傳感器及傳感器網(wǎng)絡在智慧商業(yè)中的應用

1、智慧商業(yè)技術項目五、傳感器及傳感器網(wǎng)絡在智慧商業(yè)中的應用任務一、傳感器及傳感器網(wǎng)絡技術認知傳感器傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律（通過物理的、化學的、甚至生物的方式）變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器傳感器實現(xiàn)的方式溫度傳感器根據(jù)材料的電阻值隨溫度不同的變化，以及熱電偶的電勢隨溫度不同的變化的原理來進行溫度的測定。不同的測溫區(qū)間采用的傳感器是不一樣的。我們最常見的就是室溫傳感器。而對應的低溫及高溫都有不同的傳感器來處理。稱重傳感器稱重傳

2、感器主要是將力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。有電阻應變式、電磁力式和電容式。最常見的是電阻應變式。電阻應變式傳感器主要是利用在理的作用下，材料產(chǎn)生應變導致其電阻值發(fā)生的變化來進行力的測量。土壤水分傳感器土壤水分傳感器也叫土壤濕度傳感器，它主要是根據(jù)土壤含水分不同導電率不同的原理來進行土壤中所含水分的測定。水渾濁度傳感器在指定長度的盛水的玻璃管一端安裝發(fā)光裝置、在其另一端安裝光電感應裝置，通過測定在不同渾濁度情況下，透過的光的強度來判斷水的渾濁度。糧食蟲害傳感器在一個帶有可容蟲子通過的小孔的中空的管中添加可以吸引指定害蟲的激素，將該裝置插入糧食中時，通過紅外光柵技術的方式，測定指定時間內(nèi)鉆入管子中的害蟲的數(shù)量多

3、少，來判斷蟲害是否爆發(fā)。無線傳感器網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡（WSN，wireless sensor network）就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡的三個要素。無線傳感器網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展歷史三個階段：傳感器、無線傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡越戰(zhàn)時期，有一條著名的“胡志明小道”，是胡志明部隊向南方游擊隊輸送物資的秘密通道。由于環(huán)境復雜、運輸部隊又神出鬼沒，美軍雖然對其進行了狂轟濫炸，但是收效不大。后來美軍在相因

4、地段部署了兩萬多個“熱帶樹”傳感器。后 “熱帶樹”傳感器主要采集震動和聲音，進而判斷是否有運輸車輛通過。部署的時候，“熱帶樹”由飛機進行空投，落地后能夠插入泥土中，只露出偽裝成樹枝的無線電天線。當運輸車隊經(jīng)過時，“熱帶樹”采集到相應的震動和聲音，并把他們發(fā)送出去。后來，在二十世紀八十到九十年代間，美軍研制的分布式傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)、海軍協(xié)同交戰(zhàn)能力系統(tǒng)、遠程戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)等。其中采用的系統(tǒng)就同時具備感知、計算及通訊能力。進入二十一世紀后，整個傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展主要在實現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸?shù)淖越M織以及降低節(jié)點的功耗上。2003年美國技術評論將無線傳感器網(wǎng)絡技術列為影響人類未來生活產(chǎn)生的十大新興技術之首。人們也將

5、無線傳感器網(wǎng)絡技術與互聯(lián)網(wǎng)技術相提并論，稱無線傳感器網(wǎng)絡是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的第二大網(wǎng)絡。中國科學院早在1999年便啟動了無線傳感器網(wǎng)絡方面的研究，并在這個領域獲得了國際領先的成就。無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點 傳感器節(jié)點主要負責數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送、處理，并在組成多跳網(wǎng)絡時負責數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，其本省并不需要太強的運算能力。所以，傳感器節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力都相對較弱。另外，最終的傳感器節(jié)點要求能夠在較小容量電池供電的情況下，較長時間的工作，所以其功耗必須相對較低。匯聚節(jié)點 匯聚節(jié)點有時也叫路由節(jié)點，由于其需要處理相對較多的數(shù)據(jù)，并需要進行協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，所以對其處理能力、存儲能力和通信能力

6、要求就相對較高。協(xié)調(diào)器 協(xié)調(diào)器，也有人稱其為管理節(jié)點，它主要用動態(tài)地管理整個無線傳感器網(wǎng)絡。使用者可以通過協(xié)調(diào)器訪問無線傳感器網(wǎng)絡的資源。傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡的特點自組織 快速部署、節(jié)點變化重新組建網(wǎng)絡多跳 邊緣連接、無需建立覆蓋網(wǎng)絡大規(guī)模 特性適應于大規(guī)模部署，有冗余，容錯性高動態(tài)性 重新組網(wǎng)、適應性強可靠性 室外節(jié)點設計的可靠性（放踩踏、啃咬、飛機播撒），數(shù)據(jù)安全性以數(shù)據(jù)為中心 網(wǎng)絡本身無意義，關鍵是地點、時間、傳感器數(shù)據(jù)集成化設計 體積小、功耗低、價格低。無線傳感器網(wǎng)絡的喚醒模式 全喚醒 隨機喚醒 預測喚醒 任務循環(huán)喚醒網(wǎng)絡安全-節(jié)點物理操控 這是整個傳感器網(wǎng)絡中最大的安全隱患，

7、攻擊者可以很容易從傳感器節(jié)點中獲取相應的機密信息，同時攻擊者可以很方便的修改傳感器節(jié)點中的程序代碼，使其偽造身份在網(wǎng)絡中進行通信，進而影響整個網(wǎng)絡。同時攻擊者還可以偽造一個節(jié)點，加入網(wǎng)絡，監(jiān)聽網(wǎng)路中的信息，向網(wǎng)絡發(fā)送虛假信息，或者拒絕服務攻擊。對于物理操縱問題，是無線傳感器網(wǎng)絡中不可回避的安全問題，我們可以通過相應的技術方案來進行解決。從物理上，傳感器節(jié)點的設計與封裝上，可以加入防破拆的元素，這樣雖然不能從根本上解決問題，但是可以避免一部分的物理操縱。同時，我們也可以在通信前對節(jié)點的身份進行驗證，采用不同密鑰協(xié)商方案，這樣即使一部分節(jié)點被控制，也無法獲取其他節(jié)點的信息，同時，我們還可以對傳感器

8、節(jié)點的合法性進行認證，防止篡改。網(wǎng)絡安全-竊聽 由于無線傳感器網(wǎng)絡采用無線進行傳輸，所以攻擊者很容易監(jiān)聽到節(jié)點間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。例如：目前的智能家居技術越來越多的采用了無線傳感器網(wǎng)絡技術，這樣很容通過無線接收器從外部接收到室內(nèi)所有的控制及采集信號，部這樣就可以獲取主人的一些生活習慣的隱私信息。 對傳輸信息加密可以解決竊聽問題，但需要一個靈活、強健的密鑰交換和管理方案，密鑰管理方案必須容易部署而且適合傳感節(jié)點資源有限的特點，另外，密鑰管理方案還必須保證當部分節(jié)點被操縱后（這樣，攻擊者就可以獲取存儲在這個節(jié)點中的生成會話密鑰的信息），不會破壞整個網(wǎng)絡的安全性。由于傳感節(jié)點的內(nèi)存資源有限，使得在傳感器網(wǎng)

9、絡中實現(xiàn)大多數(shù)節(jié)點間端到端安全不切實際。然而在傳感器網(wǎng)絡中可以實現(xiàn)跳-跳之間的信息的加密，這樣傳感節(jié)點只要與鄰居節(jié)點共享密鑰就可以了。在這種情況下，即使攻擊者捕獲了一個通信節(jié)點，也只是影響相鄰節(jié)點間的安全。但當攻擊者通過操縱節(jié)點發(fā)送虛假路由消息，就會影響整個網(wǎng)絡的路由拓撲。解決這種問題的辦法是具有魯棒性的路由協(xié)議，另外一種方法是多路徑路由，通過多個路徑傳輸部分信息，并在目的地進行重組。網(wǎng)絡安全-遠程監(jiān)聽分析 傳感器網(wǎng)絡是用于收集信息作為主要目的的，攻擊者可以通過竊聽、加入偽造的非法節(jié)點等方式獲取這些敏感信息，如果攻擊者知道怎樣從多路信息中獲取有限信息的相關算法，那么攻擊者就可以通過大量獲取的信

10、息導出有效信息。一般傳感器中的私有性問題，并不是通過傳感器網(wǎng)絡去獲取不大可能收集到的信息，而是攻擊者通過遠程監(jiān)聽WSN，從而獲得大量的信息，并根據(jù)特定算法分析出其中的私有性問題。因此攻擊者并不需要物理接觸傳感節(jié)點，是一種低風險、匿名的獲得私有信息方式。遠程監(jiān)聽還可以使單個攻擊者同時獲取多個節(jié)點的傳輸?shù)男畔ⅰ?對策：保證網(wǎng)絡中的傳感信息只有可信實體才可以訪問是保證私有性問題的最好方法，這可通過數(shù)據(jù)加密和訪問控制來實現(xiàn);另外一種方法是限制網(wǎng)絡所發(fā)送信息的粒度，因為信息越詳細，越有可能泄露私有性，比如，一個簇節(jié)點可以通過對從相鄰節(jié)點接收到的大量信息進行匯集處理，并只傳送處理結(jié)果，從而達到數(shù)據(jù)匿名化。

11、網(wǎng)絡安全-拒絕服務攻擊（DoS） DoS攻擊主要用于破壞網(wǎng)絡的可用性，減少、降低執(zhí)行網(wǎng)絡或系統(tǒng)執(zhí)行某一期望功能能力的任何事件。如試圖中斷、顛覆或毀壞傳感網(wǎng)絡，另外還包括硬件失敗、軟件bug、資源耗盡、環(huán)境條件等。這里我們主要考慮協(xié)議和設計層面的漏洞。確定一個錯誤或一系列錯誤是否是有意DOS攻擊造成的，是很困難的，特別是在大規(guī)模的網(wǎng)絡中，因為此時傳感網(wǎng)絡本身就具有比較高的單個節(jié)點失效率。 DoS攻擊可以發(fā)生在物理層，如信道阻塞，這可能包括在網(wǎng)絡中惡意干擾網(wǎng)絡中協(xié)議的傳送或者物理損害傳感節(jié)點。攻擊者還可以發(fā)起快速消耗傳感節(jié)點能量的攻擊，比如，向目標節(jié)點連續(xù)發(fā)送大量無用信息，目標節(jié)點就會消耗能量處理

12、這些信息，并把這些信息傳送給其它節(jié)點。如果攻擊者捕獲了傳感節(jié)點，那么他還可以偽造或偽裝成合法節(jié)點發(fā)起這些DOS攻擊，比如，它可以產(chǎn)生循環(huán)路由，從而耗盡這個循環(huán)中節(jié)點的能量。防御DOS攻擊的方法沒有一個固定的方法，它隨著攻擊者攻擊方法的不同而不同。一些跳頻和擴頻技術可以用來減輕網(wǎng)絡堵塞問題。恰當?shù)恼J證可以防止在網(wǎng)絡中插入無用信息，然而，這些協(xié)議必須十分有效，否則它也會被用來當作DOS攻擊的手段。比如，使用基于非對稱密碼機制的數(shù)字簽名可以用來進行信息認證，但是創(chuàng)建和驗證簽名是一個計算速度慢、能量消耗大的計算，攻擊者可以在網(wǎng)絡中引入大量的這種信息，就會有效地實施DoS攻擊。應用-環(huán)境監(jiān)測 隨著人們對

13、于環(huán)境問題的關注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡的出現(xiàn)為隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。比如，英特爾研究實驗室研究人員曾經(jīng)將32個小型傳感器連進互聯(lián)網(wǎng)，以讀出緬因州大鴨島上的氣候，用來評價一種海燕巢的條件。無線傳感器網(wǎng)絡還可以跟蹤候鳥和昆蟲的遷移，研究環(huán)境變化對農(nóng)作物的影響，監(jiān)測海洋、大氣和土壤的成分等。此外，它也可以應用在精細農(nóng)業(yè)中，來監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。應用-醫(yī)療護理 羅徹斯特大學的科學家使用無線傳感器創(chuàng)建了一個智能醫(yī)療房間，使用微塵來測量居住者的重要征兆(血壓、脈搏和呼吸)、睡覺姿勢

14、以及每天24小時的活動狀況。英特爾也推出了基于WSN的家庭護理技術。該技術是做為探討應對老齡化社會的技術項目Center for Aging Services Technologies(CAST)的一個環(huán)節(jié)開發(fā)的。該系統(tǒng)通過在鞋、家具以家用電器等家中道具和設備中嵌入半導體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。利用無線通信將各傳感器聯(lián)網(wǎng)可高效傳遞必要的信息從而方便接受護理。而且還可以減輕護理人員的負擔。英特爾主管預防性健康保險研究的董事Eric Dishman稱，在開發(fā)家庭用護理技術方面，無線傳感器網(wǎng)絡是非常有前途的領域。應用-軍事領域 由于無線傳感器網(wǎng)絡具有密集型、隨

15、機分布的特點，使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方面用途。美國國防部遠景計劃研究局已投資幾千萬美元，幫助大學進行智能塵埃傳感器技術的研發(fā)。哈伯研究公司總裁阿爾門丁格預測：智能塵埃式傳感器及有關的技術銷售將從2004年的1000萬美元增加到2010年的幾十億美元。應用-目標跟蹤 DARPA支持的Sensor IT項目探索如何將WSN技術應用于軍事領域，實現(xiàn)所謂“超視距”戰(zhàn)場監(jiān)測。UCB的教授主持的Sensor Web是Sensor IT的一個子項目。原理性地驗證了應用WSN進行戰(zhàn)場目標跟蹤的技術可行性，翼下攜帶WSN節(jié)點的無人機(UAV)飛到目標區(qū)域后拋下節(jié)點，最終隨機布撤落在被監(jiān)測區(qū)域，利用安裝在節(jié)點上的地震波傳感器可以探測到外部日標，如坦克、裝甲車等，并根據(jù)信號的強弱估算距離，綜合多個節(jié)點的觀測數(shù)據(jù)，最終定位目標，并繪制出其移動的軌跡。雖然該演示系統(tǒng)在精度等方面還遠達不到裝備部隊用于實戰(zhàn)的要求，這種戰(zhàn)場偵察模式尚未應用于實戰(zhàn)，但隨著美國國防部將其武器系統(tǒng)研制的主要技術目標從精確制導轉(zhuǎn)向目標感知與定位，相信WSN提供的這種新穎的戰(zhàn)場偵察模式會受到軍方的關注。應用-其他用途 WSN還被應用于一些危險的工業(yè)環(huán)境