《WSN》无线传感器网络全文翻译
前言
该篇文章的全文翻译是由敖琳、綦正民、钱金柱、陈见埔、刘仁宇、胡雪亮六位同学完成。其中敖琳负责摘要、第1节、第2节的翻译，綦正民负责第3节的翻译，钱金柱负责第4节的翻译，刘仁宇负责第5节的翻译，陈见埔负责第6节的翻译，胡雪亮负责第7节、参考文献的翻译。整篇文章的整理、统稿、排版由钱金柱完成，文章的审阅纠错每位同学都参与了，而且都提出了宝贵意见。在此特别注明因涉及版权问题，该篇翻译为浙江大学工程师学院《制造物联网技术》课后文献调研作业，仅供学习使用。
执行摘要
如今，智能电网，智能家居，智能水网络，智能交通等都是连接世界的基础设施系统，超过了我们以前的想象。这些系统的共同愿景通常与一个概念-物联网（IoT）相关联，通过使用传感器，整个物理基础设施与信息和通信技术紧密结合;通过使用网络嵌入式设备可以实现智能监控和管理。在这样一个复杂的动态系统中，设备互连以通过分布式传感器网络传输有用的测量信息和控制指令。
无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）是由大量传感器节点构成的网络，其中每个节点配备有用于检测诸如光，热，压力等物理现象的传感器。无线传感器网络被认为是一种革命性的信息收集方法，建立信息通信系统，大大提高基础设施系统的可靠性和效率。与有线解决方案相比，WSN具有易于部署和设备灵活性更高的特点。随着传感器技术的快速发展，无线传感器网络将成为物联网的关键技术。
在本白皮书中，我们将讨论无线传感器网络在更广泛的物联网背景下的使用和发展，并对无线传感器网络应用进行评估，同时将注意力集中在无线传感器网络设计中的基础设施技术，应用和标准上。本白皮书是系列文章中的第六篇，其目的是确保IEC能够继续为国际标准和合格评定服务提供解决方案，以解决全球电工技术问题。
第二部分从物联网和无线传感器网络的历史背景开始，然后以目前正在进行电网升级的电力行业为例。无线传感器网络技术在输变电设备安全监测和数十亿台智能电表的部署中发挥着重要作用。
第3部分评估无线传感器网络的技术和特性以及它们在全球的应用需求，包括数据汇总和安全性。
第4节介绍了无线传感器网络在各个领域广泛应用中的挑战和未来趋势，包括超大型传感设备访问，信任安全和隐私以及服务架构等等。
第5节提供了有关申请的信息。无线传感器网络在现实世界中的各种可能应用实际上是无限的。一方面，无线传感器网络能够实现新的应用，从而实现新的可能市场;另一方面，设计受到若干需要新范例的约束的影响。本节概述WSN在智能电网，智能水，智能交通系统和智能家居领域的用途。
第6节提供的分析标准化是实现无线传感器网络互操作性的一个主要先决条件，不仅在不同厂商的产品之间，而且在不同的解决方案，应用和领域之间。
第7节总结了一些关于行业，监管机构，IEC以及WSN安全和数据主题的一般性观点的重要建议。
致谢
本白皮书由无线传感器网络项目组在IEC市场战略委员会编写。项目团队包括：
国家电网公司国家发展和改革委员会项目负责人舒银标博士
康利博士，NIST项目合伙人PeterLanctot先生，IEC范建斌博士，国家电网公司胡浩博士
康宁公司的BruceChow博士西门子施耐德电气Jean-PierreDesbenoit先生GuidoStephan先生
西门子李辉先生薛国栋先生，海尔先生陈先生，SAP先生DanielFaulk先生，SAP先生
TomasKaiser先生，SAP先生HirokiSatoh先生，日立
ITEI中国欧阳劲松教授中国ITEI中国王林云先生
ITEI中国王寿女士纳瑞集团公司严岩博士中国电科院孙军平博士
教授于海滨教授曾鹏博士，新航博士李东博士，新航王勤博士，北京科技大学
目录
缩略词表
科技和科学术语 ABS 防锁刹车系统
AMI 先进的计量基础设施
CAPEX 资本支出
CoAP 受限应用协议
COSEM 配套的能源计量标准
CPU 控制处理单元
DLMS 设备语言消息规范
DSN 分布式传感网络
ESC 电子稳定控制
FCD 汽车数据
FDM 频分复用
FH 跳频
GHG 温室气体
GPS 全球定位系统
ICT 信息和通信技术
IoT 物联网
KPI 关键绩效指标
M2M 机器对机器
MAC 媒体访问控制
MEMS 微机电系统
MIMO 多输入多输出
OEM 原始设备制造商
OFDM 正交频分复用
OPEX 运营支出
PHY 物理层
PV 光伏
QoS 服务质量
RFID 射频识别
SOA 面向服务的架构
SOAP 面向服务的架构协议
TDMA 时分多址
TSMP 时间同步网格协议
TSP 信任，安全和隐私
UCC 城市整合中心
USN 无处不在的传感器网络
WIA-FA 用于工业自动化的无线网络-工厂自动化
WIA-PA用于工业自动化的无线网络-WISA
的流程自动化、传感器和执行器的无线接口
WLAN 无线局域网
WMAN 无线城域网WPAN 无线个人区域网络WSN无
线传感器网络
WWAN 无线广域网
XFCD 延长oating汽车数据
组织机构和公司 ABB ABB集团
ARPANET 高级研究项目代理网络
BBF 宽带论坛
CAB （IEC的符合性评估委员会）中国电科院中国电力科学研究院
DARPA 国防部高级研究计划局（美国）
ETSI 欧洲电信标准协会
IEC 国际电工委员会
IEEE 电气和电子工程师协会
IETF 互联网工程任务组
ISO 国际标准化组织
ITEI 仪表技术与经济研究所（中国）
ITU-T 国际电信联盟-电信标准化部门
MSB 市场策略委员会（IEC）
NIST 美国国家标准与技术研究院
OGC 开放地理空间联盟
OMA 开放移动联盟
SGCC 国家电网公司
SIA 沉阳自动化研究所（中国）
SMB （IEC的）标准化管理委员会
UCB 加州大学伯克利分校（美国）
W3C 万维网联盟
词汇表
物联网
指的是现有互联网基础设施内唯一可识别的类嵌入式计算设备的互连
媒体访问控制层MAC层
控制对IEEE802网络（LAN）中的物理传输介质的访问的数据链路协议的一部分，
系统芯片SoC
集成电路（IC），将计算机或其他电子系统的所有组件集成到一个芯片中
时间同步网格协议TSMP
该网络协议构成了可靠的超低功耗无线传感器网络的基础
无线局域网WLAN
无需使用电线即可传输数据的局域网
无线城域网WMAN
也称为无线本地环路（WLL）。WMAN基于IEEE802.16标准。无线本地环路可以在4到10公里范围内达到1到10Mbps的有效传输速度
无线个人区域网络WPAN
一个覆盖面积仅有几十米的低频无线网络
无线传感器网络WSN
自组织的多跳无线传感器节点网络，用于监测和控制物理现象
无线广域网WWAN
无线网络，为比单个城区大的地理区域提供通信服务。所有无线网络中最常见的
第1节 介绍
1.1 概观
今天传感器无处不在。我们认为这是理所当然的，但我们的车辆，智能手机，控制CO排放的工厂，甚至葡萄园的地面监测土壤条件都有传感器。虽然传感器似乎已经存在了一段时间，但对无线传感器网络（WSN）的研究始于20世纪80年代，而且自2001年以来，无线传感器网络从工业和研究角度引发了越来越多的兴趣。这是由于经常集成在单个芯片（片上系统（SoC））上的廉价，低功耗微型组件（如处理器，无线电和传感器）的可用性。
物联网（IoT）的想法是与无线传感器网络并行发展的。术语物联网是由凯文阿什顿于1999年设计的[1]，它指的是以“类似因特网”结构的唯一可识别的对象及其虚拟表示。这些物体可以是任何大型建筑物，工业厂房，飞机，汽车，机器，任何类型的物品，较大系统的特定部分，人类，动植物，甚至是它们的特定身体部位。
虽然物联网不承担特定的通信技术，但无线通信技术将发挥重要作用，特别是无线传感器网络将扩大许多应用和许多行业。小巧，坚固，价格低廉且功耗低的WSN传感器将以合理的成本将物联网带到任何环境中安装的最小物体。将这些对象集成到物联网将成为无线传感器网络的一个重大发展。
无线传感器网络通常可以描述为协作感知和可能控制环境的节点网络，实现个人或计算机与周围环境之间的交互[2]。事实上，传感，处理和有限能量通信的活动引发了跨层设计方法，通常需要分布式信号/数据处理，介质访问控制和通信协议的共同考虑[3]。
通过将现有的WSN应用作为基础设施系统的一部分进行综合，可以确定和开发潜在的新应用，以满足未来技术和市场趋势。例如，用于智能电网，智能水务，智能交通系统和智能家居的WSN技术应用会生成大量数据，而且这些数据可用于多种用途。
此外，随着现代世界转向物联网新时代的无线传感器网络，随着时间的推移，将会产生一些法律影响。最紧迫的问题之一是对数据的所有权和使用情况进行收集，整理，关联和挖掘以获取附加价值。数据经纪人将有一个精明的业务，因为来自各种渠道的信息汇集将导致新的和未知的商业机会和潜在的法律责任。美国国家安全局最近的丑闻和其他侮辱表明，人们对收集各种用途的数据非常感兴趣。
在这个新世界中出现的一个更复杂的问题是机器做出自主决定的想法，对其中的环境或社会未知影响。
它的功能。这可以像冰箱那样简单，在其本地商店为其所有者请求补充牛奶和黄油，或者像机器人一样复杂，已经被编程为在恶劣的环境中生存，该环境最初并不能预见人与人之间的互动。它也可以像记录使用情况的车辆一样简单，就像航空航天工业中的黑匣子一样，但不仅可以使用这些信息来了解事故原因，还可以向业主和操作员提供证据。例如，如果一台机器被用于违法，那么这台机器就是不合法的机器。
它涉及到机器开始行动的地步，就像它是一个法律实体一样。责任问题开始变得模糊起来，机器的“所有者”和“操作者”的责任问题变得更加难以阐明，如果在机器或机器人的动作中几乎没有真正的人为干预。这当然是最糟糕的情况，但问题是如何平衡潜在负债的成本与物联网解决方案的优势？这很快就会变成更多的社会或道德和道义上的讨论。这就是我们通常所说的价值观的代际变化-但物联网趋势不会等待一代人。
1.2 本白皮书的范围
本白皮书是系列文章中的第六篇，其目的是确保IEC能够通过其国际标准和合格评定服务继续为解决全球电工技术问题做出贡献。白皮书由IECMSB（市场策略委员会）开发，负责分析和了解IEC市场，以便IEC准备战略性地面向未来。
第2节 WSN的历史和工业驱动因素
无线传感器网络的发展受到了军事应用的启发，特别是在有限区域的监视。今天，它们由分布式独立设备组成，这些设备使用传感器监测物理状况，并将其应用扩展到工业基础设施，自动化，健康，交通和许多消费领域。
无线传感器网络的研究可追溯到20世纪80年代初，当时美国国防部高级研究计划局（DARPA）为美国军方实施了分布式传感器网络（DSNs）计划。当时，高级研究计划局网络（ARPANET）已运行多年，在大学和研究机构中有大约200个主机[4]。假定DSN具有许多空间分布的低成本感测节点，彼此协作但自主操作，将信息路由到可最好地利用信息的任何节点。尽管传感器网络的早期研究人员有着DSN的设想，但该技术尚未完全准备就绪。更具体地说，传感器相当大（即鞋盒的尺寸更大），因此潜在应用的数量受到限制。此外，最早的DSN与无线连接并不紧密相关。
计算，通信和微机电技术的最新进展已经导致无线传感器网络研究的重大转变，并使其更接近于最初的愿景。无线传感器网络研究的新浪潮始于1998年左右，一直受到越来越多的关注和国际参与。传感器网络研究的新浪潮把重点放在网络技术和网络信息处理上。
适用于高度动态的特定环境和资源受限的传感器节点。此外，传感器节点的尺寸已经小得多（例如从一包卡到灰尘颗粒）并且价格便宜得多，因此传感器网络的许多新的民用应用如环境监测，车辆传感器网络和身体传感器网络已经出现。
再次，DARPA在传感器网络研究的新浪潮中扮演着先驱者的角色，启动了一项名为SensIT的主动研究计划[5]，该计划为当前的传感器网络提供了诸如adhoc网络，动态查询和任务，重新编程和多任务等新功能。任务。目前，无线传感器网络已被视为21世纪最重要的技术之一[6]。例如中国将无线传感器网络纳入其国家战略研究计划[7]。因此，无线传感器网络的商业化正在加速，许多新兴技术公司正在兴起，如CrossbowTechnology（将物理世界与数字世界连接）和DustNetworks。
如今，工业自动化是无线传感器网络应用最重要的领域之一。据Freedonia集团称，工业用传感器的全球市场份额为110亿美元，而安装成本（主要为布线成本）和使用量高达1000亿美元以上。这种高成本是阻碍工业通信技术发展的主要问题。无线传感器网络技术可以在整个工业过程中实现“无处不在的传感”，可以确保由于上述成本原因而无法通过在线监控获得的重要参数。这些参数是重要的基础。实施最优控制，以达到提高产品质量，降低能耗的目的。
根据ONWorld[8]，在2011年到2016年间，将在全球部署2400万个启用无线功能的传感器和执行器或感应点，将在工业领域安装的无线设备将增加553％。其中，39％将用于只能通过无线传感器网络才能实现的新应用。到2014年，WSN设备数量将占到整个工业测量和控制设备感应点的15％，到2016年将达到33％。
在今天的市场中，工业WSN收入的四分之三来自过程工业;石油和电力行业是增长最快的行业。例如，中国石油正在其油田开展物联网项目，目的是重建20万个油井。应用于油井数字转换的无线传感器网络技术将利用在线监测来测量油井产量并确保生产安全。
在目前正在进行电网升级的电力行业中，无线传感器网络技术在输变电设备安全监测和数十亿台智能电表改造中也发挥着重要作用。
图2-1 全球安装的工业无线传感点[8]
图
2-2 全球工业现场仪器出货量，有线和无线[8]
图2-3 所有行业的WSN收入增长[8]
第三节 WSN技术
3.1无线传感器网络的特征
WSN通常可以描述为协作感知和控制环境的节点网络， 实现个人或计算机与周围环境之间的交互[2]。 时下的WSN通常包括传感器节点、执行器节点、网关和客户端。 在监控区域内部或附近随机部署大量传感器节点（传感器区域），通过自组织形成网络。传感器节点监视收集到的数据并通过跳跃传输到其他传感器节点。 在传输过程中，被监控的数据在多跳路由之后到达网关节点，并最终通过互联网或卫星到达管理节点。 用户通过管理节点来配置和管理WSN，发布监控任务 和收集监控数据。
随着相关技术的成熟，无线传感器网络设备的成本 大幅下降，其应用范围正逐步从军事领域扩展到工 业和商业领域。同时，无线传感器网络技术的标准得到了很好的发展，如Zigbee[1]、WirelessHart、ISA100.11a以及用于工业自动化的 无线网络- 过程自动化（WIA-PA）等。此外，随着WSN在工业自动化和家庭应用中出现新的应用模式， WSN应用的总体市场规模将继续快速增长。
图3.1无线传感网络
图3.2无线传感器网络应用的市场规模
3.2 传感器节点
传感器节点是WSN的主要部分之一。传感器节点的 硬件通常包括四个部分：电源和电源管理模块，传 感器，微控制器和无线收发器，请参见图3-3。电 源模块提供系统所需的可靠电源。 传感器是可以获 得环境和设备状态的WSN节点的纽带。传感器负责 将信号（如光，振动和化学信号）收集并转换为电 信号，然后传送给微控制器。微控制器从传感器接 收数据并相应地处理数据。 无线收发器（RF模块）然后传输数据，从而实现通信的物理实现。WSN节点的所有部分的设计考虑WSN节点的小尺寸和 有限功率特性是非常重要的。
3.2.1 基于WSN的传感器小型化技术
基于微机电系统（MEMS）的无线传感器网络节点的小型化技术近年来取得了显着的进步。MEMS的核心技术是实现微电子技术，微加工技术和封装技术的结合。基于微电子技术和微加工技术可以生产出不同等级的二维和三维微敏感结构，这些技术可以是微型传感元件。这些微型传感元件、相关的电源和信号调理电路可以集成并封装成微型MEMS传感器。
图3.3 WSN传感器节点的硬件结构
目前市场上已有多种微型MEMS传感器，可用于测量 位移、速度、加速度、压力、应力、应变、声、光、 电等各种物理，化学和生物质信号。磁性，热量，pH值等[10]。2003年，加利福尼亚大学伯克利分 校（UCB）的研究人员开发出一种带有微型传感器的WSN传感器节点（mote）。其MEMS传感模块的实际 尺寸仅为2.8mm×2.1 mm [11]。
3.2.2 环境能量收集技术
节点需要一个能量源，并且从外部来源收集的环境 能量被用于为诸如基于MEMS技术的小型自主传感器提供动力。 这些系统通常非常小，功耗很小，但其 应用受到电池电源依赖性的限制。
环境能量收集不仅可以通过传统的光电池发电实现， 还可以通过微型压电晶体，微型振荡器，热电发电 元件或电磁波接收装置实现[12][13]。
一些公司已经开始使用能量采集设备将传感器网络 应用商业化。 例如，德国EnOcean公司为智能建筑 照明和空气监测应用提供了光能收集设备，振动能 量收集设备和基于温度的能量收集设备。 对于设备 和建筑健康监测应用，各种压电振动能量收集产品 已进入市场。Perpetuum的英国公司提供一系列产 品，将机械振动转化为电能，用于永久性为自主， 免维护的工业无线传感器节点供电。 对于这些传感 器节点，由敲击桌面的ngers振动产生的能量可以支 持传感器节点每60秒发送2kB数据到100米远。
对于管道系统的监控应用，已经开发了大量基于温 差采集的产品。Nextreme公司的产品可以生产 温差为0.25W的功率 在3.2mm×1.6mm能量收集材料的区域中为60℃。图3-4和图3-5显示了一些与环境能量采集设备配合的 传感器节点。
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图3.4 传感器节点配合环境能量收集设备
图 3.5 基于振动能量收集的电机监控系统
3.3 接入网络技术
接入网的长度从几百米到几英里不等，包括骨干网 和用户终端之间的所有设备。因此被恰当地称为“最后一英里”。由于骨干网通常采用高传输速率的光纤结构，接入网已经成为整个网络系统的瓶颈。
如图3-6所示，由于无线信道的开放特性，当信道在 多个用户间共享时，会在时间，空间或频率维度上 发生。接入网技术的作用是管理和协调信道资源的 使用，保证共享信道上多个用户的互联互通。
根据接入的距离和速度，现有接入技术可分为无线 局域网（WLAN），无线城域网（WMAN），无线个域 网（WPAN）和无线广域网（WWAN）四类。然而，高传输速率的整体发展趋势并不适合无线传感器网 络的应用需求。 主要原因如下：
（1）在可靠性方面，无线传感器网络的工作环境通常 比较严重。 具有窄带多频噪声，干扰和多径效 应的恶劣环境，使得基于稀有信道资源的可靠 通信成为亟待解决的问题
（2）在实时能力方面，无线传感器网络和物联网的应用比其他应用有更严格的实时要求。微小的延迟可能会导致重大的事故。因此，在许多应用中，实时通信必须得到保证 。
（3）在能源效率方面，低能耗是支持独立电池供电设备的长流和降低维护成本的关键。这也是无线传感器网络和物联网应用的另一个要求，特别是对于电池更换困难的设备。
图3.6 接入技术
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图3.7 接入技术的发展趋势
接入网技术已经取得重大进展。更系统和更值得关注的代表性接入技术是面向医疗无线传感器网络的蓝牙4.0； 面向工业WSN的IEEE802.15.4e [16]； 和WLANIEEE 802.11™[17]鉴于物联网。 这些技术在附录A中进一步描述。
3.4 拓扑
通常，WSN由多个传感器网络节点和用于连接到互联网的网关组成。WSN的一般部署过程如下（见图3-8）；首先，传感器网络节点将其状态广播到周围环境，并从其他节点接收状态以检测彼此。其次，传感器网络节点被组织成连接的网络根据一定的拓扑结构（线形，星形，树形，网格等）。 最后，在构建的网络上计算适当的路径以传输传感数据。 传感器网络节点的功率通常由电池提供，因此WSN节点的传输距离很短。 在视线开阔的室外环境中，传输距离可达800至1000米。 在庇护室内环境的情况下，它将大幅下降到几米。 为了扩大网络的覆盖范围，传感器网络使用多跳传输模式。也就是说，传感器网络节点既是发射器又是接收器。第一个传感器网络节点即源节点将数据发送到附近的节点，以便将数据传输到网关。 附近的节点将数据转发到位于通往网关的路径上的附近节点之一。转发重复，直到数据到达网关，即目的地。 无线传感器网络的协议和实现技术可以适应无线和有线计算机网络的成熟架构和技术。然而，无线传感器网络的特点是自组织，自适应，节点能量有限，传输链路不稳定。
图3.8 无线传感器网络的组织和传输过程
3.4.1 自组织和可靠的网络技术
WSN节点的位置是随机的，节点可以移动、遮蔽和干扰。与其他网络拓扑相比，网状网络的拓扑结构在灵活性和可靠性方面具有很大的优势。网络节点的自组织管理方式可以大大提高网络的健壮性，形成智能网状网络技术，如图3-9所示。在智能网格adhoc组网技术中，节点首先监测邻居节点并测量信号强度，然后选择合适的邻居节点进行时间同步，并发送加入请求。然后邻居节点将该请求传递给网关。网关接收请求并为该节点分配网络资源。基于网状网络，传感器网络节点可以分配两条或更多条传输路径来提高网络的可靠性。时间同步网格协议（TSMP）网络[19]能够支持自组织网络和维护一百个节点组成的网络。
图3.9 网格自组织网络
3.4.2 低成本的IP互连技术
早期传感器网络的设计通常使用内部地址来管理传感器网络节点。地址长度相对较短，适合在低功耗嵌入式传感器网络节点中实现。然而，内部地址管理方法与互联网的IP方法不兼容，这增加了传感器网络节点与传统IP网络节点之间的交互难度。因此，有必要解决WSN和IP网络的连通性问题。传统的IPv4地址已经逐渐枯竭，新的IPv6技术具有巨大的地址资源，适用于广泛的传感器网络部署。因此，基于IPv6的6LoWPAN低功耗无线技术已经出现[20]。6LoWPAN通常在IEEE802.15.4协议的链路层之上实现简化的IPv6协议。报头压缩和数据包碎片通过在IP层和链路层之间增加一个适配层来实现重载，这是实现IPv6网络和传感器网络之间协议自适应的一种可靠方法，如图3-10所示。基于NanoStack[21]的Sensinode公司的传感器网络产品和基于CC-6LoWPAN[22]的TI公司的传感器网络产品都使用6LoPAN技术来提供传感器网络和IP网络之间可扩展性，无缝和可靠互连的能力。
图3.10 6LoWPAN协议栈
图 3.11 6LoWPAN改进的头压缩示例
3.4.3自适应流量控制技术
无线传感器网络与传统有线网络之间的差异之一是无线通信的不稳定性。在无线传感器网络中，节点之间的通信容易受到干扰和遮挡，导致信号传输失败。传统的网络是一个稳定的有线网络，数据只会因拥塞而丢失。ow控制的原理是数据发送方根据数据传输的丢失情况来调整发送trafc。发生数据丢失时，发件人会减少传输率。当数据没有丢失时，发送者增加传输速率。这种流量控制机制不再适用于无线传感器网络[23]，因为传感器网络中的数据丢失主要是由拥塞，干扰和遮挡引起的。单纯降低传输速率无法解决问题，但仅降低网络性能。为了解决不稳定传输条件下的网络性能下降问题，提出了自适应流控制。Adaptiveow控制可以检查数据包丢失的原因并调整传输流。同时，根据链接和网站的质量在考虑传输距离和吞吐量的同时，节点之间的数据传输的最佳传输速率被优先考虑以获得良好的网络稳定性。
3.5 数据聚合
在能量受限的传感器网络环境中，它不适用于电池功率，处理能力，存储容量和通信带宽等多个方面，以便每个节点将数据传输到汇聚节点。这是因为在覆盖率较高的传感器网络中，相邻节点上报的信息具有一定程度的冗余性，因此在每个节点分别传输数据，同时消耗整个传感器网络的带宽和能量，缩短了网络的寿命。
为了避免上述问题，已经引入了数据聚合技术。数据聚合是将多个信息副本整合到一个副本中的过程，它有效且能够满足中间传感器节点中的用户需求。
从节约能源和获取准确信息两方面引入数据聚合技术。传输数据所消耗的能量远远大于处理传感器网络中的数据。因此，与节点的本地计算和存储能力，进行数据聚合操作以去除大量的冗余信息，从而最大限度地减少传输量并节省能源。在复杂的网络环境中，仅通过从分布式传感器节点收集少量数据样本来确保获得的信息的准确性是很困难的。因此，监测同一物体的数据需要多个传感器的协同工作，这有效提高了所获信息的准确性和可靠性。
数据汇聚协议的性能与网络拓扑密切相关。然后可以根据星型，树型和链式网络拓扑分析一些数据聚合协议，如图3-12所示。
数据汇聚技术可以节省能源并提高信息的准确性，同时可以在其他领域表现出惊人的表现。一方面，在数据传输过程中，寻找聚合节点，数据聚合操作和等待其他数据到达的可能性会增加网络的平均延迟。另一方面，与传统网络相比，传感器网络具有更高的数据丢失率。数据聚合可能会显着减少数据冗余，但会无意中丢失更多信息，从而降低传感器网络的稳健性。
图3.12 三种WSN拓扑结构：星形，树形，链形
3.6 安全
关于未来将如何看待好莱坞电影-而物联网的愿景接近好莱坞的愿景。在两个愿景中都有一个共同的主题：机器在高度自动化的社会中变得非常强大。
个人隐私和个人隐私问题对个人而言变得更加困难，因为创建安全性的复杂链条是无限的，而最薄弱的环节则决定了整体安全水平。使用IPv6，有足够的IP地址可用于预测的数百亿个数据点，这些数据点将形成我们的新世界-问题是它们是否都可以被保护到一个可以确保个人隐私权和保护系统免受恶意攻击的级别攻击。
在传统的TCP/IP网络中，建立安全性是为了保护网络数据的保密性，完整性和可用性。它使系统可靠，并保护系统免受可能导致系统故障的恶意攻击信息披露。作为节点和应用环境的特点，无线传感器网络安全不仅需要传统的安全保护，而且还需要信任，安全和隐私（TSP）无线传感器网络的特殊要求。
3.6.1 信任，安全和隐私
取决于应用场景，TSPWSN可能需要对完整性，可用性，保守性，不可抵赖性和用户隐私进行安全保护。它通过保护系统免受恶意攻击来支持系统完整性和可靠性。TSP无线传感器网络可能需要保护节点免遭篡改，保护通信信道，并在网络层进行路由[24]。可能需要TSP日志记录/审计功能来检测攻击。
TSP无线传感器网络的技术包括消息认证，加密，访问控制，身份认证等。无线传感器网络的TSP必要性可以分为以下几类：节点安全性，密码算法，密钥管理，安全路由，数据聚合[25][26]。
图3-13无线传感器网络的TSP架构
图3-14 安全唤醒声音
节点安全性和睡眠取消
WSN的节点可能会通过其逻辑接口或直接的物理攻击被篡改;它可能会被擅自搬迁或被盗。
节点安全性可能包含安全唤醒和安全引导。低占空比对于确保电池供电传感器节点的长使用寿命至关重要。一类特殊的拒绝服务攻击，即所谓的睡眠剥夺攻击[28]阻止了传感器节点进入省电睡眠模式，因此严重降低了受感染传感器节点的使用寿命。像消息认证码或帧加密这样的标准安全机制不会阻止睡眠剥夺攻击：节点通电并且能量用于处理接收到的消息。只有当电池电量已经耗尽时才能发现攻击。图3-14显示了一个带有额外的超低功耗唤醒收音机的传感器节点。当传感器节点处于睡眠状态时，唤醒无线电收听信道。当它接收到唤醒信号时，触发传感器唤醒。为了增加通用唤醒无线电设计的安全性，唤醒信号是一种编码的唤醒代码[29]。当使用唤醒代码时只有一次，因为每个节点都是特定的，所以在唤醒节点时可以清楚地发送它。
3.6.2 加密算法
加密是一种改变数据传感器节点原始信息的特殊算法，这使得未授权用户即使访问了加密信息也不能识别原始信息。公共基础设施的WSN不可避免地暴露在公共活动的范围之内。传统的消息认证码，对称加密和公钥加密已经暴露了它们的缺点[30][31]。因此需要提出一种更适合无线传感器网络的加密系统。西班牙Libelium公司开发的是pmote加密库，以确保2010年智能城市WSN的数据安全。他们的无线传感器设备基本上支持这些库。数据库针对数据链路层，网络层和应用层的不同加密机制和协商机制而设计。它们扩展了Zigbee®协议，使Zigbee®更加安全，见图3-15。
图3-15 waspmote加密库的典型应用
3.6.3 无线传感器网络的密钥管理
密钥管理侧重于无线传感器网络安全领域。密钥管理包括密钥生成，分发，验证，更新，存储，备份，有效和销毁。有效的密钥管理机制也是其他安全机制的基础，例如安全路由，安全定位，数据聚合。无线传感器网络中典型的密钥管理方案包括全局密钥管理，随机密钥管理，位置密钥管理，集群密钥管理和基于公钥的密钥管理[33]。
安全引导过程建立传感器节点的安全配置，例如在引导期间建立连接密钥。由于存在多个自举程序，并且选择适当的自举程序严重依赖于环境，所以传感器网络的正常操作与自举程序解耦，使得有可能改变自举程序而无需对安全体系结构进行任何改变普通手术。适当的自举程序在很大程度上取决于应用程序及其环境。因此，已经提出了几种不同的自举程序[34]：基于令牌的，在节点制造期间密钥的预先配置，消息的物理保护，在弱安全设置阶段的带内、带外通讯。
3.6.4 无线传感器网络的安全路由
由于无线传感器网络在数据传输和自组织网络中使用多跳，所以每个节点还需要路由发现，路由建立，路由维护。安全路由协议是完整有效的路由决策，可能是数据聚合和冗余消除从源节点到汇聚节点安全的先决条件。许多安全路由网络都是针对无线传感器网络而特别设计的，根据它们可以分为三类网络结构：基于路由，基于分层的路由和基于位置的路由[35]。
安全路由协议的典型方法包括基于反馈信息，位置信息，加密算法，多路径选择方法和分层结构的方法。不同的安全路由协议可以解决不同类型攻击的问题[36]，如基于反馈信息的安全路由协议，包括媒体访问控制的确认帧中的延迟，信任，位置，容量过剩信息层。虽然不使用加密，但这种方法可以抵御常见的攻击，如错误的路由信息，污水池攻击和蠕虫病毒。目前大多数安全路由协议假设传感器网络是静止的，所以需要开发更多的新的安全路由协议来满足传感器节点的移动性[37]。
3.6.5保护无线传感器网络的数据聚合
安全的数据聚合是为了确保每个节点数据的安全。因此，安全数据聚合的一般过程如下：第一个节点应该有可能提供可靠的日期并将它们安全地传送到较高的聚合节点。较高的汇聚节点判断数据的可信度，并基于冗余进行聚合计算。每个汇聚节点选择下一个安全可靠的跳数，将数据传输到中央节点。中心节点判断数据的可信度并进行最终聚合计算[38]。
最初，数据汇总将能源视为客体，几乎没有考虑到安全问题。现在，安全数据聚合主要通过基于簇，环和层次理论的认证和加密来实现。慕尼黑大学开发了一个基于DTLS协议实现安全传输方案的数据汇总原型。图3-16中的红色圆圈表示它们的安全数据聚合原型。
图3-16 安全的数据聚合产品
第4节 无线传感器网络的挑战
4.1 系统质量，架构分歧以及对框架的需求
物联网的特点是可以用一个单词来表征各种各样的挑战：规模。目前互联网背景下已知的每一项挑战都与物联网有关，但其规模通常要大得多，其影响甚至更大更严重。这些挑战的例子是：
（1）用例领域的范围：目前的互联网已经侵入了居民的生活、企业以及组织，但由于物联网的影响，这种渗透将扩大范围和深度。不仅将开辟新的应用领域（实时远程生命库存监控;监控利益组;参与式流量监测;等等），而且信息和通信技术（ICT）的进程和行动的渗透率也会增加。通过在价值链中采用射频识别（RFID）提供了这种味道。虽然业务IT已经可以追踪公司内部的产品总量，但RFID将整个价值链贯穿到单个项目和整个组织单位（生产，出货物流，零售等）。
（2）商业模式的差异：虽然网络2.0已经导致商业模式的多样化以及新的颠覆性商业模式的激增，但一旦物联网成为未来互联网相当大的一部分，这一趋势预计将会扩大。
（3）所有权和租赁：在当前的互联网中，独占所有权和专有使用权是非常重要的，但是物联网的社会学将会有所不同。复杂的系统，例如全市范围的传感器网络，不一定会被一个群体所有，并且非所有者群体的影响将会增加（倡导团体，公共机构，立法机构等）。另外，多数情况下，不止一个组织将在同一个系统中运作。例如，一个原始设备制造商（OEM）可能会将其生产机器的维护外包给一些偏离位置的服务提供商，这反过来需要远程访问该服务提供商生产物联网系统。
（4）覆盖的对象范围：通过物联网将会感知，跟踪和操纵的“事物”的范围将会真正压倒一切。它将从微观和甚至亚微观实体（细菌，纳米机器人等）跨越行星和更大规模的宏观物体。这些数字阴影将会非常不同，构成它们的内容也取决于上下文。例如，对于一家航运公司来说，整个集装箱通常构成了粒度和“事物”的嵌套比例，这种集装箱中的单个产品构成了接收零售商和最终客户的“事物”。
（5）时间尺度和可靠性：物联网将应用于需要高可靠性的实时控制（工厂自动化，飞机控制等）的领域，而其他应用（冰川监测，畜群监测等）可能会在数分钟至数年的时间范围内以准公平的方式进行。
上述挑战的规模将导致物联网系统必须解决各种各样的问题。当然，这将转化为多样化的系统问题和期望，其中很多将在跨系统层面上制定。具体而言，关注和愿望将解决整个物联网系统的性能问题，而不是单个成员甚至零部件的性能问题。因此，物联网架构师将面临各种各样的质量要求，而且将会有不止一个设计选择将满足相同的质量要求。表1列举了这个问题。对于每个系统质量，存在多个体系结构视图，通过这个视图可以影响质量。举例来说，系统可扩展性。通过影响可伸缩性的一种观点是功能观点。例如，要通过集中式功能来支持分布式功能。就系统中处理的信息而言，可以采取同样的策略。
换句话说，系统质量跨越了多个架构视图。另外，通过一个视图（例如可伸缩性）实现一个质量会对其他系统质量（例如安全）产生不利影响。由于体系结构的解决方案空间是多维的并且纠缠在一起，并且由于定性需求跨越多个系统方面，并且由于通常有不止一种策略来实现某种质量，所以导致体系结构分歧。特别是，如果不采取减轻措施，不同的开发团队将获得不同的体系结构，并为相同的需求集实现不兼容的系统实现。请注意，这不是一个完全新颖的问题，但由于涵盖了大量的用例领域以及每个用例领域中演变的不同文化和最佳实践，所以它在IoT中更加突出。
除了濒危的互操作性之外，架构差异还有另一个缺点：降低功能，模块和概念从一个域到另一个域的“水平再循环”。也就是说，跨越使用领域边界的最佳实践解决方案，功能模块等的流程将受到多样，不受控制的不同体系结构的阻碍。这既影响资本支出（CAPEX）（例如创新和开发成本）和运营支出（OPEX）（例如，难以理解且需要时间让新员工理解的高复杂度系统）。因此，架构差异也会对物联网的业务可行性产生负面影响。
表4-1 利用系统质量的建筑观点（选择）[40]
系统质量 |
|||||
信任，安全，隐私 性能和可扩展可用性和弹性 可扩展性 |
|||||
工程视图 |
实用 |
中 |
中 |
低 |
高 |
信息 |
中 |
中 |
低 |
高 |
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并发 |
中 |
高 |
中 |
中 |
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部署 |
高 |
高 |
高 |
低 |
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操作 |
中 |
低 |
中 |
低 |
|
上述问题不会自行解决，相反，需要采取纠正措施。需要架构框架（参考模型，参考架构以及如何应用它们的指导）来促进架构原则的重用以及系统模块和概念的重用。参考模型为描述和分析物联网用例和物联网系统提供了一致的本体和语义。参考架构就如何构建满足物联网利益相关方关注和期望的物联网系统提供了高层建议。如何应用两者的指导也回答了如何解决定性系统需求的问题，同时避免了到2020年35ZB[42]。作为数据的主要部分，来自物理世界的感知数据量比人类社会多30倍。从这个意义上说，海量数据的存储和传输以及及时处理将是前所未有的挑战。
WSN传感数据包括温度，压力，流量，速度等物理尺寸，具有多维异构特征。信息和智能基础设施的应用需要对这些多维异构数据进行融合处理。但是，现有的信息处理技术难以满足日益增长的无线传感器网络需求。体系结构和系统分歧。
4.2 超大型传感设备访问
由于运输，电力，工业和其他关键基础设施的全面监控需求，未来WSN传感设备的安装将呈指数增长。例如，在工厂生产设备的监控中，每个设备都需要安装各种传感器来测量设备状态，如温度和振动。ABIResearch估计，未来10年将出现500亿个新的机器对机器（M2M）设备，并且WSN设备的数量将占据大部分规模[41]。因此，如何应对非常大规模的WSN设备访问是一个重要挑战。
4.2.1 大规模的异构数据处理
随着WSN技术在基础设施信息和智能过程中的大规模应用，无线传感器网络传感器产生的数据量将从今天的EB级别（1018字节）增加到ZB（1021字节）级别。根据IDC统计和预测，2009年全球数据量为0.8ZB（1021字节），并将为到2020年35ZB[42]。作为数据的主要部分，来自物理世界的感知数据量比人类社会多30倍。从这个意义上说，海量数据的存储和传输以及及时处理将是前所未有的挑战。WSN传感数据包括温度，压力，流量，速度等物理尺寸，具有多维异构特征。信息和智能基础设施的应用需要对这些多维异构数据进行融合处理。但是，现有的信息处理技术难以满足日益增长的无线传感器网络需求。
4.2.2 智能控制和服务动态变化
未来城市基础设施的运营和管理需要满足安全，节能，效率，便利等方面的需求。在现有模式下，信息通过人工分析自动收集和处理，并作出相应的决策和响应。但是，这种模式不再适用。准备好响应动态变化的智能控制必须实施。首先，无线传感器网络的应用模式应该从简单的感知转变为闭环控制。例如，在智能交通应用中，为保证城市交通顺畅，有必要对交通灯条件进行动态分析和实时调整。尽管如此，基础设施控制具有重要意义，因此确保智能控制的安全性和可靠性将是一个重大挑战。其次，无线传感器网络的服务模式应该从单一和预定义转变为动态和个性化。例如，在智能用电中，为保证用户的用电需求，提高电网运行效率，空调温度和光照水平的设置应能动态调整根据电网电流负载，环境条件和个人喜好。尽管根据环境变化动态生成服务将是一项重大挑战。
4.3 传感器网络架构
传感器网络技术在城市基础设施建设中得到了广泛的应用，成果显着但是，在不同的传感器网络应用中，网络嵌入式传感或控制设备通常基于不同的硬件平台，操作系统，数据库和中间件。除非专用业务系统和应用程序管理平台支持，否则它们不能部署在各种异构网络环境中，并自由交换信息。在架构设计方面，传感器网络的大多数应用环境都是采用紧耦合封闭架构设计的。从这个意义上讲，该系统呈现了信息孤岛的特征，仅适用于小规模行业的应用环境。
此外，共享和重用基础架构系统架构和服务也很困难。此外，第三方资源难以经济有效地整合到系统中。因此，大规模传感器网络技术的应用和推广受到限制。因此，迫切需要建立一个更加开放和灵活的系统框架来打破物联网瓶颈。为了与便利的传感器信息或控制需求共享，并将隔离的数据集成到传感器网络中，普适计算对于传感器网络的发展是不可避免的。Web技术是实现普适计算和共享异构资源的技术的自然选择，因为它是平台间共享资源和服务的基本框架。目前，与网络相关的传感器在世界上有两种趋势：一种可以让不同的人使用世界各地可轻松共享传感器，另一个则可让传感器与其他传感器配合使用。
4.4 高并发访问
随着无线接入技术在智能电网和其他工业应用中的普及，预计同时会有更严格的性能要求（大规模，低延迟）。以智能电网为例，变电站中的控制应用通常需要0.667ms至2ms的延迟，用于有数十个节点的网络，变电站区域内有成千上万个节点的网络的二级延迟，以及二级或分钟级用于未来具有数千个节点的高级计量基础架构（AMI）应用的延迟。尽管无线传感器网络当前的接入技术可以支持百代网络中的端到端传输的二级延迟，这对于监测应用来说足够了，但对未来应用的高并发访问需求还不能满足。现有接入技术在处理具有光通信和高并发性等特点的WSN应用时存在的缺点如下：
（1）现有的基于调度的接入技术通常采用预留重传时隙，多用户分频，不可重用资源分配等策略，以保证传输的可靠性。这些受保护资源的利用率极低。基于争用的接入技术必须应对资源利用的矛盾。随着并发应用程序的数据流量的增加，网络性能将急剧下降。
（2）具有高并发特性的应用程序，尤其是控制应用程序，其负载通常很小，由于数据包的大头部如果采用现有的接入技术，并且频谱接入的效率也很低。
到目前为止，已经提出了两种解决方案来解决上述问题。一个是ABB提出的基于蓝牙的传感器和执行器无线接口（WISA）;另一个是基于IEEE802.11™的无线网络。工业自动化-工厂自动化（WIA-FA）由中国科学院沉阳自动化研究所牵头的一组中国机构（超过10位成员）提出。
4.4.1 高并发访问频分复用
蓝牙技术在该范围内运行的2400MHz至2483.5MHz，拥有79个指定的蓝牙通道，并可在短距离内交换数据。蓝牙可以在物理层上使用，以满足光传输和高并发性的要求。此外，MAC层可以设计为支持时分多址（TDMA），频分多路复用（FDM）和跳频（FH）技术。长波射频电源是一种先进的电源技术。
4.4.2 采用分布式天线系统的高并发访问
IEEE802.11™[17]是一组MAC和物理层（PHY）规范，用于在2.4GHz，3.6GHz，5GHz和60GHz频段。遵循分布式天线系统的网络架构，基于IEEE802.11™的PHY和基于FDM和TDMA的MAC层适用于长距离通信。此外，通过共同利用信道状态感知资源分配，数据聚合，分组聚合和其他性能优化方法，数据等待时间可缩短到10ms。基广泛应用于啤酒瓶灌装，机器人生产线等行业，见图4-2。
图4-2 采用分布式天线系统的高并发访问[14]
4.5 高实时传输
传统的无线传感器网络被用来感知，收集和处理网络覆盖区域内的物体信息，并将其转发给观察者进行在线或在线分析，实时性要求低，如抄表，环境监测等。网络覆盖范围为有限的（在一个房屋或几平方公里的空地上），延迟要求很低（分钟或小时）。因此，传统的WSN研究主要集中在如何提高网络可靠性和降低功耗。然而，随着智能城市基础设施的不断发展，网络覆盖范围不断扩大，传输的实时性要求也越来越高。以城市交通控制系统为例，如道路状况，车辆数量，速度信息等等，必须在整个城市收集，然后实时传送到控制中心，在那里计算出最合适的交通调度方案并实时再次传输到十字路口。这个过程需要在一秒内完成，这对传感器网络系统在广泛地区的实时传输提出了新的要求。
其他网络技术可用于构建广域传感器网络（如以太网，WLAN，移动通信网络等），并利用各种物理介质和管理机制构建异构网络。以太网等有线网络使用铜质双绞线或光纤作为物理介质，速率为100Mbps至1000Mbps或更高，传输延迟时间为几毫秒;基于IEEE802.11™和IEEE802.15.4的无线网络的传输速率可以从250kbps到72.2Mbps，并且传输延迟范围从几百毫秒到几分钟。这些网络技术的发展，特别是无线通信中的多输入多输出（MIMO）和正交频分复用（OFDM）技术，大大提高了无线网络的频谱效率，提高了网络性能，为建立一个广域传感器网络。然而，这些网络是以一种更加努力的方式运作的，并未考虑与其他网络之间如何保证实时传输的互连，这是未来传感器网络研究的重点。对广域实时传感器网络的研究是全世界非常关心的问题，解决方案大致可分为分布式和集中式。
4.5.1 分布式解决
在网络入口处，分布式解决方案将传输任务分成几个部分水平根据任务要求。网络的每个部分根据本地网络运行情况安排不同级别的任务，以确保广域和实时保护。分布式解决方案具有较高的鲁棒性，因此对网络部分的损害不会影响整个网络。此外，分布式解决方案的实施方式与互联网相同，因此可以与现有网络兼容并可以顺利演进。然而，分布式解决方案的本地调度策略缺乏整体视角，很难做出最佳的整体决策。图4-3提出了一种架构，该架构是一种广域传输网络架构，在智能电网中建立跨区域，实时的数据集成和共享机制。这种架构基于成熟的IP，IP的尽力服务模型既简单又不变，非常适合分布式算法。
4.5.2 集中式解决方案
从整体角度看，集中式解决方案以统一的方式管理由广域网组成的异构网络。为了满足传输任务的时延，吞吐量，可靠性等需求，集中式解决方案在各种异构网络中预留通信资源并进行协同调度，保证了整体终端性能的要求。集中式解决方案的优越之处在于，它可以优化全球调度并提高传输性能。尽管如此，复杂性却是其薄弱环节，因此它只能安装在特定领域的某些专用网络上。基于认知协调的广域实时网络提出如下。异构网络协同调度通过跨层感知集中进行，获取网络运行状态信息，按照任务传输的实时要求。解决方案是关注整体网络管理，这是一项复杂的工作，需要强大的一致性，使其适用于集中式管理。
图4-3 广域传输网络架构[43]
图4-4 集中式广域实时网络架构[14]
4.6 语义表示和处理
语义技术是近年来信息技术领域最重要的研究领域之一，主要是由于对通过网络进行知识共享和交换的巨大期望和要求。特别是随着无线传感器网络的发展和传统的互联网概念向传感层设备的扩展，无线传感器网络信息的语义研究成为一个热门话题。WSN语义研究侧重于传感器节点感知的物理世界的语义表示。简而言之，WSN语义是指传感器节点所感知的信息的含义或意义[44]，可以更好地利用其中的基础数据。
语义WSN研究起源于语义网络。现有的网页内容优先考虑非结构化和半结构化文本。虽然语义网可以在网上提供正确定义的信息，但它旨在确保计算机与人之间更好的合作。然而，无线传感器网络的媒介是传感器节点，其信息内容与网络的信息内容完全不同，为了适应WSN节点对WSN应用的语义信息，科学研究机构和标准化组织提出了相应的解决方案该领域。已经有三个领域被认为是实现传感器语义问题的热门研究课题：
1)终端设备的语义表示技术直接将语义标签添加到终端设备级别的传感器数据中以实现语义表示。
2)基于查询的语义平台通过对传感器数据的语义解释来实现传感器数据查询。
3)基于云计算技术的传感器信息语义分析与管理。预计这可以支持大规模的传感器节点，语义表达和基于云计算平台的处理。
4.7 更安全的无线传感器网络
如今，无线传感器网络将物理实体的基础设施与信息网络紧密连接起来。基础设施（如电力，运输，化工厂和国家安全）受病毒威胁的损害将导致难以想象的后果。WSN通常更容易受到各种安全威胁的影响，因为非导向传输介质比导向传输介质更容易受到安全攻击。从一开始就必须考虑到TSP问题。无线传感器网络所面临的威胁只能部分通过网络安全技术解决。对Sybil，Dos和异常节点等复杂攻击形式的防御并不令人满意[45]。
由于无线传感器网络中TSP的目标是保护信息和资源免受攻击和不当行为的影响，因此实现这一目标的可能要求非常巨大，如可用性，授权，认证，匿名性，机密性，新鲜度，完整性，节点保护，不可否认性，私有化等。未来，无线传感器网络的规模可能会变得更大，无线传感器网络与互联网的结合更加紧密。虽然已经在节点安全，密码学，密钥管理，安全路由，安全数据聚合等方面进行了研究，但未来还是会有一些措施确保更安全的WSN。
4.7.1 协议安全框架
鉴于传感器节点的计算能力，能量消耗和通信带宽限制，隐私保护和身份管理等问题，需要研究适合的协议安全框架和WSN各层的通用模型。因为单一层的单一安全解决方案可能不是更有效的解决方案，所以全面的安全方法将涉及到所有层以确保网络中的整体安全[46]。其目标旨在提高WSN在安全性，寿命和连接性方面的性能。其原则是确保安全的成本不应超过特定时间评估的安全风险。现在提出了许多方法来确保WSN中的特殊层安全性，例如节点的安全唤醒，篡改，网络层的认证和加密，记录应用程序层。然而，如何构造其他层协议并构成通用的协议安全框架是未来的一个主要研究课题。将会有一个可以将所有安全层机制结合在一起的通用模型。其他人可以保护WSN免受攻击，即使一个层失败。但是，成本效益和节能效率在未来几年仍然会带来很大的研究挑战。
4.7.2 信任，安全和隐私
代价是保密性，个人隐私权，数据安全性和完整性。问题是：当关注解决方案提供的效益时，成本比率是多少？个人是否愿意放弃自己的权利以获得利益？谷歌和苹果公司已经能够对个人数据采取极大的自由以换取回报，这种风险超过了利益，至少对许多消费者来说。在企业环境中，失去对客户数据的控制并可能与数据中介共享，打破了信任关系，这种关系经常在法律上将长期保持商业关系解开。
图4-5 链路层安全协议框架[14]
无数的数据源中的个人密钥基础设施和认证机构的责任将会对系统征税，并且许多人会将主动安全措施降到最低，并且只在实际发生时才着眼于处理网络攻击，从而将风险强加到整个系统上。IoT网络向所有连接的系统发送恶意软件包听起来好像是任何好莱坞科学梦想中最糟糕的噩梦。最后，将尽可能多的系统与其他系统分开以确保一个系统的脆弱性不会感染所有系统将是非常重要的。这种潜在的多米诺骨牌效应可能是最糟糕的情况，因为糟糕的数据完整性可能会导致任何一个系统都无法预见的数量级失效。主动安全系统将依赖于理解什么是“正常的”网络物理数据流量，但这又可能是过度的代价高昂，并且减少授权或增加强制物联网解决方案的成本。
为了安全起见，WSN框架有四个质量要考虑。首先，无线传感器网络的安全性由于传输介质的广播性质和传感器节点的计算资源的限制，如较小的功率和较小的带宽，容易受到网络攻击。其次，由于信息空间与物质世界的深度整合以及信息技术的无处不在，身份和信任管理更为复杂和困难。因此，身份管理和信任系统面临着巨大的挑战。第三，无线传感器网络感知和计算模型的动态性，异构性和质量性特征对保护有效的系统完整性，数据完整性，数据保密性，用户隐私，如身份，行为和环境也是巨大挑战。最后，由于无线传感器网络拥有大量终端，各种终端类型和动态自适应网络结构，环境数据的大小和复杂性是现有安全姿态监测系统面临的主要挑战。
图4-6 信任安全和隐私[14]
第5节 无线传感网络在基础设施体系中的应用
5.1 WSN（无线传感网络）在智能网络中的应用
电力网络不仅是电力行业的重要组成部分也是国家可持续发展的重要组成部分。随着对电力能源的依赖性的不断增加，对电力网络的可靠性和质量的需求也在不断增加。公共事业、研究机构和学者研究了如何使电网现代化，使之变得有效的、清洁的、安全的、可靠的、交互式的。
智能电网给新应用打开了一扇大门，并且带来了深远的影响：提供了安全集成更多可再生能源，电动汽车和分布式发电机来进入网络的能力；通过反馈的需求和综合控制监测能力来更有效地、更可靠地交付交付电力；使用自动网格重置来防止或者恢复停机（自我修复能力）；使得用户能更好的控制他们的电力消耗并且能够更积极的参与到电力市场中来。
传感器将会成为智能电网实现它潜力的一把钥匙。在智能电网背后的理念是电网能够响应实时需求；为了达成这个目标，需要传感器提供实时的信息。WSN具有的“智能感知外围信息”的能力可以成为促进智能网络技术开发的重要手段。无线智能网络技术在智能电网的应用同样会促进WSN产业的发展。
5.1.1 传输线的在线监测系统
随着传输线的状况直接收到风、雨、雪、雾、冰、闪电等其他自然因素的影响；同时工厂和农业的污染也会直接威胁到传输线的安全工作。输电线的工作环境和工作状况是非常复杂的，所以需要更多的自动监控，更多的控制和保护设备，这样当意外情况发生时就能自动发出警告信号并且根据操作模式自动调度相应的解决方案，因此这些故障将在早期处理或者在小范围内隔离开来。
传统的有限通信无法满足输电线在线监测系统的通信需求。WSN具有以下几个方面的优点：很强的适应恶劣环境的能力、能够做到大面积覆盖、自我组织、自我配置和很强的实用独立性，这些优点使得它很适合用于传输线的数据通信监测系统。
由于WSN的这些优点，建立一个全面的、多元素的在线监控系统就能够发送实时的问题警告，快速锁定故障发生的位置，感知传输线的故障，减少故障的修复时间因此来提高电力供应的可靠性。WSN不仅可以有效的预防和减少电力设备的故障，而且当它和导体温度、环境和气象的实时在线监控结合起来的时候，还能给网络提供相应的数据来提高传输线的传输效率并且增加它的动态性能。
一般的传输线的在线监控系统的结构如图5-1所示。目前中国国家电网的一些省份电力公司在推行传输线路的WSN在线监控技术的应用。例如辽宁和宁夏电力能源公司自从2013年开始就在开发一些示范项目，这些项目正是基于传输线路在线监控系统的WSN技术。
图5-1 基于无线传感网络的输电线在线监控系统总体架构[47]
5.1.2 变电站智能监控和预警系统
经过数十年的发展，国内的变电站自动化技术已经达到了国际化标准水平。大多数的变电站都采用了综合的自动化系统，尽管他们的压力等级并不一样。据估计从2005年到现在，有超过200家的带有不同自动化程度、压力等级和模式的数字变电站已经投入使用了。
和传统的变电站相比，数字式变电站更加关注于网络信息数字化，变电站信息标准化以及网络传输。对于智能电网的变电站，更多的关于集中在智能电力设备、信息交互、互操作性和内部站的智能应用功能上。如今很多智能的监控功能可以实现并且可以提高智能变电站的管理，包括变形/破碎/温度检测，避雷器电流泄漏检测，漏电检测设备，联合电气设备的泄漏监测，二次设备环境监测，设备防盗监测等等。无线传感网络的应用可以给变电站提供可靠的、精准的、实时的、安全的、充分的信息，不仅局限于传统的遥测的电气量信息、远程通信、远程控制、远程调整，同时还包含设备信息例如冷却系统状况，断路器动作时间，传输设备的电量状态，分段电流的大小和环境信息，视频信息等等。最终实现信息描述的数字化，数据集成采集，网络数据传输，智能数据加工，数据的可视化展示和科学的生产决策。例如SGCC与中国科学研究院沈阳自动化研究所联合使用了无线传感网络技术建立了状态维护系统。在中国的辽宁和盘锦南环，220KV的智能变电站已经被成功的应用到辅助控制系统的建立。这两个系统成功运行以后，电网稳定并且数据传输运行良好。这个系统达到了预期的通信效果并且达到了很好的示范作用。
应该指出的是，基于无线传感器网络的服务解决方案必须与在智能计量中进行的国际标准化活动（例如由DLMS用户组驱动的一系列国际标准IEC 62056
（DLMS / COSEM）保持一致）。
图5-2 设备运行状态监控体系结构[47]
5.1.3 配电网的在线监测和预警系统
配电网络直接将电网连接到用户，并将电能分配给用户。配电网的可靠性和质量是可靠电源的重要组成部分。配电网络由馈电线，配电变压器，断路器，开关等一次设备以及继电保护，自动装置，测量和仪表，通信和控制设备等辅助设备组成。
配电网具有大量节点数，大覆盖区域和长距离电力线路的特点。 WSN在分布式领域的应用可加强管理，节省人力，提高供电可靠性，加快故障处理的恢复效率。国家电网公司在宁夏银川支持物联网应用示范工程并验证了无线传感器网络技术在配电网络中的应用可以在以下方面为配电网络的建设提供保护和支持：
1) 通过部署集成传感设备，可以监测电力质量变化和大电力负载情况，并且可以提高电压，电流，谐波和其他信息的准确性和及时性。
2) 通过将RFID，导航，视频监控，智能可穿戴技术相结合，加强了对配电设备状态和环境参数的实时监控能力。它可以改善配电线路的故障位置。
3) 通过监控配电线路状况，实现地下配电管网，实现高水平的现场运行监控和防盗设施。
图5-3 在配电网监测应用中WSN技术的应用
5.1.4 智能用电网络
智能用电服务依托强大的电网和现代化管理理念，以先进的计量，高效率控制，高速通信，快速储能技术为基础，实现电网之间的实时互动，客户能量流，信息流和业务流。
无线传感器网络可以将供电侧和用户侧的终端设备与传感器连接起来，形成完整的电能消耗信息交互网络，实现复杂环境下的电力信息采集。基于无线传感器网络的信息集成分析可以指导用户或直接调整用电方式，以达到最佳配置的电力资源，降低电力供应成本，提高可靠性和效率。无线传感器网络在智能小区，智能工业园等智能用电领域具有广阔的应用前景。
电能数据采集系统是智能用电服务的基础。该系统可以全面收集多种大用户数据。这包括特殊变压器，特殊变压器的中小用户，三相一般商业用户，单相一般工商业用户以及居民用户的数据和用于检查计量点的公共配电变压器数据。这些数据可以结合起来构建综合电力信息平台。基于WSN的电能数据采集系统的体系结构如图5-4所示。
图5-4 基于WSN的电能数据采集系统[47]
目前，国家电网一些省级电力公司已经开始使用基于无线传感器网络技术的自动抄表系统。例如，辽宁省电力有限公司为2万多户家庭实施了基于无线传感器网络的电能数据采集系统。该通信系统基于工业无线网络标准WIA，在运行测试中取得了良好的效果。主站具有精确的时钟，因此集中器时钟可以由上游通信网络同步。
5.2 WSN在智能水网络中的应用
如今，世界的用水量是1950年的300％。世界人口的强劲增长加上中产阶级的强劲增长将继续对地球有限资源的需求增加。在这方面的关键资源的一个例 子是清洁水的可用性。除了通常的政府监管和对自然资源开采的监管外，许多公司也看到了对环境的影响。他们还看到社会和商业优势，采取措施确保其运营对自然资源的负面影响最小的。这些通常通过监测复杂记分卡中的环境影响来捕获，例如图5-6，其中监测对水污染的影响只是一个例子。
图5-5 监测供水网络
[48]
图5-6 一个关于记分卡片的例子[49]
5.2.1 可持续性（水资源的重点）
股价影响以及管理的需求推动者新的绿色行为推动这。可以说，在现代社会普遍认为，更好地管理环境影响公司对稀缺资源的需求以及作为社会与环境污染成本指标的CO2排放量将变得越来越重要。 因此，除了政府制定法规要求遵守新的环境规则并创造新的全国市场准入成本之外，企业在这一领域投资的趋势是 明显的。
当关注清洁水时，必须建立监测系统来确定基线质量，并监测污染物的各种潜在来源以清洁水源。传统的操作技术系统通常不用于监测潜在的污染物，因此需要使用新的传感器和执行器来监测通常是最难以追踪和管理的污染物的空气污染物。收集的信息不仅可以用作关键绩效指标（KPI）仪表板，还可用于根据相关事件（如人造（污染）或环境（天气） 事件）的实时监测来预测水质。这对于那些始终在国际监管框架下工作的公司是有用的，并且可能导致以排放/污染证书的形式创造额外的价值。
这种思维转变意味着企业需要从传统运营效率的心态转变为可持续发展作为市场的竞争优势的意识。这意味着必须捕获相应的值并将其用于对环境负面影响最小的产品和服务。
图5-7 空气污染物温室气体对水的威胁[48]
5.3 WSN在智能交通中的应用
智能交通中的无线传感与WSN的传统概念和设计要求有一些点不同。 在大多数情况下，传感器可以依靠某种基础设施来提供电力，例如能源效率方面在 这些系统中通常是次要的。WSN在智能交通中的应用可以细分为以下两类：
1) 固定式传感器网络，无论是在车辆上还是作为交通基础设施的一部分。
2) 浮动传感器网络，其中个别车辆或其他移动实体充当传感器。
后一类包括货物、车辆和人员的流动的优化和追踪应用，而前者主要包括以前由有线传感器覆盖的应用。
5.3.1 交通流量的传感
智能交通管理解决方案依赖于城市交通的准确测量和可靠预测。这不仅包括对特定街道上的汽车密度或特定公共汽车或火车内乘客的数量的估计，还包括对车辆和乘客的起始站和目的地的分析。
通过传统的有线传感器（例如摄像机，感应环路等）可以监控街道或交叉路口的交通情况。尽管无线技术可以减少此类传感器的部署成本，但它不会直接影响精确度或测量结果的有用性。
然而，通过扩大术语“传感器”的限制并利用许多车辆和智能电话中容易获得的无线技术，车辆本身以及使用公共交通系统的乘客可以成为精确测量城市交通的“传感器”。
用于收集来自车辆的交通数据的技术统称为挥发性汽车数据（FCD）。这包括依赖相对较少数量的车辆明确地将其位置信息传输到中央服务器（例如通过GPS获得其位置的出租车或公共汽车）的方法以及依靠从蜂窝网络运营商的实时位置数据库获得的移动电话的位置信息。后一种方法实际上并不涉及车辆本身的任何感测，但仍然使用无线网络（即现有的蜂窝网络）来感测或者推断交通流的当前特征。技术挑战主要在于处理潜在的大量数据，有用和无用数据之间的区别以及从仅观察所有车辆的一部分中的实际交通流数据的外推。
在扩展汽车数据（XFCD）的术语下，已经提出了涉及从车载电子装置收集的信息的FCD想法的扩展。收集和评估来自温度传感器，雨量传感器，ABS，ESC和牵引力控制系统的数据，即使是相对较少数量的汽车也可以用来获取有关道路状况的实时信息，这些信息可供给公众或者根据驾驶员对道路状况的预期行为改进交通流量预测。
无论何时从私家车辆收集位置或传感器数据，都必须考虑隐私问题。然而，这是与交通监控相关的普遍问题，并且即使不使用无线技术的方案（例如依靠车牌识别）也必须考虑车主的隐私。
图5-8 智能旅行的电子门票
等同于FCD车辆运动的测量，在公共交通系统中乘客的行为可以借助无线技术进行分析。例如，通常采用RFID技术登记地铁站，公共汽车或有轨电车的电子门票，有效地将乘客转变为传感器网络的一部分。
如果智能手机用于存储电子票证，则可以进一步提高收集有关乘客移动和行为信息的可能性。特别是为了收集关于乘客多式联运运输习惯的信息，智能电话的电子票务应用提供了传统电子票不能提供的可能性。然而，仍有待观察的是，用户愿意在何种程度上分享位置数据以换取将他们的移动电话用作公共汽车或地铁票的便利。
5.3.2 城市物流
城市化提出了很多挑战，尤其是在发展迅速的国家，在哪些迅速发展的国家里已经拥有庞大的城市并且还在迅速的发展，而且越来越富裕的人口导致进出城市中心的商品流量不断增加。运载工具占城市空气污染的很大一部分，精简城市与周围环境之间的货物流动是解决大量交通问题和改善空气质量的关键。
减少运输车辆引起的交通负荷的一个有希望的方法是引入城市整合中心（UCC），即城市外的仓库，所有送往城市零售商的货物首先被合并，然后以优化的路线发货，尽可能地利用卡车的容量，减少所需车辆总数以及将所有货物运送到目的地的总行程。
为了实现这样的优化，需要仔细分析和规划城市交通，并监测货物的实际流量。其中的挑战和解决方案与 5.3.1中讨论的类似，但具有更为细致的程度。而不是仅仅追踪一部分车辆当他们在城市中移动时，至少需要在托盘级别跟踪货物。托盘（或其他包装单元）因此成为用于测量货物流量的“传感器”，并且结合使用多种无线技术（GPS，RFID，WLAN，手机）以及复杂的数据分析技术来获得所需的数据，用于优化交付的时间安排和路线选择，并确保及时到达，同时最大限度地减少运输对环境的影响。
5.3.3 机载无线传感网络
各种车辆依靠越来越多的传感器来确保安全和平稳的运行。这包括主要向驾驶员提供信息的传感器以及作为推进或车辆动力学系统一部分的传感器。由于这些子系统的安全关键特性，无线技术通常不适用于这些应用。
但是，特别是在诸如公共汽车、火车和飞机之类的大型车辆中，许多传感器和致动器用于非安全关键目的，例如监测机舱温度，收集用于预防性维护车辆的数据或监测运输货物的状态。
在铁路应用中，无线传感器网络可以在翻新具有最先进电气系统的旧车厢中发挥重要作用。
在飞机中，通过在非关键应用中应用无线传感器来节省铜缆或铝缆的重量，这是一个重要的考虑因素。已经讨论了采用能量收集技术的无线传感器，甚至用于监测构成飞机结构一部分的复合材料上的机械应力。在这种“智能材料”中布线传感器会增加结构的重量，因此明显降低复合材料优于常规金属结构的优点。
5.3.4 无线传感器网络在交通基础设施中的应用
交叉口处的交通灯通常由靠近交叉点的单元控制，从一组传感器（例如感应环路）获取输入以及来自中央控制单元的命令，并根据以下方式切换单个灯（也称为信号灯头）交通规则和情境要求。
随着传感器和显示器元件的数量和复杂性的增加，今天的交通控制器的任务确实基于通信，而不是纯粹的连接组件的切换。交通灯可配备倒数计时器显示器，可变信息标志显示更新速度限制，以及基于光学或雷达的传感器提供关于单个车道占用率或通过交叉路口车辆速度的信息。
使用最先进的技术升级现有交叉路口的基础设施需要提供传感器，信号头，可变消息标志，交通控制器和其他组件之间的必要通信链路。无线技术可以通过消除将通信电缆（例如以太网）路由到交叉路口中的所有设备的需要来帮助降低成本。这种安装在大多数情况下不是纯粹的传感器网络，因为它通常还包括显示组件或执行器。此外，由于来自不同供应商的组件的组合，有线和无线通信链路以及相同系统内的不同有线/无线标准的组合并不是不可能的。
交通基础设施与车辆通过无线通信相互作用（例如，在交叉路口优先考虑公共汽车或紧急车辆）是无线技术在交通基础设施中的另一个有前途的应用。尽管并非所有可能的应用实际上都涉及通过无线通信链路交换传感器数据，但也存在多种情况，其中任一车辆与基础设施元件共享其传感器数据（例如，关于接近交叉路口时的速度）或基础设施向车辆提供传感器数据（例如，关于交叉口另一侧的道路拥堵）
5.4 WSN在智能家庭中的应用
5.4.1 能源挑战
面对不断增长的消费和高能源成本以及化石燃料的稀缺性，公共机构和专家为抑制能源需求和我们的CO2排放量同时开发的所有情景汇聚在一起：能源效率是绝对优先。在欧洲，建筑能耗（住宅和大学的）占能源消费总量的40％，工业占30％，交通占30％。
公众当局非常重视。作为欧洲的一个例子，2012年10月通过的能源效率指令朝着这个方向发展。它包括关于建筑物翻修的措施; 商业和住宅建筑的长期 改造路线图，中央公共建筑改造率为3％。欧盟 成员国必须在2014年6月之前将这些目标转化为国家法律。
5.4.2 建筑节能 - 案例研究
2008年，施耐德电气在法国启动了一项名为HOMES的合作项目[51]，四年期间该项目旨在为建筑提供更好的能源效率解决方案。HOMES项目使得研究改 进和测试简单有效，经济可持续的活性能源效率成为可能采用主动控制的解决方案，通过自动化控制和监控系统优化能源使用。
该计划的成就之一是了解能源系统由三个（准）独立子系统组成，每个子系统负责无用的能源消耗：
1) 配电子系统（机器世界）：能源生产，改造，储存。
2) 使用子系统（人的世界）：将能源服务交付给居住者。
3) 建设性子系统（材料世界）：室内和室外之间的能量传递。
该项目为建筑物的能源性能提出了新的构想，围绕解决方案构建，同时涉及外壳的质量，设备性能和主动控制。这些是三个独立的干预媒介,没有特定的应用顺序和互补性。
图5-9 建筑中的系统能源方法
5.4.3 建筑物的主动控制
基于上述愿景，HOMES计划因此提出了一个关于三种策略的主动控制协议，以使建筑性能最大化，同时使智能电网兼容。
1) 按房间行动：为了最大限度地提高建筑物的能源性能，有必要优化向居住者提供的服务，也就是说在第三层建筑中的房间或区域层面。由于区域控制，乘员可以根据自己的活动和舒适度调整环境。
2) 优化能源供应：为了满足建筑物使用者的需求，有必要根据经济和碳成本优化能源供应。然后将能源的供应和分配作为每个地点的需求总和的函数进行管理。它能够控制能源的来源以及与由地区，城市等组成的上游生态系统的关系。该策略有助于预测智能电网的发展。它创建了一个系统，每个级别都有助于更高级别的优化。它还参与开发建筑物电力需求管理电势。因此，有必要从垂直独立的应用程序控制转移到按区域的多应用程序控制。
3) 以利益相关方的参与为条件：为了提高建筑物的能源绩效，有必要制定一个渐进的行动计划，逐步寻找节约的来源。但是，需求因所涉及的利益相关者而异。 信息战略必须根据每个利益相关者的具体需求及其帮助他们做出高效决策的责任区域来实施。
建筑物及其技术系统的空间和时间分散性通过主动控制对监测和节能的效率产生强烈影响。因此，主动控制策略的实施修改了主动控制解决方案的感测和控制命令架构，以基于区域控制生态系统为基础。
图5-10 区域控制
如图5-10和5-11所示，其中舒适传感器是关键元件之一。此外，这已经在代表不同气候区，部门，建设性时代，供热能源，热水能源和业主类型的试点网站上评估过。节省的住宿费用从住宅的25％上升到学校的56％，证明了上述假设的相关性，见图5-12。
图5-11 储存时间分割的影响
图5-12 节约
5.4.4 无线传感器网络是提高现有建筑物能效表现的关键
为了在区域级实现多应用控制，有必要密切监控环境（光照，温度，相对湿度，CO2）以及居住者的活动（存在检测，警报）。如果我们记住，每年只有几个百分比的新建筑物建成，挑战在于部署主动控制、雨数百万现有建筑物的区域等级里。实现此目的的唯一方法是使用无线甚至无电池传感器来避免对数以亿计的电池进行管理和维护。已经证明了多物理场无线自主传感器的可行性。该结果于2011年6月在慕尼黑举行的能量收集与储存会议上展示。采用光伏（PV）电池供电，原型能够测量温度、相对湿度和光强度，并使用ZigBee® 绿色电源协议在 802.15.4无线电台上每10分钟发送一次。平均功耗为5μW，使得这种传感器可以在每天8小时不到100勒克司的情况下连续运行。
根据IMS Research于2011年10月进行的一项研究[52]，预计传感器将在建筑市场上持续增长，无线传感器的增长速度将更快。
图5-13自主传感电子元件 图5-14 施耐德电气传感器原型
图5-15 全球建筑传感器市场预测
从通信协议的角度来看，ZigBee®联盟在2012年采用了GreenPower特性集作为ZigBee标准的一部分[53]。它能够集成在ZigBee®网状网络无线传感器中，其能量非常有限，例如通过能量采集进行供电。这使其成为建筑物中控制的非常有吸引力的解决方案。
无线传感器网络是在区域层面部署多应用控制的关键推动因素，并且通过考虑其环境中的建筑物，同时注意居住者的舒适度和活动，他们为提高能源效率作出了显着的贡献。
5.5 无线传感网络的其他应用领域
5.5.1 提高能源效率
正如2010年IEC白皮书所指出的那样，应对能源挑战——IEC的角色从2010年到2030年：“燃料中的理论能量，三分之二在现在的输电中损失了，另外还有9％在输电/配电中损失了，因此一次能源消耗量仅达到30％的使用效率”。但是，IoT可以帮助解决这个问题。作为获取信息的有效手段，它可以对能量转换操作进行实时监控，并对大量数据进行及时分析和处理。此外，它还以对异常状态做出快速响应，并确保系统的安全性，因为它可以对能源系统的全部过程（从发电到运输和使用）进行有效管理。
5.5.2 有助于环境监测
环境污染，突如其来的自然生态灾害和人为破坏仍是当前需要解决的主要环境问题。早期发现，警报和启动紧急措施是避免严重环境灾难的关键步骤。物联网具有强大的传感能力和广泛的探测范围，可以对环境进行实时和全面的监测。从这个意义上说，采用数据融合和智能识别技术，可以提高报警效率。因此，预测物联网将在预警，预测环境污染和水污染等方面发挥关键作用是合理的。
5.5.3 加强社会服务
物联网为社会服务中的不同元素提供了一种通过互联网相互联系和联系的方式：人、设备和社会服务资源。
得益于物联网，一方面，服务提供商可以获得有关人们需求的信息，并为他们提供量身定制的高质量服务; 而另一方面，人们可以更好地理解他们自己和周围的环境。预测物联网会在某些方面改变人们的生活方式是合理的。例如，基于物联网的智能医疗和智能家居系统将为人们的生活带来更多便利和舒适。
第6节 无线传感器网络与系统标准
6.1 综述
标准化是实现互操作性的一个主要先决条件，这不仅是不同供应商的产品之间，而且也是不同解决方案、应用和领域之间的互操作性。后者对物联网和无线传感器网络来说特别容易引起兴趣，因为通用接入来自各种应用领域的设备、传感器和参与者的话导致了新的跨域应用，而这正是物联网的主要目的。
互操作性必须在组件、通信、信息、功能和业务层的不同层面进行考虑。组件层基本上反映了传感器和执行器等设备，以及运行应用程序的网关和服务器。通信层负责组件之间的数据交换，而信息层则代表实际数据。功能层涉及可以是软件应用程序的功能，但也涉及硬件解决方案。在业务层描述业务交互。从WSN和IoT方法提供“事物”和涵盖各种应用领域的应用之间的信息交换，共同的通信和信息层标准是主要的兴趣点，但是通用功能也可以用于不同的应用领域。在组件层我们可以找到各种类型的设备，但仍然定义有标准，例如形状因子和模块连接器（例如无线模块，控制处理单元（CPU）板），这是合理的。
成功标准化的先决条件：必须收集用例和需求，并且需要架构标准进行构建整个系统并识别相关功能、信息流和接口。
由于无线传感器网络将被用于更广泛的物联网背景，因此也考虑了物联网标准和标准化活动。这尤其涉及到更高的通信协议、信息和功能层。
请注意，下面的标准和标准化活动清单并非详尽无遗。
6.2 现状
IEEE 802.5.14是WSN最相关的通信标准。它定义了低功耗、低复杂度和低成本的短距离无线传输物理层和连接层。它使用800/900 MHz和2.4 GHz的ISM频段。IEEE 802.15.4是ZigBee®，WirelessHart，WIA-PA和ISA.100.11a等其他标准的基础，它定义了区域或市场特定版本。该基准标准于2003年出版，并于2006年和2011年进行了修订。增加了各种修订以涵盖其他物理层协议，区域频段和特定应用领域。 目前的工作涵盖了额外的频段（例如空白电视信号频段，区域频段），超低功耗操作以及列车控制等特殊应用。
蓝牙也是蓝牙技术联盟的无线短程协议。对于蓝牙4.0，他们已经为低功耗应用提供了低能量协议。
RFID不仅在WSN环境中使用，而且是物联网行业中普遍感兴趣的。ISO / IEC JTC 1 / SC 31是定义多种RFID技术的ISO / IEC 18000系列标准的主要标准化驱动者之一。其他机构如ISO，EPCglobal 和DASH7都有助于或正在使用这些标准。
虽然较低的通信层通常是特定应用程序方法（例如WSN） 所特有的，但为了允许跨网络的互操作性，网络和较高的通信层应该优选使用通用协议。必须考虑到某些技术的特殊要求，例如低功耗和无线传感器网络中的小型计算覆盖区。IP协议套件现在是这些层的事实标准。虽然之前的领域标准已经定义了他们自 己的协议栈，但他们现在都转向了IP。对于WSN和物联网而言，IPv6是首选解决方案。国际互联网工程任务组（IETF）（RFC 2460等）的IPv6标准集（网络到应用层）可用并且稳定。 为了支持低功耗受限的设备和网络，特别是考虑到IEEE 802.15.4，IETF正在研究特定的扩展和协议。6LoWPAN工作组定义了IEEE 802.15.4 上的 IPv6映射（例如RFC 6282）。工作组考虑在低功耗和有损网络上架构路由（例如RFC 6550）。受约束的应用协议（CoAP）工作组定义了受限设备和网络的应用协议。考虑到受限设备和网络的特殊要求，有一种用于RESTful Web服务的HTTP协议的替代方法。
ZigBee®规范通过添加网络和安全层以及应用框架增强了IEEE 802.15.4标准。 它们涵盖了家庭和楼宇自动化，医疗保健，能源和灯光管理以及电信服务等各种应用领域。最初的Zigbee®规范定义了他们自己的网络和应用层协议，而最新的Zigbee®IP规范建立在IPv6和CoAP上。
对于应用程序之间的实际数据交换，存在各种方法，通常使用面向服务的体系结构（SOA）。 例如EC标准的OPC-UA和万维网联盟（W3C）定义的SOAP、WSDL和REST。 W3C定义的XML是常用的编码格式。在WSN的背景下，必须考虑这些协议在多大程度上限制了设备和网络。开放地理空间联盟（OGC）已经定义了一套开放标准，用于Web连接传感器和基于传感器的系统（传感器网络启用）的集成、互操作性和开发。
为了管理设备和网络，IETF定义的SNMP协议被广泛使用。NETCONF是IETF网络管理的一种新方法。目前已经开始涵盖IETF明确规定的受限设备和网 络的管理。用于物联网的其他设备管理协议是宽带论坛（BBF）和开放移动联盟（OMA）设备管理的TR-69。
为简化系统和应用程序的知识共享和自动配置，信息的语义表示是WSN和IoT中的一个重要问题。W3C在其语义网络活动中定义了基本协议，如RDF、RDFS和OWL。受限网络和设备的具体要求也必须考虑在内。此外，还定义了语义传感器网络本体。为了查询地理上分布的信息，OGC定义了GeoSPARQL。
欧洲电信标准协会（ETSI）TC SmartM2M已从几个应用领域的用例和要求入手，开发M2M通信体系结构以及设备，网关，网络备忘录和应用之间的相关接口，重点提供M2M服务。这项工作被引入到OneM2M中。
ISO / IEC JTC 1 / SWG 7（传感器网络）为传感器网络参考架构以及用于协作信息处理的服务和接口开发了ISO / IEC 29182服务。他们正在为通用应用和智能电网系统开发传感器网络接口。ISO / IEC JTC 1 /SWG 7（IoT）开始分析物联网的市场需求和标准化差距。
国际电联设立了一个M2M攻关小组来研究物联网标准化格局并确定共同要求。它最初的重点是卫生部门。联合协调活动（JCA-IoT）应协调ITU-T有关IoT的工作，包括识别功能的网络方面和无处不在的传感器网络（USNs）。此外，还有国际电联的各种或多或少的相关活动，例如下一代网络，包括USN，安全和识别（命名和编号）。
除了802.15.4之外，IEEE还在智能传感器（1451系列）和无处不在的绿色社区控制（1888系列）上开展活动。信息模型有时具有语义表达，甚至本体已经可用于不同的应用领域，如来自IEC TC 57的智能电网，来自IEC TC 65和ISO TC 184的工业自动化以及来自ISO TC 205和ISO / IEC JTC 1 / SC25建筑自动化。
在IoT环境中，重要的还有产品数据标准，例如IEC SC 3D定义的产品数据标准，ISO和ITU定义的标识标准以及ISO / IEC JTC 1 / SC31和OGC定义的定位标准。最后但同样重要的安全和隐私标准对WSN和物联网非常重要。
表6-1 WSN/IoT标准（并非详尽无遗）
组织 |
组 |
与WSN/IoT之间的关系 |
|
标准 |
正在进行的工作 |
IEEE |
802 |
短距离无线网络的物理层和链路层协议 |
|
802.15.4-2011（包括修正案a，c和d）， 802.15.4e-2012, 802.15.4f.2012, 802.15.4g-2012, 802.15.4k-2013, 802.15.4j-2013
|
空白电视信号频段，铁路通信 |
IETF |
|
IP协议套件（网络到应用层） |
|
例如RFC 2460（IPv6），RFC 2616（HTTP），RFC 768（UDP），1180（TCP），RFC 5246（TLS），RFC 4301（IPsec） |
|
组织 |
组 |
与WSN/IoT之间的关系 |
标准 |
正在进行的工作 |
IETF |
roll |
用于低功耗和有损网络的路由 |
RFC 5548，RFC 5673， RFC 5826，RFC 5867， RFC 6206，RFC 6550， RFC 6551，RFC 6552， RFC 6719，RFC 6997， RFC 6998 |
多址通信路径选择，安全威胁，针对不同的应 用的适用性声明 |
IETF |
core |
受限装置/网络的应用协议 |
RFC 6690, draft-ietf- core-coap-18 (等待作为RFC发表)
|
组通信，HHTP映射，资源，设备管理 |
IETF |
6LoWPAN |
对受限无线网络的IPv6映射（即IEEE 802.15.4） |
RFC 4919，RFC 4944， RFC 6282，RFC 6568， RFC 6606，RFC 6775 |
IPsec报头压缩，DECT低功耗映射 |
Zigbee® 联盟
|
|
|
2007规范，IP规范， RF4CE规范，楼宇自动化，远程控制，智能能源，智能能源规范2，医疗保健，家庭自动化，光联，电信服务，网关
|
零售服务 |
ISO/IEC JTC 1 |
SC 31 |
RFID,NFC |
ISO/IEC 14443, ISO/IEC 15693, ISO/IEC 15961, ISO/IEC 15962, ISO/IEC 18000, ISO/IEC 18092, ISO/IEC 21481, ISO/IEC 24791, ISO/IEC 29160, |
|
组织 |
组 |
与WSN/IoT之间的关系 |
标准 |
正在进行的工作 |
EPCglobal |
|
RFID（电子产品编码） |
EPCglobal数据标签，数据标签转换， EPCglobal HF空中接口协议，EPCglobal UHF“Gen2”空中接口协议，EPC信息服务（EPCIS） |
|
ISO |
TC 104 |
RFID（集装箱追踪） |
ISO18185 |
|
DASH7 |
|
RFID |
ISO/IEC 18000-7 |
DASH7联盟 协议 |
W3C |
|
应用通信，网络服务 |
XML，SOAP，WSDL，REST |
|
IEC |
TC 65 |
应用通信 |
IEC 62541（OPC-UA） |
|
IETF |
opsawg |
装置和网络管理 |
RFC 1155，RFC 1157，RFC1213，RFC3411-3418（SNMPv3） |
受限装置管理 |
IETF |
netconf |
装置和网络管理 |
RFC 4741-4744 |
安全 |
BBF |
Broadban-dHome |
装置管理 |
TR-69 |
|
OMA |
DM WG |
装置管理 |
DM 1.3 |
2.0版本， 受限装置（轻型DM） |
W3C |
|
语义表达 |
RDF，RDFS，RIF， OWL，SPARQL，EXI，SSN本体论 |
二进制RDF，对象内存建模 （OMM）， RDF流处理 |
组织 |
组 |
与WSN/IoT之间的关系 |
标准 |
正在进行的工作 |
OGC |
Sensor Web Enablement DWG
|
应用程序通信，网络服务 |
概述和提高体系结构，应用程序通信，网络服务，传感器模型语言，传感器模型语言，传感器观测服务，传感器规划服务，传感器报警服务，网络通知服务 |
|
OGC |
GeoSPARQL SWG |
语义表示 |
GeoSPARQL
|
|
ETSI （OneM2M） |
TC SmartM2M |
M2M通信， 结构，适用例子，需求，接口 |
TS 102689， TS 102690， TS 102921， TS 103092， TS 103093， TS 103104， TS 101584， TS 102691， TS 102725， TS 102732， TS 102857， TS 102898， TS 102935， TS 103167 |
互通，安防，智能城市，智能家电，语音智能 |
ISO/IEC JTC 1 |
SWG 7 |
传感器网络，架构，应用接口 |
ISO / IEC 29182， ISO / IEC 20005 |
智能电网接口（ISO/IEC 30101）， 通用应用程序接口 ISO/IEC 30128） |
组织 |
组 |
与WSN/IoT之间的关系 |
标准 |
正在进行的工作 |
ITU-T |
Focus Group M2M |
M2M架构， 要求， 应用接口， 电子健康 |
|
要求，架构，框架，APIs，协议，电子健康，标准化运动和缺口分析，电子健康M2M生态系统，电子医疗使用案例 |
ISA |
|
短距离无线网络物理和连接层协议 |
ISA100.11.a |
|
IEEE |
P1451 |
智能传感器 |
IEEE 1451（ISO/IEC/IEEE 21451） |
|
IEEE |
P1888 |
社区控制 |
IEEE 1888 |
|
ITU-T |
SG16 |
无处不在的传感器， 网络中间件，应用，认证 |
F.771，F.744，H.621，H.642 |
物联网应用，基于标签的识别认证 |
IEC |
TC 57 |
信息模型， 智能电网 |
IEC 61850，IEC 61968，IEC 61970 |
网页服务，映射，再生，整合，顾客接口，市场界面 |
IEC |
TC 65 |
信息模型， 工业自动化 |
IEC 6242，IEC 62714，IEC 62794 |
|
ISO |
TC 184 |
信息模型， 工业自动化 |
ISO 13584，ISO 15926 |
|
组织 |
组 |
与WSN/IoT之间的关系 |
标准 |
正在进行的工作 |
ISO/IECJTC 1 |
SC 25 |
信息模型，楼宇自动化 |
ISO/IEC 14543 |
|
ISO |
TC 205 |
信息模型，楼宇自动化 |
ISO 16484 |
|
IEC |
SC 3D |
产品数据 |
IEC 61360 |
|
ISO |
TC 184 |
产品数据 |
ISO 13584 |
|
ecl@ss |
|
产品数据 |
ecl@ss 7.0 |
|
IEC |
TC 65 |
无线传感器网络 |
IEC 62591，IEC 62601，IEC 62734 |
|
ISO |
TC 46 |
识别器 |
ISO 27729,ISO 26324,ISO 3297,ISO 2108,ISO 10957, |
|
ISO/IECJTC 1 |
SC 31 |
位置 |
ISO / IEC 24730，ISO / IEC 24769 |
|
ISO/IECJTC 1 |
SC 31 |
识别器 |
ISO/IEC 15459 |
|
ITU-T |
SG2 |
识别器 |
E.101，Y.2213 |
|
ITU-T |
SG13 |
无处不在的传感器网络 |
Y. 2221 |
|
ITU-T |
SG17 |
安防 |
X.1171, X.1311,X.1312, X.1313 |
|
OGC |
SWE |
位置 |
OpenGIS位置服务 |
|
3GPP |
SA1，SA2，SA3 |
服务和系统 |
|
MTC优化，MTC 通讯 |
3GPP |
G2，R1，R2，R3 |
无线电接入网络 |
|
增强技术。无线接入MTC |
3GPP |
CT1，CT3l，CT4 |
通信网络 |
|
评估3GPP协议的影响 |
组织 |
组 |
与WSN/IoT之间的关系 |
标准 |
正在进行的工作 |
3GPP2 |
TSG-SX |
M2M通信 |
ISO/IEC 14543 |
CDMA2000网络M2M通信研究 |
CCSA |
TC10/WG3 |
M2M通信 |
|
M2M通信，下一代网络 |
CCSA |
TC5/WG7 |
典型的M2M应用 |
|
|
ITU-T |
JCA-NID |
识别系统 |
|
识别系统的网络特征（包括RFID） |
6.3 标准化需求和展望
无线传感器网络乃至更多物联网不是单一技术，而是代表使用各种技术从物理通信层到应用程序的复杂系统。此外，它们被用于许多应用领域和不同的环境。 这也可能导致复杂的标准化环境。如上所述，我们已经有大量的现有标准和正在进行的标准化活动。但是，它们通常只涵盖整个系统的某些方面和应用领域，或者专注于特定用例。IOT和WSN是IEC正在进行和正在出现的类似智能电网、工业4.0和智能城市等标准化领域的基础技术领域，对于IEC来说，对标准化环境以及IEC应用领域的特定需求有很好的了解是很重要的，以便引导标准化朝着必要的方向发展，填补标准化差距，但是这必须与其他相关标准化机构密切合作完成。
从特定应用领域（如智能电网，工业4.0，智能城市）的用例出发，需要定义需求和架构框架，以满足IEC的需求。基于此，可以确定哪些现有标准可以重复使用，哪些缺口必须填补。
6.4 挑战和未来的标准化需求
WSN是一种涉及信息技术不同层和方面的新兴技术。所以它的标准化有其独特的复杂性：
不统一：不同标准组织之间以及彼此之间缺乏沟通、协调和统一规划。
不兼容性：由于WSN涉及信息技术的不同方面，因此其标准复杂多样。不同标准组织制定的不同标准不兼容。
缺乏协调：一些无线传感器网络应用已经开始陆续实施。虽然不同的标准化组织从不同的角度，不同的深度开展工作，但大部分工作仍处于初级阶段，尚未准备就绪。
分歧：由于应用程序不同步，标准开发延迟，应用程序的构建不符合标准开发，影响应用程序的重用性和互通性，阻碍了工业化的发展。
为解决上述问题，建议WSN标准化应加强不同标准组织之间的沟通协调，统一规划，优化资源配置，减少重复工作。
第7节 结论和建议
无线传感器网络，甚至物联网并非单一技术，而是代表使用各种技术从物理通信层到应用程序的复杂系统，并在许多应用领域和不同环境中使用。这种多样性导致了一个复杂的标准化环境。正如本白皮书中所讨论的那样，WSN已经存在大量的现有应用，挑战和正在进行的标准化活动。由于无线传感器网络的独特特性，这可以为工业，研究机构和标准化机构创造机会。这使它们在当前和未来的基础设施应用中具有吸引力。
由于物联网和无线传感器网络是基于IEC强力涵盖的技术领域，如智能电网，工业4.0和智能城市，IEC对IEC应用程序，标准化环境以及WSN利益相关者的WSN特定需求有着很好的理解。为了引导标准化朝着正确的方向发展并确定和消除标准化差距，需要在IEC（即其他相关标准化机构）内外进行密切合作。
7.1 一般建议
7.1.1 大型无线传感器网络
随着大规模无线传感器网络节点数量的增加，网络密度也随之增加，并且链路失败的可能性变得更加频繁。IEC建议进一步的研究应考虑其他网络性能标准，如质量实时应用程序的服务（QoS）问题以及某些特殊环境中的节点移动性。
7.1.2 研究适合超大传感和动态变化的系统结构和集成技术
IEC建议工业界和研究机构为WSN开发系统架构和集成技术。为了在各种异构网络环境中实现信息的自由交换，需要基于面向服务体系结构协议（SOAP）的系统体系结构与OPC-UA，语义表示和处理等集成技术相结合。
7.1.3 开发通用模型以确保安全
由于部署了越来越多的节点，并且通常在WSN中添加安全服务（特别是基础设施）时性能受到影响，因此IEC建议相关研究机构合作开发通用模型以确保每层的安全性，并使这些图层相互协作。
7.1.4 无线传感器网络的高并发访问技术
除了当前的接入技术之外，IEC建议大力投入开发和运行高并发接入技术，尽管它们在历史背景下具有新颖性。高并发访问技术可以进一步提高稀缺无线频谱的效率，并支持更大的网络。
7.2 向IEC及其委员会提出的建议
7.2.1 基础标准需要适用于无线传感器网络的体系结构
MSB建议SMB为无线传感器网络体系结构制定相关标准。从符合IEC需求的特定应用领域（如智能电网，工业4.0，智能城市）的用例出发，需要定义需求和架构框架。根据分析，只有到那时我们才能确定哪些现有标准可以重复使用，哪些差距必须填写。
7.2.2 为WSN工厂自动化做出技术贡献
MSB建议中小企业积极参与无线传感器网络的开发，以满足高并发访问要求的工厂自动化。IECTC65定位于此领域。
7.2.3 WSN工厂自动化标准的快速发展
MSB建议中小企业实施工厂自动化的无线传感器网络标准，特别注意协调现有的国家或地区标准。
7.2.4 与无线传感器网络上的行业协会合作实现工厂自动化
MSB建议SMB鼓励TC在全球行业层面跟踪WSN的发展。许多行业协会都积极参与这方面的工作，并撰写了研究报告和立场文件，为这些问题提供了一些看法标准化工作应该考虑到这些努力。
7.2.5 系统认证标准
MSB建议CAB考虑未来的标准化需求，以促进和支持无线传感器网络的模块化认证。由于复杂的系统通常具有非常复杂的系统行为，因此大规模系统的认证是非常简单的。但是，模块化系统带来了模块化认证的承诺。在这样的系统中，大多数认证过程都集中在单个系统模块上，而对集成系统本身只进行一小部分剩余认证。换句话说，该系统“继承”其模块的认证。
附件A 接入技术
A.1 接入技术的发展趋势
根据目前WSN应用的特定要求，接入技术的发展已经取得了显着的进展。蓝牙技术更具系统性和显着性4.0面向医疗WSN，面向工业WSN的IEEE802.15.4e和面向物联网的WLANIEEE802.11™。
A.1.1蓝牙4.0
考虑到医疗和其他物联网应用的特点和要求，特别是低功耗要求，蓝牙技术联盟于2012年发布了蓝牙4.0的最新蓝牙标准。面向高度集成和紧凑型设备，蓝牙4.0采用轻量级接入技术，提供超低功耗待机模式操作，从而确保在工作和待机模式下的功耗极低。即使是纽扣电池也可以支持蓝牙的不间断工作4.0设备几年。下表比较了蓝牙4.0和传统蓝牙技术的参数。
表A-1蓝牙4.0与传统蓝牙技术的比较[54]
技术指标 |
经典蓝牙技术 |
蓝牙低功耗技术
|
距离/范围 |
100米（330英尺） |
50米（160英） |
空中数据速率 |
1Mbit/s到3Mbit/s |
1Mbit/s |
应用吞吐量 |
0.7Mbit/s到2.1Mbit/s |
0.27Mbit/s |
服务从站 |
7 |
未定义;执行依赖 |
安全性 |
56/128位和应用层用户 |
具有计数器模式CBC-MAC和应用层用户定义的128位AES |
稳定性 |
自适应快速跳频，FEC，快速ACK |
自适应跳频，延迟确认，24位CRC，32位消息完整性检查
|
延迟（来自非关联状态） |
通常为100毫秒 |
6毫秒 |
发送数据的总时间（检测电池寿命） |
100毫秒 |
3ms，<3ms |
语音能力 |
是 |
没有 |
网络拓扑结构 |
分散网 |
星型总线 |
能量消耗 |
1作为参考 |
0.01至0.5（取决于使用情况） |
峰值电流消耗 |
<30mA |
<15mA |
A.1.2 IEEE802.15.4e
WSN的特点与低速WPAN非常相似，因此大多数WSN采用IEEE802.15.4作为底层通信标准。此外，ZigBee®[55]，WirelessHART[56]，ISA100.11a[57]和WIA-PA[58]都是建立在IEEE802.15.4标准之上的。因此，针对工业物联网应用的高可靠性，高实时性要求，IEEE802.15.4工作组于2012年提出IEEE802.15.4e。
图A1-1 IEEE802.15.4e的接入技术架构[59]
面向工业应用，IEEE802.15.4e通过四种接入方法扩展IEEE802.15.4，包括基于Beacon的非竞争扩展GTS方法，支持面向过程自动化的WIA-PA，支持非信标非竞争TDMA方法面向过程自动化的WirelessHART和ISA100.11a，基于支持工厂自动化应用的Beacon方法的竞争性访问以及支持Zigbee®和IEEE802.15.5[60]的非Beacon竞争访问方法。
A.1.3 WLANIEEE802.11™
从物联网角度来看，WLANIEEE802.11™的主要优势在于
① 将WLAN客户端和设备轻松集成到互联网中，
② 作为无线通信技术在家庭和工业中被广泛接受，
③ 它支持移动设备
④ 工业应用和传感器网络可接受的低功耗级别。
基于标准IEEE802.11™[17]的无线局域网是无线数据通信，会议和家庭会议，工业无线通信的最佳选择。WLANIEEE802.11网络通过其面向网络的，类似以太网的规范以及稳定的，商业上成功的和广泛部署的生态系统提供了与因特网的轻松集成。
IEEE802.11™WLAN的主要网络拓扑结构是连接到WLAN网络接入点的移动WLAN客户端。
图A1-2 GainSpanGS1011M低功耗Wi-Fi模块[61]
其他网络拓扑也是可能的，特别是无线网状网络（IEEE802.11s[62]）WLANIEEE802.11™，其提供具有IEEE802.11a/g的56Mb/s，150Mb/s以及IEEE802.11n的更多数据速率，IEEE802.11ac可达1Gb/s。
此外，WLAN也正在进入工业无线通信和传感器网络。像GainSpan这样的公司提供所谓的低功耗Wi-Fi客户端（见图A1-2）。低能耗是通过节能的硬件和随后使用IEEE802.11™规范的省电功能来实现的。计划通过Wi-Fi联盟进行认证。正在进行更多与IEEE802.11™有关的IoT和WSN修正案。例如，IEEE802.11ah中的sub-GHz频带和IEEE802.11ad/aj中的60GHz频带的附加PHY层。
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