无线传感器网络安全问题分析与研究

-1-传感器技术发展分析与研究薛杰（机械工程学院2015级制冷及低温工程专业120150166）摘要：传感器是信息系统的源头，在某种程度上是决定系统特性和性能指标的关键部件。作为国际竞争战略的重要标志性产业，传感器以其技术含量高、市场前景广阔等特点备受世界各国的关注。本文在对于现代传感器技术深入分析的基础之上，重点探讨了光纤传感器、无线传感器、集成传感器、模糊传感器、智能传感器等的定义、结构、功能实现以及实际应用。关键字：传感器技术；发展；应用传感器是换能器的一种，换能器（transducer)是将能量从一种形式转换为另一种形式的装置。换能器包括传感器和执行器两方面含义。传感器是将物理、化学、生物等自然科学和机械、土木、化工等工程技术中的非电信号转换成电信号的换能器。传感器是信息系统的源头。在客观对象的测量、测试、检测、监测、分析、定位、跟踪、导航、制导、控制及健康管理等系统中，传感器是不可缺少的且在一定程度上是决定系统性能的重要部件。传感器是科学和工程结合产物，既依赖于科学的新现象和新规律，又依赖于新技术和工艺。1传感器概述传感器是换能器的一种，换能器（transducer)是将能量从一种形式转换为另一种形式的装置。换能器包括传感器和执行器两方面含义。传感器与执行器系统的基本组成见下图1所示：传感器及执行器结构传感器及执行器结构控制和电路集成处理电源和管理IO通道和协议图1传感器与执行器系统的基本组成图广义地可以把传感器归结为一种能感受外界信息（力，热、声、光、磁、气体、化学、生物、湿度等），并按一定的规律将其转换成易处理的电信号的装置。根据中华人民共和国标准（GB7665-87），传感器（Transducer/Sensor)的定义是：能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件（sensingclement)是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件（Transductionelement）是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。传感器的静态特性指对于静态的输入信号，传感器的输入量与输出量之间所具有的相互-2-关系。此时的输入信号与时间无关，输出量与时间无关，输出与输入之间的关系可用一个不含时间的方程来表示：nxaxaxaxaayn332210传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。当传感器的输入量随时间变化时，其输出量的响应特性就是动态特性。当被测量随时间变化，是时间的函数时，则传感器的输出量也是时间的函数，其间的关系要用动特性来表示。一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外，输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。2现代传感器技术发展传感器产业发展不仅为物联网提供支撑，还将在传统产业转移与技术升级，以及在当前经济结构调整和转型中发挥积极影响和作用。与此同时，物联网产业的发展也为传感器技术提升和产业发展拓展了巨大市场空间。2.1光纤传感器光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。与传统传感器相比，光纤传感器具有敏感度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好，便于与计算机和被测实物连接，结构简单、体积小、重量轻、耗电少、适合于有毒有害、防火防爆环境及远程分布场合应用等优点。光纤传感器按照工作原理不同可分为功能型和非功能型。功能型光纤传感器是利用光纤作敏感元件，基于光纤的物理效应，被测量调制光纤参数，再调制光纤中的光波参数，故也称为传感型或全光型光纤传感器。非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，且敏感元件参数调制光波参数，光纤只作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号，故也称为传光型或混合型光纤传感器。城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉陀螺仪和光栅压力传感器的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳纤维增强塑料及各种复合材料中，用于测试应力松弛、施工应力和动荷载应力，从而评估桥梁短期施工阶段和长期营运状态的结构性能。在电力系统，需要测定温度、电流等参数，如对高压变压器和大型电机的定子、转子内的温度检测等，由于电类传感器易受电磁场的干扰，无法在这类场合中使用，只能用光纤传感器。分布式光纤温度传感器是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术，分布式光纤温度传感系统不仅具有普遍光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点的温度的分布传感能力，利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点温度，定位精度可达米的量级，测量精度可达1度的水平，非常适用大范围交点测温的应用场合。此外，光纤传感器还可以应用于铁路监控、火箭推进系统以及油井检测等方面。光纤同时具备宽带、大容量、远距离传输和可实现多参数、分布式、低能耗传感的显著优点。光纤传感可以不断汲取光纤通信的新技术、新器件，各种光纤传感器有望在物联网中得到广泛应用。2.2无线传感器无线传感器是由一系列传感网络节点组成的，随应用情况不同而有所差异，网络节点的产生由内部电源的作用下构成，一般可以划分为传感、处理、通信、电源四个模块。在网络区域中，这一系列节点的结合方式具有自组织性，通过节点间的配合、自适应形成无线通信-3-网络，节点以及节点间的配合得以无线储存、处理、传送信息，故无线传感器体系结构如图2所示，通过WSN体系，把用户和监测区域联系起来，传感器节点充当媒介，感知、分析、传送信号，把信息数据汇总到汇节点，然后，通过汇节点完成与总控制台的信息交流。图2中WSN协议栈，也是当下应用比较普遍的一种，无线传感器的便捷性在于可以直接感知信号，通过网络媒介发到总监控，在系统中处理分析，同样也可以完成信息的反馈，用户得以自定义信息。图2无线传感器体系结构及WSN协议栈无线传感器网络灵活性、适应性较强，由一系列的传感器通过无线方式通信形成的一个自组织网络，它的发展得益于微机电技术、通信技术的日趋成熟，通过末端传感器感知信息，加以识别分析传送给网络的认证者，完成监测。它的应用性比较强，在军事、航空、反恐、防爆、医疗等关乎国际竞争力的领域也发挥重要作用，但同时随之而来的网络安全问题也逐渐成为焦点。2.3集成传感器利用集成电路工艺(镀膜、掩膜、腐蚀等)将半导体敏感元件及测量处理电路集成在一个芯片上的传感器。集成传感器的一般电路结构如图3所示：图3集成传感器原理结构图半导体敏感元件是基于半导体材料和P-N结的物理效应将被测的非电量转换成电量。例如，热敏、光敏、磁敏、压敏等效应。传感器输出归一化的测量信号，由仪器完成采集、处理等操作。若将仪器的采集、处理、控制与显示等电路均集成在同一芯片上，则称为集成仪器芯片。若将多个仪器及系统接口也集成在同一芯片上，则称为集成测量系统芯片。集成传感器具有体积小、重量轻、高精度、高频响，且可做到高可靠、长寿命、低功耗、低成本，是一代新型传感器。目前，已广泛用于石油、化工、机械动力、气象、地质、生物医学及航空、航天、航海等领域。2.4模糊传感器模糊传感器是基于模糊集理论和技术，将输入的模拟或数字被测量(即传统传感器的输出量)转换成模糊量的传感器。模糊集合论认为某元素既属于集合A又属于集合B，由隶属函数值判断最终所属的集合，而经典集合论认为某元素属于集合A就不属于集合B，反之亦然。模糊传感器的原理是将被测量值范围划分成若干区间，利用隶属度值判断被测量值所处-4-的区间，并用区间中值或相应的特定符号表示被测量值，这一过程称为模糊化。实现模糊化过程的变换器称为模糊器，或符号变换器。显然，模糊区间越小精度越高，而测量速度越慢。隶属函数的选取也影响模糊传感器的精度和速度。常选用三角函数或高斯函数等。下图4给出模糊传感器功能结构。范围划分器提供区间端点值。模糊器计算各区间的隶属函数值，判断被测量值所属的区间，并输出表示被测量值的区间中值或相应的区间符号。组合模糊判决器将多个被测量符号进行组合判决，并依模糊判据给出最终测量结果。图4模糊传感器功能结构模糊传感器广泛应用于模糊控制和多因素综合结果评价等场合，具有速度快，设备简单、成本低、可靠性高等优点，基于温湿度的环境舒适度模糊传感器应用较为广泛。图5基于温湿度的环境舒适度模糊传感器原理图2.5智能传感器智能传感器概念最早由美国宇航局在研发宇宙飞船过程中提出来，并于1979年形成产品。宇宙飞船上需要大量的传感器不断向地面或飞船上的处理器发送温度、位置、速度和姿态等数据信息，即便使用一台大型计算机也很难同时处理如此庞大的数据。何况飞船又限制计算机体积和重量，于是引入了分布处理的智能传感器概念。其思想是赋于传感器智能处理功能，以分担中央处理器集中处理功能。同时，为了减少智能处理器数量，通常不是一个传感器而是多个传感器系统配备一个处理器，且该系统处理器配备网络接口。目前，智能传感器尚没有标准化的科学定义。归纳诸多学者的观点，笔者认为应模仿人的感官和大脑功能来定义智能传感器。本质上，它应定义为基于人工智能理论，利用微处理器实现智能处理功能的传感器。智能传感器不仅具有视觉、触觉、听觉、嗅觉、味觉功能，且应具有记忆、学习、思维、推理和判断等“大脑”能力。前者由传统的传感器来完成。此处的传统传感器的功能结构包括敏感元件、调理电路和模数转换器(ADC)，敏感元件将描述客观对象与环境状态或特性的物理量转换成电路元件参量或状态参量，调理电路将电路参量转换成电压信号并进行归一化处理以满足ADC动态范围。智能处理器应对ADC输出的数字信号进行智能处理，主要智能处理功能如下:-5-1)自补偿功能根据给定的传统传感器和环境条件的先验知识，处理器利用数字计算方法，自动补偿传统传感器硬件线性、非线性和漂移以及环境影响因素引起的信号失真，以最佳地恢复被测信号。计算方法用软件实现，达到软件补偿硬件缺陷的目的。2)自计算和处理功能根据给定的间接测量和组合测量数学模型，智能处理器利用补偿的数据可计算出不能直接测量的物理量数值。利用给定的统计模型可计算被测对象总体的统计特性和参数。利用已知的电子数据表，处理器可重新标定传感器特性。3)自学习与自适应功能传感器通过对被测量样本值学习，处理器利用近似公式和迭代算法可认知新的被测量值，即有再学习能力。同时，通过对被测量和影响量的学习，处理器利用判断准则自适应地重构结构和重置参数。例如，自选量程，自选通道、自动触发、自动滤波切换和自动温度补偿等。4)自诊断功能因内部和外部因素影响，传感器性能会下降或失效，分别称为软、硬故障。处理器利用补偿后的状态数据，通过电子故障字典或有关算法可预测、检测和定位故障。5)其它的常用功能包括用于数据交换通信接口功能，数字和模拟输出功能及使用备用电源的断电保护功能等。根据上述的功能分析，智能传感器的一般功能结构如图6所示。图中没有标出影响量的传感器功能模块。图6智能传感器的一般功能结构图智能传感器的实现方式有3种：1)模块化集成方式。将敏感元件、调理电路和微处理器都做成带标准接口的模块，将模块集成并配备有关的智能处理软件。这种方式最经济、最快速。2)单芯片集成方式。利用微电子微机械加工技术将智能传感器的硬件集成在一个芯片上。这种方式使智能传感器达到微型化、结构一体化，从而提高了精度、稳定性和可靠性。若敏感元件构成阵列并配备相应的图像处理软件，可实现二维和三维图形图像传感器，这种智能传感器达到了它的最高级形式。3)多芯片集成方式。根据需要和可能，将系统的各功能部件或模块(如敏感、调理、处理和接口)分别集成在2个或多个芯片上，并将芯片以不同方式组合在一个基片上，并封装在一个外壳里。多芯片集成适合更复杂系统集成，或对给定的系统可降低集成工艺设备要求。-6-实际应用较为普遍的智能温度传感器结构功能见下图7所示：图7智能温度传感器结构功能框图结语虽然传感器有很长