第一篇：无线传感器在数字化油田的应用

无线传感器在数字化油田的应用

前言

井口数字化建设是油田地面工程数字化建设最底层、范围最广、最关键的现场部分，主要完成对现场井口、站点的数据采集和控制。包括：抽油机油井、螺杆泵油井、电潜泵油井、注水井等。在数字化油田井口建设中，使用无线传感器可以减少建设周期、维护方便，适合于规模施工，全面建设数字化油田。下面以中石油青海油田为例，介绍无线传感器在油田中的应用。

1.背景介绍

中石油青海油田公司是集油气勘探、开发、研究、生产、销售为一体的大型石油公司。作业区域在素有“聚宝盆”之称的柴达木盆地。石油资源量达21.5多亿吨，天然气资源量近25000亿立方米，目前油气勘探程度较低，具有广阔的发展前景。

自2000年以以来，青海油田在部分区块已经建立了井网自动化系统，典型系统如尕斯区块、跃进区块、七个泉区块，覆盖约500多口油井。但是原有系统的覆盖面小，对于整个油田而言，仍有一半以上的井口、站点尚未实现自动化监控；另一方面，随着电子技术、通信技术的发展，在已有系统中，早期建成的部分系统采用的产品和技术已经逐渐失去了先进性，在使用维护过程中暴露出的一些问题。

2011年青海油田的数字化油田项目，完成对现场的抽油机油井、螺杆泵油井、电潜泵油井、注水井的数字化建设。最终要在2011年底建立起覆盖整个油田的、技术先进、质量可靠、便于使用维护的基于物联网的油田数据采集和监控（SCADA）系统，实现数字化油田的建设目标。

在实时监控方面，实现对油井的远程示功图、电流图、功率图采集，三相电参数采集和中控室远程启停控制；在生产管理方面，通过抽油机示功图对油井工况进行诊断分析，通过电量数据掌握油井耗电情况和采取节能措施，通过功图计产分析制定油井管理措施；在生产信息方面，在钻采院室设置数据库服务器和WEB发布服务器，实现油田生产信息在油田范围内的信息共享。

1.1数字化油田项目

既包括新建区块（对原来没有实现自动化的区块进行自动化建设），也包括老区块改造（对已有自动化的区进行改造和完善）。其中新建区块的抽油机井约1000口、螺杆泵井约100口、电潜泵井约20口，此外还包括600多口注水井；老区块改造的油水井总数约数百口。这些油水井隶属于3个采油厂12个区块。

各种井口要实现的功能如下：

2.数字化油田的总体结构设计和产品选型

井口数字化建设主要由井口控制终端(RTU)、现场检测设备、通讯链路组成的一套（SCADA）数据采集控制系统。如何选用功能完备的RTU和检测仪表、如何选用可靠的通讯方式进行井口数据通讯以及如何使数据稳定准确及时的传输到中控室，都决定了系统的稳定性、实用性和可靠性。

在2011年的新系统建设和老区块改造项目中，尽管各种油水井的功能同以前建设的已有系统类似，但是在井站系统的通信系统设计和产品、技术选型方面，却发生了本质的变化。

在产品选型方面，选用北京安控科技股份有限公司最新生产的高性能一体化无线RTU产品和无线传感器，安控产品既保留了其传统的高性能、高可靠性等特点，同时又全面支持最新的ZigBee无线技术。对于该油田已有系统的老RTU，也采用北京安控公司的ZigBee无线通信模块进行改造，扩充出无线通信接口。

在井站系统通信设计方面，井口仪表与井口RTU之间采用先进的ZigBee无线技术，具备大容量、低功耗、高可靠性、高安全性的优点，代表了短距离无线通信技术的发展趋势，并由此带来施工简化、调试维护简单、建设周期短等优点。井口RTU与上级监控中心之间的数据通信，则采用了CDMA通信网络。

2.1井站自动化系统的总体结构

在高标准、高性能、高稳定性的原则指导下，青海油田数字化油田系统结构如下图所示，包括数据采集部分、网络通讯部分和采集驱动WEB发布三大部分

●每个井口通过无线传感器采集所需数据；

●充分利用ZigBee网络特点，一个平台井口的所有无线仪表接入到同一个无线RTU，组成Mesh网络，提高通讯可靠性；每个RTU可以带64块仪表；

●所有无线仪表和无线RTU支持手操器调试，方便现场维护；

●无线RTU采集到的无线传感器数据，通过CDMA 1X网络上传到监控中心，并在本地存储历史数据，支持数据补传功能；

●监控中心搭建油气水井数字化生产信息平台，通过WEB方式发布井口实时数据；

2.2产品选型

在油田井口数字化建设中，相关产品选用了北京安控科技股份有限公司的采集和控制设备。这些设备均支持ZigBee技术。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。ZigBee技术是基于IEEE802.15.4物理层、MAC层和数据连接层上制定出的标准，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。

北京安控科技股份有限公司（简称“安控科技”），是专业从事工业级RTU产品研发、生产、销售和系统集成业务的高新技术企业，是行业领先的工业级RTU产品供应商和系统集成服务商，拥有完善的远程控制终端（RTU）产品链，拥有完善的油气田自动化和环保在线监测专用产品。

2.2.1无线电量模块

抽油机井、电潜泵井的数据采集设备，选用的是安控科技的SZ308无线电量模块，可实现三相电压、三相电流、有功功率、功率因数、有功电能等电参数采集，实现抽油机启停状态采集，实现抽油机的启停控制，与SZ902N配合实现抽油机井电流图、功率图的采集。模块具备6路AI、4路DI、4路DO通道。在通信接口方面，具备1个RS232接口、1个RS485接口，内置了高性能的ZigBee通信芯片，并配套提供2.4G高增益天线。

SZ308无线电量模块采用先进的32位处理器，不仅能完成电参数的采集，还能实现数据处理、通讯联网等功能；强大的通讯组网能力和卓越的环境指标特性，能够适应各种恶劣工况环境。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。

2.2.2无线功图传感器

抽油机井示功图采集选用安控科技的SZ902N无线功图传感器，可自动测量抽油机井地面示功图（冲程、冲次等），实现对有杆泵示功图的采集。示功图数据以ZigBee无线通信方式，传输到井口无线RTU中。

SZ902N无线功图传感器，设备简单，只有一个与传统载荷传感器相似的终端组成；安装方便，与传统的载荷传感器安装方法相同，但是免去了有线仪表电缆敷设的施工量，安装简化快捷；运行稳定，使用电池供电，可消除外界电网干扰；安全防盗，示功仪与卡锁一起上下运动，不易被人为破坏；技术先进，可设置多个频点，避免同频干扰；方法新颖，利用加速度传感器获取位移量；绿色产品，利用太阳能充电安全环保。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。

2.2.3无线数字压力表

井口油压、套压采集选用安控科技的SZ903D无线数字压力表，实时监测油压、油套的压力和注水井注水压力。SZ903D无线数字压力表，就地显示配置液晶显示器；采用防H2S腐蚀设计；适用于各种恶劣的使用环境；具有功能强、可靠性高、应用灵活、操作方便等特点。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。

2.2.4无线扭矩传感器

螺杆泵井口扭矩、负荷、转速采集选用安控科技的SZ904无线扭矩传感器，实时监测螺杆泵井口扭矩、负荷、转速。SZ904无线扭矩传感器，采用防H2S腐蚀设计；适用于各种恶劣的使用环境；具有功能强、可靠性高、应用灵活、操作方便等特点。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。

2.2.5无线数字温度表

井口温度采集选用安控科技的SZ905D无线数字温度表，实时监测井口油温和注水井注水温度。SZ905D无线数字温度表，就地显示配置液晶显示器；采用防H2S腐蚀设计；适用于各种恶劣的使用环境；具有功能强、可靠性高、应用灵活、操作方便等特点。通过无线通讯协议与井口RTU进行数据通讯。

2.2.6无线RTU

井口无线RTU选用安控科技的SZ932无线网关产品。该设备具有1个ZigBee无线接口、1个RS485接口、1个RS232接口、1个TCP/IP网络接口，因此可以广泛用于以下场合：

（1）接收SZ90X无线仪表的数据；

（2）实现有线通信和无线通信之间的转换；

（3）实现第三方产品的协议转换；

（4）作为网关设备，将有线RS232/RS485或者无线通信转换为网络数据传输；

在油田井口数字化建设中，SZ932无线RTU可以通过ZigBee接口接收井口无线仪表的数据，并通过ZigBee或其他通信方式将井口数据上传到监控室。主要支持的通信方式为

1)GPRS/CDMA DTU通信

2)无线网关通信

3)SCDMA大灵通通信

4)数传电台通信

5)有线RS485通信

2.3网络通信设计

从系统结构图可以看出，通信设计采取了ZigBee+CDMA 1X方式，达到实时数据采集、传输、远程控制等效果，并将相应数据传输至后台网络，实现后台信息共享，信息管理等应用。

2.3.1 ZigBee无线应用部分

每个丛式井场，一般有3、4口井相对比较集中,采用短距离无线技术可以节省成本同时也降低了施工强度。无线技术采用的是ZigBee的无线网络协议，ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)915MHZ(美国流行)3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-250m的范围内，但可以继续增加。

2.3.2 CDMA应用部分

井站是分散的，且与作业区监控中心的距离相对较远。井口采集数据要统一传送到中控室，采取了抗干扰能力强、传输距离远的CDMA作为媒介，以保证数据传输的实时性、可靠性和稳定性。

3．系统实现的功能

数据采集包括井口数据采集、作业区监控中心。

3.1井口数据采集部分

1)功图法量油

在井场，井场配套无线功图传感器SZ902N，实现油井功图全天候采集。在作业区监控中心则安装专门的示功图量油诊断软件，及时掌握油井产量情况和分析故障原因。

2）电流图、功率图采集

无线电量模块与无线功图传感器配合，实现油井电流图、功率图全天候采集。在作业区监控中心则安装专门的分析诊断软件，及时掌握油井电机运行情况和分析故障原因。

3）电参采集、油井压力、温度采集

在抽油机控制箱配套无线电量模块SZ308，监测抽油机上下行过程中三相电流和三相电压的变化情况；监视抽油机运行状态，对电机缺相、过载、空转等故障实现自动报警，并能根据控制中心命令实现启停控制。

在油井上安装无线数字压力表SZ903D，实时监测油压和套压的变化。

在油井上安装无线数字温度表SZ905D，实时监测井口出油温度的变化。

3）螺杆泵井

在螺杆泵井井口安装无线扭矩传感器，实时采集光杆的扭矩、负荷、转速。在作业区监控中心则安装专门的螺杆泵量油诊断软件，及时掌握螺杆泵井产品情况。

无线RTU SZ932提供了标准的RS485接口，能够与螺杆泵控制变频进行通讯。采集变频实时数据，了解三相电压、三相电流、电功率、功率因数和电能等参数，并据此制定节能降耗措施。

4）电潜泵井

在电潜泵井控制箱内配套无线电量模块SZ308，通过电流互感器对电泵井的三相电流进行实时监控。

5）注水井

在注水井安装无线数字压力表SZ903D，实时监测注水井压力的变化。

3.3监控中心部分

建立油气水井数字化生产信息平台，通过WEB方式实现流程监控、功图分析、生产曲线、报表生成、操作日志和报警等功能。有着信息完整、提高工作效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势。提高了油田油井系统运行可靠性、安全性与经济效益，减轻了调度员的负担，实现了油田调度自动化与现代化，在提高调度人员的工作效率和操作水平方面有着不可替代的作用。

4．无线传感器在油气田数字化建设中的优点、效益分析

与传统的产品选型和系统设计相比，无线传感器在油气田数字化建设和使用中均显示出了独特的优点：

4.1施工简便、低成本，节省材料和人工

油田传统的井站自动化系统的建设方式，以某油田原有的老区块为例，采用的是模拟仪表和有线通信传输。模拟仪表传输和有线通信方式，在施工安装过程中不可避免地需要敷设信号电缆、通信电缆（如RS485电缆），涉及到在井场挖沟和安装电缆护管等。人工费用和材料费用造成施工成本高。

而在无线传感器应用的系统中，这一部分的施工费用不存在了，信号传输和通信传输均简化为无线通信的调试，施工成本被降到了最低。

4.2施工快捷，建设周期短，便于后期维护

由于新系统的建设省略了在井场动土挖沟、动火电焊等施工，因此施工速度提高了数倍。

以安控科技生产的无线功图传感器的安装为例，传统的信号电缆敷设和传感器安装需要至少半小时以上，而该传感器减少了安装抽油机光杆卡子和电缆敷设的时间，因此正常的安装时间缩短到了10分钟以内。

井场内自动化设备的安装施工中，都需要对油井停机停电，而停机就意味着油井减产。因此从这个意义而言，施工速度的提高就等于是生产效益的提高。

在系统的后期维护方面，某油田老区块原有的信号和通信电缆，在修井作业中经常被重型车辆轧断和遭到人为破坏。而无线传感器则免除了这一问题。

4.3适合于规模施工，全面建设数字化油田

随着电子技术、计算机技术的进步，特别是国产设备的推陈出新，油田专用的RTU、PLC产品的采购成本已经逐渐降低；而无线技术的应用，则带来了施工费用的大大降低。

仅仅在数年以前，油田数字化建设的投资还只能针对重点区块、建设重点工程。而目前最新的技术和产品，则为全面建设数字化油田创造了条件。

第二篇：无线传感器网络概况

无线传感器网络概况

摘 要 无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。因其巨大的应用前景而受到科学界越来越广泛的重视。本文介绍了无线传感器的定义及其特点，并着重分析了无线传感器网络研究的一些关键问题，最后探讨了无线传感器网络的应用前景以及发展方向。

关键字 无线传感器网络；体系结构；关键技术；应用

一、无线传感器网络的定义

无线传感器网络就是部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。

二、无线传感器网络的特点

目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Adhoc网络等，无线传感器网络在通信方式、动态组网以及多跳通信等方面有许多相似之处，但同时也存在很大的差别。无线传感器网络具有许多其鲜明的特点：（1)电源能量有限（2)通信能量有限（3)计算能力有限（4)网络规模大，分布广（5)自组织、动态性网络（6)以数据为中心的网络（7)应用相关的网络。

三、无线传感器网络的主要研究领域

无线传感器网络目前研究的难点涉及通信、组网、管理、分布式信息处理等多个方面。无线传感器网络有相当广泛的应用前景，但是也面临很多的关键技术需要解决。下面列出部分关键技术：

（1）网络拓扑管理：无线传感器网络是自组织的，如果有一个很好的网络拓扑控制管理机制，对于提高路由协议和MAC协议效率是很有帮助的，还能有利于延长网络寿命。目前这个方面主要的研究方向是在满足网络覆盖度和连通度的情况下，通过选择路由路径，生成一个能高效的转发数据的网络拓扑结构。（2）网络协议：因为传感器节点的计算能力、存储能力、通信能力、携带的能量有限，每个节点都只能获得局部网络拓扑信息，在节点上运行的网络协议也要尽可能的简单。目前研究的重点主要集中在网络层和MAC层上。网络层的路由协议主要控制信息的传输路径。好的路由协议不但能考虑到每个节点的能耗，还要能够关心整个网络的能耗均衡，使得网络的寿命尽可能的保持的长一些。（3）网络安全：无线传感器网络除了考虑上面提出的两个方面的问题外，还要考虑到数据的安全性，这主要从两个方面考虑：一个方面是从维护路由安全的角度出发，寻找尽可能安全的路由以保证网络的安全。另一方面是把重点放在安全协议方面，在此领域也出现了大量研究成果。典型的安全问题可以总结为：信息被非法用户截获；一个节点遭破坏；识别伪节点；如何向已有传感器网络添加合法的节点等四个方面。

（4）定位技术：位置信息是传感器节点采集数据中不可或缺的一部分，没有位置信息的监测消息可能毫无意义。节点定位是确定传感器的每个节点的相对位置或绝对位置。节点定位在军事侦察、环境检测、紧急救援等应用中尤其重要。节点定位分为集中定位方式和分布定位方式。定位机制也必须要满足自组织性，鲁棒性，能量高效和分布式计算等要求。定位技术也主要有两种方式：基于距离的定位和距离无关的定位。

（5）时间同步技术：传感器网络中的通信协议和应用，要求节点间的时钟必须保持同步。J.Elson和D.Estrin曾提出了一种简单实用的同步策略。这种同步机制应用在确定来自不同节点的监测事件的先后关系时有足够的精度，设计高精度的时钟同步机制是传感网络设计和应用中的一个技术难点。普遍认为，考虑精简NTP（network timeprotocol）协议的实现复杂度，将其移植到传感器网络中来应该是一个有价值的研究课题。

（6）数据融合：传感器网络为了有效的节省能量，可以在传感器节点收集数据的过程中，利用本地计算和存储能力将数据进行融合，取出冗余信息，从而达到节省能量的目的。

四、无线传感器网络的应用

无线传感器网络的应用前景非常广阔，随着无线传感器网络的深入研究和广泛应用，无线传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。

1．军事应用：传感器网络具有可快速部署，可自组织，隐蔽性强和高容错等特点，因此非常适合在军事上应用。利用生物和化学传感器，可以准确地探测到生化武器的成分，及时提供情报信息，有助于正确防范和实施有效的反击。2．环境科学：随着人们对于环境的日益关注，环境科学所涉及的范围越来越广泛。通过传统方式采集原始数据是一件困难的工作。传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便，此外，传感器网络也可以应用在精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。传感器网络还有一个重要应用就是生态多样性的描述，能够进行动物栖息的生态监控。

3．智能家居：无线传感器网络还能够应用在家居系统中。智能家居网络系统是将家庭中各种与信息有关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持家庭设施与住宅环境的和谐与协调的系统。

4．医疗健康：传感器网络为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。

5．空间探索：探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器网络节点实现对星球表面长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。6．其他商业应用：自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感器网络的三大特点，这些特点决定了传感器网络在商业领域应该也会有不少的机会。

由于具有覆盖区域广阔、监测高精度、可远程监控、可快速部署、可自组织和高容错性等特点，尽管目前无线传感器网络仍处于初步应用阶段，网络安全研究等方面还面临着许多不确定的因素和有待解决的问题，但已经展示出了非凡的应用价值。相信在不久的将来，会对人们的生产生活起到不可估量的作用。参考文献

[1]滑楠.无线传感器网络相关理论与应用研究.电子学报,2007 [2]肖俊芳.无线传感器网络的若干关键技术研究.上海交通大学工学博士学位论文,2009 [3]马建庆.无线传感器网络安全的关键技术研究.上海:复旦大学计算机信息与技术系,2007 [4]李建中,高宏.无线传感器网络的研究进展.计算机研究与发展,2008 [5]颜振亚,郑宝玉.无线传感器网络.计算机工程与应用,2005 [6]康启涛,陶滔.无线传感器网络综述.应用安全,2008.2

第三篇：机械 无线传感器实验小结

实验小结

一个下午的实验，或许比我这大学三年多所学的理论知识更加具有实用性。开头，老师用一个混凝土传送车的测量项目，从经济成本和技术手段等方面详细介绍了有线测量的缺点与无线测量的有缺点。印象最深刻的一点是：有线测量的线路布置相当麻烦，且成本高昂，易受外界干扰；无线测量安装方便，随着技术的进步，成本也较低，抗干扰性较好，将是未来科技发展的方向。接下来便是动手操作，其中有两点感触颇深：

第一、从基础做起很重要。

整个实验从学习测量软件开始，实验的相关参数都需要再软件中事先设置妥当。有的同学完全不管不顾就立即开始测量，使得实验数据牛头不对马嘴，直接导致测量失败。学习好测量软件，接下来便是看懂实验原理图，选择正确的传感器进行实验。一开始，我们无从下手，原因在于：无线传感器本身的结构不了解，无法有效的使用起来，输入接入了3

通道，在软件上采集时却使用1通道，一直采集不到

实验数据，或者本该接在同一个传感器的不同通道上的，却找两个传感器来测量。好在，经过摸索和同学

间的讨论，终于弄明白了这些问题，希望以后的同学

们能吸取教训。

第二、细节很重要。

记得千分表加载测应变的实验中，要求输入信号全桥

接入，共4根接入线，其中一对是电源与地线，一对

是中间节点线。刚开始，我们两个接线员一看电路图，想当然认为4个电阻一样大，4根线应该是一样的，变随机接线，导致最后无论怎么调试都没有输入信号，明显是将邻臂接入了电路，使得输入信号互相抵消了，正确的接法应该是采用对臂相加原则，将R1R3或者R2R4 接入，也就说电源线与地线必须正确对于。

经过一下午的努力，终于完成了实验，整理好实验仪器，提交实验数据，走出实验室，顿时感觉成长了好多。

第四篇：无线传感器网络实验报告

桂林电子科技大学

实验报告

2015 5--2016 6 学年第 一 学期

开 课 单 位

海洋信息工程学院

适用年级、专业

课 程 名 称

无线传感器网络

主 讲 教 师

王晓莹

课 程 序 号

1510344

课 程 代 码

BS1620009X0

实 验 名 称

ns2 实验环境配置及应用

实 验 学 时学时

学

号

姓

名

一、

实验目的1)掌握虚拟机的安装方法。

2)熟悉 Ubuntu 系统的基本操作方法。

3)掌握 ns2 环境配置。

4)掌握 tcl 语言的基本语句及编程规则。

5)了解使用 ns2 进行网络仿真的过程。

二、

实验环境

1)系统：Windows 10 专业版 64 位 2)内存：8G 3)软件：VMware Workstation 12 Pro 三、实验内容

((一 一))安装虚拟机（简述安装步骤）

a)在 VMware 官网（https://#allinone 复制到根目录，解压到当前位置 tar xvfz ns-allinone-2.35.tar.gz

在根目录下打开 ns-allinone-2.35 文件夹，在里面找到 ns-2.35 打开找 linkstate文 件 夹，打 开 里 面 的 ls.h 文 件，将 第 137 行 的 void eraseAll(){ erase(baseMap::begin(), baseMap::end());} 改成 void eraseAll(){ this->erase(baseMap::begin(), baseMap::end());}

运行 cd./ns-allinone-2.35 运行./install #进行安装

d)设置环 境变量：

终端中输入 cd，返回根目录，然后

sudo gedit.bashrc 在文件末尾加入：

export PATH=“$PATH:/home/kevin/ns-allinone-2.35/bin:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tcl8.5.10/unix:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tk8.5.10/unix” export LD_LIBRARY_PATH=“$LD_LIBRARY_PATH:/home/kevin/ns-allinone-2.35ns-allinone-2.35/otcl-1.14:/home/kevin/ns-allinone-2.35/lib” export TCL_LIBRARY=“$TCL_LIBRARY:/home/kevin/ns-allinone-2.35/tcl8.5.10/library” 保存退出

e)验证 完成后在新终端窗口 输入 ns 出现%

测试：

ns./ns-allinone-2.35/ns-2.35/tcl/ex/simple.tcl

输入 exit 退出 ns2

((四 四))l tcl 语言基本使用（举例说明）

a)创建 test01.tcl 文件，编辑 test01.tcl 文件,在终端输入 touch test01.tcl #创建文件 gedit test01.tcl #编辑文件 b)在 test01.tcl 中输入“九九乘法表”TCL 语言

c)运行 test01.tcl，结果如图：

((五 五))网络仿真（可以选示例，也可以自己参考资料设计仿真）

((六 六))遇到的问题及解决方法

1.Ns2 验证：安装完成后在新终端窗口 输入 ns 不出现 %

使用 sudo apt-get install ns2 安装后新窗口输入 ns 出现 %

2.TCL 语言测试：找不到 tk.tcl

ns./ns-allinone-2.35/ns-2.35/tcl/ex/simple.tcl 提示找不到 tk.tcl，因为没安装 nam，输入命令 sudo apt-get install nam 安装成功，再验证就可以了。

四、

实验总结

通过本次实验，熟悉掌握了虚拟机 VMware Workstation Pro 的安装与系统创建安装使用，熟悉掌握 Ubuntu 系统的基本命令操作，掌握 ns2 环境配置，掌握 tcl 语言的基本语句及编程规则，了解但还尚未能掌握使用 ns2进行网络仿真的操作。相信之后通过理论与实践更深的了解熟悉网络仿真的知识与操作。

第五篇：无线传感器网络综述(网安).

2008.2 80 网络安全技术与应用 无线传感器网络综述 唐启涛

陶滔

南华大学计算机科学与技术学院

湖南

421001 摘要:本文介绍了无线传感器网络的概念、特点、通信结构及其安全需求,并对其应用过程中可能遇到的攻击方式和相 应的抵御方法做了简单介绍。指出了无线传感器网络今后的研究方向及最新研究动态。

关键词:无线传感器网络;网络协议栈;传感器节点;多跳路由 0

引言

近年来随着传感器、计算机、无线通信及微机电等技术 的发展和相互融合,产生了无线传感器网络(WSN, wireless sensor networks。无线传感器网络技术与当今主流无线网络 技术使用同一个标准——802.15.14, 它是一种新型的信息获 取和处理技术。无线传感网络综合了嵌入式计算技术、传感 器技术、分布式信息处理技术以及通信技术,能够协作地实时 监测、感知和采集网络分布区域内的不同监测对象的信息。它的应用极其广泛, 当前主要应用于国防军事、智能建筑、国 家安全、环境监测、医疗卫生、家庭等方面。

无线传感器网络系统(WSNS, wireless sensor networks system通常由传感器节点、聚节点和管理节点组成。它的结 构图如图1。传感器节点负责将所监测的数据沿着其他传感器 节点逐跳地进行传输, 经过多跳路由, 然后到达汇聚节点, 最 后通过卫星或者互联网到达管理节点, 然后, 用户1通过管理 节点对传感器网络进行管理, 发布监测任务及收集监测数据。通过无线传感器网络可以实现数据采集、数据融合、任务的 协同控制等。

图

1无线传感网络系统结构图 1

无线传感器网络特点

目前常见的无线网络包括移动通信网、Ad Hoc 网络、无 线局域网、蓝牙网络等,与这些网络相比,无线传感器网络 具有以下特征:(1硬件资源有限

由于受到价格、硬件体积、功耗等的限制,WSN 节点的 信号处理能力、计算能力有限,在程序空间和内存空间上与 普通的计算机相比较,其功能更弱。

(2电源容量有限

由于受到硬件条件的限制,网络节点通常由电池供电, 电池能量有限。同时,无线传感网络节点通常被放置在恶劣 环境或者无人区域,使用过程中,不能及时给电池充电或更 换电池。

(3无中心

无线传感器网络中没有严格的中心节点,所有节点地位平等,是一个对等式网络。每一个节点仅知道自己邻近节点 的位置及相应标识,无线传感器网络利用相邻节点之间的相 互协作来进行信号处理和通信,它具有很强的协作性。

(4自组织

网络的布设和展开不需要依赖于任何预设的网络设备, 节点通过分层协议和分布式算法协调各自的监控行为,节点 开机后就可以快速、自动地组成一个独立的无线网络。

(5多跳路由

在无线传感器网络中,节点只能同它的邻居直接通信。如果想与其射频覆盖范围之外的节点进行数据通信,则需要 通过中间网络节点进行路由。无线传感器网络中的多跳路由 是由普通网络节点来完成的,没有专门的路由设备。

(6动态拓扑

无线传感器网络是一个动态的网络,节点能够随处移 动;一个节点可能会因为电池能量用完或其他故障原因,退 出网络运行;一个节点也可能由于某种需要而被添加到当前 网络中。这些都会使网络的拓扑结构发生变化,因此无线传

感器网络具有动态拓扑组织功能。(7节点数量多,分布密集

为了对一个区域执行监测,往往需要很多的传感器节点 被放置到该区域。传感器节点分布非常密集,通常利用节点 之间高度连接性来保证系统的抗毁性和容错性。

2无线传感器网络协议栈

无线传感器网络协议栈由以下五部分组成:物理层、数 据链路层、网络层、传输层、应用层,与互联网协议栈的五 层协议相对应,其结构如图

2。

作者简介:唐启涛(1982-,男,南华大学计算机科学与技术学院 2006级硕士研究生,研究方向:计算机网

络与信安全。陶滔(1969-,男,网络教研室主任、副教授,硕士生导师,研究方向:计算机网络安全。2008.2

网络安全技术与应用 图

2无线传感器网络协议栈 2.1物理层

物理层主要负责感知数据的收集,并对收集的数据进行 采样、信号的发送和接收、信号的调制解调等任务。在物理 层中的主要安全问题是建立有效的数据加密机制。由于对称 加密算法的局限性,它不能在 WSN 中很好的发挥作用,因而 如何使用高效的公钥算法是 W S N 有待解决的问题。

2.数据链路层

数据链路层主要负责媒体接入控制和建立网络节点之间 可靠通信链路,为邻居节点提供可靠的通信通道,主要由介 质访问控制层组成。介质访问控制层使用载波监听方式来与 邻节点协调使用信道,一旦发生信道冲突,节点使用相应的 算法来确定重新传输数据的时机。无线传感器网络的介质访 问控制协议通常采用基于预先规划的机制来保护节点的能量。

2.3网络层

网络层的主要任务是发现和维护路由。正常情况下,无 线传感器网络中的大量传感器节点分布在一个区域里,消息 可能需要经过多个节点才能到达目的地,且由于传感器网络 的动态性,使得每个节点都需要具有路由的功能。节点一般 采用多跳路由连接信源和信宿。

2.4传输层

由于无线传感器网络节点的硬件限制,节点无法维持端到 端连接的大量信息传输,而且节点发送应答消息也会消耗大量 能量,因而,目前还没有成熟的关于传感器节点上的传输层 协议的研究。汇聚节点只是传感器网络与外部网络的接口。

2.5应用层

应用层主要负责为无线传感器网络提供安全支持,即实 现密钥管理和安全组播。无线传感器网络的应用十分广泛, 其中一些重要的应用领域有:军事方面,无线传感器网络可 以布置在敌方的阵地上,用来收集敌方一些重要目标信息, 并跟踪敌方的军事动向:环境检测方面,无线传感器网络能 够用来检测空气的质量,并跟踪污染源;民用方面,无线传 感器网络也可用来构建智能家居和个人健康等系统。

3安全性需求

基于无线传感器网络的特殊性,形成了与其他网络系统不 同的网络安全特性, 并能直接应用到实际的无线传感网络中。归纳为以下几个方面: 3.1鲁棒性

传感器网络一般被放置在恶劣环境、无人区域或敌方阵 地中,环境条件、现实威胁和当前任务具有不确定性,它需 要设计具有抵抗节点故障的机制。一种常用方法是部署大量 节点。网络协议应该具有识别发生故障的相邻节点的能力, 并根据更新的拓扑进行相应的调节。

3.2扩展性

WSN 节点会随着环境条件的变化或恶意攻击或任务的变 化而发生变化,从而影响传感器网络的结构。同时,节点的 加入或失效也会导致网络的拓扑结构不断变化,路由组网协 议和 W S N S 必须适应 W S N 拓扑结构变化的特点。

3.3机密性

传感器网络在数据传输过程中,应该保证不泄露任何敏 感信息。应用中,通过密钥管理协议建立的秘密密钥和其他 的机密信息,必须保证只对授权用户公开。同时,也应将因 密钥泄露造成的影响尽可能控制在一个较小范围,不影响整 个网络的安全。解决数据机密性的常用方法是使用会话密钥 来加密待传递的消息。

3.4数据认证

由于敌方能够很容易侵入信息, 接收方从安全角度考虑, 有必要确定数据的正确来源。数据认证可以分为两种,即两 部分单一通信和广播通信。

3.5数据完整性

在网络通信中,数据的完整性用来确保数据在传输过程 中不被敌方所修改,可以检查接收数据是否被篡改。根据不 同的数据种类,数据完整性可分为三类:选域完整性、无连 接完整性和连接完整性业务。

3.6

数据更新

表示数据是最新的,是没有被敌手侵入过的旧信息。网络 中有弱更新和强更新两种类型的更新。弱更新用于提供局部 信息排序,它不支持延时消息;强更新要求提供完整的次序, 并且允许延时估计。

3.7

可用性

它要求 WSN 能够按预先设定的工作方式向合法的系统用 户提供信息访问服务,然而,攻击者可以通过信号干扰、伪 造或者复制等方式使传感器网络处于部分或全部瘫痪状态, 从而破坏系统的可用性。

3.8

访问控制

W S N 不能通过设置防火墙进行访问过滤;由于硬件受 限, 也不能采用非对称加密体制的数字签名和公钥证书机制。WSN 必须建立一套符合自身特点的、综合考虑性能、效率和 安全性的访问控制机制。

4攻击方式及采取的相应措施

无线传感网络可能遭遇多种攻击。攻击者可以直接从物

2008.2 82 网络安全技术与应用 理上将其破坏。另一方面,攻击者可以通过操纵数据或路由 协议报文,在更大范围内对无线传感网络进行破坏。具体的 攻击类别如下: 4.1欺骗、篡改或重发路由信息

攻击者通过向 WSN 中注入大量欺骗路由报文,或者截取 并篡改路由报文,把自己伪装成发送路由请求的基站节点, 使全网范围内的报文传输被吸引到某一区域内,致使各传感 器节点之间能效失衡。对于这种攻击方式的攻击,通常采用 数据加密技术抵御。

4.2选择转发攻击

攻击者在俘获传感器节点后,丢弃需要转发的报文。为 了避免识破攻击点,通常情况下,攻击者只选择丢弃一部分 应转发的报文,从而迷惑邻居传感节点。通常采用多路径路 由选择方法抵御选择性转发攻击。

4.3DoS拒绝服务攻击

攻击者通过以不同的身份连续向某一邻居节点发送路由 或数据请求报文,使该邻居节点不停的分配资源以维持一个 新的连接。对于这种攻击方式,可以采用验证广播和泛洪予 以抵御。

4.4污水池攻击

攻击点在基站和攻击点之间形成单跳路由或是比其他节 点更快到达基站的路由,以此吸引附近的传感器以其为父节 点向基站转发数据。污水池攻击“调度”了网络数据报文的 传输流向,破坏了网络负载平衡。可以采用基于地理位置的 路由选择协议抵御污水池攻击。

4.5告知收到欺骗攻击

当攻击点侦听到某个邻居节点处于将失效状态时,冒充 该邻居节点向源节点反馈一个信息报文, 告知数据已被接受。使发往该邻居节点的数据报文相当于进了“黑洞”。可以调控 全球知识以抵御告知收到欺骗。

4.6

女巫攻击

攻击点伪装成具有多个身份标识的节点。当通过该节点 的一条路由破坏时,网络会选择另一条完全不同的路由,由 于该节点的多重身份,该路由可能又通过了该攻击点。它降 低了多经选路的效果。针对这种攻击方式,可以采用鉴别技 术抵御。

5今后的研究方向

目前,有关传感器网络的研究还处于初步阶段,由于无 线传感网络的体系结构和模型没有形成最后的标准,无线传 感器网络安全研究方面还面临着许多不确定的因素,对于 W S N 而言,仍然存在着如下有待进一步研究的问题。

5.1安全的异常检测和节点废除

在传感器网络中,由于被盗用节点对网络非常有害,因 而希望能即时检测和废除被盗用节点。Chan 提出使用分布式

投票系统来解决这个问题。5.2

安全路由

安全的路由协议应允许在有不利活动的情况下,继续保 持网络的正常通信。传感器网络中的许多类型的攻击方式的 抵御可以通过提高路由的安全设计来实现。如何设计一种高 效、安全的路由有待进一步的研究。

5.有效的加密原语

Perrig 提出了 SPINS 协议族, 通过该协议, 使用有效的 块加密,对于不同块进行不同的加密操作。Karlof

设计了 TinySec,在效率与安全性之间折中。在密钥建立和数字签名 时,如何使用有效的非对称加密机制,是一个值得进一步研 究的方向。

5.4入侵检测问题

在数据认证和源认证之前,有必要设计相应的方案来确 认通信方是不是恶意节点。目前有些无线传感网络都是假设 网络节点具有全网惟一标识,这其实是不符合现实的。

5.5传感器安全方案和技术方案的有机结合

根据 W S N 的特点,其安全解决方案不能设计得过于复 杂,并尽可能的避免使用公钥算法。如何在不明显增加网络 开销的情况下,使性能和效率达到最佳,并设计出相应的协 议和算法有待于进一步的研究。

5.6

管理和维护节点的密钥数据库

在传感器网络中,每个节点需要维护和保持一个密钥数据 库。在网络节点存储能力有限的情况下, 如何保证密钥建立、撤 消和更新等阶段动态地维护和管理数据库需要进一步的研究。

6总结

无线传感器网络在军事和民用领域都有着广泛的潜在用 途,是当前技术研究的热点。本文从无线传感器网络的特点、无线传感网络的协议栈、安全需求、可能受到的安全攻击及 相应的防御方法及今后有待进一步研究的问题等方面对目前 国内外开展的研究进行了较为系统的总结,有助于了解当前无 线传感器网络研究进展及现状。

参考文献

[1]Prtra JC,PalR N.A functional link artificial neural network foradaptive c hannel e qualization[J].Signal P rocessing.1995.[2]PasqualeArpaia,Pasquale Daponte,DomcaicoGrmi ald,i et a.l ANN-Based Error Reduction for Expermi entally Modeled Sensors [J].IEEE Trans.on Instrumentation andMeasurement.2002.[3]徐丽娜.神经网络控制[M].哈尔滨:哈尔滨

工业大学出版社.1999.[4]遗传算法结合FANN实现加速度传感器动态特性补偿[J].计 量学报.2005.[5]郎为民,杨宗凯,吴世忠,谭运猛.无线传感器网络安全研究.计 算机科学.2005.