《WSN》無線感測器網路全文翻譯
前言
該篇文章的全文翻譯是由敖琳、綦正民、錢金柱、陳見埔、劉仁宇、胡雪亮六位同學完成。其中敖琳負責摘要、第1節、第2節的翻譯，綦正民負責第3節的翻譯，錢金柱負責第4節的翻譯，劉仁宇負責第5節的翻譯，陳見埔負責第6節的翻譯，胡雪亮負責第7節、參考文獻的翻譯。整篇文章的整理、統稿、排版由錢金柱完成，文章的審閱糾錯每位同學都參與了，而且都提出了寶貴意見。在此特別註明因涉及版權問題，該篇翻譯為浙江大學工程師學院《製造物聯網技術》課後文獻調研作業，僅供學習使用。
執行摘要
如今，智慧電網，智慧家居，智慧水網路，智慧交通等都是連線世界的基礎設施系統，超過了我們以前的想象。這些系統的共同願景通常與一個概念-物聯網（IoT）相關聯，通過使用感測器，整個物理基礎設施與資訊和通訊技術緊密結合;通過使用網絡嵌入式裝置可以實現智慧監控和管理。在這樣一個複雜的動態系統中，裝置互連以通過分散式感測
無線感測器網路（WirelessSensorNetwork，WSN）是由大量感測器節點構成的網路，其中每個節點配備有用於檢測諸如光，熱，壓力等物理現象的感測器。無線感測器網路被認為是一種革命性的資訊收集方法，建立資訊通訊系統，大大提高基礎設施系統的可靠性和效率。與有線解決方案相比，WSN具有易於部署和裝置靈活性更高的特點。隨著感測器技術的快速發展，無線感測器網路將成為物聯網的關鍵技術。
在本白皮書中，我們將討論無線感測器網路在更廣泛的物聯網背景下的使用和發展，並對無線感測器網路應用進行評估，同時將注意力集中在無線感測器網路設計中的基礎設施技術，應用和標準上。本白皮書是系列文章中的第六篇，其目的是確保
第二部分從物聯網和無線感測器網路的歷史背景開始，然後以目前正在進行電網升級的電力行業為例。無線感測器網路技術在輸變電裝置安全監測和數十億臺智慧電錶的部署中發揮著重要作用。
第3部分評估無線感測器網路的技術和特性以及它們在全球的應用需求，包括資料彙總和安全性。
第4節介紹了無線感測器網路在各個領域廣泛應用中的挑戰和未來趨勢，包括超大型感測裝置訪問，信任安全和隱私以及服務架構等等。
第5節提供了有關申請的資訊。無線感測器網路在現實世界中的各種可能應用實際上是無限的。一方面，無線感測器網路能夠實現新的應用，從而實現新的可能市場;另一方面，設計受到若干需要新範例的約束的影響。本節概述WSN在智慧電網，智慧水，智慧交通系統和智慧家居領域的用途。
第6節提供的分析標準化是實現無線感測器網路互操作性的一個主要先決條件，不僅在不同廠商的產品之間，而且在不同的解決方案，應用和領域之間。
第7節總結了一些關於行業，監管機構，IEC以及WSN安全和資料主題的一般性觀點的重要建議。
致謝
本白皮書由無線感測器網路專案組在IEC市場戰略委員會編寫。專案團隊包括：
國家電網公司國家發展和改革委員會專案負責人舒銀標博士
康利博士，NIST專案合夥人PeterLanctot先生，IEC範建斌博士，國家電網公司胡浩博士
康寧公司的BruceChow博士西門子施耐德電氣Jean-PierreDesbenoit先生GuidoStephan先生
西門子李輝先生薛國棟先生，海爾先生陳先生，SAP先生DanielFaulk先生，SAP先生
TomasKaiser先生，SAP先生HirokiSatoh先生，日立
ITEI中國歐陽勁鬆教授中國ITEI中國王林雲先生
ITEI中國王壽女士納瑞集團公司嚴巖博士中國電科院孫軍平博士
教授於海濱教授曾鵬博士，新航博士李東博士，新航王勤博士，北京科技大學
目錄
縮略詞表
科技和科學術語 ABS 防鎖剎車系統
AMI 先進的計量基礎設施
CAPEX 資本支出
CoAP 受限應用協議
COSEM 配套的能源計量標準
CPU 控制處理單元
DLMS 裝置語言訊息規範
DSN 分散式感測網路
ESC 電子穩定控制
FCD 汽車資料
FDM 頻分複用
FH 跳頻
GHG 溫室氣體
GPS 全球定位系統
ICT 資訊和通訊技術
IoT 物聯網
KPI 關鍵績效指標
M2M 機器對機器
MAC 媒體訪問控制
MEMS 微機電系統
MIMO 多輸入多輸出
OEM 原始裝置製造商
OFDM 正交頻分複用
OPEX 運營支出
PHY 物理層
PV 光伏
QoS 服務質量
RFID 射頻識別
SOA 面向服務的架構
SOAP 面向服務的架構協議
TDMA 分時多重進接
TSMP 時間同步網格協議
TSP 信任，安全和隱私
UCC 城市整合中心
USN 無處不在的感測器網路
WIA-FA 用於工業自動化的無線網路-工廠自動化
WIA-PA用於工業自動化的無線網路-WISA
的流程自動化、感測器和執行器的無線介面
WLAN 無線區域網
WMAN 無線都會網路WPAN 無線個人區域網路WSN無
線感測器網路
WWAN 無線廣域網
XFCD 延長oating汽車資料
組織機構和公司 ABB ABB集團
ARPANET 高階研究專案代理網路
BBF 寬頻論壇
CAB （IEC的符合性評估委員會）中國電科院中國電力科學研究院
DARPA 國防部高階研究計劃局（美國）
ETSI 歐洲電信標準協會
IEC 國際電工委員會
IEEE 電氣和電子工程師協會
IETF 網際網路工程任務組
ISO 國際標準化組織
ITEI 儀表技術與經濟研究所（中國）
ITU-T 國際電信聯盟-電信標準化部門
MSB 市場策略委員會（IEC）
NIST 美國國家標準與技術研究院
OGC 開放地理空間聯盟
OMA 開放移動聯盟
SGCC 國家電網公司
SIA 沉陽自動化研究所（中國）
SMB （IEC的）標準化管理委員會
UCB 加州大學伯克利分校（美國）
W3C 全球資訊網聯盟
詞彙表
物聯網
指的是現有網際網路基礎設施內唯一可識別的類嵌入式計算裝置的互連
媒體訪問控制層MAC層
控制對IEEE802網路（LAN）中的物理傳輸介質的訪問的資料鏈路協議的一部分，
系統晶片SoC
積體電路（IC），將計算機或其他電子系統的所有元件整合到一個晶片中
時間同步網格協議TSMP
該網路協議構成了可靠的超低功耗無線感測器網路的基礎
無線區域網WLAN
無需使用電線即可傳輸資料的區域網
無線都會網路WMAN
也稱為無線本地環路（WLL）。WMAN基於IEEE802.16標準。無線本地環路可以在4到10公里範圍內達到1到10Mbps的有效傳輸速度
無線個人區域網路WPAN
一個覆蓋面積僅有幾十米的低頻無線網路
無線感測器網路WSN
自組織的多跳無線感測器節點網路，用於監測和控制物理現象
無線廣域網WWAN
無線網路，為比單個城區大的地理區域提供通訊服務。所有無線網路中最常見的
第1節 介紹
1.1 概觀
今天感測器無處不在。我們認為這是理所當然的，但我們的車輛，智慧手機，控制CO排放的工廠，甚至葡萄園的地面監測土壤條件都有感測器。雖然感測器似乎已經存在了一段時間，但對無線感測器網路（WSN）的研究始於20世紀80年代，而且自2001年以來，無線感測器網路從工業和研究角度引發了越來越多的興趣。這是由於經常整合在單個晶片（片上系統（SoC））上的廉價，低功耗微型元件（如處理器，無線電和感測器）的可用性。
物聯網（IoT）的想法是與無線感測器網路並行發展的。術語物聯網是由凱文阿什頓於1999年設計的[1]，它指的是以“類似因特網”結構的唯一可識別的物件及其虛擬表示。這些物體可以是任何大型建築物，工業廠房，飛機，汽車，機器，任何型別的物品，較大系統的特定部分，人類，動植物，甚至是它們的特定身體部位。
雖然物聯網不承擔特定的通訊技術，但無線通訊技術將發揮重要作用，特別是無線感測器網路將擴大許多應用和許多行業。小巧，堅固，價格低廉且功耗低的WSN感測器將以合理的成本將物聯網帶到任何環境中安裝的最小物體。將這些物件整合到物聯網將成為無線感測器網路的一個重大發展。
無線感測器網路通常可以描述為協作感知和可能控制環境的節點網路，實現個人或計算機與周圍環境之間的互動[2]。事實上，感測，處理和有限能量通訊的活動引發了跨層設計方法，通常需要分散式訊號/資料處理，介質訪問控制和通訊協議的共同考慮[3]。
通過將現有的WSN應用作為基礎設施系統的一部分進行綜合，可以確定和開發潛在的新應用，以滿足未來技術和市場趨勢。例如，用於智慧電網，智慧水務，智慧交通系統和智慧家居的WSN技術應用會生成大量資料，而且這些資料可用於多種用途。
此外，隨著現代世界轉向物聯網新時代的無線感測器網路，隨著時間的推移，將會產生一些法律影響。最緊迫的問題之一是對資料的所有權和使用情況進行收集，整理，關聯和挖掘以獲取附加價值。資料經紀人將有一個精明的業務，因為來自各種渠道的資訊彙集將導致新的和未知的商業機會和潛在的法律責任。美國國家安全域性最近的醜聞和其他侮辱表明，人們對收集各種用途的資料非常感興趣。
在這個新世界中出現的一個更復雜的問題是機器做出自主決定的想法，對其中的環境或社會未知影響。
它的功能。這可以像冰箱那樣簡單，在其本地商店為其所有者請求補充牛奶和黃油，或者像機器人一樣複雜，已經被程式設計為在惡劣的環境中生存，該環境最初並不能預見人與人之間的互動。它也可以像記錄使用情況的車輛一樣簡單，就像航空航天工業中的黑匣子一樣，但不僅可以使用這些資訊來了解事故原因，還可以向業主和操作員提供證據。例如，如果一臺機器被用於違法，那麼這臺機器就是不合法的機器。
它涉及到機器開始行動的地步，就像它是一個法律實體一樣。責任問題開始變得模糊起來，機器的“所有者”和“操作者”的責任問題變得更加難以闡明，如果在機器或機器人的動作中幾乎沒有真正的人為干預。這當然是最糟糕的情況，但問題是如何平衡潛在負債的成本與物聯網解決方案的優勢？這很快就會變成更多的社會或道德和道義上的討論。這就是我們通常所說的價值觀的代際變化-但物聯網趨勢不會等待一代人。
1.2 本白皮書的範圍
本白皮書是系列文章中的第六篇，其目的是確保IEC能夠通過其國際標準和合格評定服務繼續為解決全球電工技術問題做出貢獻。白皮書由IECMSB（市場策略委員會）開發，負責分析和了解IEC市場，以便IEC準備戰略性地面向未來。
第2節 WSN的歷史和工業驅動因素
無線感測器網路的發展受到了軍事應用的啟發，特別是在有限區域的監視。今天，它們由分散式獨立裝置組成，這些裝置使用感測器監測物理狀況，並將其應用擴充套件到工業基礎設施，自動化，健康，交通和許多消費領域。
無線感測器網路的研究可追溯到20世紀80年代初，當時美國國防部高階研究計劃局（DARPA）為美國軍方實施了分散式感測器網路（DSNs）計劃。當時，高階研究計劃局網路（ARPANET）已執行多年，在大學和研究機構中有大約200個主機[4]。假定DSN具有許多空間分佈的低成本感測節點，彼此協作但自主操作，將資訊路由到可最好地利用資訊的任何節點。儘管感測器網路的早期研究人員有著DSN的設想，但該技術尚未完全準備就緒。更具體地說，感測器相當大（即鞋盒的尺寸更大），因此潛在應用的數量受到限制。此外，最早的DSN與無線連線並不緊密相關。
計算，通訊和微機電技術的最新進展已經導致無線感測器網路研究的重大轉變，並使其更接近於最初的願景。無線感測器網路研究的新浪潮始於1998年左右，一直受到越來越多的關注和國際參與。感測器網路研究的新浪潮把重點放在網路技術和網路資訊處理上。
適用於高度動態的特定環境和資源受限的感測器節點。此外，感測器節點的尺寸已經小得多（例如從一包卡到灰塵顆粒）並且價格便宜得多，因此感測器網路的許多新的民用應用如環境監測，車輛感測器網路和身體感測器網路已經出現。
再次，DARPA在感測器網路研究的新浪潮中扮演著先驅者的角色，啟動了一項名為SensIT的主動研究計劃[5]，該計劃為當前的感測器網路提供了諸如adhoc網路，動態查詢和任務，重新程式設計和多工等新功能。任務。目前，無線感測器網路已被視為21世紀最重要的技術之一[6]。例如中國將無線感測器網路納入其國家戰略研究計劃[7]。因此，無線感測器網路的商業化正在加速，許多新興技術公司正在興起，如CrossbowTechnology（將物理世界與數字世界連線）和DustNetworks。
如今，工業自動化是無線感測器網路應用最重要的領域之一。據Freedonia集團稱，工業用感測器的全球市場份額為110億美元，而安裝成本（主要為佈線成本）和使用量高達1000億美元以上。這種高成本是阻礙工業通訊技術發展的主要問題。無線感測器網路技術可以在整個工業過程中實現“無處不在的感測”，可以確保由於上述成本原因而無法通過線上監控獲得的重要引數。這些引數是重要的基礎。實施最優控制，以達到提高產品質量，降低能耗的目的。
根據ONWorld[8]，在2011年到2016年間，將在全球部署2400萬個啟用無線功能的感測器和執行器或感應點，將在工業領域安裝的無線裝置將增加553％。其中，39％將用於只能通過無線感測器網路才能實現的新應用。到2014年，WSN裝置數量將佔到整個工業測量和控制裝置感應點的15％，到2016年將達到33％。
在今天的市場中，工業WSN收入的四分之三來自過程工業;石油和電力行業是增長最快的行業。例如，中國石油正在其油田開展物聯網專案，目的是重建20萬個油井。應用於油井數字轉換的無線感測器網路技術將利用線上監測來測量油井產量並確保生產安全。
在目前正在進行電網升級的電力行業中，無線感測器網路技術在輸變電裝置安全監測和數十億臺智慧電錶改造中也發揮著重要作用。
圖2-1 全球安裝的工業無線感測點[8]
圖
2-2 全球工業現場儀器出貨量，有線和無線[8]
圖2-3 所有行業的WSN收入增長[8]
第三節 WSN技術
3.1無線感測器網路的特徵
WSN通常可以描述為協作感知和控制環境的節點網路， 實現個人或計算機與周圍環境之間的互動[2]。 時下的WSN通常包括感測器節點、執行器節點、閘道器和客戶端。 在監控區域內部或附近隨機部署大量感測器節點（感測器區域），通過自組織形成網路。感測器節點監視收集到的資料並通過跳躍傳輸到其他感測器節點。 在傳輸過程中，被監控的資料在多跳路由之後到達閘道器節點，並最終通過網際網路或衛星到達管理節點。 使用者通過管理節點來配置和管理WSN，釋出監控任務 和收集監控資料。
隨著相關技術的成熟，無線感測器網路裝置的成本 大幅下降，其應用範圍正逐步從軍事領域擴充套件到工 業和商業領域。同時，無線感測器網路技術的標準得到了很好的發展，如Zigbee[1]、WirelessHart、ISA100.11a以及用於工業自動化的 無線網路- 過程自動化（WIA-PA）等。此外，隨著WSN在工業自動化和家庭應用中出現新的應用模式， WSN應用的總體市場規模將繼續快速增長。
圖3.1無線感測網路
圖3.2無線感測器網路應用的市場規模
3.2 感測器節點
感測器節點是WSN的主要部分之一。感測器節點的 硬體通常包括四個部分：電源和電源管理模組，傳 感器，微控制器和無線收發器，請參見圖3-3。電 源模組提供系統所需的可靠電源。 感測器是可以獲 得環境和裝置狀態的WSN節點的紐帶。感測器負責 將訊號（如光，振動和化學訊號）收集並轉換為電 訊號，然後傳送給微控制器。微控制器從感測器接 收資料並相應地處理資料。 無線收發器（RF模組）然後傳輸資料，從而實現通訊的物理實現。WSN節點的所有部分的設計考慮WSN節點的小尺寸和 有限功率特性是非常重要的。
3.2.1 基於WSN的感測器小型化技術
基於微機電系統（MEMS）的無線感測器網路節點的小型化技術近年來取得了顯著的進步。MEMS的核心技術是實現微電子技術，微加工技術和封裝技術的結合。基於微電子技術和微加工技術可以生產出不同等級的二維和三維微敏感結構，這些技術可以是微型感測元件。這些微型感測元件、相關的電源和訊號調理電路可以整合並封裝成微型MEMS感測器。
圖3.3 WSN感測器節點的硬體結構
目前市場上已有多種微型MEMS感測器，可用於測量 位移、速度、加速度、壓力、應力、應變、聲、光、 電等各種物理，化學和生物質訊號。磁性，熱量，pH值等[10]。2003年，加利福尼亞大學伯克利分 校（UCB）的研究人員開發出一種帶有微型感測器的WSN感測器節點（mote）。其MEMS感測模組的實際 尺寸僅為2.8mm×2.1 mm [11]。
3.2.2 環境能量收集技術
節點需要一個能量源，並且從外部來源收集的環境 能量被用於為諸如基於MEMS技術的小型自主感測器提供動力。 這些系統通常非常小，功耗很小，但其 應用受到電池電源依賴性的限制。
環境能量收集不僅可以通過傳統的光電池發電實現， 還可以通過微型壓電晶體，微型振盪器，熱電發電 元件或電磁波接收裝置實現[12][13]。
一些公司已經開始使用能量採集裝置將感測器網路 應用商業化。 例如，德國EnOcean公司為智慧建築 照明和空氣監測應用提供了光能收集裝置，振動能 量收集裝置和基於溫度的能量收集裝置。 對於裝置 和建築健康監測應用，各種壓電振動能量收集產品 已進入市場。Perpetuum的英國公司提供一系列產 品，將機械振動轉化為電能，用於永久性為自主， 免維護的工業無線感測器節點供電。 對於這些感測 器節點，由敲擊桌面的ngers振動產生的能量可以支 持感測器節點每60秒傳送2kB資料到100米遠。
對於管道系統的監控應用，已經開發了大量基於溫 差採集的產品。Nextreme公司的產品可以生產 溫差為0.25W的功率 在3.2mm×1.6mm能量收集材料的區域中為60℃。圖3-4和圖3-5顯示了一些與環境能量採集裝置配合的 感測器節點。
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圖3.4 感測器節點配合環境能量收集裝置
圖 3.5 基於振動能量收集的電機監控系統
3.3 接入網路技術
接入網的長度從幾百米到幾英里不等，包括骨幹網 和使用者終端之間的所有裝置。因此被恰當地稱為“最後一英里”。由於骨幹網通常採用高傳輸速率的光纖結構，接入網已經成為整個網路系統的瓶頸。
如圖3-6所示，由於無線通道的開放特性，當通道在 多個使用者間共享時，會在時間，空間或頻率維度上 發生。接入網技術的作用是管理和協調通道資源的 使用，保證共享通道上多個使用者的互聯互通。
根據接入的距離和速度，現有接入技術可分為無線 區域網（WLAN），無線都會網路（WMAN），無線個域 網（WPAN）和無線廣域網（WWAN）四類。然而，高傳輸速率的整體發展趨勢並不適合無線感測器網 絡的應用需求。 主要原因如下：
（1）在可靠性方面，無線感測器網路的工作環境通常 比較嚴重。 具有窄帶多頻噪聲，干擾和多徑效 應的惡劣環境，使得基於稀有通道資源的可靠 通訊成為亟待解決的問題
（2）在實時能力方面，無線感測器網路和物聯網的應用比其他應用有更嚴格的實時要求。微小的延遲可能會導致重大的事故。因此，在許多應用中，實時通訊必須得到保證 。
（3）在能源效率方面，低能耗是支援獨立電池供電裝置的長流和降低維護成本的關鍵。這也是無線感測器網路和物聯網應用的另一個要求，特別是對於電池更換困難的裝置。
圖3.6 接入技術
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圖3.7 接入技術的發展趨勢
接入網技術已經取得重大進展。更系統和更值得關注的代表性接入技術是面向醫療無線感測器網路的藍芽4.0； 面向工業WSN的IEEE802.15.4e [16]； 和WLANIEEE 802.11™[17]鑑於物聯網。 這些技術在附錄A中進一步描述。
3.4 拓撲
通常，WSN由多個感測器網路節點和用於連線到網際網路的閘道器組成。WSN的一般部署過程如下（見圖3-8）；首先，感測器網路節點將其狀態廣播到周圍環境，並從其他節點接收狀態以檢測彼此。其次，感測器網路節點被組織成連線的網路根據一定的拓撲結構（線形，星形，樹形，網格等）。 最後，在構建的網路上計算適當的路徑以傳輸感測資料。 感測器網路節點的功率通常由電池提供，因此WSN節點的傳輸距離很短。 在視線開闊的室外環境中，傳輸距離可達800至1000米。 在庇護室內環境的情況下，它將大幅下降到幾米。 為了擴大網路的覆蓋範圍，感測器網路使用多跳傳輸模式。也就是說，感測器網路節點既是發射器又是接收器。第一個感測器網路節點即源節點將資料傳送到附近的節點，以便將資料傳輸到閘道器。 附近的節點將資料轉發到位於通往閘道器的路徑上的附近節點之一。轉發重複，直到資料到達閘道器，即目的地。 無線感測器網路的協議和實現技術可以適應無線和有線計算機網路的成熟架構和技術。然而，無線感測器網路的特點是自組織，自適應，節點能量有限，傳輸鏈路不穩定。
圖3.8 無線感測器網路的組織和傳輸過程
3.4.1 自組織和可靠的網路技術
WSN節點的位置是隨機的，節點可以移動、遮蔽和干擾。與其他網路拓撲相比，網狀網路的拓撲結構在靈活性和可靠性方面具有很大的優勢。網路節點的自組織管理方式可以大大提高網路的健壯性，形成智慧網狀網路技術，如圖3-9所示。在智慧網格adhoc組網技術中，節點首先監測鄰居節點並測量訊號強度，然後選擇合適的鄰居節點進行時間同步，併發送加入請求。然後鄰居節點將該請求傳遞給閘道器。閘道器接收請求併為該節點分配網路資源。基於網狀網路，感測器網路節點可以分配兩條或更多條傳輸路徑來提高網路的可靠性。時間同步網格協議（TSMP）網路[19]能夠支援自組織網路和維護一百個節點組成的網路。
圖3.9 網格自組織網路
3.4.2 低成本的IP互連技術
早期感測器網路的設計通常使用內部地址來管理感測器網路節點。地址長度相對較短，適合在低功耗嵌入式感測器網路節點中實現。然而，內部地址管理方法與網際網路的IP方法不相容，這增加了感測器網路節點與傳統IP網路節點之間的互動難度。因此，有必要解決WSN和IP網路的連通性問題。傳統的IPv4地址已經逐漸枯竭，新的IPv6技術具有巨大的地址資源，適用於廣泛的感測器網路部署。因此，基於IPv6的6LoWPAN低功耗無線技術已經出現[20]。6LoWPAN通常在IEEE802.15.4協議的鏈路層之上實現簡化的IPv6協議。報頭壓縮和資料包碎片通過在IP層和鏈路層之間增加一個適配層來實現過載，這是實現IPv6網路和感測器網路之間協議自適應的一種可靠方法，如圖3-10所示。基於NanoStack[21]的Sensinode公司的感測器網路產品和基於CC-6LoWPAN[22]的TI公司的感測器網路產品都使用6LoPAN技術來提供感測器網路和IP網路之間可擴充套件性，無縫和可靠互連的能力。
圖3.10 6LoWPAN協議棧
圖 3.11 6LoWPAN改進的頭壓縮示例
3.4.3自適應流量控制技術
無線感測器網路與傳統有線網路之間的差異之一是無線通訊的不穩定性。在無線感測器網路中，節點之間的通訊容易受到干擾和遮擋，導致訊號傳輸失敗。傳統的網路是一個穩定的有線網路，資料只會因擁塞而丟失。ow控制的原理是資料傳送方根據資料傳輸的丟失情況來調整發送trafc。發生資料丟失時，發件人會減少傳輸率。當資料沒有丟失時，傳送者增加傳輸速率。這種流量控制機制不再適用於無線感測器網路[23]，因為感測器網路中的資料丟失主要是由擁塞，干擾和遮擋引起的。單純降低傳輸速率無法解決問題，但僅降低網路效能。為了解決不穩定傳輸條件下的網路效能下降問題，提出了自適應流控制。Adaptiveow控制可以檢查資料包丟失的原因並調整傳輸流。同時，根據連結和網站的質量在考慮傳輸距離和吞吐量的同時，節點之間的資料傳輸的最佳傳輸速率被優先考慮以獲得良好的網路穩定性。
3.5 資料聚合
在能量受限的感測器網路環境中，它不適用於電池功率，處理能力，儲存容量和通訊頻寬等多個方面，以便每個節點將資料傳輸到匯聚節點。這是因為在覆蓋率較高的感測器網路中，相鄰節點上報的資訊具有一定程度的冗餘性，因此在每個節點分別傳輸資料，同時消耗整個感測器網路的頻寬和能量，縮短了網路的壽命。
為了避免上述問題，已經引入了資料聚合技術。資料聚合是將多個資訊副本整合到一個副本中的過程，它有效且能夠滿足中間感測器節點中的使用者需求。
從節約能源和獲取準確資訊兩方面引入資料聚合技術。傳輸資料所消耗的能量遠遠大於處理感測器網路中的資料。因此，與節點的本地計算和儲存能力，進行資料聚合操作以去除大量的冗餘資訊，從而最大限度地減少傳輸量並節省能源。在複雜的網路環境中，僅通過從分散式感測器節點收集少量資料樣本來確保獲得的資訊的準確性是很困難的。因此，監測同一物體的資料需要多個感測器的協同工作，這有效提高了所獲資訊的準確性和可靠性。
資料匯聚協議的效能與網路拓撲密切相關。然後可以根據星型，樹型和鏈式網路拓撲分析一些資料聚合協議，如圖3-12所示。
資料匯聚技術可以節省能源並提高資訊的準確性，同時可以在其他領域表現出驚人的表現。一方面，在資料傳輸過程中，尋找聚合節點，資料聚合操作和等待其他資料到達的可能性會增加網路的平均延遲。另一方面，與傳統網路相比，感測器網路具有更高的資料丟失率。資料聚合可能會顯著減少資料冗餘，但會無意中丟失更多資訊，從而降低感測器網路的穩健性。
圖3.12 三種WSN拓撲結構：星形，樹形，鍊形
3.6 安全
關於未來將如何看待好萊塢電影-而物聯網的願景接近好萊塢的願景。在兩個願景中都有一個共同的主題：機器在高度自動化的社會中變得非常強大。
個人隱私和個人隱私問題對個人而言變得更加困難，因為建立安全性的複雜鏈條是無限的，而最薄弱的環節則決定了整體安全水平。使用IPv6，有足夠的IP地址可用於預測的數百億個資料點，這些資料點將形成我們的新世界-問題是它們是否都可以被保護到一個可以確保個人隱私權和保護系統免受惡意攻擊的級別攻擊。
在傳統的TCP/IP網路中，建立安全性是為了保護網路資料的保密性，完整性和可用性。它使系統可靠，並保護系統免受可能導致系統故障的惡意攻擊資訊披露。作為節點和應用環境的特點，無線感測器網路安全不僅需要傳統的安全保護，而且還需要信任，安全和隱私（TSP）無線感測器網路的特殊要求。
3.6.1 信任，安全和隱私
取決於應用場景，TSPWSN可能需要對完整性，可用性，保守性，不可抵賴性和使用者隱私進行安全保護。它通過保護系統免受惡意攻擊來支援系統完整性和可靠性。TSP無線感測器網路可能需要保護節點免遭篡改，保護通訊通道，並在網路層進行路由[24]。可能需要TSP日誌記錄/審計功能來檢測攻擊。
TSP無線感測器網路的技術包括訊息認證，加密，訪問控制，身份認證等。無線感測器網路的TSP必要性可以分為以下幾類：節點安全性，密碼演算法，金鑰管理，安全路由，資料聚合[25][26]。
圖3-13無線感測器網路的TSP架構
圖3-14 安全喚醒聲音
節點安全性和睡眠取消
WSN的節點可能會通過其邏輯介面或直接的物理攻擊被篡改;它可能會被擅自搬遷或被盜。
節點安全性可能包含安全喚醒和安全引導。低佔空比對於確保電池供電感測器節點的長使用壽命至關重要。一類特殊的拒絕服務攻擊，即所謂的睡眠剝奪攻擊[28]阻止了感測器節點進入省電睡眠模式，因此嚴重降低了受感染感測器節點的使用壽命。像訊息認證碼或幀加密這樣的標準安全機制不會阻止睡眠剝奪攻擊：節點通電並且能量用於處理接收到的訊息。只有當電池電量已經耗盡時才能發現攻擊。圖3-14顯示了一個帶有額外的超低功耗喚醒收音機的感測器節點。當感測器節點處於睡眠狀態時，喚醒無線電收聽通道。當它接收到喚醒訊號時，觸發感測器喚醒。為了增加通用喚醒無線電設計的安全性，喚醒訊號是一種編碼的喚醒程式碼[29]。當使用喚醒程式碼時只有一次，因為每個節點都是特定的，所以在喚醒節點時可以清楚地傳送它。
3.6.2 加密演算法
加密是一種改變資料感測器節點原始資訊的特殊演算法，這使得未授權使用者即使訪問了加密資訊也不能識別原始資訊。公共基礎設施的WSN不可避免地暴露在公共活動的範圍之內。傳統的訊息認證碼，對稱加密和公鑰加密已經暴露了它們的缺點[30][31]。因此需要提出一種更適合無線感測器網路的加密系統。西班牙Libelium公司開發的是pmote加密庫，以確保2010年智慧城市WSN的資料安全。他們的無線感測器裝置基本上支援這些庫。資料庫針對資料鏈路層，網路層和應用層的不同加密機制和協商機制而設計。它們擴充套件了Zigbee®協議，使Zigbee®更加安全，見圖3-15。
圖3-15 waspmote加密庫的典型應用
3.6.3 無線感測器網路的金鑰管理
金鑰管理側重於無線感測器網路安全領域。金鑰管理包括金鑰生成，分發，驗證，更新，儲存，備份，有效和銷燬。有效的金鑰管理機制也是其他安全機制的基礎，例如安全路由，安全定位，資料聚合。無線感測器網路中典型的金鑰管理方案包括全域性金鑰管理，隨機金鑰管理，位置金鑰管理，叢集金鑰管理和基於公鑰的金鑰管理[33]。
安全引導過程建立感測器節點的安全配置，例如在引導期間建立連線金鑰。由於存在多個自舉程式，並且選擇適當的自舉程式嚴重依賴於環境，所以感測器網路的正常操作與自舉程式解耦，使得有可能改變自舉程式而無需對安全體系結構進行任何改變普通手術。適當的自舉程式在很大程度上取決於應用程式及其環境。因此，已經提出了幾種不同的自舉程式[34]：基於令牌的，在節點製造期間金鑰的預先配置，訊息的物理保護，在弱安全設定階段的帶內、帶外通訊。
3.6.4 無線感測器網路的安全路由
由於無線感測器網路在資料傳輸和自組織網路中使用多跳，所以每個節點還需要路由發現，路由建立，路由維護。安全路由協議是完整有效的路由決策，可能是資料聚合和冗餘消除從源節點到匯聚節點安全的先決條件。許多安全路由網路都是針對無線感測器網路而特別設計的，根據它們可以分為三類網路結構：基於路由，基於分層的路由和基於位置的路由[35]。
安全路由協議的典型方法包括基於反饋資訊，位置資訊，加密演算法，多路徑選擇方法和分層結構的方法。不同的安全路由協議可以解決不同型別攻擊的問題[36]，如基於反饋資訊的安全路由協議，包括媒體訪問控制的確認幀中的延遲，信任，位置，容量過剩資訊層。雖然不使用加密，但這種方法可以抵禦常見的攻擊，如錯誤的路由資訊，汙水池攻擊和蠕蟲病毒。目前大多數安全路由協議假設感測器網路是靜止的，所以需要開發更多的新的安全路由協議來滿足感測器節點的移動性[37]。
3.6.5保護無線感測器網路的資料聚合
安全的資料聚合是為了確保每個節點資料的安全。因此，安全資料聚合的一般過程如下：第一個節點應該有可能提供可靠的日期並將它們安全地傳送到較高的聚合節點。較高的匯聚節點判斷資料的可信度，並基於冗餘進行聚合計算。每個匯聚節點選擇下一個安全可靠的跳數，將資料傳輸到中央節點。中心節點判斷資料的可信度並進行最終聚合計算[38]。
最初，資料彙總將能源視為客體，幾乎沒有考慮到安全問題。現在，安全資料聚合主要通過基於簇，環和層次理論的認證和加密來實現。慕尼黑大學開發了一個基於DTLS協議實現安全傳輸方案的資料彙總原型。圖3-16中的紅色圓圈表示它們的安全資料聚合原型。
圖3-16 安全的資料聚合產品
第4節 無線感測器網路的挑戰
4.1 系統質量，架構分歧以及對框架的需求
物聯網的特點是可以用一個單詞來表徵各種各樣的挑戰：規模。目前網際網路背景下已知的每一項挑戰都與物聯網有關，但其規模通常要大得多，其影響甚至更大更嚴重。這些挑戰的例子是：
（1）用例領域的範圍：目前的網際網路已經侵入了居民的生活、企業以及組織，但由於物聯網的影響，這種滲透將擴大範圍和深度。不僅將開闢新的應用領域（實時遠端生命庫存監控;監控利益組;參與式流量監測;等等），而且資訊和通訊技術（ICT）的程序和行動的滲透率也會增加。通過在價值鏈中採用射頻識別（RFID）提供了這種味道。雖然業務IT已經可以追蹤公司內部的產品總量，但RFID將整個價值鏈貫穿到單個專案和整個組織單位（生產，出貨物流，零售等）。
（2）商業模式的差異：雖然網路2.0已經導致商業模式的多樣化以及新的顛覆性商業模式的激增，但一旦物聯網成為未來網際網路相當大的一部分，這一趨勢預計將會擴大。
（3）所有權和租賃：在當前的網際網路中，獨佔所有權和專有使用權是非常重要的，但是物聯網的社會學將會有所不同。複雜的系統，例如全市範圍的感測器網路，不一定會被一個群體所有，並且非所有者群體的影響將會增加（倡導團體，公共機構，立法機構等）。另外，多數情況下，不止一個組織將在同一個系統中運作。例如，一個原始裝置製造商（OEM）可能會將其生產機器的維護外包給一些偏離位置的服務提供商，這反過來需要遠端訪問該服務提供商生產物聯網系統。
（4）覆蓋的物件範圍：通過物聯網將會感知，跟蹤和操縱的“事物”的範圍將會真正壓倒一切。它將從微觀和甚至亞微觀實體（細菌，納米機器人等）跨越行星和更大規模的巨集觀物體。這些數字陰影將會非常不同，構成它們的內容也取決於上下文。例如，對於一家航運公司來說，整個集裝箱通常構成了粒度和“事物”的巢狀比例，這種集裝箱中的單個產品構成了接收零售商和最終客戶的“事物”。
（5）時間尺度和可靠性：物聯網將應用於需要高可靠性的實時控制（工廠自動化，飛機控制等）的領域，而其他應用（冰川監測，畜群監測等）可能會在數分鐘至數年的時間範圍內以準公平的方式進行。
上述挑戰的規模將導致物聯網系統必須解決各種各樣的問題。當然，這將轉化為多樣化的系統問題和期望，其中很多將在跨系統層面上制定。具體而言，關注和願望將解決整個物聯網系統的效能問題，而不是單個成員甚至零部件的效能問題。因此，物聯網架構師將面臨各種各樣的質量要求，而且將會有不止一個設計選擇將滿足相同的質量要求。表1列舉了這個問題。對於每個系統質量，存在多個體繫結構檢視，通過這個檢視可以影響質量。舉例來說，系統可擴充套件性。通過影響可伸縮性的一種觀點是功能觀點。例如，要通過集中式功能來支援分散式功能。就係統中處理的資訊而言，可以採取同樣的策略。
換句話說，系統質量跨越了多個架構檢視。另外，通過一個檢視（例如可伸縮性）實現一個質量會對其他系統質量（例如安全）產生不利影響。由於體系結構的解決方案空間是多維的並且糾纏在一起，並且由於定性需求跨越多個系統方面，並且由於通常有不止一種策略來實現某種質量，所以導致體系結構分歧。特別是，如果不採取減輕措施，不同的開發團隊將獲得不同的體系結構，併為相同的需求集實現不相容的系統實現。請注意，這不是一個完全新穎的問題，但由於涵蓋了大量的用例領域以及每個用例領域中演變的不同文化和最佳實踐，所以它在IoT中更加突出。
除了瀕危的互操作性之外，架構差異還有另一個缺點：降低功能，模組和概念從一個域到另一個域的“水平再迴圈”。也就是說，跨越使用領域邊界的最佳實踐解決方案，功能模組等的流程將受到多樣，不受控制的不同體系結構的阻礙。這既影響資本支出（CAPEX）（例如創新和開發成本）和運營支出（OPEX）（例如，難以理解且需要時間讓新員工理解的高複雜度系統）。因此，架構差異也會對物聯網的業務可行性產生負面影響。
表4-1 利用系統質量的建築觀點（選擇）[40]
系統質量 |
|||||
信任，安全，隱私 效能和可擴充套件可用性和彈性 可擴充套件性 |
|||||
工程檢視 |
實用 |
中 |
中 |
低 |
高 |
資訊 |
中 |
中 |
低 |
高 |
|
併發 |
中 |
高 |
中 |
中 |
|
部署 |
高 |
高 |
高 |
低 |
|
操作 |
中 |
低 |
中 |
低 |
|
上述問題不會自行解決，相反，需要採取糾正措施。需要架構框架（參考模型，參考架構以及如何應用它們的指導）來促進架構原則的重用以及系統模組和概念的重用。參考模型為描述和分析物聯網用例和物聯網系統提供了一致的本體和語義。參考架構就如何構建滿足物聯網利益相關方關注和期望的物聯網系統提供了高層建議。如何應用兩者的指導也回答瞭如何解決定性系統需求的問題，同時避免了到2020年35ZB[42]。作為資料的主要部分，來自物理世界的感知資料量比人類社會多30倍。從這個意義上說，海量資料的儲存和傳輸以及及時處理將是前所未有的挑戰。
WSN感測資料包括溫度，壓力，流量，速度等物理尺寸，具有多維異構特徵。資訊和智慧基礎設施的應用需要對這些多維異構資料進行融合處理。但是，現有的資訊處理技術難以滿足日益增長的無線感測器網路需求。體系結構和系統分歧。
4.2 超大型感測裝置訪問
由於運輸，電力，工業和其他關鍵基礎設施的全面監控需求，未來WSN感測裝置的安裝將呈指數增長。例如，在工廠生產裝置的監控中，每個裝置都需要安裝各種感測器來測量裝置狀態，如溫度和振動。ABIResearch估計，未來10年將出現500億個新的機器對機器（M2M）裝置，並且WSN裝置的數量將佔據大部分規模[41]。因此，如何應對非常大規模的WSN裝置訪問是一個重要挑戰。
4.2.1 大規模的異構資料處理
隨著WSN技術在基礎設施資訊和智慧過程中的大規模應用，無線感測器網路感測器產生的資料量將從今天的EB級別（1018位元組）增加到ZB（1021位元組）級別。根據IDC統計和預測，2009年全球資料量為0.8ZB（1021位元組），並將為到2020年35ZB[42]。作為資料的主要部分，來自物理世界的感知資料量比人類社會多30倍。從這個意義上說，海量資料的儲存和傳輸以及及時處理將是前所未有的挑戰。WSN感測資料包括溫度，壓力，流量，速度等物理尺寸，具有多維異構特徵。資訊和智慧基礎設施的應用需要對這些多維異構資料進行融合處理。但是，現有的資訊處理技術難以滿足日益增長的無線感測器網路需求。
4.2.2 智慧控制和服務動態變化
未來城市基礎設施的運營和管理需要滿足安全，節能，效率，便利等方面的需求。在現有模式下，資訊通過人工分析自動收集和處理，並作出相應的決策和響應。但是，這種模式不再適用。準備好響應動態變化的智慧控制必須實施。首先，無線感測器網路的應用模式應該從簡單的感知轉變為閉環控制。例如，在智慧交通應用中，為保證城市交通順暢，有必要對交通燈條件進行動態分析和實時調整。儘管如此，基礎設施控制具有重要意義，因此確保智慧控制的安全性和可靠性將是一個重大挑戰。其次，無線感測器網路的服務模式應該從單一和預定義轉變為動態和個性化。例如，在智慧用電中，為保證使用者的用電需求，提高電網執行效率，空調溫度和光照水平的設定應能動態調整根據電網電流負載，環境條件和個人喜好。儘管根據環境變化動態生成服務將是一項重大挑戰。
4.3 感測器網路架構
感測器網路技術在城市基礎設施建設中得到了廣泛的應用，成果顯著但是，在不同的感測器網路應用中，網路嵌入式感測或控制裝置通常基於不同的硬體平臺，作業系統，資料庫和中介軟體。除非專用業務系統和應用程式管理平臺支援，否則它們不能部署在各種異構網路環境中，並自由交換資訊。在架構設計方面，感測器網路的大多數應用環境都是採用緊耦合封閉架構設計的。從這個意義上講，該系統呈現了資訊孤島的特徵，僅適用於小規模行業的應用環境。
此外，共享和重用基礎架構系統架構和服務也很困難。此外，第三方資源難以經濟有效地整合到系統中。因此，大規模感測器網路技術的應用和推廣受到限制。因此，迫切需要建立一個更加開放和靈活的系統框架來打破物聯網瓶頸。為了與便利的感測器資訊或控制需求共享，並將隔離的資料整合到感測器網路中，普適計算對於感測器網路的發展是不可避免的。Web技術是實現普適計算和共享異構資源的技術的自然選擇，因為它是平臺間共享資源和服務的基本框架。目前，與網路相關的感測器在世界上有兩種趨勢：一種可以讓不同的人使用世界各地可輕鬆共享感測器，另一個則可讓感測器與其他感測器配合使用。
4.4 高併發訪問
隨著無線接入技術在智慧電網和其他工業應用中的普及，預計同時會有更嚴格的效能要求（大規模，低延遲）。以智慧電網為例，變電站中的控制應用通常需要0.667ms至2ms的延遲，用於有數十個節點的網路，變電站區域內有成千上萬個節點的網路的二級延遲，以及二級或分鐘級用於未來具有數千個節點的高階計量基礎架構（AMI）應用的延遲。儘管無線感測器網路當前的接入技術可以支援百代網路中的端到端傳輸的二級延遲，這對於監測應用來說足夠了，但對未來應用的高併發訪問需求還不能滿足。現有接入技術在處理具有光通訊和高併發性等特點的WSN應用時存在的缺點如下：
（1）現有的基於排程的接入技術通常採用預留重傳時隙，多使用者分頻，不可重用資源分配等策略，以保證傳輸的可靠性。這些受保護資源的利用率極低。基於爭用的接入技術必須應對資源利用的矛盾。隨著併發應用程式的資料流量的增加，網路效能將急劇下降。
（2）具有高併發特性的應用程式，尤其是控制應用程式，其負載通常很小，由於資料包的大頭部如果採用現有的接入技術，並且頻譜接入的效率也很低。
到目前為止，已經提出了兩種解決方案來解決上述問題。一個是ABB提出的基於藍芽的感測器和執行器無線介面（WISA）;另一個是基於IEEE802.11™的無線網路。工業自動化-工廠自動化（WIA-FA）由中國科學院沉陽自動化研究所牽頭的一組中國機構（超過10位成員）提出。
4.4.1 高併發訪問頻分複用
藍芽技術在該範圍內執行的2400MHz至2483.5MHz，擁有79個指定的藍芽通道，並可在短距離內交換資料。藍芽可以在物理層上使用，以滿足光傳輸和高併發性的要求。此外，MAC層可以設計為支援分時多重進接（TDMA），頻分多路複用（FDM）和跳頻（FH）技術。長波射頻電源是一種先進的電源技術。
4.4.2 採用分散式天線系統的高併發訪問
IEEE802.11™[17]是一組MAC和物理層（PHY）規範，用於在2.4GHz，3.6GHz，5GHz和60GHz頻段。遵循分散式天線系統的網路架構，基於IEEE802.11™的PHY和基於FDM和TDMA的MAC層適用於長距離通訊。此外，通過共同利用通道狀態感知資源分配，資料聚合，分組聚合和其他效能優化方法，資料等待時間可縮短到10ms。基廣泛應用於啤酒瓶灌裝，機器人生產線等行業，見圖4-2。
圖4-2 採用分散式天線系統的高併發訪問[14]
4.5 高實時傳輸
傳統的無線感測器網路被用來感知，收集和處理網路覆蓋區域內的物體資訊，並將其轉發給觀察者進行線上或線上分析，實時性要求低，如抄表，環境監測等。網路覆蓋範圍為有限的（在一個房屋或幾平方公里的空地上），延遲要求很低（分鐘或小時）。因此，傳統的WSN研究主要集中在如何提高網路可靠性和降低功耗。然而，隨著智慧城市基礎設施的不斷髮展，網路覆蓋範圍不斷擴大，傳輸的實時性要求也越來越高。以城市交通控制系統為例，如道路狀況，車輛數量，速度資訊等等，必須在整個城市收集，然後實時傳送到控制中心，在那裡計算出最合適的交通排程方案並實時再次傳輸到十字路口。這個過程需要在一秒內完成，這對感測器網路系統在廣泛地區的實時傳輸提出了新的要求。
其他網路技術可用於構建廣域感測器網路（如乙太網，WLAN，行動通訊網路等），並利用各種物理介質和管理機制構建異構網路。乙太網等有線網路使用銅質雙絞線或光纖作為物理介質，速率為100Mbps至1000Mbps或更高，傳輸延遲時間為幾毫秒;基於IEEE802.11™和IEEE802.15.4的無線網路的傳輸速率可以從250kbps到72.2Mbps，並且傳輸延遲範圍從幾百毫秒到幾分鐘。這些網路技術的發展，特別是無線通訊中的多輸入多輸出（MIMO）和正交頻分複用（OFDM）技術，大大提高了無線網路的頻譜效率，提高了網路效能，為建立一個廣域感測器網路。然而，這些網路是以一種更加努力的方式運作的，並未考慮與其他網路之間如何保證實時傳輸的互連，這是未來感測器網路研究的重點。對廣域實時感測器網路的研究是全世界非常關心的問題，解決方案大致可分為分散式和集中式。
4.5.1 分散式解決
在網路入口處，分散式解決方案將傳輸任務分成幾個部分水平根據任務要求。網路的每個部分根據本地網路執行情況安排不同級別的任務，以確保廣域和實時保護。分散式解決方案具有較高的魯棒性，因此對網路部分的損害不會影響整個網