)點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答消息也會(huì)消耗大量 能量,因而,目前還沒有成熟的關(guān)于傳感器節(jié)點(diǎn)上的傳輸層 協(xié)議的研究。匯聚節(jié)點(diǎn)只是傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的接口。

2.5應(yīng)用層

應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供安全支持,即實(shí) 現(xiàn)密鑰管理和安全組播。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用十分廣泛, 其中一些重要的應(yīng)用領(lǐng)域有:軍事方面,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可 以布置在敵方的陣地上,用來收集敵方一些重要目標(biāo)信息, 并跟蹤敵方的軍事動(dòng)向:環(huán)境檢測(cè)方面,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能 夠用來檢測(cè)空氣的質(zhì)量,并跟蹤污染源;民用方面,無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)也可用來構(gòu)建智能家居和個(gè)人健康等系統(tǒng)。

3安全性需求

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊性,形成了與其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不 同的網(wǎng)絡(luò)安全特性, 并能直接應(yīng)用到實(shí)際的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中。歸納為以下幾個(gè)方面: 3.1魯棒性

傳感器網(wǎng)絡(luò)一般被放置在惡劣環(huán)境、無人區(qū)域或敵方陣 地中,環(huán)境條件、現(xiàn)實(shí)威脅和當(dāng)前任務(wù)具有不確定性,它需 要設(shè)計(jì)具有抵抗節(jié)點(diǎn)故障的機(jī)制。一種常用方法是部署大量 節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)該具有識(shí)別發(fā)生故障的相鄰節(jié)點(diǎn)的能力, 并根據(jù)更新的拓?fù)溥M(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

3.2擴(kuò)展性

WSN 節(jié)點(diǎn)會(huì)隨著環(huán)境條件的變化或惡意攻擊或任務(wù)的變 化而發(fā)生變化,從而影響傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。同時(shí),節(jié)點(diǎn)的 加入或失效也會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化,路由組網(wǎng)協(xié) 議和 W S N S 必須適應(yīng) W S N 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的特點(diǎn)。

3.3機(jī)密性

傳感器網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸過程中,應(yīng)該保證不泄露任何敏 感信息。應(yīng)用中,通過密鑰管理協(xié)議建立的秘密密鑰和其他 的機(jī)密信息,必須保證只對(duì)授權(quán)用戶公開。同時(shí),也應(yīng)將因 密鑰泄露造成的影響盡可能控制在一個(gè)較小范圍,不影響整 個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全。解決數(shù)據(jù)機(jī)密性的常用方法是使用會(huì)話密鑰 來加密待傳遞的消息。

3.4數(shù)據(jù)認(rèn)證

由于敵方能夠很容易侵入信息, 接收方從安全角度考慮, 有必要確定數(shù)據(jù)的正確來源。數(shù)據(jù)認(rèn)證可以分為兩種,即兩 部分單一通信和廣播通信。

3.5數(shù)據(jù)完整性

在網(wǎng)絡(luò)通信中,數(shù)據(jù)的完整性用來確保數(shù)據(jù)在傳輸過程 中不被敵方所修改,可以檢查接收數(shù)據(jù)是否被篡改。根據(jù)不 同的數(shù)據(jù)種類,數(shù)據(jù)完整性可分為三類:選域完整性、無連 接完整性和連接完整性業(yè)務(wù)。

3.6

數(shù)據(jù)更新

表示數(shù)據(jù)是最新的,是沒有被敵手侵入過的舊信息。網(wǎng)絡(luò) 中有弱更新和強(qiáng)更新兩種類型的更新。弱更新用于提供局部 信息排序,它不支持延時(shí)消息;強(qiáng)更新要求提供完整的次序, 并且允許延時(shí)估計(jì)。

3.7

可用性

它要求 WSN 能夠按預(yù)先設(shè)定的工作方式向合法的系統(tǒng)用 戶提供信息訪問服務(wù),然而,攻擊者可以通過信號(hào)干擾、偽 造或者復(fù)制等方式使傳感器網(wǎng)絡(luò)處于部分或全部癱瘓狀態(tài), 從而破壞系統(tǒng)的可用性。

3.8

訪問控制

W S N 不能通過設(shè)置防火墻進(jìn)行訪問過濾;由于硬件受 限, 也不能采用非對(duì)稱加密體制的數(shù)字簽名和公鑰證書機(jī)制。WSN 必須建立一套符合自身特點(diǎn)的、綜合考慮性能、效率和 安全性的訪問控制機(jī)制。

4攻擊方式及采取的相應(yīng)措施

無線傳感網(wǎng)絡(luò)可能遭遇多種攻擊。攻擊者可以直接從物

2008.2 82 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用 理上將其破壞。另一方面,攻擊者可以通過操縱數(shù)據(jù)或路由 協(xié)議報(bào)文,在更大范圍內(nèi)對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行破壞。具體的 攻擊類別如下: 4.1欺騙、篡改或重發(fā)路由信息

攻擊者通過向 WSN 中注入大量欺騙路由報(bào)文,或者截取 并篡改路由報(bào)文,把自己偽裝成發(fā)送路由請(qǐng)求的基站節(jié)點(diǎn), 使全網(wǎng)范圍內(nèi)的報(bào)文傳輸被吸引到某一區(qū)域內(nèi),致使各傳感 器節(jié)點(diǎn)之間能效失衡。對(duì)于這種攻擊方式的攻擊,通常采用 數(shù)據(jù)加密技術(shù)抵御。

4.2選擇轉(zhuǎn)發(fā)攻擊

攻擊者在俘獲傳感器節(jié)點(diǎn)后,丟棄需要轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文。為 了避免識(shí)破攻擊點(diǎn),通常情況下,攻擊者只選擇丟棄一部分 應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文,從而迷惑鄰居傳感節(jié)點(diǎn)。通常采用多路徑路 由選擇方法抵御選擇性轉(zhuǎn)發(fā)攻擊。

4.3DoS拒絕服務(wù)攻擊

攻擊者通過以不同的身份連續(xù)向某一鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由 或數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文,使該鄰居節(jié)點(diǎn)不停的分配資源以維持一個(gè) 新的連接。對(duì)于這種攻擊方式,可以采用驗(yàn)證廣播和泛洪予 以抵御。

4.4污水池攻擊

攻擊點(diǎn)在基站和攻擊點(diǎn)之間形成單跳路由或是比其他節(jié) 點(diǎn)更快到達(dá)基站的路由,以此吸引附近的傳感器以其為父節(jié) 點(diǎn)向基站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。污水池攻擊“調(diào)度”了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)文的 傳輸流向,破壞了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡?？梢圆捎没诘乩砦恢玫?路由選擇協(xié)議抵御污水池攻擊。

4.5告知收到欺騙攻擊

當(dāng)攻擊點(diǎn)偵聽到某個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)處于將失效狀態(tài)時(shí),冒充 該鄰居節(jié)點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)反饋一個(gè)信息報(bào)文, 告知數(shù)據(jù)已被接受。使發(fā)往該鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)報(bào)文相當(dāng)于進(jìn)了“黑洞”。可以調(diào)控 全球知識(shí)以抵御告知收到欺騙。

4.6

女巫攻擊

攻擊點(diǎn)偽裝成具有多個(gè)身份標(biāo)識(shí)的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)通過該節(jié)點(diǎn) 的一條路由破壞時(shí),網(wǎng)絡(luò)會(huì)選擇另一條完全不同的路由,由 于該節(jié)點(diǎn)的多重身份,該路由可能又通過了該攻擊點(diǎn)。它降 低了多經(jīng)選路的效果。針對(duì)這種攻擊方式,可以采用鑒別技 術(shù)抵御。

5今后的研究方向

目前,有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究還處于初步階段,由于無 線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和模型沒有形成最后的標(biāo)準(zhǔn),無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)安全研究方面還面臨著許多不確定的因素,對(duì)于 W S N 而言,仍然存在著如下有待進(jìn)一步研究的問題。

5.1安全的異常檢測(cè)和節(jié)點(diǎn)廢除

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,由于被盜用節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)非常有害,因 而希望能即時(shí)檢測(cè)和廢除被盜用節(jié)點(diǎn)。Chan 提出使用分布式

投票系統(tǒng)來解決這個(gè)問題。5.2

安全路由

安全的路由協(xié)議應(yīng)允許在有不利活動(dòng)的情況下,繼續(xù)保 持網(wǎng)絡(luò)的正常通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的許多類型的攻擊方式的 抵御可以通過提高路由的安全設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。如何設(shè)計(jì)一種高 效、安全的路由有待進(jìn)一步的研究。

5.有效的加密原語

Perrig 提出了 SPINS 協(xié)議族, 通過該協(xié)議, 使用有效的 塊加密,對(duì)于不同塊進(jìn)行不同的加密操作。Karlof

設(shè)計(jì)了 TinySec,在效率與安全性之間折中。在密鑰建立和數(shù)字簽名 時(shí),如何使用有效的非對(duì)稱加密機(jī)制,是一個(gè)值得進(jìn)一步研 究的方向。

5.4入侵檢測(cè)問題

在數(shù)據(jù)認(rèn)證和源認(rèn)證之前,有必要設(shè)計(jì)相應(yīng)的方案來確 認(rèn)通信方是不是惡意節(jié)點(diǎn)。目前有些無線傳感網(wǎng)絡(luò)都是假設(shè) 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有全網(wǎng)惟一標(biāo)識(shí),這其實(shí)是不符合現(xiàn)實(shí)的。

5.5傳感器安全方案和技術(shù)方案的有機(jī)結(jié)合

根據(jù) W S N 的特點(diǎn),其安全解決方案不能設(shè)計(jì)得過于復(fù) 雜,并盡可能的避免使用公鑰算法。如何在不明顯增加網(wǎng)絡(luò) 開銷的情況下,使性能和效率達(dá)到最佳,并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的協(xié) 議和算法有待于進(jìn)一步的研究。

5.6

管理和維護(hù)節(jié)點(diǎn)的密鑰數(shù)據(jù)庫

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)和保持一個(gè)密鑰數(shù)據(jù) 庫。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力有限的情況下, 如何保證密鑰建立、撤 消和更新等階段動(dòng)態(tài)地維護(hù)和管理數(shù)據(jù)庫需要進(jìn)一步的研究。

6總結(jié)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事和民用領(lǐng)域都有著廣泛的潛在用 途,是當(dāng)前技術(shù)研究的熱點(diǎn)。本文從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧、安全需求、可能受到的安全攻擊及 相應(yīng)的防御方法及今后有待進(jìn)一步研究的問題等方面對(duì)目前 國內(nèi)外開展的研究進(jìn)行了較為系統(tǒng)的總結(jié),有助于了解當(dāng)前無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展及現(xiàn)狀。

參考文獻(xiàn)

[1]Prtra JC,PalR N.A functional link artificial neural network foradaptive c hannel e qualization[J].Signal P rocessing.1995.[2]PasqualeArpaia,Pasquale Daponte,DomcaicoGrmi ald,i et a.l ANN-Based Error Reduction for Expermi entally Modeled Sensors [J].IEEE Trans.on Instrumentation andMeasurement.2002.[3]徐麗娜.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[M].哈爾濱:哈爾濱

工業(yè)大學(xué)出版社.1999.[4]遺傳算法結(jié)合FANN實(shí)現(xiàn)加速度傳感器動(dòng)態(tài)特性補(bǔ)償[J].計(jì) 量學(xué)報(bào).2005.[5]郎為民,楊宗凱,吳世忠,譚運(yùn)猛.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全研究.計(jì) 算機(jī)科學(xué).2005.

第三篇：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

桂林電子科技大學(xué)

實(shí)驗(yàn)報(bào)告

2015 5--2016 6 學(xué)年第 一 學(xué)期

開 課 單 位

海洋信息工程學(xué)院

適用年級(jí)、專業(yè)

課 程 名 稱

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

主 講 教 師

王曉瑩

課 程 序 號(hào)

1510344

課 程 代 碼

BS1620009X0

實(shí) 驗(yàn) 名 稱

ns2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置及應(yīng)用

實(shí) 驗(yàn) 學(xué) 時(shí)學(xué)時(shí)

學(xué)

號(hào)

姓

名

一、

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?)掌握虛擬機(jī)的安裝方法。

2)熟悉 Ubuntu 系統(tǒng)的基本操作方法。

3)掌握 ns2 環(huán)境配置。

4)掌握 tcl 語言的基本語句及編程規(guī)則。

5)了解使用 ns2 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的過程。

二、

實(shí)驗(yàn)環(huán)境

1)系統(tǒng)：Windows 10 專業(yè)版 64 位 2)內(nèi)存：8G 3)軟件：VMware Workstation 12 Pro 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

((一 一))安裝虛擬機(jī)（簡述安裝步驟）

a)在 VMware 官網(wǎng)（https://#allinone 復(fù)制到根目錄，解壓到當(dāng)前位置 tar xvfz ns-allinone-2.35.tar.gz

在根目錄下打開 ns-allinone-2.35 文件夾，在里面找到 ns-2.35 打開找 linkstate文 件 夾，打 開 里 面 的 ls.h 文 件，將 第 137 行 的 void eraseAll(){ erase(baseMap::begin(), baseMap::end());} 改成 void eraseAll(){ this->erase(baseMap::begin(), baseMap::end());}

運(yùn)行 cd./ns-allinone-2.35 運(yùn)行./install #進(jìn)行安裝

d)設(shè)置環(huán) 境變量：

終端中輸入 cd，返回根目錄，然后

sudo gedit.bashrc 在文件末尾加入：

export PATH=“$PATH:/home/kevin/ns-allinone-2.35/bin:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tcl8.5.10/unix:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tk8.5.10/unix” export LD_LIBRARY_PATH=“$LD_LIBRARY_PATH:/home/kevin/ns-allinone-2.35ns-allinone-2.35/otcl-1.14:/home/kevin/ns-allinone-2.35/lib” export TCL_LIBRARY=“$TCL_LIBRARY:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tcl8.5.10/library” 保存退出

e)驗(yàn)證 完成后在新終端窗口 輸入 ns 出現(xiàn)%

測(cè)試：

ns./ns-allinone-2.35/ns-2.35/tcl/ex/simple.tcl

輸入 exit 退出 ns2

((四 四))l tcl 語言基本使用（舉例說明）

a)創(chuàng)建 test01.tcl 文件，編輯 test01.tcl 文件,在終端輸入 touch test01.tcl #創(chuàng)建文件 gedit test01.tcl #編輯文件 b)在 test01.tcl 中輸入“九九乘法表”TCL 語言

c)運(yùn)行 test01.tcl，結(jié)果如圖：

((五 五))網(wǎng)絡(luò)仿真（可以選示例，也可以自己參考資料設(shè)計(jì)仿真）

((六 六))遇到的問題及解決方法

1.Ns2 驗(yàn)證：安裝完成后在新終端窗口 輸入 ns 不出現(xiàn) %

使用 sudo apt-get install ns2 安裝后新窗口輸入 ns 出現(xiàn) %

2.TCL 語言測(cè)試：找不到 tk.tcl

ns./ns-allinone-2.35/ns-2.35/tcl/ex/simple.tcl 提示找不到 tk.tcl，因?yàn)闆]安裝 nam，輸入命令 sudo apt-get install nam 安裝成功，再驗(yàn)證就可以了。

四、

實(shí)驗(yàn)總結(jié)

通過本次實(shí)驗(yàn)，熟悉掌握了虛擬機(jī) VMware Workstation Pro 的安裝與系統(tǒng)創(chuàng)建安裝使用，熟悉掌握 Ubuntu 系統(tǒng)的基本命令操作，掌握 ns2 環(huán)境配置，掌握 tcl 語言的基本語句及編程規(guī)則，了解但還尚未能掌握使用 ns2進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的操作。相信之后通過理論與實(shí)踐更深的了解熟悉網(wǎng)絡(luò)仿真的知識(shí)與操作。

第四篇：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)感想

無線傳感實(shí)驗(yàn)感想

本次實(shí)驗(yàn)我們進(jìn)行的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，我們小組成員學(xué)習(xí)了無線傳輸?shù)幕驹?，合作完成?shí)驗(yàn)系統(tǒng)的安裝、調(diào)試與數(shù)據(jù)分析，在這一過程中我受益良多。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是基于ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

現(xiàn)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛用于很多方面，如農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動(dòng)化以及智能家居等。無線傳感的使用使傳感器和自動(dòng)化技術(shù)得到了空前的發(fā)展，并給人們的生活帶來了很大的便利。

我們平時(shí)的實(shí)驗(yàn)課更多注重對(duì)理論的驗(yàn)證，但是沒有創(chuàng)新性和自主研發(fā)性，雖然這次的實(shí)驗(yàn)我們大部分也是照著實(shí)驗(yàn)說明書進(jìn)行連接、燒錄程序、演示等，但是此次的實(shí)驗(yàn)增加了我對(duì)電子設(shè)計(jì)的濃厚興趣。只要有興趣，我相信化興趣為動(dòng)力，我肯定能更加努力加強(qiáng)電子專業(yè)的學(xué)習(xí)，努力提高專業(yè)素養(yǎng)。

當(dāng)然實(shí)驗(yàn)中還有注重團(tuán)隊(duì)的協(xié)作，我們分工明確，合作愉快，因此更快、更好地完成了實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在的項(xiàng)目工程，憑一己之力幾乎不可能完成，所以企業(yè)也十分注重員工的團(tuán)隊(duì)意識(shí)，我們想要進(jìn)入好的企業(yè)，對(duì)這塊不能等閑視之，必須加以重視。

最后，通過這次的傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)我不但對(duì)理論知識(shí)有了更加深的理解，對(duì)于實(shí)際的操作和也有了質(zhì)的飛躍。經(jīng)過這次的實(shí)驗(yàn)，我們整體對(duì)各個(gè)方面都得到了不少的提高，希望以后學(xué)校和系里能夠開設(shè)更多類似的實(shí)驗(yàn)，能夠讓我們得到更好的鍛煉。

第五篇：傳感器原理及課后答案答案

1－1：答：傳感器在被測(cè)量的各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出量和輸入量之間的關(guān)系稱為傳感器的靜態(tài)特性；其主要指標(biāo)有線性度、靈敏度、精確度、最小檢測(cè)量和分辨力、遲滯、重復(fù)性、零點(diǎn)漂移、溫漂。

1－2：答：（1）動(dòng)態(tài)特性是指傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性；

（2）描述動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)：對(duì)一階傳感器：時(shí)間常數(shù)

對(duì)二階傳感器：固有頻率、阻尼比。

1－3：答：傳感器的精度等級(jí)是允許的最大絕對(duì)誤差相對(duì)于其測(cè)量范圍的百分?jǐn)?shù)，即 A＝ΔA/YFS＊100％

1－4；答：（1）：傳感器標(biāo)定曲線與擬合直線的最大偏差與滿量程輸出值的百分比叫傳感器的線性度；（2）擬合直線的常用求法有：端基法和最小二5乘法。

1－5：答：由一階傳感器頻率傳遞函數(shù)w(jw)=K/(1+jωτ),確定輸出信號(hào)失真、測(cè)量結(jié)果在所要求精度的工作段，即由B/A=K/(1+(ωτ)),從而確定ω，進(jìn)而求出f=ω/(2π).1－6：答：若某傳感器的位移特性曲線方程為y1=a0+a1x+a2x2+a3x3+…….讓另一傳感器感受相反方向的位移，其特性曲線方程為y2=a0－a1x＋a2x2－a3x3＋……，則Δy=y1－y2=2(a1x+a3x3+ a5x5……),這種方法稱為差動(dòng)測(cè)量法。其特點(diǎn)輸出信號(hào)中沒有偶次項(xiàng)，從而使線性范圍增大，減小了非線性誤差，靈敏度也提高了一倍，也消除了零點(diǎn)誤差。

2－1：答：（1）金屬材料在受到外力作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械變形，導(dǎo)致其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象叫金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)。

（2）半導(dǎo)體材料在受到應(yīng)力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。2－2：答：相同點(diǎn)：它們都是在外界力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形，從而導(dǎo)致材料的電阻發(fā)生變化所；不同點(diǎn)：金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)以機(jī)械形變?yōu)橹鳎牧系碾娮杪氏鄬?duì)變化為輔；而半21/2

導(dǎo)體材料則正好相反，其應(yīng)變效應(yīng)以機(jī)械形變導(dǎo)致的電阻率的相對(duì)變化為主，而機(jī)械形變?yōu)檩o。

2－3：答：金屬應(yīng)變片單位應(yīng)變引起的應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化叫金屬應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)；它與金屬絲應(yīng)變靈敏度函數(shù)不同，應(yīng)變片由于由金屬絲彎折而成，具有橫向效應(yīng)，使其靈敏度小于金屬絲的靈敏度。

2－4：答：因?yàn)椋?）金屬的電阻本身具有熱效應(yīng)，從而使其產(chǎn)生附加的熱應(yīng)變；

（2）基底材料、應(yīng)變片、粘接劑、蓋板等都存在隨溫度增加而長度應(yīng)變的線膨脹效應(yīng)，若它們各自的線膨脹系數(shù)不同，就會(huì)引起附加的由線膨脹引起的應(yīng)變；常用的溫度補(bǔ)償法有單絲自補(bǔ)償，雙絲組合式自補(bǔ)償和電路補(bǔ)償法。

2－5：答：（1）固態(tài)壓阻器件的特點(diǎn)是：屬于物性型傳感器，是利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技術(shù)制成的壓阻式傳感器，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、精度高易于集成化、微型化等特點(diǎn)。（2）受溫度影響，會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)溫度漂移（主要是由個(gè)橋臂電阻及其溫度系數(shù)不一致引起）和靈敏度溫度漂移（主要靈敏度系數(shù)隨溫度漂移引起）。

（3）對(duì)零點(diǎn)溫度漂移可以用在橋臂上串聯(lián)電阻（起調(diào)零作用）、并聯(lián)電阻（主要起補(bǔ)償作用）；

對(duì)靈敏度漂移的補(bǔ)償主要是在電源供電回路里串聯(lián)負(fù)溫度系數(shù)的二極管，以達(dá)到改變供電回路的橋路電壓從而改變靈敏度的。

2－6：答；（1）直流電橋根據(jù)橋臂電阻的不同分成：等臂電橋、第一對(duì)稱電橋和第二等臂電橋（2）等臂電橋在R＞＞ΔR的情況下，橋路輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系；第一對(duì)稱電橋（鄰臂電阻相等）的輸出電壓等同于等臂電橋；第二對(duì)稱電橋（對(duì)臂電阻相等）的輸出電壓的大小和靈敏度取決于鄰臂電阻的比值，當(dāng)k小于1時(shí)，輸出電壓、線性度均優(yōu)于等臂電橋和第一對(duì)稱電橋。

3-1 電容式傳感器有哪些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？

答：優(yōu)點(diǎn)：①測(cè)量范圍大。金屬應(yīng)變絲由于應(yīng)變極限的限制，ΔR/R一般低于1％。而半導(dǎo)體應(yīng)變片可達(dá)20％，電容傳感器電容的相對(duì)變化量可大于100％；

②靈敏度高。如用比率變壓器電橋可測(cè)出電容，其相對(duì)變化量可以大致107。－

③動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短。由于電容式傳感器可動(dòng)部分質(zhì)量很小，因此其固有頻率很高，適用于動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)量。④機(jī)械損失小。電容式傳感器電極間吸引力十分微小，又無摩擦存在，其自然熱效應(yīng)甚微，從而保證傳感器具有較高的精度。⑤結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)。電容式傳感器一般用金屬作電極，以無機(jī)材料（如玻璃、石英、陶瓷等）作絕緣支承，因此電容式傳感器能承受很大的溫度變化和各種形式的強(qiáng)輻射作用，適合于惡劣環(huán)境中工作。電容式傳感器有如下不足：①寄生電容影響較大。寄生電容主要指連接電容極板的導(dǎo)線電容和傳感器本身的泄漏電容。寄生電容的存在不但降低了測(cè)量靈敏度，而且引起非線性輸出，甚至使傳感器處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)。②當(dāng)電容式傳感器用于變間隙原理進(jìn)行測(cè)量時(shí)具有非線性輸出特性。

3-2 分布和寄生電容的存在對(duì)電容傳感器有什么影響？一般采取哪些措施可以減小其影響。

答：改變傳感器總的電容量，甚至有時(shí)遠(yuǎn)大于應(yīng)該傳遞的信號(hào)引起的電容的變化；使傳感器電容變的不穩(wěn)定，易隨外界因素的變化而變化。

可以采取靜電屏蔽措施和電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

3-3 如何改善單極式變極距型電容傳感器的非線性？

答：采用可以差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，可以使非線性誤差減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3－4：答：驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)是指傳感器與后邊轉(zhuǎn)換輸出電路間引線采用雙層屏蔽電纜，而且其內(nèi)屏蔽層與信號(hào)傳輸線（芯線）通過1：1放大器實(shí)現(xiàn)等電位，由于屏蔽電纜線上有隨

傳感器輸出信號(hào)變化而變化的信號(hào)電壓，所以稱之為“電纜驅(qū)動(dòng)技術(shù)”。3-7 為什么高頻工作時(shí)的電容式傳感器其連接電纜不能任意變化？

答：因?yàn)檫B接電纜的變化會(huì)導(dǎo)致傳感器的分布電容、等效電感都會(huì)發(fā)生變化，會(huì)使等效電容等參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，最終導(dǎo)致了傳感器的使用條件與標(biāo)定條件發(fā)生了改變，從而改變了傳感器的輸入輸出特性。

4－1：答：差動(dòng)式電感傳感器是通過改變銜鐵的位置來改變兩個(gè)差動(dòng)線圈磁路的磁阻而使兩個(gè)差動(dòng)結(jié)構(gòu)的線圈改變各自的自感系數(shù)實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的檢測(cè)，而差動(dòng)變壓器式傳感器則是通過改變銜鐵的位置改變兩個(gè)原副線圈的互感系數(shù)來檢測(cè)相關(guān)物理量的。

5－1答:（1）某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┘恿Χ顾污E時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極低化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。（2）不能，因?yàn)闃?gòu)成壓電材料的電介質(zhì)，盡管電阻很大，但總有一定的電阻，外界測(cè)量電路的輸入電阻也不可能無窮大，它們都將將壓電材料產(chǎn)生的電荷泄漏掉，所以正壓電式不能測(cè)量靜止電荷。

5-3:答：（1）壓電式傳感器前置放大器的作用：一是把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗輸出，二是放大壓電式傳感器的輸出弱信號(hào)。

(2)壓電式電壓放大器特點(diǎn)是把壓電器件的高輸出阻抗變換為傳感器的低輸出阻抗，并保持輸出電壓與輸入電壓成正比。

而電荷放大器的特點(diǎn)是能把壓電器件的高內(nèi)阻的電荷源變換為傳感器低內(nèi)阻的電壓源，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，并使其輸出電壓與輸入電壓成正比，且其靈敏度不受電纜變化的影響。

因?yàn)殡妷悍糯笃鞯撵`敏度Ce的大小有關(guān)，見（5－20式）。

6-3．光柵式傳感器的基本原理是什么？莫爾條紋是如何形成的?特點(diǎn)？

當(dāng)標(biāo)尺光柵相對(duì)于指示光柵移動(dòng)時(shí)，形成的莫爾條紋產(chǎn)生亮暗交替的變化，利用光電接收原件將莫爾條紋亮暗變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，并用數(shù)字顯示，從而測(cè)出標(biāo)尺光柵的移動(dòng)距離（2）1.雖然光柵常數(shù)w很小，但只要調(diào)整角度seta，即可得到很大的莫爾條紋寬度Bh，起到了放大作用2.莫爾條紋的光強(qiáng)度變化近似于正弦變化便于將電信號(hào)進(jìn)一步細(xì)分3.光電元件接收的并不只是固定一點(diǎn)的條紋，而是一定范圍內(nèi)的所有刻線產(chǎn)生的條紋4.莫爾條紋技術(shù)還可用徑向光柵進(jìn)行角度測(cè)量

6-4光柵傳感器有高精度的原因

1.調(diào)整角度seta獲得很大的莫爾條紋寬度起到放大作用，提高了測(cè)量精度

2.通過細(xì)分技術(shù)提高測(cè)量精度

3.光電元件接受一定長度范圍內(nèi)的所有刻線產(chǎn)生的條紋，對(duì)光柵刻線的誤差起到了平均作用，可能得到比光柵本身的刻線精度高的測(cè)量精度

8－1：答：（1）在垂直于電流方向加上磁場，由于載流子受洛侖茲力的作用，則在平行于電流和磁場的兩端平面內(nèi)分別出現(xiàn)正負(fù)電荷的堆積，從而使這兩個(gè)端面出現(xiàn)電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

（2）應(yīng)該選用半導(dǎo)體材料，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料能使截流子的遷移率與電阻率的乘積最大，而使兩個(gè)端面出現(xiàn)電勢(shì)差最大。

（3）應(yīng)該根據(jù)元件的輸入電阻、輸出電阻、靈敏度等合理地選擇元件的尺寸。

8－2：答：（1）不等位電勢(shì)的重要起因是不能將霍爾電極焊接在同一等位面上，可以通過機(jī)械修磨或用化學(xué)腐蝕的方法或用網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償法校正。

8－7答：（1）分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩類；

（2）：外光電效應(yīng)，利用物質(zhì)吸收光的能量大于物質(zhì)的逸出功，使電子跑出物體表面，向外界發(fā)射的外光電效應(yīng)。如光電管與光電倍增管。

內(nèi)光電效應(yīng)：利用物質(zhì)吸收光的能量大于物質(zhì)的禁帶寬度，使物質(zhì)中的電子從健合態(tài)過度到自由狀態(tài)，而使物質(zhì)的電阻率減小的光電效應(yīng)。如光敏電阻。

8－8答：（1）光電池的開路電壓是指外電路開路時(shí)光電池的電動(dòng)勢(shì)；短路電流是指外接負(fù)載相對(duì)于光電池內(nèi)阻而言是很小的情況下，光電池的輸出電流。

（2）因?yàn)樨?fù)載電阻越小，光電流與光照強(qiáng)度的關(guān)系越接近線性關(guān)系，且線性范圍也越寬