無線傳感器網(wǎng)絡基礎:理論和實踐

第一部分 序言

第1章 無線傳感器網(wǎng)絡研究動機 3

1.1 定義與背景 3

1.1.1 傳感和傳感器 3

1.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡 6

1.2 挑戰(zhàn)和約束 9

1.2.1 能量 9

1.2.2 自我管理 10

1.2.3 無線組網(wǎng) 11

1.2.4 分布式管理 12

1.2.5 設計限制 12

1.2.6?安全 12

1.2.7?其他挑戰(zhàn) 13

練習 13

參考文獻 14

第2章 應用 16

2.1 結構安全監(jiān)測 16

2.1.1 感知地殼活動 17

2.1.2 使用固有頻率的單損傷檢測 18

2.1.3 使用固有頻率的多損傷檢測 18

2.1.4 使用模態(tài)振型的多損傷檢測 19

2.1.5 相關性 19

2.1.6 壓電效應 20

2.1.7 原型 23

2.2 交通控制 24

2.2.1 感知任務 25

2.2.2 原型 28

2.3 醫(yī)療保健 29

2.3.1 可用的傳感器 30

2.3.2 原型 31

2.4 管道監(jiān)測 33

2.4.1 原型 33

2.5 精細農(nóng)業(yè) 34

2.5.1 原型 35

2.6 活火山 37

2.6.1 原型 37

2.7 地下采礦 38

2.7.1 事故起因 39

2.7.2 感知任務 40

練習 40

參考文獻 42

第3章?節(jié)點架構 44

3.1 傳感子系統(tǒng) 45

3.1.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 45

3.2 處理器子系統(tǒng) 48

3.2.1 體系結構概述 48

3.2.2 微控制器 49

3.2.3 數(shù)字信號處理器 51

3.2.4 專用集成電路 51

3.2.5 現(xiàn)場可編程門陣列 52

3.2.6 比較 53

3.3 通信接口 54

3.3.1 串行外圍接口 54

3.3.2 內(nèi)部集成電路 56

3.3.3 總結 58

3.4 原型機 59

3.4.1 IMote節(jié)點的架構 59

3.4.2 XYZ節(jié)點的架構 60

3.4.3 Hogthrob節(jié)點的架構 61

習題 62

參考文獻 63

第4章?操作系統(tǒng) 65

4.1 功能方面 65

4.1.1 數(shù)據(jù)類型 65

4.1.2 調(diào)度 66

4.1.3 堆棧 66

4.1.4 系統(tǒng)調(diào)用 67

4.1.5 處理中斷 67

4.1.6 多線程 67

4.1.7 基于線程的和基于事件的編程 68

4.1.8 內(nèi)存分配 68

4.2 非功能方面 69

4.2.1 分離關注點 69

4.2.2 系統(tǒng)開銷 69

4.2.3 可移植性 70

4.2.4 動態(tài)重編程 70

4.3 操作系統(tǒng)原型 71

4.3.1 TinyOS 71

4.3.2 SOS 73

4.3.3 Contiki 75

4.3.4 LiteOS 79

4.4 評估 82

練習 84

參考文獻 85

第二部分 基本架構

第5章 物理層 89

5.1 基本組成部分 89

5.2 信源編碼 90

5.2.1 信源編碼器的效率 91

5.2.2 脈沖編碼調(diào)制和增量調(diào)制 94

5.3 信道編碼 95

5.3.1 信道類型 96

5.3.2 信道內(nèi)的信息傳輸 97

5.3.3 檢錯和糾錯 99

5.4 調(diào)制 99

5.4.1 調(diào)制類型 99

5.4.2 正交幅度調(diào)制 106

5.4.3 總結 108

5.5 信號傳播 109

練習 111

參考文獻 115

第6章 MAC協(xié)議 116

6.1 概述 116

6.1.1 無競爭介質(zhì)訪問 117

6.1.2 基于競爭的介質(zhì)訪問 118

6.2 無線MAC協(xié)議 119

6.2.1 載波監(jiān)聽多路訪問 119

6.2.2 帶有碰撞避免機制的多路訪問(MACA)和MACAW 120

6.2.3 基于邀請的MACA協(xié)議 121

6.2.4 IEEE 802.11 121

6.2.5 IEEE 802.15.4和ZigBee 123

6.3 傳感器網(wǎng)絡中MAC協(xié)議的特點 124

6.3.1 能量效率 124

6.3.2 可擴展性 125

6.3.3 適應性 125

6.3.4 低延遲和可預測性 126

6.3.5 可靠性 126

6.4 無競爭的MAC協(xié)議 126

6.4.1 特性 127

6.4.2 流量自適應介質(zhì)訪問 127

6.4.3 Y-MAC協(xié)議 129

6.4.4 DESYNC-TDMA 130

6.4.5 LEACH協(xié)議 132

6.4.6 LMAC協(xié)議 134

6.5 基于競爭的MAC協(xié)議 135

6.5.1 PAMAS協(xié)議 136

6.5.2 S-MAC協(xié)議 137

6.5.3 T-MAC協(xié)議 139

6.5.4 Pattern MAC協(xié)議 140

6.5.5 路由增強MAC 141

6.5.6 數(shù)據(jù)匯聚MAC 143

6.5.7 前同步碼采樣和WiseMAC 144

6.5.8 接收端驅(qū)動式MAC協(xié)議 145

6.6 混合型MAC協(xié)議 146

6.6.1 Zebra MAC協(xié)議 147

6.6.2 MH-MAC協(xié)議 148

6.7 總結 149

習題 150

參考文獻 153

第7章 網(wǎng)絡層 155

7.1 概述 155

7.2 路由度量 157

7.2.1 常用的指標 158

7.3 洪泛和閑聊 160

7.4 數(shù)據(jù)中心式路由 162

7.4.1 通過協(xié)商的傳感網(wǎng)信息傳播協(xié)議 162

7.4.2 定向擴散路由 164

7.4.3 謠傳路由 166

7.4.4 基于梯度的路由 167

7.5 主動式路由 168

7.5.1 DSDV路由協(xié)議 168

7.5.2 優(yōu)化的鏈路狀態(tài)路由 169

7.6 按需路由 170

7.6.1 自組網(wǎng)絡按需距離矢量 170

7.6.2 動態(tài)源路由 171

7.7 分層路由 172

7.8 基于位置的路由 175

7.8.1 基于位置的單播路由 175

7.8.2 基于位置的組播路由 179

7.8.3 地域群播 181

7.9 基于QoS的路由協(xié)議 184

7.9.1 順序分配路由協(xié)議 184

7.9.2 SPEED協(xié)議 184

7.9.3 MMSPEED協(xié)議 186

7.10總結 188

練習 189

參考文獻 195

第三部分 節(jié)點和網(wǎng)絡管理

第8章 能量管理 199

8.1 局部能量管理 200

8.1.1 處理器子系統(tǒng) 200

8.1.2 通信子系統(tǒng) 201

8.1.3 總線頻率和內(nèi)存時序 202

8.1.4 主動式存儲器 203

8.1.5 電源子系統(tǒng) 204

8.2 動態(tài)電源管理 207

8.2.1 動態(tài)操作模式 208

8.2.2 動態(tài)調(diào)度 210

8.2.3 任務調(diào)度 212

8.3 概念架構 213

8.3.1 體系結構概述 214

習題 215

參考文獻 217

第9章 時間同步 218

9.1 時鐘和同步的問題 218

9.2 WSN中的時間同步 220

9.2.1 時間同步的必要性 220

9.2.2 時間同步面臨的挑戰(zhàn) 221

9.3 時間同步基礎 223

9.3.1 同步消息 223

9.3.2 通信延時的不確定性 224

9.4 時間同步協(xié)議 225

9.4.1 基于全球時間源的參考廣播 225

9.4.2 基于樹的輕量級同步 226

9.4.3 傳感器網(wǎng)絡的時間同步協(xié)議 227

9.4.4 洪泛時間同步協(xié)議 228

9.4.5 參考廣播同步 231

9.4.6 時間擴散同步協(xié)議 232

9.4.7 Mini-Sync和Tiny-Sync同步 233

習題 234

參考文獻 235

第10章 定位 237

10.1 綜述 237

10.2 測距技術 238

10.2.1 到達時間 238

10.2.2 到達時間差 239

10.2.3 到達角 239

10.2.4 接收信號強度 240

10.3 基于距離的定位 240

10.3.1 三角測量法 240

10.3.2 三邊測量法 242

10.3.3 迭代多邊算法和協(xié)作多邊算法 243

10.3.4 基于GPS的定位 244

10.4 不需要測距的定位算法 246

10.4.1 Ad Hoc定位系統(tǒng)(APS) 246

10.4.2 三角形內(nèi)點近似估計法 247

10.4.3 基于多維定標的定位算法 249

10.5 事件驅(qū)動定位 250

10.5.1 燈塔定位法 250

10.5.2 多序列定位法 251

習題 252

參考文獻 254

第11章 安全 256

11.1 網(wǎng)絡安全的基本原理 256

11.2 無線傳感器網(wǎng)絡中安全挑戰(zhàn) 258

11.3 傳感器網(wǎng)絡中的安全攻擊 259

11.3.1 拒絕服務 259

11.3.2 路由攻擊 260

11.3.3 傳輸層的攻擊 261

11.3.4 針對數(shù)據(jù)匯聚的攻擊 262

11.3.5 隱私攻擊 262

11.4 安全協(xié)議和機制 263

11.4.1 對稱密鑰和公鑰加密 263

11.4.2 密鑰管理 263

11.4.3 防御DoS攻擊 264

11.4.4 聚合攻擊的防御 265

11.4.5 路由攻擊的防御 266

11.4.6 傳感器網(wǎng)絡的安全協(xié)議 267

11.4.7 TinySec 268

11.4.8 局部加密認證協(xié)議 269

11.5 IEEE 802.15.4和ZigBee安全 269

11.6 總結 271

習題 271

參考文獻 272

第12章 傳感器網(wǎng)絡編程 274

12.1 傳感器網(wǎng)絡編程的挑戰(zhàn) 274

12.2 節(jié)點為中心的編程 275

12.2.1 nesC語言 275

12.2.2 TinyGALS 279

12.2.3 傳感器網(wǎng)絡應用構建工具包 280

12.2.4?基于線程的模型 281

12.3 宏編程 282

12.3.1 抽象域 282

12.3.2 EnviroTrack 283

12.3.3 數(shù)據(jù)庫方式 283

12.4 動態(tài)重編程 285

12.5 傳感器網(wǎng)絡仿真器 286

12.5.1 網(wǎng)絡仿真工具和運行環(huán)境 287

習題 289

參考文獻 289

常用術語英漢對照表 292

本書作為一本教科書，主要是針對工程類和計算機科學專業(yè)的學生。它介紹了WSN的若干基本概念和設計時的框架模型，并且盡量把理論與實踐相結合，同時介紹了已經(jīng)構建的系統(tǒng)原型和最新的進展。在每章結尾，給出了大量的實際問題和練習，幫助學生們評估對所學主要概念和理論的理解。此外，本書的部分章節(jié)和內(nèi)容已經(jīng)充分模塊化，為課程內(nèi)容的設計提供了靈活性。

本書同樣有助于對WSN感興趣的學者，適合自學，并且可以作為重要的參考。對于該類讀者，本書可以當作基礎概念的教程和近期研究成果、技術進展的綜述。

第1篇總論

第1章無線傳感器網(wǎng)絡概述

1.1無線傳感器網(wǎng)絡介紹1

1.1.1無線傳感器網(wǎng)絡的概念1

1.1.2無線傳感器網(wǎng)絡的特征2

1.1.3無線傳感器網(wǎng)絡的應用4

1.2無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構7

1.2.1無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)架構7

1.2.2傳感器節(jié)點的結構7

1.2.3無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構概述8

1.3無線傳感器網(wǎng)絡的研究進展10

1.3.1無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展歷程10

1.3.2無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術14

1.3.3無線傳感器網(wǎng)絡所面臨的挑戰(zhàn)14

參考文獻16

第2篇無線傳感器網(wǎng)絡的通信協(xié)議

第2章無線傳感器網(wǎng)絡的物理層

2.1無線傳感器網(wǎng)絡物理層概述19

2.1.1無線傳感器網(wǎng)絡物理層的研究內(nèi)容19

2.1.2無線傳感器網(wǎng)絡物理層的研究現(xiàn)狀20

2.1.3無線傳感器網(wǎng)絡物理層的主要技術挑戰(zhàn)22

2.2無線傳感器網(wǎng)絡的調(diào)制與編碼方法22

2.2.1Mary調(diào)制機制22

2.2.2差分脈沖位置調(diào)制機制23

2.2.3自適應編碼位置調(diào)制機制24

2.3超寬帶技術在無線傳感器網(wǎng)絡中的應用25

2.3.1超寬帶技術概述25

2.3.2超寬帶技術的基本原理26

2.3.3超寬帶技術的研究現(xiàn)狀29

2.3.4基于超寬帶技術的無線傳感器網(wǎng)絡31

參考文獻35

第3章無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)鏈路層

3.1無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層概述37

3.1.1無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層的研究內(nèi)容37

3.1.2無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層的研究現(xiàn)狀38

3.1.3無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層的主要技術挑戰(zhàn)39

3.2無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議40

3.2.1基于競爭機制的MAC協(xié)議40

3.2.2基于時分復用的MAC協(xié)議47

3.2.3其他類型的MAC協(xié)議54

參考文獻58

第4章IEEE802.15.4標準

4.1IEEE802.15.4標準概述60

4.2IEEE802.15.4的物理層60

4.2.1物理層概述60

4.2.2物理層服務規(guī)范61

4.2.3物理層幀結構65

4.3IEEE802.15.4的MAC子層65

4.3.1MAC層概述65

4.3.2MAC層的服務規(guī)范66

4.3.3MAC幀結構69

4.3.4MAC層的功能描述70

4.4基于IEEE802.15.4標準的無線傳感器網(wǎng)絡70

4.4.1組網(wǎng)類型70

4.4.2數(shù)據(jù)傳輸機制71

參考文獻72

第5章無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡層

5.1無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)絡層概述73

5.1.1網(wǎng)絡層的研究內(nèi)容73

5.1.2網(wǎng)絡層的研究現(xiàn)狀74

5.1.3網(wǎng)絡層的主要技術挑戰(zhàn)75

5.2無線傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議75

5.2.1以數(shù)據(jù)為中心的平面路由75

5.2.2網(wǎng)絡分層路由77

5.2.3基于查詢的路由79

5.2.4地理位置路由81

5.2.5能量感知路由84

5.2.6基于QoS的路由87

5.2.7路由協(xié)議的優(yōu)化88

5.3無線傳感器網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)策略90

5.3.1包轉(zhuǎn)發(fā)策略的研究背景90

5.3.2基于價格機制的包轉(zhuǎn)發(fā)博弈模型91

5.3.3自發(fā)合作的包轉(zhuǎn)發(fā)博弈模型93

參考文獻94

第6章無線傳感器網(wǎng)絡的傳輸層

6.1無線傳感器網(wǎng)絡傳輸層概述97

6.1.1無線傳感器網(wǎng)絡傳輸層的研究內(nèi)容97

6.1.2無線傳感器網(wǎng)絡傳輸層的研究現(xiàn)狀98

6.1.3無線傳感器網(wǎng)絡傳輸層的主要技術挑戰(zhàn)99

6.2無線傳感器網(wǎng)絡的傳輸協(xié)議99

6.2.1PSFQ傳輸協(xié)議99

6.2.2ESRT傳輸協(xié)議101

6.3無線傳感器網(wǎng)絡與其他網(wǎng)絡的互聯(lián)103

6.3.1無線傳感器網(wǎng)絡與Internet互聯(lián)103

6.3.2無線傳感器網(wǎng)絡接入到網(wǎng)格105

參考文獻109

第7章ZigBee協(xié)議規(guī)范

7.1ZigBee概述111

7.1.1ZigBee與IEEE802.15.4111

7.1.2ZigBee協(xié)議框架112

7.1.3ZigBee的技術特點113

7.2網(wǎng)絡層規(guī)范113

7.2.1網(wǎng)絡層概述113

7.2.2服務規(guī)范114

7.2.3幀結構與命令幀115

7.2.4功能描述116

7.3應用層規(guī)范117

7.3.1應用層概述117

7.3.2ZigBee應用支持子層117

7.3.3ZigBee應用層框架結構118

7.3.4ZigBee設備協(xié)定(profile)119

7.3.5ZigBee目標設備(ZDO)119

7.4ZigBee系統(tǒng)的開發(fā)119

7.4.1開發(fā)條件和注意事項119

7.4.2軟件開發(fā)120

7.4.3硬件開發(fā)121

7.5基于ZigBee規(guī)范的無線傳感器網(wǎng)絡122

7.5.1無線傳感器的構建122

7.5.2無線傳感器網(wǎng)絡的構建123

7.5.3基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡與RFID技術的融合124

參考文獻124

第3篇無線傳感器網(wǎng)絡的核心支撐技術

第8章無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲控制

8.1無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲控制技術概述125

8.1.1無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制的研究內(nèi)容125

8.1.2無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制的研究現(xiàn)狀126

8.1.3無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制的主要技術挑戰(zhàn)126

8.2無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲控制算法127

8.2.1功率控制算法127

8.2.2層次拓撲結構控制算法129

8.3無線傳感器網(wǎng)絡的密度控制135

8.3.1連通支配集構造算法135

8.3.2基于概率覆蓋模型的無線傳感器網(wǎng)絡密度控制算法138

參考文獻140

第9章無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點定位

9.1無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點定位技術概述142

9.1.1無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位的研究內(nèi)容142

9.1.2無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位的研究現(xiàn)狀143

9.1.3無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位的主要技術挑戰(zhàn)146

9.2無線傳感器網(wǎng)絡的定位機制147

9.2.1基于測距的定位算法147

9.2.2非基于測距的定位算法151

9.3一種基于測距的協(xié)作定位策略159

9.3.1剛性圖理論簡介159

9.3.2基于剛性圖的協(xié)作定位理論160

9.3.3LCB定位算法161

9.4節(jié)點位置估計更新策略162

9.4.1動態(tài)網(wǎng)絡問題162

9.4.2更新策略163

參考文獻164

第10章無線傳感器網(wǎng)絡的時間同步

10.1無線傳感器網(wǎng)絡的時間同步概述167

10.1.1無線傳感器網(wǎng)絡時間同步的研究內(nèi)容167

10.1.2無線傳感器網(wǎng)絡時間同步的研究現(xiàn)狀168

10.1.3無線傳感器網(wǎng)絡時間同步的主要技術挑戰(zhàn)169

10.2無線傳感器網(wǎng)絡的時間同步機制170

參考文獻180

第11章無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)內(nèi)信息處理

11.1無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)內(nèi)信息處理概述182

11.1.1無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)內(nèi)信息處理的研究內(nèi)容182

11.1.2無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)內(nèi)信息處理的研究現(xiàn)狀183

11.1.3無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)內(nèi)信息處理的主要技術挑戰(zhàn)184

11.2無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)融合技術184

11.2.1與路由相結合的數(shù)據(jù)融合184

11.2.2基于反向組播樹的數(shù)據(jù)融合186

11.2.3基于性能的數(shù)據(jù)融合187

11.2.4基于移動代理的數(shù)據(jù)融合189

11.3無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)壓縮技術191

11.3.1基于排序編碼的數(shù)據(jù)壓縮算法191

11.3.2分布式數(shù)據(jù)壓縮算法192

11.3.3基于數(shù)據(jù)相關性的壓縮算法194

11.3.4管道數(shù)據(jù)壓縮算法194

11.4無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)作信號信息處理技術195

11.4.1網(wǎng)元層的CSIP技術195

11.4.2網(wǎng)絡層的CSIP技術196

11.4.3應用層的CSIP技術196

11.4.4CSIP技術展望197

參考文獻198

第12章無線傳感器網(wǎng)絡的安全技術

12.1無線傳感器網(wǎng)絡的安全問題概述201

12.1.1無線傳感器網(wǎng)絡安全技術的研究內(nèi)容201

12.1.2無線傳感器網(wǎng)絡安全技術的研究現(xiàn)狀202

12.1.3無線傳感器網(wǎng)絡安全技術的主要技術挑戰(zhàn)205

12.2無線傳感器網(wǎng)絡的安全問題分析205

12.2.1無線傳感器網(wǎng)絡物理層的安全策略206

12.2.2無線傳感器網(wǎng)絡鏈路層的安全策略207

12.2.3無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)絡層的安全策略207

12.2.4無線傳感器網(wǎng)絡傳輸層和應用層的安全策略209

12.3無線傳感器網(wǎng)絡的密鑰管理和入侵檢測技術209

12.3.1無線傳感器網(wǎng)絡的密鑰管理209

12.3.2無線傳感器網(wǎng)絡的入侵檢測技術211

參考文獻214

第4篇無線傳感器網(wǎng)絡的自組織管理技術

第13章無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點管理

13.1無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點管理概述216

13.1.1無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點管理的研究內(nèi)容216

13.1.2無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點管理的研究現(xiàn)狀217

13.1.3無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點管理的主要技術挑戰(zhàn)218

13.2無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點休眠/喚醒機制218

13.2.1PEAS算法218

13.2.2基于網(wǎng)格的調(diào)度算法219

13.2.3基于局部圓周覆蓋的節(jié)點休眠機制220

13.2.4基于隨機休眠調(diào)度的節(jié)能機制221

13.3無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點功率管理222

13.3.1動態(tài)功率管理和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)222

13.3.2基于節(jié)點度的算法224

13.3.3基于鄰近圖的算法224

13.3.4基于二分法的功率控制224

13.3.5網(wǎng)絡負載自適應功率管理算法226

參考文獻227

第14章無線傳感器網(wǎng)絡的資源與任務管理

14.1無線傳感器網(wǎng)絡的資源與任務管理概述229

14.1.1無線傳感器網(wǎng)絡資源與任務管理的研究內(nèi)容229

14.1.2無線傳感器網(wǎng)絡資源與任務管理的研究現(xiàn)狀230

14.1.3無線傳感器網(wǎng)絡資源與任務管理的主要技術挑戰(zhàn)230

14.2無線傳感器網(wǎng)絡的資源管理技術231

14.2.1自組織資源分配方式231

14.2.2計算資源分配232

14.2.3帶寬資源分配235

14.3無線傳感器網(wǎng)絡的任務管理技術237

14.3.1任務分配237

14.3.2任務調(diào)度239

14.3.3負載均衡243

參考文獻245

第15章無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)管理

15.1無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)管理概述248

15.1.1無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理的研究內(nèi)容248

15.1.2無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理的研究現(xiàn)狀249

15.1.3無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理的主要技術挑戰(zhàn)249

15.2無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)250

15.2.1TinyDB系統(tǒng)250

15.2.2Cougar系統(tǒng)251

15.2.3Dimensions系統(tǒng)252

15.3無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理的基本方法253

15.3.1數(shù)據(jù)模式253

15.3.2數(shù)據(jù)存儲254

15.3.3數(shù)據(jù)索引255

15.3.4數(shù)據(jù)查詢257

參考文獻260

第16章無線傳感器網(wǎng)絡的部署、初始化和維護管理

16.1無線傳感器網(wǎng)絡的部署、初始化和維護管理概述261

16.1.1無線傳感器網(wǎng)絡部署、初始化和維護管理的研究內(nèi)容261

16.1.2無線傳感器網(wǎng)絡部署、初始化和維護管理的研究現(xiàn)狀262

16.1.3無線傳感器網(wǎng)絡部署、初始化和維護管理的主要技術挑戰(zhàn)263

16.2無線傳感器網(wǎng)絡的部署技術264

16.2.1采用確定放置的部署技術264

16.2.2采用隨機拋撒且節(jié)點不具移動能力的部署技術265

16.2.3采用隨機拋撒且節(jié)點具有移動能力的部署技術265

16.3無線傳感器網(wǎng)絡的初始化技術266

16.3.1UDG模型266

16.3.2基于MIS的初始化算法266

16.3.3基于MDS的初始化算法268

16.4無線傳感器網(wǎng)絡的維護管理技術270

16.4.1覆蓋與連接維護技術270

16.4.2性能監(jiān)測技術271

參考文獻272

第5篇無線傳感器網(wǎng)絡的開發(fā)與應用

第17章無線傳感器網(wǎng)絡的仿真技術

17.1無線傳感器網(wǎng)絡的仿真技術概述275

17.1.1網(wǎng)絡仿真概述275

17.1.2無線傳感器網(wǎng)絡仿真研究概述275

17.2常用網(wǎng)絡仿真軟件276

17.2.1OPNET簡介276

17.2.2NS279

17.2.3TOSSIM280

17.3OMNeT++仿真軟件281

17.3.1OMNeT++概述281

17.3.2NED語言282

17.3.3簡單模塊/復合模塊287

17.3.4消息290

17.3.5類庫291

17.4仿真示例296

參考文獻303

第18章無線傳感器網(wǎng)絡的硬件開發(fā)

18.1無線傳感器網(wǎng)絡的硬件開發(fā)概述304

18.1.1硬件系統(tǒng)的設計特點與要求304

18.1.2硬件系統(tǒng)的設計內(nèi)容304

18.1.3硬件系統(tǒng)設計的主要挑戰(zhàn)305

18.2傳感器節(jié)點的開發(fā)305

18.2.1數(shù)據(jù)處理模塊設計305

18.2.2換能器模塊設計307

18.2.3無線通信模塊設計307

18.2.4電源模塊設計309

18.2.5外圍模塊設計309

18.3傳感器節(jié)點原型的開發(fā)實例Mica310

18.3.1Mica系列節(jié)點簡介310

18.3.2Mica系列處理器/射頻板設計分析313

18.3.3Mica系列傳感板設計分析315

18.3.4編程調(diào)試接口板介紹317

參考文獻318

第19章無線傳感器網(wǎng)絡的操作系統(tǒng)

19.1無線傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng)概述320

19.1.1無線傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的設計要求320

19.1.2幾種典型的無線傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng)介紹321

19.1.3無線傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng)設計的主要技術挑戰(zhàn)321

19.2TinyOS操作系統(tǒng)322

19.2.1TinyOS的設計思路322

19.2.2TinyOS的組件模型322

19.2.3TinyOS的通信模型324

19.3基于TinyOS的應用程序運行過程解析324

19.3.1Blink程序的配件分析325

19.3.2BlinkM模塊分析327

19.3.3ncc編譯nesC程序的過程329

19.3.4Blink程序的運行跟蹤解析329

19.3.5TinyOS的任務調(diào)度機制的實現(xiàn)338

19.3.6TinyOS的事件驅(qū)動機制的實現(xiàn)342

19.4TinyOS的使用346

19.4.1TinyOS的安裝346

19.4.2創(chuàng)建應用程序348

19.4.3使用TOSSIM仿真調(diào)試應用程序348

19.4.4使用TinyViz進行可視化調(diào)試349

19.4.5將應用程序?qū)牍?jié)點運行350

參考文獻351

第20章無線傳感器網(wǎng)絡的軟件開發(fā)

20.1無線傳感器網(wǎng)絡軟件開發(fā)概述353

20.1.1無線傳感器網(wǎng)絡軟件開發(fā)的特點與設計要求353

20.1.2無線傳感器網(wǎng)絡軟件開發(fā)的內(nèi)容354

20.1.3無線傳感器網(wǎng)絡軟件開發(fā)的主要技術挑戰(zhàn)355

20.2nesC編程語言355

20.2.1nesC語言介紹355

20.2.2nesC的語法規(guī)范356

20.2.3nesC應用程序開發(fā)364

20.3無線傳感器網(wǎng)絡的應用軟件開發(fā)367

20.3.1無線傳感器網(wǎng)絡的編程模式367

20.3.2無線傳感器網(wǎng)絡的中間件設計370

20.3.3無線傳感器網(wǎng)絡的服務發(fā)現(xiàn)372

參考文獻373

第21章無線傳感器網(wǎng)絡應用于環(huán)境監(jiān)測

21.1環(huán)境監(jiān)測應用概述375

21.1.1環(huán)境監(jiān)測應用的場景描述375

21.1.2環(huán)境監(jiān)測應用中無線傳感器網(wǎng)絡的體系架構375

21.2關鍵技術377

21.2.1節(jié)點部署377

21.2.2能量管理377

21.2.3通信機制378

21.2.4任務的分配與控制379

21.2.5數(shù)據(jù)采樣與收集379

21.3無線傳感器網(wǎng)絡用于環(huán)境監(jiān)測的實例380

21.3.1公路交通監(jiān)測380

21.3.2建筑物健康狀況監(jiān)測384

21.3.3"狼群計劃"385

參考文獻387

第22章無線傳感器網(wǎng)絡應用于目標追蹤

22.1目標追蹤應用概述388

22.1.1目標追蹤應用的場景描述388

22.1.2目標追蹤應用的特點與技術挑戰(zhàn)388

22.1.3目標追蹤應用中的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)架構389

22.2無線傳感器網(wǎng)絡用于目標追蹤的關鍵技術390

22.2.1追蹤步驟390

22.2.2追蹤算法392

22.2.3面向目標追蹤的網(wǎng)絡布局優(yōu)化400

22.3基于無線傳感器網(wǎng)絡的車輛追蹤系統(tǒng)實例402

22.3.1系統(tǒng)架構402

22.3.2關鍵問題403

22.3.3關鍵技術404

參考文獻407

附錄英漢縮略語對照表410

作者在自身研究工作積累的基礎上精心編寫了本書，讓讀者分享其學習與研究工作的經(jīng)驗與成果。全書分為5篇，共22章，內(nèi)容涉及無線傳感器網(wǎng)絡的概念、組網(wǎng)通信技術、核心支撐技術、自組織管理技術以及開發(fā)應用實例。在系統(tǒng)闡述無線傳感器網(wǎng)絡當前最新理論成果的基礎上，結合作者長期以來在該領域的研究工作，論述和總結了無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展、應用及所面臨的諸多技術挑戰(zhàn)。全書結構清晰、內(nèi)容豐富，敘述深入淺出，翔實地反映了無線傳感器網(wǎng)絡領域的最新研究進展與成果;既可使感興趣的初學者迅速入門，也可為有一定研究基礎的同行提供較為系統(tǒng)的相關技術或方案，彌補國內(nèi)這一領域系統(tǒng)研究資料相對匱乏的境況;幫助讀者加深對無線傳感器網(wǎng)絡技術的理解，為在該領域內(nèi)開展進一步的學習和研究奠定必要的基礎，以縮短國內(nèi)學者在該領域與國際一流研究水平的差距，從而貢獻出更多的具有我國自主知識產(chǎn)權的研究成果。

全面論述無線傳感器網(wǎng)絡的理論與應用，在系統(tǒng)闡述無線傳感器網(wǎng)絡當前最新理論成果的基礎上，結合作者長期以來在該領域的研究工作，論述和總結無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展、應用及所面臨的諸多技術挑戰(zhàn)。全書分為5篇，共22章。內(nèi)容涉及無線傳感器網(wǎng)絡的概念、特點;無線傳感器網(wǎng)絡物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層的通信協(xié)議;無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲控制、節(jié)點定位、時間同步、網(wǎng)內(nèi)信息處理和網(wǎng)絡安全等核心支撐技術;無線傳感器網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點、資源、任務、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡部署、初始化和維護等自組織管理技術;無線傳感器網(wǎng)絡的仿真、硬件開發(fā)、操作系統(tǒng)、軟件開發(fā)、ZigBee系統(tǒng)開發(fā)以及有關無線傳感器網(wǎng)絡的應用實例。

本書既可作為無線傳感器網(wǎng)絡領域的研究人員以及廣大對無線傳感器網(wǎng)絡感興趣的工程技術人員的參考用書，也可作為高等院校網(wǎng)絡、通信、計算機、電子和自動化等專業(yè)本科高年級學生和研究生的學習教材。

作者簡介:

王殊，1956年出生，工學博士，華中科技大學電子與信息工程系教授、博士生導師。現(xiàn)任華中科技大學電子與信息工程系主任、湖北省智能互聯(lián)網(wǎng)技術重點實驗室常務主任、教育部高等學校電子電氣基礎課程教學指導分委員會委員。先后多次赴德國合作研究，所在的湖北省智能互聯(lián)網(wǎng)技術重點實驗室于2002年專門成立了無線傳感器網(wǎng)絡研究組，構建了無線傳感器網(wǎng)絡試驗平臺。近年來，與研究組成員一起在傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡和信號檢測與處理等方面的研究取得進展，在國內(nèi)外期刊和學術會議上發(fā)表論文近百篇，獲得與申請專利十余項。

《無線傳感器網(wǎng)絡理論與技術應用》結合了近幾年無線傳感器網(wǎng)絡相關方面的最新研究、應用成果，比較全面、系統(tǒng)地介紹了無線傳感器網(wǎng)絡相關理論與技術。全書分上、下兩篇，共12章。上篇主要以傳統(tǒng)的靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡為背景，內(nèi)容涉及無線傳感器網(wǎng)絡基本概念、體系結構、研究與發(fā)展概況;無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議;無線傳感器網(wǎng)絡路由協(xié)議;無線傳感器網(wǎng)絡時間同步技術;基于視頻無線傳感器網(wǎng)絡的圖像融合技術;基于聲音無線傳感器網(wǎng)絡的聲源定位技術。下篇以更為新穎的移動傳感器網(wǎng)絡為介紹重點，內(nèi)容包括虛擬力在移動傳感器網(wǎng)絡部署中的運用;移動傳感器網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡分割問題;移動傳感器網(wǎng)絡的精確部署技術;混合傳感器網(wǎng)絡部署增強技術;移動傳感器網(wǎng)絡動態(tài)管理技術?！稛o線傳感器網(wǎng)絡理論與技術應用》既可作為無線傳感器相關領域的研究人員以及工程技術人員、愛好者的參考用書，也可作為高等院校計算機、通信、電子和自動化等專業(yè)的本科高年級學生和研究生的學習教材。