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摘要

通過本文可了解傳感器的分類，以及無線傳感器的原理，這對于理解AGV等機器人的工作原理會帶來較大幫助，譬如人體仿真機器人，機器與人運動協同模式。

背景

因為超大規模集成電路 (VLSI) 以及微機電系統科技 (MEMS technology) 等硬件基礎以及radio frequency (RF) 技術的進步，使得傳感器的發展越來越快

傳感器具有的優勢：

1.可以放置在任何環境：任何時間都可以工作，并且不需要太多的人力來進行管理。

2.具有更好的容錯能力：局部出現故障仍然能較好的完成工作。

3.獲取的數據更精確：通過多個傳感器獲取的信息更加可靠準確。

4.成本低以及容易部署。

根據8月份國外媒體最新的報道，目前全球傳感器大約有2.6萬余種類型。隨著人工智能技術的發展，傳感器應用也正在不斷普及，同時高端傳感器的需求也持續提升。2018 年，《麻省理工科技評論》全球十大突破性技術榜單中將"傳感城市"(Sensing city)列入其中，這揭示了今后幾年傳感器技術的發展潮流。

無線傳感器網絡的組成和結構

常見傳感器的分類

傳感器在現實生活中隨處可見，如各種可穿戴設備、無線通信設備、智能控制設備等，很多常用的電子器件一般包含多種傳感器，比如一些高端手機已經集成了超過15種傳感器，而且這一數字還會增加，一輛普通家用轎車上大約會安裝幾十到近百只傳感器，豪華轎車傳感器的數量可多達200余只，種類達幾十種。

按功能可以將傳感器劃分為：電傳感器、磁傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、流量傳感器、流速傳感器、溫度傳感器、光傳感器、射線傳感器、分析傳感器、仿生傳感器、氣體傳感器、離子傳感器等．

一些新型傳感器：紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器、溫濕度傳感器、紫外線傳感器、機器人傳感器、智能傳感器、數字傳感器。

無線傳感器的組成

傳感器最初是從有線傳感器發展到今天的無線傳感器，無線傳感器是傳感器中非常常見的一類。

雖然無線傳感器的種類也非常多，但是它們絕大部分都包含以下模塊：

1.感知模塊：主要由熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等敏感元件組成，用于記錄被監控目標的一些物理學參數。

2.信息處理模塊：處理模塊由嵌入式系統構成，用于處理存儲感知模塊采集的數據以及其他節點發過來的數據，并負責協調傳感器節點各部分的工作，處理模塊還具有控制電源工作模式的功能，實現節能。

3.無線通信模塊：(傳統有線傳感器和無線傳感器的最本質區別)無線通信模塊的基本功能是將處理器輸出的數據通過無線信道以及傳輸網絡傳送給其他節點。

4.能量供應模塊：為其他三個模塊的工作提供能量。

無線傳感器網絡的組成

多個功能節點之間通過無線通信形成一個連接的網絡，這個網絡我們稱為無線傳感器網絡。

無線傳感器網絡中主要包含兩類節點：

1.傳感器節點：具有感知和通信功能的節點，在傳感器網絡中負責監控目標區域并獲取數據，以及完成與其他傳感器節點的通信，能夠對數據進行簡單的處理。

2.Sink節點：又稱為基站節點，負責匯總由傳感器節點發送過來的數據，并作進一步數據融合以及其他操作，最終把處理好的數據上傳至互聯網。

無線傳感器網絡的拓撲結構

三種常見拓撲結構

1.星型拓撲：具有組網簡單、成本低；但網絡覆蓋范圍小，一旦sink節點發生故障，所有與sink節點連接的傳感器節點與網絡中心的通信都將中斷。星形拓撲結構組網時，電池的使用壽命較長。

2.網狀拓撲：具有組網可靠性高、覆蓋范圍大的優點，但電池使用壽命短、管理復雜。

3.樹狀拓撲：具有星形和網狀拓撲的一些特點，既保證了網絡覆蓋范圍大，同時又不至于電池使用壽命過短，更加靈活、高效。

無線傳感器網絡的應用領域

無線傳感器在生產和生活中處處可見，總結起來主要在以下八大領域應用廣泛[3]：

1、軍事領域的應用

在軍事領域，由于WSN具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應用于惡劣的戰場環境。利用WSN能夠實現監測敵軍區域內的兵力和裝備、實時監視戰場狀況、定位目標、監測核攻擊或者生物化學攻擊等。

2、輔助農業生產

WSN特別適用于以下方面的生產和科學研究。例如，大棚種植室內及土壤的溫度、濕度、光照監測、珍貴經濟作物生長規律分析、葡萄優質育種和生產等，可為農村發展與農民增收帶來極大的幫助。采用WSN建設農業環境自動監測系統，用一套網絡設備完成風、光、水、電、熱和農藥等的數據采集和環境控制，可有效提高農業集約化生產程度，提高農業生產種植的科學性。

3、在生態環境監測和預報中的應用

在環境監測和預報方面，無線傳感器網絡可用于監視農作物灌溉情況、土壤空氣情況、家畜和家禽的環境和遷移狀況、無線土壤生態學、大面積的地表監測等，可用于行星探測、氣象和地理研究、洪水監測等。基于無線傳感器網絡，可以通過數種傳感器來監測降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預測山洪爆發描述生態多樣性，從而進行動物棲息地生態監測。還可以通過跟蹤鳥類、小型動物和昆蟲進行種群復雜度的研究等。

4、基礎設施狀態監測系統

WSN技術對于大型工程的安全施工以及建筑物安全狀況的監測有積極的幫助作用。通過布置傳感器節點，可以及時準確地觀察大樓、橋梁和其他建筑物的狀況，及時發現險情，及時進行維修，避免造成嚴重后果。

5、工業領域的應用

在工業安全方面，傳感器網絡技術可用于危險的工作環境，例如在煤礦、石油鉆井、核電廠和組裝線布置傳感器節點，可以隨時監測工作環境的安全狀況，為工作人員的安全提供保證。另外，傳感器節點還可以代替部分工作人員到危險的環境中執行任務，不僅降低了危險程度，還提高了對險情的反應精度和速度。

6、在智能交通中保障安全暢通

智能交通系統主要包括交通信息的采集、交通信息的傳輸、交通控制和誘導等幾個方面。無線傳感器網絡可以為智能交通系統的信息采集和傳輸提供一種有效手段，用來監測道路各個方向的車流量、車速等信息。并運用計算方法計算出最佳方案，同時輸出控制信號給執行子系統，以引導和控制車輛的通行，從而達到預設的目標。

7、在醫療系統和健康護理中的應用

無線傳感網技術通過連續監測提供豐富的背景資料并做預警響應，不僅有望解決這一問題還可大大提高醫療的質量和效率。無線傳感網集合了微電子技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信和分布式信息處理等技術，能夠通過各類集成化的微型傳感器協同完成對各種環境或監測對象的信息的實時監測、感知和采集。

8、在智能家居中應用

在家電中嵌入傳感器結點，通過無線網絡與互聯網連接在一起，利用遠程監控系統可實現對家電的遠程遙控，無線傳感器網絡使住戶可以在任何可以上網的地方通過瀏覽器監控家中的水表、電表、煤氣表、電器熱水器、空調、電飯煲等，安防系統煤氣泄露報警系統、外人侵入預警系統等。

無線傳感器網絡的特點

無線傳感器網絡基本特點

無線傳感器網絡具有以下特點

1.自組織方式組網：組網不依賴任何固定的網絡設施，傳感器節點通過分布式網絡協議形成自組織網絡，能夠自動調整來適應節點的移動、加入和退出。因為傳感器的維護成本很高，所以需要具備自我管理能力 (self-managed, including self-organizing, self-healing, self-optimizing, self-protecting, self-sustaining, self-diagnostic) 。

2.無中心結構：網絡中所有傳感器節點地位對等，并構成一個對等式網絡。節點可以隨時加入和離開網絡，網絡中部分節點發生故障不影響整個網絡的運行。

3.網絡有動態拓撲：無線傳感器網絡中的節點可能由于電池能量耗盡或者故障而從網絡中退出，也可能是按照某種設定的程序從網絡中退出（比如說休眠）；網絡外的節點可隨時加入網絡中。

4.采用多跳路由通信：覆蓋同樣大小的區域單跳路由消耗的能量遠遠超過了多跳路由，所以絕大部分傳感器網絡采用多跳路由，不過多跳路由也會導致數據傳輸出現延遲、復雜的路由計算等新問題產生。

5.高冗余：由于大型的傳感器網絡的節點數量眾多，傳感器節點之間距離不能太大，所以采集的數據具有冗余特性。

6.硬件資源及功能有限：無線傳感器節點由于受價格、體積和攜載能源的限制，其計算能力、數據處理能力、存儲空間有限，決定了在節點操作系統的設計中，協議層次內容不能過于復雜。

7.電源續航能力較?。壕W絡節點有電池供電，電池續航能力小，在許多應用場景中無法更換電池。傳感器節點電能用完，該節點就失去了作用，所以在設計傳感器網絡時需要考慮節能。

無線傳感器網絡設計的目標

目標一：提高性能

對傳感器網絡來說什么是性能？有很多指標可以用來評估傳感器網絡的性能情況，其中主要有：

1.Energy efficiency/system lifetime（能源效率/系統生命周期）：傳感器是電池驅動的，因此能源是一種非常稀缺的資源，為了延長網絡的壽命，必須明智地管理能源^[1]。

2.Latency（延遲）：許多傳感器應用程序需要低延遲才能保證服務，所以協議必須確保感知到的數據將在一定的延遲內交付給用戶。

3.Fault tolerance（容錯）：傳感器和鏈路故障的魯棒性必須要通過冗余和協同處理以及通信來實現。

4.Scalability（可擴展性）：由于傳感器網絡可能包含數千個節點，因此可伸縮性是一個關鍵因素，它保證了網絡性能不會隨著網絡大小(或節點密度)的增加而顯著下降。

5.Transport capacity/throughput（通信能力/吞吐量）：由于大多數傳感器數據必須傳送到單個基站或融合中心，因此傳感器網絡中存在一個關鍵區域（或者節點），這些區域必須中繼網絡中幾乎所有節點生成的數據。因此，即使在平均通信率較低的情況下，這些關鍵節點上的通信量也很大。顯然，這一領域對系統生命周期、數據包的端到端延遲和可伸縮性有至關重要的影響。

目標二：節約能源

哪些設計和措施可以節約能源？

1.進行數據壓縮，以減少要傳輸的數據包數量：因為對傳感器網絡來說，絕大部分能量消耗在無線通信模塊，數據包傳輸前進行壓縮可以大大減少通信過程中的能量消耗。

2.去除中心化，利用分布式處理數據的方法：因為傳感器上傳給中心節點的數據存在大量冗余信息，如果將所有的計算都集中在中心節點，將給中心節點帶來較大負荷以及不必要的能源浪費，可以考慮將一部分計算任務分配給傳感器節點。

3.引入傳感器睡眠機制減少電量消耗：為了防止傳感器節點在接收意外數據包時浪費能量，可以考慮睡眠機制。例如，通過協調策略來決定哪些節點應該進入休眠狀態。

4.路由策略：最簡單的節能路由協議是最少能量路由，即尋找一條能耗最低的路由，通過它傳送數據。但這樣未必能延長網絡的生存時間，因為某些處于關鍵位置的節點可能被過度使用而導致電源過早耗盡。最大最小路由更多的考慮了電池的剩余電量，而最少能量路由考慮的是某次通信需要消耗的電量，一個很自然的改進思路是可以將兩種方法結合起來，定義一個電源開銷函數，綜合考慮兩種策略。

5.拓撲管理：無線傳感器網絡部署中，節點密度都比較高，因為提高節點密度可以提高結果的精確度，但如果系統生存時間更重要的話，就可以對網絡拓撲進行管理。如果硬件支持可變發射功率的話，采用低的發射功率也能夠降低網絡電源開銷，同時緩解共享空間信道的競爭，提高網絡容量。

目標三：保證安全

導致無線傳感器網絡不安全的原因^[2]：

1.資源非常有限：有限的內存和存儲空間、能量有限、計算能力有限等，這些局限性使得一些較成熟的安全方法無法在傳感器網絡上實行。

2.不可靠的通信：信道的暴露使得數據包在傳輸過程不可靠，而且傳輸過程容易發生數據包沖突、延遲等問題。

3.無人管理：傳感器網絡在野外無人區域容易遭受物理攻擊，此外通過遠程管理方式無法檢測到物理篡改等。

無線傳感器網絡安全的要求：

1.數據機密性：傳感器節點不能向鄰居節點泄露敏感參數；通信的信道必須保證安全可靠；加密的算法要安全可靠。

2.數據完整性：因為在通信過程中，篡改數據包會導致惡劣的通信環境，所以需要保證數據包在發送過程中難以被篡改。

3.數據的新鮮性：數據包要保證是最新的，防止舊消息被重播。

4.可用性：一些傳統的安全算法需要在修改后才能應用在無線傳感器網絡，其中一些算法在應用時也會帶來更多的開銷等問題，導致這些算法在實際中不實用。

5.身份認證：因為攻擊者不僅能篡改數據包還可能注入附加數據包，所以需要確保數據的來源正確，需要對數據的來源進行驗證。

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無線傳感器網絡中的關鍵技術

無線傳感器網絡中主要應用到以下關鍵技術^[4]：

一、網絡自組織連接技術

也稱為拓撲控制技術，傳感器網絡的自組織組網和連接是指在滿足區域覆蓋度和連通度的條件下，通過節點發送功率的控制和網絡關鍵節點的選擇，構建鄰居鏈路，形成一個高效的網絡連接拓撲結構，以提高整個網絡的工作效率，延長網絡的生命周期。自組織控制分為節點功率控制和層次拓撲控制兩個方面。

1.節點功率控制：在滿足網絡連通度的條件下，盡可能減少發射功率。相關研究成果有：基于節點度數進行功率控制（提出了LMA算法）、基于鄰近圖進行功率控制（提出了DRNG、DLMST算法）；

2.層次拓撲控制：采用分簇機制實現，在網絡中選擇少數關鍵節點作為簇首，由簇首節點實現全網的數據轉發，簇成員節點可以暫時關閉通信模塊，進入睡眠狀態。相關研究成果有：提出了LEACH、TopDisc、GAF算法。

當前國內外對無線傳感器網絡的拓撲控制取得了很多成果，許多新的算法被提出，其中一些拓撲控制算法不僅僅在理論體系較為完備，并且在實際工程中得到了應用。還有一些拓撲控制算法通過計算機仿真，效果良好，但是大部分算法還處于理論研究階段。在研究特點上，出現了同時使用多種方式、多種算法的結合形成傳感器網絡的拓撲控制機制。拓撲控制還面臨著一些重要的關鍵性問題，如對于大規模的無線傳感器網絡，拓撲控制算法如果沒有較快收斂速度，工程上的實用性就會不強；面對動態拓撲結構如何自適應控制等。

二、網絡覆蓋控制技術

為了保證無線傳感器網絡監測的有效性，通常要求監測范圍內的每一點都至少處于一個無線傳感器節點的監測范圍以內；為使無線傳感器能夠完成對給定區域進行特定的監測任務，必須要進行覆蓋控制。目前國內外學者研究的覆蓋問題主要包括分為以下幾類^[5]：

1.區域/空間覆蓋：所有傳感器的監測范圍需要覆蓋整個監測區域。研究者將原問題轉化為SET K-COVER問題，提出了MCCH、PEAS算法；

2.點覆蓋：所有傳感器的監測范圍需要覆蓋整個監測區域內一些指定監測點。點覆蓋問題比空間覆蓋問題簡單，當監測節點密度很大時，可以近似認為整個區域需要被覆蓋，從而轉化為區域覆蓋問題。

3.柵欄覆蓋：覆蓋區域為帶狀，應用場景是：當入侵者從部署區域穿過時能夠被傳感器檢測到，如非法偷渡人員的檢測。

4.信息覆蓋：不考慮物理區域的覆蓋，而是直接關注區域中信息的捕獲情況。這種覆蓋定義通常使用一個概率感知模型或者其他更復雜的感知模型（如基于信息融合理論的感知模型）。當區域中任何一點上的信息能以高概率（大于某個閾值）被無線傳感器網絡所捕獲時，那么整個區域是信息覆蓋的。

覆蓋問題關注傳感器對監測區域信息的感知質量，它是無線傳感器網絡設計的首要問題，也是無線傳感器網絡中最基本、最重要問題之一，并且一直是熱點問題。

三、網絡無線通信技術

因為傳感器節點傳輸信息時，比執行計算時更消耗能量，傳輸1比特信息100m距離需要的能量相當于執行3000條計算指令消耗的能量，所以需要對無線通信模塊進行控制；另外，無線通信信息在發送過程中容易受到外界干擾，所以無線傳感器網絡需要抗干擾的通信技術。目前有以下無線通信技術：

1.藍牙技術：藍牙技術是一種短距離微功耗的無線通信技術，具有較強的抗干擾能力，成本低而且在各種設備中都可以使用，不過存在通信距離較短的缺點（一般為10m左右）。

2.Wi-Fi技術：也稱為無線局域網通信技術，具有可移動性強，安裝靈活、便于維護、能快速方便地實現網絡連通等優點，常見的如IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g。

3.超寬頻技術：簡稱UWB，超寬頻技術最初主要應用于高精度雷達和隱秘通信領域，UWB技術是一種在寬頻帶基礎上，通過脈沖信號高速傳輸數據的無線通信技術，具有發射距離短、發射功率低、成本低等特點。

4.近短距無線傳輸：代表有NFC技術。

5.ZigBee技術：ZigBee主要應用于短距離范圍、數據傳輸率不高的各種電子設備，傳輸速率低、成本比較低等特點，適合一些簡單的網絡，ZigBee比一些常見無線通信技術更加安全可靠。

幾種短距離無線通信技術的比較

四、定位技術

網絡中節點定位是無線傳感器網絡應用的基礎，傳感器節點須明確自身位置才能為用戶提供有用的信息，實現對目標的定位和追蹤。另一方面，了解傳感器節點的位置信息還能提高路由效率、報告網絡的覆蓋質量，實現網絡的負載均衡等。在一些應用場合中，傳感器節點被隨機地撒布在特定的區域，事前無法知曉這些傳感器的位置，部署完成后需要通過一些定位技術來準確地獲取其位置信息?，F有的研究工作主要是根據以下三種物理參數來實現網絡的定位^[6]：

1.Received signal strength (RSS)：基于接收信號強度的計算方法，電磁波的功率與傳輸功率成正比，與到源距離的平方成反比。根據這一物理定律，通過不同路徑到達接收設備的信號強度是估計距離和位置的基礎。

2.Time of flight (TOF)：基于飛行時間的計算方法，發射器和接收器之間的距離等于發射信號的飛行時間或電磁傳播時間乘以傳播速度，即光速。當傳輸時間已知時，距離可以通過測量接收器處的信號到達時間（TOA）來確定，或者根據不同位置的接收時間差異來確定距離。

3.Angle of arrival (AOA)：基于入射角的計算方法，根據電磁波的到達角（AOA）或到達方向（DOA）來確定傳感器的位置。

此外，還可以利用GPS系統來實現傳感器節點的高精度定位，不過這種方法成本較高。

五、網絡安全技術

前面已經介紹無線傳感器網絡中的安全隱患主要來源于三個方面：資源非常有限、不可靠的通信以及無人管理。這些特點使得傳感器網絡容易遭受各種攻擊，按照攻擊的方式可以劃分為：

1.擁塞攻擊（Congestion attack）：無線通信環境是一個開放環境，如果該環境中的兩個設備節點發送的信號使用同樣或相近的頻率，則彼此間會產生強烈的干擾，導致都不能正常通信。當攻擊者使用一定的設備在無線傳感器網絡工作的頻段上不斷發送干擾信號，則在干擾設備的通信覆蓋范圍內的無線傳感器網絡節點都不能正常工作。如果攻擊范圍足夠大還可能導致整個無線傳感器網絡癱瘓。
防御策略：使用寬頻和跳頻通信，被攻擊的節點在檢測到所在空間遭受攻擊以后，網絡節點將通過統一的策略跳轉到另一個頻率進行通信。

2.碰撞攻擊（Collision Attack）：惡意節點可以像傳感器網絡的合法節點一樣參與發送數據，惡意節點發送的數據包如果和合法節點發送的數據包中有一個字節的數據在傳輸過程中發生了沖突，那么整個數據包就會被丟棄。
防御策略：針對碰撞攻擊可以使用糾錯碼，可以更正沖突引起的數據包的錯位。使用信道監聽機制，節點在發送數據前，首先對信道進行一個隨機監聽，在預測信道空閑的時間區段發送數據，可以降低沖突發生的概率。

3.能量耗盡攻擊（Energy exhaustion attack）：利用一些鏈路層協議中有錯包重傳機制，惡意節點通過不斷制造沖突，導致節點不斷重復發送上一數據包，最終耗盡傳感器節點的能量。
防御策略：對一個節點重傳信息次數設置一個門限值，如果重傳次數超過門限值，節點將判定自己受到攻擊并自動轉換到休眠模式。

4.女巫攻擊（Sybil attack）：無線傳感器中，女巫攻擊者可以捏造出很多身份對網絡進行攻擊。很多無線傳感器網絡MAC協議通過投票方式從一系列可能的通信鏈路中選擇最佳的傳輸鏈路，女巫攻擊者可以利用偽造的身份來填滿投票箱，來誤導投票結果。
防御策略：無線電資源測試是對抗女巫攻擊的一個有效方法。節點為它的每一個鄰居節點分配一個信道廣播測試信息，節點通過對信道的監聽找出非法節點。另一個防御Sybil攻擊的技巧是使用隨機密鑰預先分配技術，限定有限數量密鑰的密匙環，因為一個節點隨機生成的身份不會擁有足夠的鑰匙來分配，因此無法在網絡上通信時進行加密或解密消息。

5.丟棄或貪婪破壞攻擊：通過一定的技術手段將一個或多個惡意節點偽裝成正常節點，網絡會錯誤地將它們當作正常的路由節點來使用。惡意節點在冒充正常節點轉發數據時，會隨即丟棄一些有用數據包或者將自己偽造的數據包以較高優先級發送，大大增加了網絡數據收發的出錯率。
防御策略：使用多徑路由，即使被惡意節點丟棄的數據包也可以采用其他路徑到達目的節點。

6.Sinkhole attack：攻擊者首先對外公布路由經過某個節點A是低損耗的，引誘某一特定區域內的幾乎所有的傳感器節點將數據轉發給這個被俘獲的傳感器節點A，再對所有經過被俘獲節點A的數據包完全不轉發或者選擇性轉發，使得正常的路由機制被破壞。
防御策略：采用通信認證和多路徑路由等方式可以有效地抵御Sinkhole attack。

7.蟲洞攻擊（Wormhole attack）：傳感器網絡中混入一些惡意節點，某個正常節點A向其他節點廣播路由請求數據包，惡意節點B收到A廣播的請求后，它將A的廣播請求向自己的鄰居節點重放，收到惡意節點重放的正常節點C會誤認為自己在A節點的廣播范圍內，即使C節點離A節點還有幾跳距離，也會誤將A節點作為自己的父節點，造成網絡路由混亂。
防御策略：在選擇路由時檢查雙向連接可以防御蟲洞攻擊，此外基于地理位置的路由協議也可以有效防御蟲洞攻擊。

8.拒絕服務攻擊（Dos attack）：攻擊者通過欺騙偽裝等手段使提供服務資源及文件資源的主機出現錯誤或者資源耗盡，從而使被攻擊的主機無法給正常請求提供服務。Dos攻擊是最常見的網絡攻擊方式。

防御策略：

（1）監測網絡信息流，對異常情況作出及時響應和分析；

（2）做好節點身份認證，確保是安全節點后才能允許接入傳感器網絡；

（3）采取安全的路由協議，路由的組建過程中有效剔除出錯誤路由信息和惡意節點路由；

（4）經常檢測系統配置信息，注意查看安全日志，并作出分析和記錄，可以采用入侵檢測系統來檢測是否發生了惡意攻擊行為。

此外，無線傳感器網絡受到攻擊按照攻擊的類型可以劃分為外部攻擊和內部攻擊。

1.外部攻擊：外部攻擊是指不可靠的無線信道和無人值守的操作使得傳感器很容易被入侵。無線傳感器網絡中，數據包在傳輸過程中常常會發生被偽造和篡改等非法操作(Illegal operation)，此外，攻擊者通過對信道進行監聽和流量分析，查找傳感器節點存在的漏洞，利用漏洞攻破傳感器節點。
防御策略：外部攻擊可以通過一些防御方法如密鑰管理^[7,8]、身份認證^[9]等來對數據的機密性和完整性進行識別。

2.內部攻擊：內部攻擊是指攻擊者控制了傳感器網絡中的一些內部節點，然后采用篡改或者虛假數據注入的方式破壞了這些傳感器內部正常的數據?；诿艽a學、認證和密鑰管理等防御方法在應對外部攻擊時是有效的，這類方法可以驗證數據的機密性和完整性以及對數據進行認證等，然而對于來自內部傳感器節點發起的數據的篡改，如果這些異常數據經過傳感器加密后再傳輸給其他傳感器節點，因為數據的完整性和機密性沒有被破壞，所以很難被防御方法識別出來。

防御策略：應用入侵檢測系統來檢測。

信息安全技術主要分為兩大類：防御和檢測。防御的作用是阻止入侵的發生，與之相關的研究主要集中在密鑰管理、身份認證、訪問控制、防火墻、隱私問題、安全路由協議等，這類方法主要用來對外部攻擊進行檢測和識別。一旦設備被入侵，這些防御手段就會失效，這時需要用到對系統內部進行檢測的方法，如入侵檢測。防御和檢測是系統的兩道防線。

因為傳感器網絡數據是通過無線信道進行通信的，區別于傳統的有線通信，所以防火墻技術很難適用于傳感器網絡，一些基于密碼學的防御方法需要不小的計算量，對于密集型通信的傳感器網絡來說，用這些密碼學方法對所有通信數據在傳輸過程中都進行加密是不現實的，安全技術中入侵檢測技術則比較靈活，而且是資源友好的，所以非常適合于傳感器網絡。入侵檢測技術主要分為兩類^[10,11]：Misuse入侵檢測系統(或者基于簽名的入侵檢測系統)和異常檢測系統：

1.Misuse入侵檢測系統：首先專家給一些已知的攻擊行為建立攻擊的簽名庫，然后利用檢測系統對數據進行分析和匹配，查看數據中是否存在和簽名庫匹配的攻擊簽名。這種方法雖然能夠快速從數據中鑒別出簽名庫中已知的攻擊行為，但是對于新型的攻擊卻無法識別。

2.異常檢測系統：異常檢測方法的第一步是建立監測數據的正常剖面，建立正常刨面的方法包括基于規則的方法，統計學的方法，數據挖掘和機器學習方法等，然后可以將異常確定為偏離正常剖面的測量值。因此，異常檢測能夠檢測出現在系統中的新型安全攻擊或入侵。不過，異常檢測方法的問題是會出現高水平的假警報。

六、能量獲取技術

因為傳感器的電量非常有限，傳感器節點的電量使用完后如果不及時補充電量，將無法工作并且退出無線傳感器網絡。當前傳感器網絡補充電量的方式主要有三種方法：更換電池、能量搜集方法和無線充電方法。

1.更換電池：這種方法需要給傳感器網絡配備維護人員來更換電池，但是考慮到很多傳感器網絡部署在條件惡劣的野外，而且覆蓋區域廣、部署比較隱蔽等特點，人工維護的效率低，而且維護成本高。

2.能量搜集方法：傳感器節點通過自身配備的能量轉換模塊，如太陽能、風能、熱能等發電模塊，從環境中收集能量來延長其生命期的方法。但是，由于環境能量密度低，為了達到一定的能量獲取率，傳感器節點需要配備體積較大的能量轉換器，并且能量轉換效率低，此外，因為能量獲取的效率受環境和氣候等因素影響，如太陽能電池在陰天發電效率低，所以發電過程不可控且難以精確預測。

3.無線充電方法：傳感器節點一旦部署好后一般不能移動，這類方法給網絡中配備主動性的充電電源節點，可以為任意傳感器節點進行無線充電以延長其生命期。采用這類方法需要在網絡中部署靜態的充電站，或者移動充電節點和服務站節點。由靜態或移動充電節點主動為傳感器節點提供高效、及時的充電服務, 充電過程可控、可預測。

無線充電技術最早起源于19世紀末，Tesla首次在實驗中實現無線充電；20世紀末期，移動設備的廣泛使用進一步刺激了無線充電技術的發展，多種可行的方案, 如電感耦合技術(inductive coupling)^[12]、電磁輻射技術(electromegnetic radiation)^[13]及磁耦合諧振技術(magnetic resonant coupling)[14]等被提出來，其中，磁耦合諧振技術由于其高效率、無需對準、全方向、允許阻擋及不受環境影響等優勢, 受到各界廣泛關注^[15]。

無線可充電傳感器網絡中充電規劃分類^[15,16]

無線可充電傳感器網絡中的充電規劃問題是當前研究的熱點^[17]，具有重要的研究意義和應用背景，目前還處在研究的起步階段。相信隨著硬件技術的成熟和相關理論的發展, 無線充電方案最終將得到普遍應用。

來源：HiCloud