浅谈无线传感器网络社会领域的实际应用

赵丹 沈阳计量测试院

一、无线传感器网络现阶段应用情況

由于WSN网络大多数节点采用大量的廉价传感器，成本低廉，并且相对外接电源的传感器功耗较低，并且大多采用飞机抛洒的方式进行放置，在条件恶劣或野外场地可以极大提高传输效率，在工业领域已得到广泛使用。以下简单阐述在工业领域的实际应用。

（一）森林预警系统

大面积的林场面临巡视员缺乏、设备不到位等问题，遇到火情不能第一时间发现，从而错失最佳灭火时机，极易造成人员伤亡和财产损失。传统意义上的森林防火员的工作已经不能满足时代的需求，针对这种情况采用无线传感器网络对林场的温度、湿度以及着火临界条件进行分析以及数据采集显得尤为重要。

无线传感器物理上是由大量的不可充电微型传感器终端构成，适应于林场复杂的环境，通过大炮或者飞机投放等方式可以将传感器节点均匀的安置到林场当中，通过对林场温度、湿度等数据进行分析、收集与传送，可以对火情进行预测，给防火系统发出火情警告。

（二）河道预警系统

黄河防灾整治工作面临泥沙河、冰凌河、浑河等恶劣的自然灾害河道情况，对于黄河防灾一直采用的派人驻堤，每年灾难多发季节需要大量人力物力的投入，对于1998年洪水而言，小浪底下游新乡段水流量超过50000立方米每秒，流速极大导致驻堤人员不能及时完成撤离，并且由于黄河在一些地段出现“三年两决口”的自然灾害情况，对工作人员的生命安全也构成了极大的威胁。随着传感器网络的不断发展，能够极大减少人物力的投入，对恶劣的自然河道灾难进行及时预警，起到了不可代替的作用。

定期在黄河流域易发生灾难地段以及自然条件险峻地段河床放置无线传感器，在自然灾害发生时对河水流量、河道冰凌度、泥沙密度进行数据采集，对过境水流进行全天候检测，发现异常情况及时反馈指挥中心，从而第一时间做出防线抗灾措施，避免造成更大损失。

（三）智能家居设备

智能家居是物联网技术发展的典型应用，在家居设备中的灯光、空调、厨具等系统放置传感器设备，从而实现远程智能操作。通过无线网络的方式与终端进行网络互联，用户可以通过远程操控方式对家居设备进行控制，实现整体家居设备自动化与智能化。

（四）矿山检测应用

矿山环境错综复杂，自然条件恶劣，过去采用人工检测的方式出现极大的安全隐患，无线传感器的特征表现在如下几个方面，在提升矿山检测的效率的同时，避免了大量人力物力的浪费。

1.网络规模大

WSN网络采用大规模的网络拓扑结构，因为矿山地理位置特殊，需要采用大量的传感器节点才能保证数据采集的精准性。并且由于传感器节点是以随机方式进行分布，大量的节点可以保证数据不会出现偏差性，终端冗余节点可以保证整个网络体系的容错性，同时减少数据采集盲区，提高数据准确性。

2.采用自组织网络

由于矿山地理问题限制，并且由于节点分布随机性的问题，传感器节点的物理位置无法获得提前定位，这样的条件下就要求传感器节点有自组织网络的功能，随着个别传感器节点电量耗尽脱离网络以后，整个网络拓扑可以随时根据具体情况进行重新组网。

二、无线传感器网络在安全阶段面临的问题

（一）节点能量均衡问题

WSN网络由于采用自组网的方式，各个节点采用多跳的方式将终端采集的信息发给信息基站，网络中节点由于信息传输量以及信息传输距离造成不同节点能量损耗有差距，最终造成能量消耗不均衡，导致部分节点电量提前耗尽，所以对于传感器网络中能量均衡问题一直都是研究热点。

（二）安全问题

由于WSN网络由大量廉价传感器组成，由于电池能源和物理设计的局限问题，计算能力、数据传输、安全性能极为有限，所以相比于外接电源的固定传感器上使用的安全算法并不能适用于无线传感器网络。传感器节点的工作环境多为野外或条件恶劣的场所，经常受到的攻击有如下。

物理层可能受到的攻击有拥塞攻击、对撞攻击、物理层破坏。数据链路层上受到的攻击有女巫攻击、消耗攻击和汇集节点攻击。网络层中容易受到的攻击有：黑洞攻击、误导攻击等。这些对传感器节点的网络攻击不但容易使得整个网络崩溃，而且还会篡改数据影响最终决策，所以对于无线传感器网络的安全问题研究也是重中之重。

（三）异常节点问题

无线传感器网络中由于自身安全性较低，工作区域自然条件恶劣并且容易受到能量耗尽的问题，节点在采取数据的过程中出现数据偏离正常值，如果忽视非正常数据的存在，极易造成最终决策判断出现严重失误，如何对异常值进行分析排除，也是现阶段无线传感器网络应用过程中重要的研究课题。

三、无线传感器网络现阶段出现问题的解决方案

上文简单阐述无线传感器网络在应用过程中出现的问题，可以看出无线传感器网络在应用过程中出现的问题主要有三个方面：节点能量均衡问题、无线传感器入侵检测、无线传感器网络异常节点分析。下文针对以上几个问题阐述现阶段常用解决方案。

（一）节点能量均衡问题

针对WSN网络中节点能量有限以及不同节点在传输数据过程中因为距离和传输信息量导致能量不均衡的问题，本文提出了基于LEACH路由算法的优化算法，基本思路在构建网络阶段采用LEACH算法选举簇头节点，然后采用dijkstra算法中有权图最短路径方法进行多路径选择，最后通过代价评估函数计算候选路径中不同节点之间的能量损耗、剩余节点个数，计算出最佳传输路径，从而解决节点在能量传播过程中能量不均衡的问题。

（二）异常节点分析方法

针对无线传感器网络中大量的廉价传感器所处工作环境恶劣，并且由于电池容积问题导致计算性能较差等现实情况提出了基于图信号处理的无线传感器网络异常节点分析策略。其基本思路首先采用KNN算法建立传感器信号模型，其次对传感器网络中信号传输的平滑度做出统计比较，最后采用数学中统计监测以及判决门来判断该节点是否为异常节点。解决了由于传感器节点异常造成最终判决出现偏差的情况。

（三）网络安全问题

针对无线传感器网络出现的网络安全问题，可以通过使用安全协议来提高网络面对攻击的防御程度。首先传感器在传输数据中新鲜度和完整度的保障是极其重要的，所以设置有效的安全防御协议才能保证数据的安全传输和整个网络的安全。

四、结束语

随着人们对无线传感器网络的研究愈发深入，在各个领域的应用取得了很大的进展，致使WSN网络变成专业领域的研究热点。但在应用的过程中也存在诸多缺陷，如何解决这些缺陷使得WSN网络更好地融入现代科学体系的应用是下一阶段的研究热点。