無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ):理論和實踐目錄

第一部分 序言

第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究動機(jī) 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(luò) 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(shè)計限制 12

1.2.6?安全 12

1.2.7?其他挑戰(zhàn) 13

練習(xí) 13

參考文獻(xiàn) 14

第2章 應(yīng)用 16

2.1 結(jié)構(gòu)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(guān)性 19

2.1.6 壓電效應(yīng) 20

2.1.7 原型 23

2.2 交通控制 24

2.2.1 感知任務(wù) 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(xì)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(wù) 40

練習(xí) 40

參考文獻(xiàn) 42

第3章?節(jié)點(diǎn)架構(gòu) 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(jié)構(gòu)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(jié) 58

3.4 原型機(jī) 59

3.4.1 IMote節(jié)點(diǎn)的架構(gòu) 59

3.4.2 XYZ節(jié)點(diǎn)的架構(gòu) 60

3.4.3 Hogthrob節(jié)點(diǎn)的架構(gòu) 61

習(xí)題 62

參考文獻(xiàn) 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(guān)注點(diǎn) 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(xí) 84

參考文獻(xiàn) 85

第二部分 基本架構(gòu)

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(jié) 108

5.5 信號傳播 109

練習(xí) 111

參考文獻(xiàn) 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(jī)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(luò)中MAC協(xié)議的特點(diǎn) 124

6.3.1 能量效率 124

6.3.2 可擴(kuò)展性 125

6.3.3 適應(yīng)性 125

6.3.4 低延遲和可預(yù)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(yīng)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(qiáng)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(jié) 149

習(xí)題 150

參考文獻(xiàn) 153

第7章 網(wǎng)絡(luò)層 155

7.1 概述 155

7.2 路由度量 157

7.2.1 常用的指標(biāo) 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(kuò)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(luò)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(jié) 188

練習(xí) 189

參考文獻(xiàn) 195

第三部分 節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)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(wù)調(diào)度 212

8.3 概念架構(gòu) 213

8.3.1 體系結(jié)構(gòu)概述 214

習(xí)題 215

參考文獻(xiàn) 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(chǔ) 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(luò)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(kuò)散同步協(xié)議 232

9.4.7 Mini-Sync和Tiny-Sync同步 233

習(xí)題 234

參考文獻(xiàn) 235

第10章 定位 237

10.1 綜述 237

10.2 測距技術(shù) 238

10.2.1 到達(dá)時間 238

10.2.2 到達(dá)時間差 239

10.2.3 到達(dá)角 239

10.2.4 接收信號強(qiáng)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(diǎn)近似估計法 247

10.4.3 基于多維定標(biāo)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(xí)題 252

參考文獻(xiàn) 254

第11章 安全 256

11.1 網(wǎng)絡(luò)安全的基本原理 256

11.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中安全挑戰(zhàn) 258

11.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的安全攻擊 259

11.3.1 拒絕服務(wù) 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(jī)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(luò)的安全協(xié)議 267

11.4.7 TinySec 268

11.4.8 局部加密認(rèn)證協(xié)議 269

11.5 IEEE 802.15.4和ZigBee安全 269

11.6 總結(jié) 271

習(xí)題 271

參考文獻(xiàn) 272

第12章 傳感器網(wǎng)絡(luò)編程 274

12.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)編程的挑戰(zhàn) 274

12.2 節(jié)點(diǎn)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(luò)應(yīng)用構(gòu)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(luò)仿真器 286

12.5.1 網(wǎng)絡(luò)仿真工具和運(yùn)行環(huán)境 287

習(xí)題 289

參考文獻(xiàn) 289

常用術(shù)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(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生。它介紹了WSN的若干基本概念和設(shè)計時的框架模型，并且盡量把理論與實踐相結(jié)合，同時介紹了已經(jīng)構(gòu)建的系統(tǒng)原型和最新的進(jìn)展。在每章結(jié)尾，給出了大量的實際問題和練習(xí)，幫助學(xué)生們評估對所學(xué)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(shè)計提供了靈活性。

本書同樣有助于對WSN感興趣的學(xué)者，適合自學(xué)，并且可以作為重要的參考。對于該類讀者，本書可以當(dāng)作基礎(chǔ)概念的教程和近期研究成果、技術(shù)進(jìn)展的綜述。

第1篇總論

第1章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介紹1

1.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念1

1.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征2

1.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用4

1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)7

1.2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)7

1.2.2傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)7

1.2.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)概述8

1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展10

1.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程10

1.3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)14

1.3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的挑戰(zhàn)14

參考文獻(xiàn)16

第2篇無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議

第2章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層

2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層概述19

2.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的研究內(nèi)容19

2.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的研究現(xiàn)狀20

2.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的主要技術(shù)挑戰(zhàn)22

2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的調(diào)制與編碼方法22

2.2.1Mary調(diào)制機(jī)制22

2.2.2差分脈沖位置調(diào)制機(jī)制23

2.2.3自適應(yīng)編碼位置調(diào)制機(jī)制24

2.3超寬帶技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用25

2.3.1超寬帶技術(shù)概述25

2.3.2超寬帶技術(shù)的基本原理26

2.3.3超寬帶技術(shù)的研究現(xiàn)狀29

2.3.4基于超寬帶技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)31

參考文獻(xiàn)35

第3章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層

3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層概述37

3.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的主要技術(shù)挑戰(zhàn)39

3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議40

3.2.1基于競爭機(jī)制的MAC協(xié)議40

3.2.2基于時分復(fù)用的MAC協(xié)議47

3.2.3其他類型的MAC協(xié)議54

參考文獻(xiàn)58

第4章IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)

4.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(wù)規(guī)范61

4.2.3物理層幀結(jié)構(gòu)65

4.3IEEE802.15.4的MAC子層65

4.3.1MAC層概述65

4.3.2MAC層的服務(wù)規(guī)范66

4.3.3MAC幀結(jié)構(gòu)69

4.3.4MAC層的功能描述70

4.4基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)70

4.4.1組網(wǎng)類型70

4.4.2數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制71

參考文獻(xiàn)72

第5章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層

5.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層概述73

5.1.1網(wǎng)絡(luò)層的研究內(nèi)容73

5.1.2網(wǎng)絡(luò)層的研究現(xiàn)狀74

5.1.3網(wǎng)絡(luò)層的主要技術(shù)挑戰(zhàn)75

5.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(jī)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(xiàn)94

第6章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層

6.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層概述97

6.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層的研究內(nèi)容97

6.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層的研究現(xiàn)狀98

6.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層的主要技術(shù)挑戰(zhàn)99

6.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)103

6.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet互聯(lián)103

6.3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入到網(wǎng)格105

參考文獻(xiàn)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(shù)特點(diǎn)113

7.2網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范113

7.2.1網(wǎng)絡(luò)層概述113

7.2.2服務(wù)規(guī)范114

7.2.3幀結(jié)構(gòu)與命令幀115

7.2.4功能描述116

7.3應(yīng)用層規(guī)范117

7.3.1應(yīng)用層概述117

7.3.2ZigBee應(yīng)用支持子層117

7.3.3ZigBee應(yīng)用層框架結(jié)構(gòu)118

7.3.4ZigBee設(shè)備協(xié)定(profile)119

7.3.5ZigBee目標(biāo)設(shè)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(luò)122

7.5.1無線傳感器的構(gòu)建122

7.5.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建123

7.5.3基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與RFID技術(shù)的融合124

參考文獻(xiàn)124

第3篇無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心支撐技術(shù)

第8章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂?/p>

8.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂萍夹g(shù)概述125

8.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频难芯績?nèi)容125

8.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频难芯楷F(xiàn)狀126

8.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频闹饕夹g(shù)挑戰(zhàn)126

8.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂扑惴?27

8.2.1功率控制算法127

8.2.2層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制算法129

8.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的密度控制135

8.3.1連通支配集構(gòu)造算法135

8.3.2基于概率覆蓋模型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密度控制算法138

參考文獻(xiàn)140

第9章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位

9.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)概述142

9.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位的研究內(nèi)容142

9.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位的研究現(xiàn)狀143

9.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位的主要技術(shù)挑戰(zhàn)146

9.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位機(jī)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(diǎn)位置估計更新策略162

9.4.1動態(tài)網(wǎng)絡(luò)問題162

9.4.2更新策略163

參考文獻(xiàn)164

第10章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步

10.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步概述167

10.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的研究內(nèi)容167

10.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的研究現(xiàn)狀168

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

10.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機(jī)制170

參考文獻(xiàn)180

第11章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)內(nèi)信息處理

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

11.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)網(wǎng)內(nèi)信息處理的主要技術(shù)挑戰(zhàn)184

11.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)184

11.2.1與路由相結(jié)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(luò)的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)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(guān)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(luò)的協(xié)作信號信息處理技術(shù)195

11.4.1網(wǎng)元層的CSIP技術(shù)195

11.4.2網(wǎng)絡(luò)層的CSIP技術(shù)196

11.4.3應(yīng)用層的CSIP技術(shù)196

11.4.4CSIP技術(shù)展望197

參考文獻(xiàn)198

第12章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全技術(shù)

12.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題概述201

12.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的研究內(nèi)容201

12.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的研究現(xiàn)狀202

12.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的主要技術(shù)挑戰(zhàn)205

12.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題分析205

12.2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的安全策略206

12.2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路層的安全策略207

12.2.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層的安全策略207

12.2.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層的安全策略209

12.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的密鑰管理和入侵檢測技術(shù)209

12.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的密鑰管理209

12.3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測技術(shù)211

參考文獻(xiàn)214

第4篇無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織管理技術(shù)

第13章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)管理

13.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)管理概述216

13.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理的研究內(nèi)容216

13.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理的研究現(xiàn)狀217

13.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理的主要技術(shù)挑戰(zhàn)218

13.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)休眠/喚醒機(jī)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(diǎn)休眠機(jī)制220

13.2.4基于隨機(jī)休眠調(diào)度的節(jié)能機(jī)制221

13.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(luò)負(fù)載自適應(yīng)功率管理算法226

參考文獻(xiàn)227

第14章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源與任務(wù)管理

14.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源與任務(wù)管理概述229

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

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

14.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源與任務(wù)管理的主要技術(shù)挑戰(zhàn)230

14.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源管理技術(shù)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(luò)的任務(wù)管理技術(shù)237

14.3.1任務(wù)分配237

14.3.2任務(wù)調(diào)度239

14.3.3負(fù)載均衡243

參考文獻(xiàn)245

第15章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理

15.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理概述248

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

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

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

15.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(xiàn)260

第16章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署、初始化和維護(hù)管理

16.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署、初始化和維護(hù)管理概述261

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

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

16.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署、初始化和維護(hù)管理的主要技術(shù)挑戰(zhàn)263

16.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署技術(shù)264

16.2.1采用確定放置的部署技術(shù)264

16.2.2采用隨機(jī)拋撒且節(jié)點(diǎn)不具移動能力的部署技術(shù)265

16.2.3采用隨機(jī)拋撒且節(jié)點(diǎn)具有移動能力的部署技術(shù)265

16.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的初始化技術(shù)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(luò)的維護(hù)管理技術(shù)270

16.4.1覆蓋與連接維護(hù)技術(shù)270

16.4.2性能監(jiān)測技術(shù)271

參考文獻(xiàn)272

第5篇無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)與應(yīng)用

第17章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真技術(shù)

17.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真技術(shù)概述275

17.1.1網(wǎng)絡(luò)仿真概述275

17.1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真研究概述275

17.2常用網(wǎng)絡(luò)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(fù)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(xiàn)303

第18章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件開發(fā)

18.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件開發(fā)概述304

18.1.1硬件系統(tǒng)的設(shè)計特點(diǎn)與要求304

18.1.2硬件系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容304

18.1.3硬件系統(tǒng)設(shè)計的主要挑戰(zhàn)305

18.2傳感器節(jié)點(diǎn)的開發(fā)305

18.2.1數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計305

18.2.2換能器模塊設(shè)計307

18.2.3無線通信模塊設(shè)計307

18.2.4電源模塊設(shè)計309

18.2.5外圍模塊設(shè)計309

18.3傳感器節(jié)點(diǎn)原型的開發(fā)實例Mica310

18.3.1Mica系列節(jié)點(diǎn)簡介310

18.3.2Mica系列處理器/射頻板設(shè)計分析313

18.3.3Mica系列傳感板設(shè)計分析315

18.3.4編程調(diào)試接口板介紹317

參考文獻(xiàn)318

第19章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)

19.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)概述320

19.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的設(shè)計要求320

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

19.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)設(shè)計的主要技術(shù)挑戰(zhàn)321

19.2TinyOS操作系統(tǒng)322

19.2.1TinyOS的設(shè)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(yīng)用程序運(yùn)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(yùn)行跟蹤解析329

19.3.5TinyOS的任務(wù)調(diào)度機(jī)制的實現(xiàn)338

19.3.6TinyOS的事件驅(qū)動機(jī)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(yīng)用程序348

19.4.3使用TOSSIM仿真調(diào)試應(yīng)用程序348

19.4.4使用TinyViz進(jìn)行可視化調(diào)試349

19.4.5將應(yīng)用程序?qū)牍?jié)點(diǎn)運(yùn)行350

參考文獻(xiàn)351

第20章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件開發(fā)

20.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)概述353

20.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)的特點(diǎn)與設(shè)計要求353

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

20.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)的主要技術(shù)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(yīng)用程序開發(fā)364

20.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用軟件開發(fā)367

20.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的編程模式367

20.3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中間件設(shè)計370

20.3.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)發(fā)現(xiàn)372

參考文獻(xiàn)373

第21章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測

21.1環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用概述375

21.1.1環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用的場景描述375

21.1.2環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)375

21.2關(guān)鍵技術(shù)377

21.2.1節(jié)點(diǎn)部署377

21.2.2能量管理377

21.2.3通信機(jī)制378

21.2.4任務(wù)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(luò)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(xiàn)387

第22章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于目標(biāo)追蹤

22.1目標(biāo)追蹤應(yīng)用概述388

22.1.1目標(biāo)追蹤應(yīng)用的場景描述388

22.1.2目標(biāo)追蹤應(yīng)用的特點(diǎn)與技術(shù)挑戰(zhàn)388

22.1.3目標(biāo)追蹤應(yīng)用中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)389

22.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于目標(biāo)追蹤的關(guān)鍵技術(shù)390

22.2.1追蹤步驟390

22.2.2追蹤算法392

22.2.3面向目標(biāo)追蹤的網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化400

22.3基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的車輛追蹤系統(tǒng)實例402

22.3.1系統(tǒng)架構(gòu)402

22.3.2關(guān)鍵問題403

22.3.3關(guān)鍵技術(shù)404

參考文獻(xiàn)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(chǔ)上精心編寫了本書，讓讀者分享其學(xué)習(xí)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(luò)的概念、組網(wǎng)通信技術(shù)、核心支撐技術(shù)、自組織管理技術(shù)以及開發(fā)應(yīng)用實例。在系統(tǒng)闡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前最新理論成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合作者長期以來在該領(lǐng)域的研究工作，論述和總結(jié)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展、應(yīng)用及所面臨的諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。全書結(jié)構(gòu)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(luò)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展與成果;既可使感興趣的初學(xué)者迅速入門，也可為有一定研究基礎(chǔ)的同行提供較為系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)或方案，彌補(bǔ)國內(nèi)這一領(lǐng)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(luò)技術(shù)的理解，為在該領(lǐng)域內(nèi)開展進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和研究奠定必要的基礎(chǔ)，以縮短國內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域與國際一流研究水平的差距，從而貢獻(xiàn)出更多的具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的研究成果。

全面論述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論與應(yīng)用，在系統(tǒng)闡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前最新理論成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合作者長期以來在該領(lǐng)域的研究工作，論述和總結(jié)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展、應(yīng)用及所面臨的諸多技術(shù)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(luò)的概念、特點(diǎn);無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的通信協(xié)議;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂啤⒐?jié)點(diǎn)定位、時間同步、網(wǎng)內(nèi)信息處理和網(wǎng)絡(luò)安全等核心支撐技術(shù);無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)、資源、任務(wù)、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)部署、初始化和維護(hù)等自組織管理技術(shù);無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用實例。

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

作者簡介:

王殊，1956年出生，工學(xué)博士，華中科技大學(xué)電子與信息工程系教授、博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)任華中科技大學(xué)電子與信息工程系主任、湖北省智能互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實驗室常務(wù)主任、教育部高等學(xué)校電子電氣基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)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(shù)重點(diǎn)實驗室于2002年專門成立了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究組，構(gòu)建了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)和信號檢測與處理等方面的研究取得進(jìn)展，在國內(nèi)外期刊和學(xué)術(shù)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(luò)理論與技術(shù)應(yīng)用》結(jié)合了近幾年無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)方面的最新研究、應(yīng)用成果，比較全面、系統(tǒng)地介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)理論與技術(shù)。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(luò)為背景，內(nèi)容涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概念、體系結(jié)構(gòu)、研究與發(fā)展概況;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù);基于視頻無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的圖像融合技術(shù);基于聲音無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的聲源定位技術(shù)。下篇以更為新穎的移動傳感器網(wǎng)絡(luò)為介紹重點(diǎn)，內(nèi)容包括虛擬力在移動傳感器網(wǎng)絡(luò)部署中的運(yùn)用;移動傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)分割問題;移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的精確部署技術(shù);混合傳感器網(wǎng)絡(luò)部署增強(qiáng)技術(shù);移動傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)管理技術(shù)。《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)應(yīng)用》既可作為無線傳感器相關(guān)領(lǐng)域的研究人員以及工程技術(shù)人員、愛好者的參考用書，也可作為高等院校計算機(jī)、通信、電子和自動化等專業(yè)的本科高年級學(xué)生和研究生的學(xué)習(xí)教材。