传感器及传感器网络在智慧商业中的应用

1、智慧商业技术项目五、传感器及传感器网络在智慧商业中的应用任务一、传感器及传感器网络技术认知传感器传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律（通过物理的、化学的、甚至生物的方式）变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器传感器实现的方式温度传感器根据材料的电阻值随温度不同的变化，以及热电偶的电势随温度不同的变化的原理来进行温度的测定。不同的测温区间采用的传感器是不一样的。我们最常见的就是室温传感器。而对应的低温及高温都有不同的传感器来处理。称重传感器称重传

2、感器主要是将力转变为电信号。有电阻应变式、电磁力式和电容式。最常见的是电阻应变式。电阻应变式传感器主要是利用在理的作用下，材料产生应变导致其电阻值发生的变化来进行力的测量。土壤水分传感器土壤水分传感器也叫土壤湿度传感器，它主要是根据土壤含水分不同导电率不同的原理来进行土壤中所含水分的测定。水浑浊度传感器在指定长度的盛水的玻璃管一端安装发光装置、在其另一端安装光电感应装置，通过测定在不同浑浊度情况下，透过的光的强度来判断水的浑浊度。粮食虫害传感器在一个带有可容虫子通过的小孔的中空的管中添加可以吸引指定害虫的激素，将该装置插入粮食中时，通过红外光栅技术的方式，测定指定时间内钻入管子中的害虫的数量多

3、少，来判断虫害是否爆发。无线传感器网络无线传感器网络（WSN，wireless sensor network）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、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。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。无线传感器网络无线传感器网络的发展历史三个阶段：传感器、无线传感器、无线传感器网络越战时期，有一条著名的“胡志明小道”，是胡志明部队向南方游击队输送物资的秘密通道。由于环境复杂、运输部队又神出鬼没，美军虽然对其进行了狂轰滥炸，但是收效不大。后来美军在相因

4、地段部署了两万多个“热带树”传感器。后 “热带树”传感器主要采集震动和声音，进而判断是否有运输车辆通过。部署的时候，“热带树”由飞机进行空投，落地后能够插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线。当运输车队经过时，“热带树”采集到相应的震动和声音，并把他们发送出去。后来，在二十世纪八十到九十年代间，美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。其中采用的系统就同时具备感知、计算及通讯能力。进入二十一世纪后，整个传感器网络的发展主要在实现网络传输的自组织以及降低节点的功耗上。2003年美国技术评论将无线传感器网络技术列为影响人类未来生活产生的十大新兴技术之首。人们也将

5、无线传感器网络技术与互联网技术相提并论，称无线传感器网络是继互联网之后的第二大网络。中国科学院早在1999年便启动了无线传感器网络方面的研究，并在这个领域获得了国际领先的成就。无线传感器网络系统结构传感器节点 传感器节点主要负责数据的采集、发送、处理，并在组成多跳网络时负责数据的转发，其本省并不需要太强的运算能力。所以，传感器节点的处理能力、存储能力和通信能力都相对较弱。另外，最终的传感器节点要求能够在较小容量电池供电的情况下，较长时间的工作，所以其功耗必须相对较低。汇聚节点 汇聚节点有时也叫路由节点，由于其需要处理相对较多的数据，并需要进行协议之间的转换，所以对其处理能力、存储能力和通信能力

6、要求就相对较高。协调器 协调器，也有人称其为管理节点，它主要用动态地管理整个无线传感器网络。使用者可以通过协调器访问无线传感器网络的资源。传感器节点结构无线传感器网络的特点自组织 快速部署、节点变化重新组建网络多跳 边缘连接、无需建立覆盖网络大规模 特性适应于大规模部署，有冗余，容错性高动态性 重新组网、适应性强可靠性 室外节点设计的可靠性（放踩踏、啃咬、飞机播撒），数据安全性以数据为中心 网络本身无意义，关键是地点、时间、传感器数据集成化设计 体积小、功耗低、价格低。无线传感器网络的唤醒模式 全唤醒 随机唤醒 预测唤醒 任务循环唤醒网络安全-节点物理操控 这是整个传感器网络中最大的安全隐患，

7、攻击者可以很容易从传感器节点中获取相应的机密信息，同时攻击者可以很方便的修改传感器节点中的程序代码，使其伪造身份在网络中进行通信，进而影响整个网络。同时攻击者还可以伪造一个节点，加入网络，监听网路中的信息，向网络发送虚假信息，或者拒绝服务攻击。对于物理操纵问题，是无线传感器网络中不可回避的安全问题，我们可以通过相应的技术方案来进行解决。从物理上，传感器节点的设计与封装上，可以加入防破拆的元素，这样虽然不能从根本上解决问题，但是可以避免一部分的物理操纵。同时，我们也可以在通信前对节点的身份进行验证，采用不同密钥协商方案，这样即使一部分节点被控制，也无法获取其他节点的信息，同时，我们还可以对传感器

8、节点的合法性进行认证，防止篡改。网络安全-窃听 由于无线传感器网络采用无线进行传输，所以攻击者很容易监听到节点间传输的数据。例如：目前的智能家居技术越来越多的采用了无线传感器网络技术，这样很容通过无线接收器从外部接收到室内所有的控制及采集信号，部这样就可以获取主人的一些生活习惯的隐私信息。 对传输信息加密可以解决窃听问题，但需要一个灵活、强健的密钥交换和管理方案，密钥管理方案必须容易部署而且适合传感节点资源有限的特点，另外，密钥管理方案还必须保证当部分节点被操纵后（这样，攻击者就可以获取存储在这个节点中的生成会话密钥的信息），不会破坏整个网络的安全性。由于传感节点的内存资源有限，使得在传感器网

9、络中实现大多数节点间端到端安全不切实际。然而在传感器网络中可以实现跳-跳之间的信息的加密，这样传感节点只要与邻居节点共享密钥就可以了。在这种情况下，即使攻击者捕获了一个通信节点，也只是影响相邻节点间的安全。但当攻击者通过操纵节点发送虚假路由消息，就会影响整个网络的路由拓扑。解决这种问题的办法是具有鲁棒性的路由协议，另外一种方法是多路径路由，通过多个路径传输部分信息，并在目的地进行重组。网络安全-远程监听分析 传感器网络是用于收集信息作为主要目的的，攻击者可以通过窃听、加入伪造的非法节点等方式获取这些敏感信息，如果攻击者知道怎样从多路信息中获取有限信息的相关算法，那么攻击者就可以通过大量获取的信

10、息导出有效信息。一般传感器中的私有性问题，并不是通过传感器网络去获取不大可能收集到的信息，而是攻击者通过远程监听WSN，从而获得大量的信息，并根据特定算法分析出其中的私有性问题。因此攻击者并不需要物理接触传感节点，是一种低风险、匿名的获得私有信息方式。远程监听还可以使单个攻击者同时获取多个节点的传输的信息。 对策：保证网络中的传感信息只有可信实体才可以访问是保证私有性问题的最好方法，这可通过数据加密和访问控制来实现;另外一种方法是限制网络所发送信息的粒度，因为信息越详细，越有可能泄露私有性，比如，一个簇节点可以通过对从相邻节点接收到的大量信息进行汇集处理，并只传送处理结果，从而达到数据匿名化。

11、网络安全-拒绝服务攻击（DoS） DoS攻击主要用于破坏网络的可用性，减少、降低执行网络或系统执行某一期望功能能力的任何事件。如试图中断、颠覆或毁坏传感网络，另外还包括硬件失败、软件bug、资源耗尽、环境条件等。这里我们主要考虑协议和设计层面的漏洞。确定一个错误或一系列错误是否是有意DOS攻击造成的，是很困难的，特别是在大规模的网络中，因为此时传感网络本身就具有比较高的单个节点失效率。 DoS攻击可以发生在物理层，如信道阻塞，这可能包括在网络中恶意干扰网络中协议的传送或者物理损害传感节点。攻击者还可以发起快速消耗传感节点能量的攻击，比如，向目标节点连续发送大量无用信息，目标节点就会消耗能量处理

12、这些信息，并把这些信息传送给其它节点。如果攻击者捕获了传感节点，那么他还可以伪造或伪装成合法节点发起这些DOS攻击，比如，它可以产生循环路由，从而耗尽这个循环中节点的能量。防御DOS攻击的方法没有一个固定的方法，它随着攻击者攻击方法的不同而不同。一些跳频和扩频技术可以用来减轻网络堵塞问题。恰当的认证可以防止在网络中插入无用信息，然而，这些协议必须十分有效，否则它也会被用来当作DOS攻击的手段。比如，使用基于非对称密码机制的数字签名可以用来进行信息认证，但是创建和验证签名是一个计算速度慢、能量消耗大的计算，攻击者可以在网络中引入大量的这种信息，就会有效地实施DoS攻击。应用-环境监测 随着人们对

13、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，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，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个小型传感器连进互联网，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。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，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，它也可以应用在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。应用-医疗护理 罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住者的重要征兆(血压、脉搏和呼吸)、睡觉姿势

14、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传感器，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。利用无线通信将各传感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，无线传感器网络是非常有前途的领域。应用-军事领域 由于无线传感器网络具有密集型、随

15、机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应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。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行智能尘埃传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测：智能尘埃式传感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。应用-目标跟踪 DARPA支持的Sensor IT项目探索如何将WSN技术应用于军事领域，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。原理性地验证了应用WSN进行战场目标跟踪的技术可行性，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传感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，并绘制出其移动的轨迹。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应用于实战，但随着美国国防部将其武器系统研制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。应用-其他用途 WSN还被应用于一些危险的工业环境