物联网论文-物联网之我所见.doc

物联网课程大作业 题目： 物联网之我所见 学生姓名： 刘涛 二级学院： 软件工程学院 专业： 软件工程嵌入式 班级： 14软嵌（3）班 学号： 1412102089 提交日期：2015年5月18日 目录引言1无线传感器网络的关键技术 4网络拓扑控制5网络协议6网络安全2定位技术 3无线传感器网络的重要性 4军事领域5环境的监测和预测6医疗护理2其他用途31.引言随着微电子技术和MEMS技术的不断进展，作为信息获取最基本和最重要的技术传感器技术，也得到了长足发展。伴随着信息时代网络化的进程，传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化发展。计算机技术的发展已经进入了后PC时代，后PC时代的一个特点就是推动了计算机从桌面系统和数据中心进入到物理环境中。无线传感器网络（WSN）技术是在以上技术的进步的基础之上发展起来的，是一种集成了监测、控制和无线通信技术的网络系统。传感器网络节点一般搭载一个或多个传感器，感知物理世界。它采用多跳的传播和无基础设施组网，节点既是信息的采集和发出者，又充当信息的路由者，具有规模大、自组织、动态性、应用相关、以数据为中心等特点。无线传感器网络不同于传统的无线网络：其一，无线传感器网络节点数目众多，一般没有全球唯一的网络标识符，传统的有线、无线网络中，每个节点都有唯一的地址用于路由。传感器网络是以数据为中心，某些节点之间的路由是不需要的，所以无线传感器网络中不宜采用传统的路由协议。其二，无线传感器网络中数据的流向是多对一的，需要的信息一般是来自一个区域，经过数据融合后，得到需要的信息，再传送到目的节点sink节点，由其统一交付给用户。其三，传感器节点电能和存储容量都很有限。由于在被观测对象内部或附近部署了大量的传感器节点，一个节点中收集的数据有可能和其他附近节点收集的数据存在因为这些传感器节点采集的数据是相同或相近的，即存在冗余信息，传输数据会消耗大量的节点能量，因而没有必要将这些数据全部发送给汇聚节点。这就需要路由协议具有数据融合能力，以提高带宽利用率。其四，无线传感器网络中的大部分节点不像传统的Adhoc网络中的节点一样快速移动，因此没有必要花费很大的代价频繁地更新路由表信息。由于是无线传输、电池供电、覆盖范围和节点生存期受到一定的限制。一个现实问题是如何在远处从部署的无线传感器网络中提取数据，一种方法是连接WSN和现有的网络设施，包括国际互联网。今天大部分网络使用的是IP协议作为其基本的技术，因此，如何实现把WSN和IP网络互联网成为了热门的研究课题。因为WSN采用多跳的传播和无基础设施网组，在野外或战场等恶劣且偏远的环境中，在电力系统以及运营通信网络覆盖不到的地方，却往往是传感器网络大有用武之地，依靠计算机等功率较大的设备实现对野外目标探测传感器的实时监控并实现无线传感器网络的远程访问是不现实的，采用低功耗单片机或微控制器组成的系统，利用以太网供电技术可以在一定范围内拓展以太网的覆盖范围，延伸了WSN接入点的作用半径，成为具有实用和研究意义的课题。2.无线传感器网络的关键技术无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多科学交叉的研究领域，有非常多的关键技术有待发现和研究，下面仅列出部分关键技术。2.1.网络拓扑控制对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于与节省节点的能量来延长网络的生存期。所以，拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。传感器网络拓扑控制目前主要的研究问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的无线同喜链路，生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构。拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓扑结构形成两个方面。功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，减少节点的发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数目；已经提出了COMPOW等统一功率分配算法，LINT/LILT和LMN/LMA等基于节点度数的算法，CBTC、LMST、RNG、DRNG、和DLSS等基于邻近图的近似算法。层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量；目前提出了TopDisc成簇算法，改进的GAF虚拟地理网格分簇算法，以及LEACH和HEED等自组织成簇算法。除了传统的功率控制和层次型拓扑控制，人们也提出了启发式的阶段唤醒和休眠机制。该机制能够使节点在没有事件发生时设置通信模块为睡眠状态，而在有事件发生时及时自动醒来并唤醒邻居节点，形成数据转发的拓扑结构。这种机制重点在于解决节点在睡眠状态和活动状态之间的转换问题，不能够独立作为一种拓扑结构控制机制，因此需要与其他拓扑控制算法结合使用。2.2网络协议由于传感器节点计算能力、存储能力、通信能力以及携带的能量都十分有限，每个节点只能获取局部网络的拓扑信息，其上运行的网络协议也不能太复杂。同时，传感器拓扑结构动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出了更高的要求。传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定监测信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。在无线传感器网络中，路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个网络能量的均衡消耗，这样才能延长整个网络的生存期。同时，无线传感器网络是以数据为中心的，这在路由协议中表现得最为突出，每个节点没有必要采用全网统一的编址，选择路径可以不用根据节点的编址，更多的是根据感兴趣的数据建立数据源的汇集节点之间的转发路径。目前提出了多种类型的传感器网络路由协议，如多个能量感知的路由协议，定向扩散和谣传路由等基于查询的路由协议，GEAR和GEM等基于地理位置的路由协议，SPEED和ReInForM等支持QoS的路由协议。传感器网络的MAC协议首先要考虑节省能源和可扩展性，其次才考虑公平性、利用率和实时性等。在MAC层的能源浪费主要表现在空闲侦听、接收不必要数据和碰撞重传等。为了减少能量的消耗，MAC协议通常采用“侦听/睡眠”交替的无线信道侦听机制，传感器节点在需要收发数据时菜侦听无线信道，没有数据需要收发时就尽量进入睡眠状态。2.3.网络安全无线传感器网络作为任务型的网络，不仅要进行数据的传输，而且要进行数据采集和融合，、任务的协同控制等。如何保证任务执行的机密性、数据产生的可靠性、数据融合的高效性以及数据传输的安全性，就成为无线传感器网络安全问题需要全面考虑的内容。为了保证任务的机密布置和任务执行结果的安全传递和融合，无线传感器网络需要实现一些最基本的安全机制：机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播和安全管理。除此之外，为了确保数据融合后数据源信息的保留，水印技术也成为无线传感器网络安全的研究内容。虽然在安全研究方面，无线传感器网络没有引入太多的内容，但无线传感器网络的特点决定了它的安全与传统网络安全在研究方法和计算手段上有很大的不同。首先，无线传感器网络的单元节点的各方面能力都不能与目前Internet的任何一种网络终端相比，所以必然存在算法计算强度和安全强度之间的权衡问题，如何通过更简单的算法实现尽量坚固的安全外壳是无线传感器网络安全的主要挑战；其次，有限的计算资源和能量资源往往需要系统的各种技术综合考虑，以减少系统代码的数量，如安全路由技术等；另外，无线传感器网络任务的协作特性和路由的局部特性使节点之间存在安全耦合，单个节点的安全泄露必然威胁网络的安全，所以在考虑安全算法的时候要尽量减少这种耦合性。无线传感器网络SPINS安全框架在机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播方面定义了完整有效的机制和算法。安全管理方面目前以密钥预分布模型作为安全初始化和维护的只有机制，其中随机密钥对模型、基于多项式的密钥对模型等是目前最有代表性的算法。2.4.定位技术位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分，没有位置信息的监测消息通常毫无意义。确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。为了提供有效的位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身的位置。由于传感器节点存在资源有限、随机部署、通信易受环境干扰甚至节点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。根据节点位置是否确定，传感器节点分为信标节点和位置未知节点。信标节点的位置是已知的，位置未知节点需要少数信标节点，按照某种定位机制确定自身的位置。在传感器网络定位过程中，通常会使用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法确定节点位置。根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度，把传感器网络中的定位分类基于距离的定位和距离无关的定位。基于距离的定位机制就是通过测量相邻节点间的实际距离或方位来确定未知节点的位置，通常采用测距、定位和修正等步骤实现。根据测量节点间距离或方位时所采用的方法，基于距离的定位分为基于TOA的定位、基于TDOA的定位、基于AOA的定位、基于RSSI的定位等。由于要实际测量节点间的距离或角度，基于距离的定位机制通常定位精度相对较高，所以对节点的硬件也提出了很高的要求。距离无关的定位机制无须实际测量节点间的绝对距离或方位就能够确定未知节点的位置，目前无须测量节点间的绝对距离或方位，因而降低了对节点硬件的要求，使得节点成本更适合于大规模传感器网络。距离无关的定位机制的定位性能受环境因素的影响小，虽然定位误差相应有所增加，但定位精度能够满足多数传感器网络应用的要求，是目前大家重点关注的定位机制。3.无线传感器网络的重要性无线传感器网络集成了传感器、微机电系统和网络3大技术，是一种全新的信息获取和处理技术。它能够协作地实时监测感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息传送到需要这些信息的用户。传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息。无线传感器网络系统可以被广泛地应用于军事领域、环境、科学、医疗、健康、空间探索、交通管理制造业反恐抗灾等领域。3.1军事领域由于无线传感器网络节点具有小巧、隐蔽性好、环境适应性好等特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，可以应用在侦查敌情、监控兵力、装备和物资等多方面用途。3.2环境的监测和预报随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，越来越具体，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫