第一篇：無線傳感器總結復習資料02016學生

無線傳感器網絡課程總結

1、現代信息科學的六個組成部分

信息的生成、獲取、存儲、傳輸、處理及其應用是現代信息科學的六大組成部分

2、WSN的定義

大規模、無線、自組織、多跳、無分區、無基礎設施支持的網絡，其中的節點是同構的、成本較低、體積較小、大部分節點不移動、被隨意撒布在工作區域，要求網絡系統有盡可能長的工作時間。

3、WSN和Ad-hoc網絡的區別

不同點：（1）網絡拓撲結構和工作模式各不相同。

Ad hoc網絡: 網絡拓撲結構動態變化。

WSN: 網絡拓撲結構是靜態的。

（2）工作模式不同。

WSN:多對一(Many-to-One)通信，節點之間幾乎不會發生消息交換。以數據為中心（Data Centric），與組播正好相反

Ad Hoc網絡 ：網絡中任意兩節點之間都有通信的可能。

相同點（補充）：

基本不需要人的干預，大部分工作是以自組織的方式完成的，二者統稱為自組織網絡（Self-Organization Networks）。二者的研究都是追求低功耗的自組織網絡設計。

4、無線傳感器網絡的特點

(1)傳感器節點數目大，密度高，采用空間位置尋址

(2)傳感器接點的能量、計算能力和存儲能力有限（能量、計算存儲低、關鍵在有效簡單的路由協議）

(3)無線傳感網絡的拓撲結構易變化，有自組織能力（與傳統的有不同的特點和技術要求：它根據需要可以在工作和休眠之間切換，因此網絡的拓撲結構容易發生變化，傳統的網絡重在QoS和更大的寬帶保證，并且是靜止的。無線傳感器網絡需要節省能量，保證連通性和延長運行壽命）

(4)傳感器節點具有數據融合能力（與Mesh網絡區別，數據小，移動，重能源。與無線Ad-hoc網絡比數量多、密度大、易受損、拓撲結構頻繁、廣播式點對多通信、節點能量、計算能力受限。）

5、路由兩個基本功能：確定最佳路徑和通過網絡傳輸信息

6、WSN路由協議的基本概念

WSN路由協議是一套將數據從源節點傳輸到目的節點的機制

7、內爆和重疊現象的解釋（做圖）

內爆(Implosion)：節點向鄰居節點轉發數據包，不管其是否收到過相同的（將同一個數據包多次轉發給同一個節點的現象就是內爆）（左圖）重疊(Overlap)：感知節點感知區域有重疊，導致數據冗余（右圖）

8、SPIN協議的三步握手協議，并解釋

（1）節點A有新數據，通過ADV發布新數據信息，使用元數據

（2）B節點收到ADV后，發現自己沒有該數據，通過REQ向A請求新數據

（3）A節點向B節點傳送源數據

（4）B節點融合新數據，并通過ADV發布新數據消息DATA

（5）如果節點ADV中描述的數據的副本就忽略該消息

SPIN協議采用三次握手協議來實現數據的交互，協議運行過程中使用三種報文數據：ADV、REQ和DATA。ADV用于數據的廣播，當某個節點有數據可以共享時，可以用ADV數據包通知其鄰居節點；REQ用于發送數據，當某一個收到ADV的節點希望收到DATA數據包時，發送REQ數據包；DATA為原始感知數據包，里面裝載了原始感知數據。

9、SPIN協議的協商通過元數據來解決

元數據：節點感知數據的抽象描述，一種對源數據的一個映射，比源數據短（數據壓縮）（1）元數據描述實數據（2）元數據與時數據一一對應 避免傳輸冗余數據

10、DD協議的三個階段----興趣擴散、梯度建立和路徑加強（會畫圖）·匯聚節點發送查詢消息

·興趣消息：任務性質、數據采集/發送數率、時間戳等 ·中間節點：記錄、轉發

·梯度：表示了數據的傳輸方向

11、LEACH協議經過2個階段（簇頭建立和數據傳輸）

網絡按照周期工作，每個周期分為兩個階段：(1)簇頭建立階段：

·節點運行算法，確定本次自己是否成為簇頭； ·簇頭節點廣播自己成為簇頭的事實；

·其他非簇頭節點按照信號強弱選擇應該加入的簇頭，并通知該簇頭節點； ·簇頭節點按照TDMA的調度，給依附于他的節點分配時間片；（2）數據傳輸階段：節點在分配給它的時間片上發送數據。

12、LEACH協議的基本思想

網絡周期性地隨機選擇簇頭節點，其他的非簇頭節點以就近原則加入相應的簇頭，形成虛擬簇，簇內節點將感知到的數據直接發送給簇頭，由簇頭轉發給Sink節點，簇頭節點可以將本簇內的數據進行融合處理以減少網絡傳輸的數據量。延長節點的工作時間，并且實現節點的能耗平衡。

13、LEACH協議的簇頭選擇的策略

每個傳感器節點選擇[0，1]之間的一個隨機數，如果選定的值小于某一個閾值，那么這個節點成為簇頭節點，計算如下： k 如n ?GN?k[rmod(n/k)]

0 其它情況

N表示網絡中傳感器節點的個數，k為一個網絡中的簇頭節點數，r為已完成的回合數，G為網絡生存期總的回合數。一個回合表示一個周期，分為兩個階段：簇的建立和穩定的數據傳輸階段。

14、ZigBee技術定義：ZigBee是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據率、低成本的雙向無線通訊技術，是一組基于IEEE 802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的技術。

15、ZigBee可工作在2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz 和美國的915 MHz 3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率。不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個，在中國采用2.4G頻段，是免申請和免使用費的頻率

16、ZigBee的兩類地址：

（1）IEEE物理地址：每個ZigBee設備都有一個64位的IEEE長地址，即MAC地址。物理地址是在出廠時候初始化的。它是全球唯一的。（2）網絡地址

網絡地址也稱短地址，通常用16位的短地址來標識自身和識別對方，對于協調器來說，短地址始終為0x0000，對于路由器和節點來說，短地址由其所在網絡中的協調器分配。

T(n)??

17、（1）無線傳感器網絡包括4類基本實體對象：目標、觀測節點、傳感節點和感知視場。（2）無線傳感器網絡系統通常包括傳感器節點、匯聚節點和管理節點。傳感器節點一般由4部分組成：數據采集模塊、處理控制模塊、無線通信模塊(能量消耗的主要集中部分)、能量供應模塊。

（3）無線傳感器節點的基本功能：采集數據、數據處理、控制和通信

（4）無線傳感器網絡通信體系結構包括：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸控制層、應用層。

18、CSMA/CA機制:

當某個站點（源站點）有數據幀要發送時，檢測信道。若信道空閑，且在DIFS時間內一直空閑，則發送這個數據幀。發送結束后，源站點等待接收ACK確認幀。如果目的站點接收到正確的數據幀，還需要等待SIFS時間，然后向源站點發送ACK確認幀。若源站點在規定的時間內接收到ACK確認幀，則說明沒有發生沖突，這一幀發送成功。否則執行退避算法。

19、目前無線傳感器網絡采用的主要傳輸介質包括無線電、紅外線和光波等。

（1）無線通信的介質包括電磁波和聲波。電磁波是最主要的無線通信介質，而聲波一般僅用于水下的無線通信。根據波長的不同，電磁波分為無線電波、微波、紅外線、毫米波和光 波等，其中無線電波在無線網絡中使用最廣泛。

（2）無線電波是容易產生，可以傳播很遠，可以穿過建筑物，因而被廣泛地用于室內或室外的無線通信。無線電波是全方向傳播信號的，它能向任意方向發送無線信號，所以發射方和接收方的裝置在位置上不必要求很精確的對準。20.傳感器節點定位的基本術語：

（1）鄰居節點（Neighbor Nodes）：是指傳感器節點通信半徑內的所有其他節點，也就是說：在一個節點通信半徑內，可以直接通信的所有其他點。（2）跳數（Hop Count）：是指兩個節點之間間隔的跳段總數。

（3）跳段距離（Hop Distance）：是指兩個節點間隔的各跳段距離之和。

（4）接收信號強度指示（Received Signal Strength Indicator，RSSI）：是指節點接收到無線信號的強度大小。

（5）到達時間（Time of Arrival，TOA）：是指信號從一個節點傳播到另一節點所需要的時間。

（6）到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）：兩種不同傳播速度的信號從一個節點傳播到另一節點所需要的時間之差。

（7）到達角度（Angle of Arrival，AOA）：是指節點接收到的信號相對于自身軸線的角度。（8）視線關系（Line of Sight，LOS）：是指兩個節點間沒有障礙物間隔，能夠直接通信。（9）非視線關系（Non Line of Sight，NLOS）：是指兩個節點之間存在障礙物。（10）基礎設施（Infrastructure）：是指協助傳感器節點定位的已知自身位置的固定設備（如衛星、基站等）。

（11）網絡連接度：網絡連接度是所有節點的鄰居數目的平均值，它反映了傳感器配置的密集程度。

（12）信標節點：錨點

通過其它方式預先獲得位置坐標的節點。

21.（1）無線傳感器網絡需要時間同步，因為：在分布式的無線傳感器網絡應用中，每個傳感器節點都有自己的本地時鐘。不同節點的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及濕度和電磁波的干擾等都會造成網絡節點之間的運行時間偏差，RBS、TPSN是典型的時間同步算法，其原理：

RBS同步協議的基本思想是多個節點接收同一個同步信號，然后多個收到同步信號的節點之間進行同步。這種同步算法消除了同步信號發送一方的時間不確定性。這種同步協議的缺點是協議開銷大

TPSN協議采用層次型網絡結構，首先將所有節點按照層次結構進行分級，然后每個節點與上一級的一個節點進行時間同步，最終所有節點都與根節點時間同步。

22.無線傳感器網絡需要節點定位，因為傳感器節點的自身定位是傳感器網絡應用的基礎。許多應用都要求網絡節點預先知道自身的位置，并在通信和協作過程中利用位置信息完成應 用要求。若沒有位置信息，傳器節點所采集的數據幾乎是沒有應用價值的。所以，在無線傳感器網絡的應用中，節點的定位成為關鍵的問題。

基于距離的定位算法：通過測量節點與信標節點間的實際距離或方位進行定位

三邊測量算法：已知A、B、C三個節點的坐標，以及它們到節點D的距離，確定節點D的坐標

三角測量算法：已知A、B、C三個節點的坐標，節點D相對于節點A、B、C的角度，確定節點D的坐標

第二篇：傳感器復習資料..

1.1、金屬電阻應變片與半導體材料的電阻應變效應有什么不同? 答：金屬電阻的應變效應主要是由于其幾何形狀的變化而產生的，半導體材料的應變效應則主要取決于材料的電阻率隨應變所引起的變化產生的。1.2、直流測量電橋和交流測量電橋有什么區別? 答：它們的區別主要是直流電橋用直流電源，只適用于直流元件，如電阻應變片，交流電橋用交流電源，適用于所有電路元件，如電阻應變片、電容。1.3、簡述電阻應變式傳感器產生橫向誤差的原因。

粘貼在受單向拉伸力試件上的應變片 , 如圖2-3所示，其敏感柵是有多條直線和圓弧部

圖2－3 橫向效應

分組成。這時，各直線段上的金屬絲只感受沿軸向拉應變?x,電阻值將增加。但在圓弧段上，沿各微段軸向(即微段圓弧的切向)的應變與直線段不相等，因此與直線段上同樣長度的微段所產生的電阻變化就不相同，最明顯的在???/2處圓弧段上，按泊松關系，在垂直方向上產生負的壓應變?y，因此該段的電阻是最小的。而在圓弧的其它各段上，其軸向感受的應變由 +?x變化到-?y。由此可見 , 將直的電阻絲繞成敏感柵之后，雖然長度相同，但應變狀態不同，其靈敏系數降低了。這種現象稱橫向效應。

應變片橫向效應表明 , 當實際使用應變片時，使用條件與標定靈敏系數 k 時的標定規則不同時,實際 k 值要改變,由此可能產生較大測量誤差，當不能滿足測量精確度要求時，應進行必要的修正。

1.4、采用阻值為120Ω靈敏度系數K=2.0的金屬電阻應變片和阻值為120Ω的固定電阻組成電橋，供橋電壓為4V，并假定負載電阻無窮大。當應變片上的應變分別為1和1 000時，試求單臂、雙臂和全橋工作時的輸出電壓，并比較三種情況下的靈敏度。

K?UK?U4?2?10?6??2?10?6/V，應解：單臂時U0?，所以應變為1時U0?444K?U4?2?10?3??2?10?3/V； 變為1000時應為U0?44K?UK?U4?2?10?6??4?10?6/V，應變為雙臂時U0?，所以應變為1時U0?222K?U4?2?10?3??4?10?3/V； 1000時應為U0?22全橋時U0?K?U，所以應變為1時U0?8?10?6/V，應變為1000時應為U0?8?10?3/V。從上面的計算可知：單臂時靈敏度最低，雙臂時為其兩倍，全橋時最高，為單臂的四倍。1.5、差動電橋有哪些有優點？

答：差動電橋比單臂電橋的靈敏度高，此外，還可以有效地改善電橋的溫度誤差、非線性誤差。

1.6、如圖所示為一直流電橋，供電電源電動勢E=3V，R3=R4=100Ω，R1和R2為同型號的電阻應變片，其電阻均為50Ω，靈敏度系數K=2.0。兩只應變片分別粘貼于等強度梁同一截面的正反兩面。設等強度梁在受力后產生的應變為5000με，試求此時電橋輸出端電壓Uo。

題2.5圖

K?U2?3?5?10?3??15mV 解：此電橋為輸出對稱電橋，故U0?222.1、電容式傳感器有哪些類型？

解：電容式傳感器分為變極距型、變面積型和變介質型三種類型。

2.2、試分析變面積式電容傳感器和變間隙式電容的靈敏度?為了提高傳感器的靈敏度可采取什么措施并應注意什么問題? 解：以變面積式電容傳感器為例進行說明，如圖所示是一直線位移型電容式傳感器的示意圖。

Δxbxda直線位移型電容式傳感器

當動極板移動△x后，覆蓋面積就發生變化，電容量也隨之改變，其值為

C=εb（a-△x）/d=C0-εb·△x/d（1）

電容因位移而產生的變化量為

?C?C?C0??其靈敏度為 K??bd?x??C0?x a?C?b?? ?xd可見增加b或減小d均可提高傳感器的靈敏度。

2.3、為什么說變間隙型電容傳感器特性是非線性的?采取什么措施可改善其非線性特征? 解：下圖為變間隙式電容傳感器的原理圖。圖中1為固定極板，2為與被測對象相連的活動極板。當活動極板因被測參數的改變而引起移動時，兩極板間的距離d發生變化，從而改變了兩極板之間的電容量C。

1d21–固定極板 2--活動極板

設極板面積為A，其靜態電容量為C??Ad，當活動極板移動x后，其電容量為

x?Ad(1)C??C0d?xx21?2d1?當x<

xx21?2?1 則C?C0(1?)(2)

dd由式（1）可以看出電容量C與x不是線性關系，只有當 x<

2.4、變間隙電容傳感器的測量電路為運算放大器電路，如題4.8圖所示。C0=200pF，傳感器的起始電容量Cx0=20pF,定動極板距離d0=1.5mm,運算放大器為理想放大器（即K→∞,Zi→∞）,Rf極大,輸入電壓ui=5sinωtV。求當電容傳感動極板上輸入一位移量△x=0.15mm使d0減小時,電路輸出電壓uo為多少？

題4.8圖

解：由測量電路可得

u0??C0C0200ui??ui???5sin?t??45sin?tV Cx0d020?1.5Cx1.5?0.15d0??x2.5、如圖3-22所示正方形平板電容器,極板長度a=4cm,極板間距離δ=0.2mm.若用此變面積型傳感器測量位移x,試計算該傳感器的靈敏度并畫出傳感器的特性曲線.極板間介質為空氣,?0?8.85?10-12F/m。

ax 解：這是個變面積型電容傳感器，共有4個小電容并聯組成。

C0?4?0a2?4?16?10?4?8.85?10?12??28.32 /pF

2?10?3?C0?kx?28.32?70.8x(x的單位為米)

4?0ax)Cx?4?0a(a?x)??C?Cx?C0???

Cx?C04?0a4?8.85?10?12?4?10?2K???????70.8 /pF x?2?10?3CxpF4030201004123xcm

3.1、試述影響差動變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是什么？

解：影響差動變壓器輸出線性度和靈敏度的主要因素是：傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數的對稱性、磁性材料的殘余應力、測量電路零點殘余電動勢等。

3.2、試述電渦流式傳感器的靈敏度主要受哪些因素影響？它的主要優點是什么？ 解：電渦流式傳感器的靈敏度主要受導體的電導率、磁導率、幾何形狀，線圈的幾何參數，激勵電流頻率以及線圈到被測導體間的距離等因素影響。電渦流式傳感結構簡單、頻率響應寬、靈敏度高、測量范圍大、抗干憂能力強，特別是有非接觸測量的優點，因此在工業生產和科學技術的各個領域中得到了廣泛的應用。

4.1、為什么壓電傳感器通常都用來測量動態或瞬態參量？

解：如作用在壓電組件上的力是靜態力，則電荷會泄露，無法進行測量。所以壓電傳感器通常都用來測量動態或瞬態參量。

4.2、壓電式傳感器測量電路的作用是什么?其核心是解決什么問題?

解：壓電式傳感器的產生的電量非常小，內阻很高。測量電路的作用是進行阻抗變換和放大，即要求測量電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，通常用高輸入阻抗運放。其核心是要解決微弱信號的轉換與放大，得到足夠強的輸出信號。

4.3、某加速度計的校準振動臺，它能作50Hz和1g的振動，今有壓電式加速度計出廠時標出靈敏度K＝100mV／g，由于測試要求需加長導線，因此要重新標定加速度計靈敏度，假定所用的阻抗變換器放大倍數為1，電壓放大器放大倍數為100，標定時晶體管毫伏表上指示為9.13V，試畫出標定系統的框圖，并計算加速度計的電壓靈敏度。解：此加速度計的靈敏度為 K??9130?91.3 mV/g 100標定系統框圖如下：

加速度計阻抗變換器電壓放大器晶體管毫伏表

4.4、用石英晶體加速度計及電荷放大器測量機器的振動，已知：加速度計靈敏度為5pC/g,電荷放大器靈敏度為50mV/pC,當機器達到最大加速度值時相應的輸出電壓幅值為2V,試求該機器的振動加速度。

已知：ka=5pC/g，kq=50mV/pC，Vomax=2V 求：amax=？ 解：

因為： ka?Q/a；kq?V0/Q 則有： V0?kakqa 所以： amax?V0max?8g kakq4.5、用石英晶體加速度計及電荷放大器測量機器振動，已知，加速度計靈敏度為5pC/g；電荷放大器靈敏度為50mV/pC，最大加速度時輸出幅值2V，試求機器振動加速度。解：K?K1?K2?5?50?250mV/g

K?UU2000?a???4g aK2504.6、什么叫正壓電效應？什么叫逆壓電效應？常用壓材料有哪幾種？

答：某些電介質在沿一定的方向上受到外力的作用而變形時，內部會產生極化現象，同時在其表面上產生電荷，當外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態，這種現象稱為壓電效應。這種機械能轉化成電能的現象，稱為正壓電效應。反之，在電介質的極化方向上施加交變電場或電壓，它會產生機械變形，當去掉外加電場時，電介質變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應。應用于壓電式傳感器中的壓電材料通常有三類：一類是壓電晶體，它是單晶體，如石英晶體、酒石酸鉀鈉等；另一類是經過極化處理的壓電陶瓷，它是人工合成的多晶體，如鈦酸鋇等；第三類是有機壓電材料，是新型的壓電材料，如聚偏二氯乙烯等。4.7、一只x切型的石英晶體壓電元件，其，相對介電常數，橫截面積A=5cm2，厚度t=0.5cm。求：

（1）沿石英晶體電軸方向施加力的作用，產生電荷的壓電效應稱為什么？若沿電軸方向受Fx=9.8N的壓力作用時兩電級間輸出電壓值為多大？

（2）若此元件與高輸入阻抗運放連接時連接電纜的電容為Cc=4pF，該壓電元件的輸出電壓值為多大？

解：（1）沿石英晶體電軸方向施加力的作用，產生電荷的壓電效應稱為縱向壓電效應。對于x切型的石英晶體壓電元件，縱向受力時，產生的電荷量為

壓電元件的電容量為

兩電極間的輸出電壓值為

（2）此元件與高輸入阻抗運放連接時，連接電纜的電容與壓電元件本身的電容相并聯，輸出電壓將改變為

5.1、光電效應有哪幾種?與之對應的光電元件各有哪些? 答：光電效應有外光電效應、內光電效應和光生伏特效應三種。基于外光電效應的光電元件有光電管、光電倍增管等；基于內光電效應的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等；基于光生伏特效應的光電元件有光電池等。

5.2、常用的半導體光電元件有哪些?它們的電路符號如何? 答：常用的半導體光電元件有光敏二極管、光敏三極管和光電池三種。它們的電路符號如下圖所示：

光敏二極管 光敏三極管 光電池

5.3、什么是光電元件的光譜特性? 答：光電元件的光譜特性是指入射光照度一定時，光電元件的相對靈敏度隨光波波長的變化而變化，一種光電元件只對一定波長范圍的人射光敏感，這就是光電元件的光譜特性。5.4、光電傳感器由哪些部分組成?被測量可以影響光電傳感器的哪些部分? 答：光電傳感器通常由光源、光學通路和光電元件三部分組成，如圖所示。圖中Ф1是光源發出的光信號，Ф2是光電器件接受的光信號，被測量可以是x1或者x2，它們能夠分別造成光源本身或光學通路的變化，從而影響傳感器輸出的電信號I。光電傳感器設計靈活，形式多樣，在越來越多的領域內得到廣泛的應用。

光源Φ1光學通路Φ2光電元件Ix1x2x3

5.5、模擬式光電傳感器有哪幾種常見形式? 答：模擬式光電傳感器主要有四種。一是光源本身是被測物，它發出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數，如圖a所示。這種型式的光電傳感器可用于光電比色高溫計和照度計；二是恒定光源發射的光通量穿過被測物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光電元件上，吸收量取決于被測物的某些參數。如圖b所示。可用于測量透明度、混濁度；三是恒定光源發射的光通量投射到被測物上，由被測物表面反射后再投射到光電元件上，如圖c所示。反射光的強弱取決于被測物表面的性質和狀態，因此可用于測量工件表面粗糙度、紙張的白度等；四是從恒定光源發射出的光通量在到達光電元件的途中受到被測物的遮擋，使投射到光電元件上的光通量減弱，光電元件的輸出反映了被測物的尺寸或位置。如圖d所示。這種傳感器可用于工件尺寸測量、振動測量等場合。

31122a)a)被測量是光源b)b)被測量吸收光通量 c)被測量是有反射能力的表面2c)d)被測量遮蔽光通量d)133121-被測物 2-光電元件 3-恒光源

6.2超聲波有哪些傳播特性? 答：超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩，它是由與介質相接觸的振蕩源所引起的。振蕩源在介質中可產生兩種形式的振蕩，即橫向振蕩和縱向振蕩。橫向振蕩只能在固體中產生，而縱向振蕩可在固體、液體和氣體中產生。

超聲波的一種傳播特性是在通過兩種不同的介質時，產生折射和反射現象，超聲波的另一種傳播特性是在通過同種介質時，隨著傳播距離的增加，其強度因介質吸收能量而減弱。

9.2（1）如圖所示為光纖傳感器中光線傳播原理，請推導入射角的臨界入射角與空氣折射率n0、纖芯折射率n1及包層折射率n2的關系式。

（2）解釋光纖數值孔徑的物理意義。

解：（1）

在纖芯和包層界面A處，當入射角逐漸增大到臨界角時，折射角等于90度，此時

光線由折射率為0n的空氣，從界面O處射入纖芯時實現全反射的臨界角為

9.3試計算n1=1.48和n2=1.46的階躍折射率光纖的數值孔徑。如果外部是空氣n0=1，試問：對于這種光纖來說，最大入射角是多少？

解：根據光纖數值孔徑NA定義

第三篇：無線傳感器網絡綜述(網安).

2008.2 80 網絡安全技術與應用 無線傳感器網絡綜述 唐啟濤

陶滔

南華大學計算機科學與技術學院

湖南

421001 摘要:本文介紹了無線傳感器網絡的概念、特點、通信結構及其安全需求,并對其應用過程中可能遇到的攻擊方式和相 應的抵御方法做了簡單介紹。指出了無線傳感器網絡今后的研究方向及最新研究動態。

關鍵詞:無線傳感器網絡;網絡協議棧;傳感器節點;多跳路由 0

引言

近年來隨著傳感器、計算機、無線通信及微機電等技術 的發展和相互融合,產生了無線傳感器網絡(WSN, wireless sensor networks。無線傳感器網絡技術與當今主流無線網絡 技術使用同一個標準——802.15.14, 它是一種新型的信息獲 取和處理技術。無線傳感網絡綜合了嵌入式計算技術、傳感 器技術、分布式信息處理技術以及通信技術,能夠協作地實時 監測、感知和采集網絡分布區域內的不同監測對象的信息。它的應用極其廣泛, 當前主要應用于國防軍事、智能建筑、國 家安全、環境監測、醫療衛生、家庭等方面。

無線傳感器網絡系統(WSNS, wireless sensor networks system通常由傳感器節點、聚節點和管理節點組成。它的結 構圖如圖1。傳感器節點負責將所監測的數據沿著其他傳感器 節點逐跳地進行傳輸, 經過多跳路由, 然后到達匯聚節點, 最 后通過衛星或者互聯網到達管理節點, 然后, 用戶1通過管理 節點對傳感器網絡進行管理, 發布監測任務及收集監測數據。通過無線傳感器網絡可以實現數據采集、數據融合、任務的 協同控制等。

圖

1無線傳感網絡系統結構圖 1

無線傳感器網絡特點

目前常見的無線網絡包括移動通信網、Ad Hoc 網絡、無 線局域網、藍牙網絡等,與這些網絡相比,無線傳感器網絡 具有以下特征:(1硬件資源有限

由于受到價格、硬件體積、功耗等的限制,WSN 節點的 信號處理能力、計算能力有限,在程序空間和內存空間上與 普通的計算機相比較,其功能更弱。

(2電源容量有限

由于受到硬件條件的限制,網絡節點通常由電池供電, 電池能量有限。同時,無線傳感網絡節點通常被放置在惡劣 環境或者無人區域,使用過程中,不能及時給電池充電或更 換電池。

(3無中心

無線傳感器網絡中沒有嚴格的中心節點,所有節點地位平等,是一個對等式網絡。每一個節點僅知道自己鄰近節點 的位置及相應標識,無線傳感器網絡利用相鄰節點之間的相 互協作來進行信號處理和通信,它具有很強的協作性。

(4自組織

網絡的布設和展開不需要依賴于任何預設的網絡設備, 節點通過分層協議和分布式算法協調各自的監控行為,節點 開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的無線網絡。

(5多跳路由

在無線傳感器網絡中,節點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點進行數據通信,則需要 通過中間網絡節點進行路由。無線傳感器網絡中的多跳路由 是由普通網絡節點來完成的,沒有專門的路由設備。

(6動態拓撲

無線傳感器網絡是一個動態的網絡,節點能夠隨處移 動;一個節點可能會因為電池能量用完或其他故障原因,退 出網絡運行;一個節點也可能由于某種需要而被添加到當前 網絡中。這些都會使網絡的拓撲結構發生變化,因此無線傳

感器網絡具有動態拓撲組織功能。(7節點數量多,分布密集

為了對一個區域執行監測,往往需要很多的傳感器節點 被放置到該區域。傳感器節點分布非常密集,通常利用節點 之間高度連接性來保證系統的抗毀性和容錯性。

2無線傳感器網絡協議棧

無線傳感器網絡協議棧由以下五部分組成:物理層、數 據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層,與互聯網協議棧的五 層協議相對應,其結構如圖

2。

作者簡介:唐啟濤(1982-,男,南華大學計算機科學與技術學院 2006級碩士研究生,研究方向:計算機網

絡與信安全。陶滔(1969-,男,網絡教研室主任、副教授,碩士生導師,研究方向:計算機網絡安全。2008.2

網絡安全技術與應用 圖

2無線傳感器網絡協議棧 2.1物理層

物理層主要負責感知數據的收集,并對收集的數據進行 采樣、信號的發送和接收、信號的調制解調等任務。在物理 層中的主要安全問題是建立有效的數據加密機制。由于對稱 加密算法的局限性,它不能在 WSN 中很好的發揮作用,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.數據鏈路層

數據鏈路層主要負責媒體接入控制和建立網絡節點之間 可靠通信鏈路,為鄰居節點提供可靠的通信通道,主要由介 質訪問控制層組成。介質訪問控制層使用載波監聽方式來與 鄰節點協調使用信道,一旦發生信道沖突,節點使用相應的 算法來確定重新傳輸數據的時機。無線傳感器網絡的介質訪 問控制協議通常采用基于預先規劃的機制來保護節點的能量。

2.3網絡層

網絡層的主要任務是發現和維護路由。正常情況下,無 線傳感器網絡中的大量傳感器節點分布在一個區域里,消息 可能需要經過多個節點才能到達目的地,且由于傳感器網絡 的動態性,使得每個節點都需要具有路由的功能。節點一般 采用多跳路由連接信源和信宿。

2.4傳輸層

由于無線傳感器網絡節點的硬件限制,節點無法維持端到 端連接的大量信息傳輸,而且節點發送應答消息也會消耗大量 能量,因而,目前還沒有成熟的關于傳感器節點上的傳輸層 協議的研究。匯聚節點只是傳感器網絡與外部網絡的接口。

2.5應用層

應用層主要負責為無線傳感器網絡提供安全支持,即實 現密鑰管理和安全組播。無線傳感器網絡的應用十分廣泛, 其中一些重要的應用領域有:軍事方面,無線傳感器網絡可 以布置在敵方的陣地上,用來收集敵方一些重要目標信息, 并跟蹤敵方的軍事動向:環境檢測方面,無線傳感器網絡能 夠用來檢測空氣的質量,并跟蹤污染源;民用方面,無線傳 感器網絡也可用來構建智能家居和個人健康等系統。

3安全性需求

基于無線傳感器網絡的特殊性,形成了與其他網絡系統不 同的網絡安全特性, 并能直接應用到實際的無線傳感網絡中。歸納為以下幾個方面: 3.1魯棒性

傳感器網絡一般被放置在惡劣環境、無人區域或敵方陣 地中,環境條件、現實威脅和當前任務具有不確定性,它需 要設計具有抵抗節點故障的機制。一種常用方法是部署大量 節點。網絡協議應該具有識別發生故障的相鄰節點的能力, 并根據更新的拓撲進行相應的調節。

3.2擴展性

WSN 節點會隨著環境條件的變化或惡意攻擊或任務的變 化而發生變化,從而影響傳感器網絡的結構。同時,節點的 加入或失效也會導致網絡的拓撲結構不斷變化,路由組網協 議和 W S N S 必須適應 W S N 拓撲結構變化的特點。

3.3機密性

傳感器網絡在數據傳輸過程中,應該保證不泄露任何敏 感信息。應用中,通過密鑰管理協議建立的秘密密鑰和其他 的機密信息,必須保證只對授權用戶公開。同時,也應將因 密鑰泄露造成的影響盡可能控制在一個較小范圍,不影響整 個網絡的安全。解決數據機密性的常用方法是使用會話密鑰 來加密待傳遞的消息。

3.4數據認證

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

3.5數據完整性

在網絡通信中,數據的完整性用來確保數據在傳輸過程 中不被敵方所修改,可以檢查接收數據是否被篡改。根據不 同的數據種類,數據完整性可分為三類:選域完整性、無連 接完整性和連接完整性業務。

3.6

數據更新

表示數據是最新的,是沒有被敵手侵入過的舊信息。網絡 中有弱更新和強更新兩種類型的更新。弱更新用于提供局部 信息排序,它不支持延時消息;強更新要求提供完整的次序, 并且允許延時估計。

3.7

可用性

它要求 WSN 能夠按預先設定的工作方式向合法的系統用 戶提供信息訪問服務,然而,攻擊者可以通過信號干擾、偽 造或者復制等方式使傳感器網絡處于部分或全部癱瘓狀態, 從而破壞系統的可用性。

3.8

訪問控制

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

4攻擊方式及采取的相應措施

無線傳感網絡可能遭遇多種攻擊。攻擊者可以直接從物

2008.2 82 網絡安全技術與應用 理上將其破壞。另一方面,攻擊者可以通過操縱數據或路由 協議報文,在更大范圍內對無線傳感網絡進行破壞。具體的 攻擊類別如下: 4.1欺騙、篡改或重發路由信息

攻擊者通過向 WSN 中注入大量欺騙路由報文,或者截取 并篡改路由報文,把自己偽裝成發送路由請求的基站節點, 使全網范圍內的報文傳輸被吸引到某一區域內,致使各傳感 器節點之間能效失衡。對于這種攻擊方式的攻擊,通常采用 數據加密技術抵御。

4.2選擇轉發攻擊

攻擊者在俘獲傳感器節點后,丟棄需要轉發的報文。為 了避免識破攻擊點,通常情況下,攻擊者只選擇丟棄一部分 應轉發的報文,從而迷惑鄰居傳感節點。通常采用多路徑路 由選擇方法抵御選擇性轉發攻擊。

4.3DoS拒絕服務攻擊

攻擊者通過以不同的身份連續向某一鄰居節點發送路由 或數據請求報文,使該鄰居節點不停的分配資源以維持一個 新的連接。對于這種攻擊方式,可以采用驗證廣播和泛洪予 以抵御。

4.4污水池攻擊

攻擊點在基站和攻擊點之間形成單跳路由或是比其他節 點更快到達基站的路由,以此吸引附近的傳感器以其為父節 點向基站轉發數據。污水池攻擊“調度”了網絡數據報文的 傳輸流向,破壞了網絡負載平衡。可以采用基于地理位置的 路由選擇協議抵御污水池攻擊。

4.5告知收到欺騙攻擊

當攻擊點偵聽到某個鄰居節點處于將失效狀態時,冒充 該鄰居節點向源節點反饋一個信息報文, 告知數據已被接受。使發往該鄰居節點的數據報文相當于進了“黑洞”。可以調控 全球知識以抵御告知收到欺騙。

4.6

女巫攻擊

攻擊點偽裝成具有多個身份標識的節點。當通過該節點 的一條路由破壞時,網絡會選擇另一條完全不同的路由,由 于該節點的多重身份,該路由可能又通過了該攻擊點。它降 低了多經選路的效果。針對這種攻擊方式,可以采用鑒別技 術抵御。

5今后的研究方向

目前,有關傳感器網絡的研究還處于初步階段,由于無 線傳感網絡的體系結構和模型沒有形成最后的標準,無線傳 感器網絡安全研究方面還面臨著許多不確定的因素,對于 W S N 而言,仍然存在著如下有待進一步研究的問題。

5.1安全的異常檢測和節點廢除

在傳感器網絡中,由于被盜用節點對網絡非常有害,因 而希望能即時檢測和廢除被盜用節點。Chan 提出使用分布式

投票系統來解決這個問題。5.2

安全路由

安全的路由協議應允許在有不利活動的情況下,繼續保 持網絡的正常通信。傳感器網絡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計來實現。如何設計一種高 效、安全的路由有待進一步的研究。

5.有效的加密原語

Perrig 提出了 SPINS 協議族, 通過該協議, 使用有效的 塊加密,對于不同塊進行不同的加密操作。Karlof

設計了 TinySec,在效率與安全性之間折中。在密鑰建立和數字簽名 時,如何使用有效的非對稱加密機制,是一個值得進一步研 究的方向。

5.4入侵檢測問題

在數據認證和源認證之前,有必要設計相應的方案來確 認通信方是不是惡意節點。目前有些無線傳感網絡都是假設 網絡節點具有全網惟一標識,這其實是不符合現實的。

5.5傳感器安全方案和技術方案的有機結合

根據 W S N 的特點,其安全解決方案不能設計得過于復 雜,并盡可能的避免使用公鑰算法。如何在不明顯增加網絡 開銷的情況下,使性能和效率達到最佳,并設計出相應的協 議和算法有待于進一步的研究。

5.6

管理和維護節點的密鑰數據庫

在傳感器網絡中,每個節點需要維護和保持一個密鑰數據 庫。在網絡節點存儲能力有限的情況下, 如何保證密鑰建立、撤 消和更新等階段動態地維護和管理數據庫需要進一步的研究。

6總結

無線傳感器網絡在軍事和民用領域都有著廣泛的潛在用 途,是當前技術研究的熱點。本文從無線傳感器網絡的特點、無線傳感網絡的協議棧、安全需求、可能受到的安全攻擊及 相應的防御方法及今后有待進一步研究的問題等方面對目前 國內外開展的研究進行了較為系統的總結,有助于了解當前無 線傳感器網絡研究進展及現狀。

參考文獻

[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.神經網絡控制[M].哈爾濱:哈爾濱

工業大學出版社.1999.[4]遺傳算法結合FANN實現加速度傳感器動態特性補償[J].計 量學報.2005.[5]郎為民,楊宗凱,吳世忠,譚運猛.無線傳感器網絡安全研究.計 算機科學.2005.

第四篇：無線傳感器網絡實驗報告

桂林電子科技大學

實驗報告

2015 5--2016 6 學年第 一 學期

開 課 單 位

海洋信息工程學院

適用年級、專業

課 程 名 稱

無線傳感器網絡

主 講 教 師

王曉瑩

課 程 序 號

1510344

課 程 代 碼

BS1620009X0

實 驗 名 稱

ns2 實驗環境配置及應用

實 驗 學 時學時

學

號

姓

名

一、

實驗目的1)掌握虛擬機的安裝方法。

2)熟悉 Ubuntu 系統的基本操作方法。

3)掌握 ns2 環境配置。

4)掌握 tcl 語言的基本語句及編程規則。

5)了解使用 ns2 進行網絡仿真的過程。

二、

實驗環境

1)系統：Windows 10 專業版 64 位 2)內存：8G 3)軟件：VMware Workstation 12 Pro 三、實驗內容

((一 一))安裝虛擬機（簡述安裝步驟）

a)在 VMware 官網（https://#allinone 復制到根目錄，解壓到當前位置 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());}

運行 cd./ns-allinone-2.35 運行./install #進行安裝

d)設置環 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)驗證 完成后在新終端窗口 輸入 ns 出現%

測試：

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

c)運行 test01.tcl，結果如圖：

((五 五))網絡仿真（可以選示例，也可以自己參考資料設計仿真）

((六 六))遇到的問題及解決方法

1.Ns2 驗證：安裝完成后在新終端窗口 輸入 ns 不出現 %

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

2.TCL 語言測試：找不到 tk.tcl

ns./ns-allinone-2.35/ns-2.35/tcl/ex/simple.tcl 提示找不到 tk.tcl，因為沒安裝 nam，輸入命令 sudo apt-get install nam 安裝成功，再驗證就可以了。

四、

實驗總結

通過本次實驗，熟悉掌握了虛擬機 VMware Workstation Pro 的安裝與系統創建安裝使用，熟悉掌握 Ubuntu 系統的基本命令操作，掌握 ns2 環境配置，掌握 tcl 語言的基本語句及編程規則，了解但還尚未能掌握使用 ns2進行網絡仿真的操作。相信之后通過理論與實踐更深的了解熟悉網絡仿真的知識與操作。

第五篇：機械 無線傳感器實驗小結

實驗小結

一個下午的實驗，或許比我這大學三年多所學的理論知識更加具有實用性。開頭，老師用一個混凝土傳送車的測量項目，從經濟成本和技術手段等方面詳細介紹了有線測量的缺點與無線測量的有缺點。印象最深刻的一點是：有線測量的線路布置相當麻煩，且成本高昂，易受外界干擾；無線測量安裝方便，隨著技術的進步，成本也較低，抗干擾性較好，將是未來科技發展的方向。接下來便是動手操作，其中有兩點感觸頗深：

第一、從基礎做起很重要。

整個實驗從學習測量軟件開始，實驗的相關參數都需要再軟件中事先設置妥當。有的同學完全不管不顧就立即開始測量，使得實驗數據牛頭不對馬嘴，直接導致測量失敗。學習好測量軟件，接下來便是看懂實驗原理圖，選擇正確的傳感器進行實驗。一開始，我們無從下手，原因在于：無線傳感器本身的結構不了解，無法有效的使用起來，輸入接入了3

通道，在軟件上采集時卻使用1通道，一直采集不到

實驗數據，或者本該接在同一個傳感器的不同通道上的，卻找兩個傳感器來測量。好在，經過摸索和同學

間的討論，終于弄明白了這些問題，希望以后的同學

們能吸取教訓。

第二、細節很重要。

記得千分表加載測應變的實驗中，要求輸入信號全橋

接入，共4根接入線，其中一對是電源與地線，一對

是中間節點線。剛開始，我們兩個接線員一看電路圖，想當然認為4個電阻一樣大，4根線應該是一樣的，變隨機接線，導致最后無論怎么調試都沒有輸入信號，明顯是將鄰臂接入了電路，使得輸入信號互相抵消了，正確的接法應該是采用對臂相加原則，將R1R3或者R2R4 接入，也就說電源線與地線必須正確對于。

經過一下午的努力，終于完成了實驗，整理好實驗儀器，提交實驗數據，走出實驗室，頓時感覺成長了好多。