无线传感器网络实用教程

《无线传感器网络实用教程》是作者在近几年无线传感器网络学习研究的基础上，结合实际开发经验进行编撰的。本书共分5篇18章，主要介绍无线传感器的原理及实践开发技术。本书在介绍无线传感器网络基本原理和理论后，重点阐述无线传感器网络实践开发技术。第1篇是无线传感器网络概述，第2篇是无线传感器网络原理，第3篇是zigbee(t1 2430)实践开发技术，第4篇是zigbee(jennic)实践开发技术，第5篇是丁lnyos实践开发技术。

《无线传感器网络实用教程》的特点是在编写过程中除介绍其基本理论外，突出了实践的重要性。在内容的编排上淡化了学科性，避免介绍过多偏深的原理、理论，而注重理论在具体运用中的要点、方法和技术操作，并结合实际范例，逐层分析和总结。本书侧重于实践操作，将教材内容与工作岗位对专业人才的知识要求与技能要求结合起来，将开发实例提升到一个较重要的位置，按照"理论一平台构建一开发实例"的组织结构编写教材。

《无线传感器网络实用教程》可以作为高等院校本专科生和各高职院校学生的学习教材，也可以作为研究生进行无线传感器网络开发和研究的参考书。只要具备基本的软硬知识的人员通过此书的学习就能够较快地了解并熟悉无线传感器网络原理和掌握其开发实践技术。本书具有较强的实践指导意义。

《无线传感器网络实用教程》

第1篇 无线传感器网络概述

第1章 无线传感器网络简介

1.1 短距离无线网络概述

1.2 无线传感器网络发展历程

1.3 无线传感器网络的特征

1.4 传感器网络的关键技术

1.5 无线传感器网络的应用

1.6 无线传感器网络仿真平台

1.7 无线传感器网络开发平台

1.8 小结

参考文献

第2篇 无线传感器网络原理

第2章 无线传感器网络体系结构

2.1 体系结构概述

2.2 无线传感器网络体系结构

2.3 小结

参考文献

第3章 路由协议

3.1 概述

.3.2 路由协议分类

3.3 典型路由协议分析

3.4 小结

参考文献

第4章 mac协议

4.1 概述

4.2 wsn的mac协议分类

4.3 mac协议分析比较

4.4 小结

参考文献

第5章 拓扑控制

5.1 概述

5.2 拓扑控制设计目标与研究现状

5.3 拓扑模型与拓扑控制算法

5。4 小结

参考文献

第6章 wsn定位技术

6.1 定位技术简介

6.2 测距方法

6.3 常用的定位计算方法

6.4 典型wsn定位系统和算法

6.5 定位算法设计的注意问题

6.6 小结

参考文献

第7章 时间同步

7.1 时间同步概述

7.2 时间同步算法

7.3 算法比较分析

7.4 小结

参考文献

第8章 安全技术

8.1 无线传感器网络安全基本理论

8.2 无线传感器网络的安全技术研究

8.3 无线传感器网络安全协议

8.4 操作系统安全技术

8.5 无线传感器网络安全的研究进展

8.6 小结

参考文献

第9章 协议标准

9.1 标准概述与网络简介

9.2 1eee 802.15.4协议

9.3 zigbee协议标准

9.4 小结

参考文献

第3篇 zigbee实践开发技术--cc2430

第10章 zigbee硬件平台

10.1 zigbee无线soc片上系统cc2430/cc2431概述

10.2 cc2430/cc2431芯片主要特点

10.3 cc2430/cc2431芯片功能结构

10.4 soc无线cc2430之8051的cpu介绍

10.5 cc2410/cc2431主要外部设备

10.6 无线模块

10.7 cc2430/cc2431所涉及的无线通信技术

10.8 cc2431无线定位引擎介绍

10.9 基于cc2430/cc2431的zigbee硬件平台

第11章 cc2430开发环境iar

11.1 软件安装

11.2 zigbee精简协议

11.3 软件设置及程序下载

11.4 软件使用实例

11.5 取片内温度实例

第12章 开发实践--环境监测

12.1 系统总体方案

12.2 zigbee芯片选择

12.3 系统硬件研制

12.4 系统试验平台搭建

12.5 小结

参考文献

第4篇 zisbee实践开发技术--jennic

第13章 硬件平台

13.1 概述

13.2 硬件平台介绍

第14章 软件平台

14.1 软件介绍

14.2 软件安装

14.3 软件使用说明

14.4 实验平台功能演示

14.5 可视化工具软件isnamp-j

第15章 开发实践--基于zigbee协议栈进行开发

15.1 协议栈架构简介

15.2 zigbee协议栈的开发接el apl

15.3 应用框架接口函数

15.4 zigbee device profile apl

15.5 外围部件的操作

参考文献

第5篇 tinyos实践开发技术

第16章 nesc语言

16.1 nesc语言简介

16.2 语法与术语

16.3 接口

16.4 组件

16.5 模块

16.6 结构

16.7 nesc协作

16.8 应用程序

16.9 多样性

参考文献

第17章 tinyos操作系统

17.1 tinyos简介

17.2 tinyos框架结构与特点

17.3 tinyos组件

17.4 tinyos的系统模型

17.5 tinyos通信模型

17.6 tinyos事件驱动机制、调度策略

17.7 tinyos任务调度机制

17.8 tinyos硬软件实现

17.9 tinyos协议栈

17.10 tinyos应用示例

17.11 tinyos的安装

第18章 tinyos示例

18.1 tinyos示例--用事件驱动方式从传感器读取数据

18.2 crossbow-oem设计套件与网络操作

18.2 传感器节点配置

18.4 moteview操作示例

作者:余成波 李洪兵 陶红艳

丛书名:21世纪高等学校规划教材.物联网

出版社:清华大学出版社

ISBN:9787302271055

出版日期:2012 年4月

开本:16开

页码:441

版次:1-1

第1篇总论

第1章无线传感器网络概述

1.1无线传感器网络介绍1

1.1.1无线传感器网络的概念1

1.1.2无线传感器网络的特征2

1.1.3无线传感器网络的应用4

1.2无线传感器网络的体系结构7

1.2.1无线传感器网络的系统架构7

1.2.2传感器节点的结构7

1.2.3无线传感器网络的体系结构概述8

1.3无线传感器网络的研究进展10

1.3.1无线传感器网络的发展历程10

1.3.2无线传感器网络的关键技术14

1.3.3无线传感器网络所面临的挑战14

参考文献16

第2篇无线传感器网络的通信协议

第2章无线传感器网络的物理层

2.1无线传感器网络物理层概述19

2.1.1无线传感器网络物理层的研究内容19

2.1.2无线传感器网络物理层的研究现状20

2.1.3无线传感器网络物理层的主要技术挑战22

2.2无线传感器网络的调制与编码方法22

2.2.1Mary调制机制22

2.2.2差分脉冲位置调制机制23

2.2.3自适应编码位置调制机制24

2.3超宽带技术在无线传感器网络中的应用25

2.3.1超宽带技术概述25

2.3.2超宽带技术的基本原理26

2.3.3超宽带技术的研究现状29

2.3.4基于超宽带技术的无线传感器网络31

参考文献35

第3章无线传感器网络的数据链路层

3.1无线传感器网络数据链路层概述37

3.1.1无线传感器网络数据链路层的研究内容37

3.1.2无线传感器网络数据链路层的研究现状38

3.1.3无线传感器网络数据链路层的主要技术挑战39

3.2无线传感器网络的MAC协议40

3.2.1基于竞争机制的MAC协议40

3.2.2基于时分复用的MAC协议47

3.2.3其他类型的MAC协议54

参考文献58

第4章IEEE802.15.4标准

4.1IEEE802.15.4标准概述60

4.2IEEE802.15.4的物理层60

4.2.1物理层概述60

4.2.2物理层服务规范61

4.2.3物理层帧结构65

4.3IEEE802.15.4的MAC子层65

4.3.1MAC层概述65

4.3.2MAC层的服务规范66

4.3.3MAC帧结构69

4.3.4MAC层的功能描述70

4.4基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络70

4.4.1组网类型70

4.4.2数据传输机制71

参考文献72

第5章无线传感器网络的网络层

5.1无线传感器网络网络层概述73

5.1.1网络层的研究内容73

5.1.2网络层的研究现状74

5.1.3网络层的主要技术挑战75

5.2无线传感器网络的路由协议75

5.2.1以数据为中心的平面路由75

5.2.2网络分层路由77

5.2.3基于查询的路由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路由协议的优化88

5.3无线传感器网络中的数据包转发策略90

5.3.1包转发策略的研究背景90

5.3.2基于价格机制的包转发博弈模型91

5.3.3自发合作的包转发博弈模型93

参考文献94

第6章无线传感器网络的传输层

6.1无线传感器网络传输层概述97

6.1.1无线传感器网络传输层的研究内容97

6.1.2无线传感器网络传输层的研究现状98

6.1.3无线传感器网络传输层的主要技术挑战99

6.2无线传感器网络的传输协议99

6.2.1PSFQ传输协议99

6.2.2ESRT传输协议101

6.3无线传感器网络与其他网络的互联103

6.3.1无线传感器网络与Internet互联103

6.3.2无线传感器网络接入到网格105

参考文献109

第7章ZigBee协议规范

7.1ZigBee概述111

7.1.1ZigBee与IEEE802.15.4111

7.1.2ZigBee协议框架112

7.1.3ZigBee的技术特点113

7.2网络层规范113

7.2.1网络层概述113

7.2.2服务规范114

7.2.3帧结构与命令帧115

7.2.4功能描述116

7.3应用层规范117

7.3.1应用层概述117

7.3.2ZigBee应用支持子层117

7.3.3ZigBee应用层框架结构118

7.3.4ZigBee设备协定(profile)119

7.3.5ZigBee目标设备(ZDO)119

7.4ZigBee系统的开发119

7.4.1开发条件和注意事项119

7.4.2软件开发120

7.4.3硬件开发121

7.5基于ZigBee规范的无线传感器网络122

7.5.1无线传感器的构建122

7.5.2无线传感器网络的构建123

7.5.3基于ZigBee的无线传感器网络与RFID技术的融合124

参考文献124

第3篇无线传感器网络的核心支撑技术

第8章无线传感器网络的拓扑控制

8.1无线传感器网络的拓扑控制技术概述125

8.1.1无线传感器网络拓扑控制的研究内容125

8.1.2无线传感器网络拓扑控制的研究现状126

8.1.3无线传感器网络拓扑控制的主要技术挑战126

8.2无线传感器网络的拓扑控制算法127

8.2.1功率控制算法127

8.2.2层次拓扑结构控制算法129

8.3无线传感器网络的密度控制135

8.3.1连通支配集构造算法135

8.3.2基于概率覆盖模型的无线传感器网络密度控制算法138

参考文献140

第9章无线传感器网络的节点定位

9.1无线传感器网络的节点定位技术概述142

9.1.1无线传感器网络节点定位的研究内容142

9.1.2无线传感器网络节点定位的研究现状143

9.1.3无线传感器网络节点定位的主要技术挑战146

9.2无线传感器网络的定位机制147

9.2.1基于测距的定位算法147

9.2.2非基于测距的定位算法151

9.3一种基于测距的协作定位策略159

9.3.1刚性图理论简介159

9.3.2基于刚性图的协作定位理论160

9.3.3LCB定位算法161

9.4节点位置估计更新策略162

9.4.1动态网络问题162

9.4.2更新策略163

参考文献164

第10章无线传感器网络的时间同步

10.1无线传感器网络的时间同步概述167

10.1.1无线传感器网络时间同步的研究内容167

10.1.2无线传感器网络时间同步的研究现状168

10.1.3无线传感器网络时间同步的主要技术挑战169

10.2无线传感器网络的时间同步机制170

参考文献180

第11章无线传感器网络的网内信息处理

11.1无线传感器网络的网内信息处理概述182

11.1.1无线传感器网络网内信息处理的研究内容182

11.1.2无线传感器网络网内信息处理的研究现状183

11.1.3无线传感器网络网内信息处理的主要技术挑战184

11.2无线传感器网络的数据融合技术184

11.2.1与路由相结合的数据融合184

11.2.2基于反向组播树的数据融合186

11.2.3基于性能的数据融合187

11.2.4基于移动代理的数据融合189

11.3无线传感器网络的数据压缩技术191

11.3.1基于排序编码的数据压缩算法191

11.3.2分布式数据压缩算法192

11.3.3基于数据相关性的压缩算法194

11.3.4管道数据压缩算法194

11.4无线传感器网络的协作信号信息处理技术195

11.4.1网元层的CSIP技术195

11.4.2网络层的CSIP技术196

11.4.3应用层的CSIP技术196

11.4.4CSIP技术展望197

参考文献198

第12章无线传感器网络的安全技术

12.1无线传感器网络的安全问题概述201

12.1.1无线传感器网络安全技术的研究内容201

12.1.2无线传感器网络安全技术的研究现状202

12.1.3无线传感器网络安全技术的主要技术挑战205

12.2无线传感器网络的安全问题分析205

12.2.1无线传感器网络物理层的安全策略206

12.2.2无线传感器网络链路层的安全策略207

12.2.3无线传感器网络网络层的安全策略207

12.2.4无线传感器网络传输层和应用层的安全策略209

12.3无线传感器网络的密钥管理和入侵检测技术209

12.3.1无线传感器网络的密钥管理209

12.3.2无线传感器网络的入侵检测技术211

参考文献214

第4篇无线传感器网络的自组织管理技术

第13章无线传感器网络的节点管理

13.1无线传感器网络的节点管理概述216

13.1.1无线传感器网络节点管理的研究内容216

13.1.2无线传感器网络节点管理的研究现状217

13.1.3无线传感器网络节点管理的主要技术挑战218

13.2无线传感器网络的节点休眠/唤醒机制218

13.2.1PEAS算法218

13.2.2基于网格的调度算法219

13.2.3基于局部圆周覆盖的节点休眠机制220

13.2.4基于随机休眠调度的节能机制221

13.3无线传感器网络的节点功率管理222

13.3.1动态功率管理和动态电压调节222

13.3.2基于节点度的算法224

13.3.3基于邻近图的算法224

13.3.4基于二分法的功率控制224

13.3.5网络负载自适应功率管理算法226

参考文献227

第14章无线传感器网络的资源与任务管理

14.1无线传感器网络的资源与任务管理概述229

14.1.1无线传感器网络资源与任务管理的研究内容229

14.1.2无线传感器网络资源与任务管理的研究现状230

14.1.3无线传感器网络资源与任务管理的主要技术挑战230

14.2无线传感器网络的资源管理技术231

14.2.1自组织资源分配方式231

14.2.2计算资源分配232

14.2.3带宽资源分配235

14.3无线传感器网络的任务管理技术237

14.3.1任务分配237

14.3.2任务调度239

14.3.3负载均衡243

参考文献245

第15章无线传感器网络的数据管理

15.1无线传感器网络的数据管理概述248

15.1.1无线传感器网络数据管理的研究内容248

15.1.2无线传感器网络数据管理的研究现状249

15.1.3无线传感器网络数据管理的主要技术挑战249

15.2无线传感器网络的数据管理系统250

15.2.1TinyDB系统250

15.2.2Cougar系统251

15.2.3Dimensions系统252

15.3无线传感器网络数据管理的基本方法253

15.3.1数据模式253

15.3.2数据存储254

15.3.3数据索引255

15.3.4数据查询257

参考文献260

第16章无线传感器网络的部署、初始化和维护管理

16.1无线传感器网络的部署、初始化和维护管理概述261

16.1.1无线传感器网络部署、初始化和维护管理的研究内容261

16.1.2无线传感器网络部署、初始化和维护管理的研究现状262

16.1.3无线传感器网络部署、初始化和维护管理的主要技术挑战263

16.2无线传感器网络的部署技术264

16.2.1采用确定放置的部署技术264

16.2.2采用随机抛撒且节点不具移动能力的部署技术265

16.2.3采用随机抛撒且节点具有移动能力的部署技术265

16.3无线传感器网络的初始化技术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无线传感器网络的维护管理技术270

16.4.1覆盖与连接维护技术270

16.4.2性能监测技术271

参考文献272

第5篇无线传感器网络的开发与应用

第17章无线传感器网络的仿真技术

17.1无线传感器网络的仿真技术概述275

17.1.1网络仿真概述275

17.1.2无线传感器网络仿真研究概述275

17.2常用网络仿真软件276

17.2.1OPNET简介276

17.2.2NS279

17.2.3TOSSIM280

17.3OMNeT++仿真软件281

17.3.1OMNeT++概述281

17.3.2NED语言282

17.3.3简单模块/复合模块287

17.3.4消息290

17.3.5类库291

17.4仿真示例296

参考文献303

第18章无线传感器网络的硬件开发

18.1无线传感器网络的硬件开发概述304

18.1.1硬件系统的设计特点与要求304

18.1.2硬件系统的设计内容304

18.1.3硬件系统设计的主要挑战305

18.2传感器节点的开发305

18.2.1数据处理模块设计305

18.2.2换能器模块设计307

18.2.3无线通信模块设计307

18.2.4电源模块设计309

18.2.5外围模块设计309

18.3传感器节点原型的开发实例Mica310

18.3.1Mica系列节点简介310

18.3.2Mica系列处理器/射频板设计分析313

18.3.3Mica系列传感板设计分析315

18.3.4编程调试接口板介绍317

参考文献318

第19章无线传感器网络的操作系统

19.1无线传感器网络操作系统概述320

19.1.1无线传感器网络操作系统的设计要求320

19.1.2几种典型的无线传感器网络操作系统介绍321

19.1.3无线传感器网络操作系统设计的主要技术挑战321

19.2TinyOS操作系统322

19.2.1TinyOS的设计思路322

19.2.2TinyOS的组件模型322

19.2.3TinyOS的通信模型324

19.3基于TinyOS的应用程序运行过程解析324

19.3.1Blink程序的配件分析325

19.3.2BlinkM模块分析327

19.3.3ncc编译nesC程序的过程329

19.3.4Blink程序的运行跟踪解析329

19.3.5TinyOS的任务调度机制的实现338

19.3.6TinyOS的事件驱动机制的实现342

19.4TinyOS的使用346

19.4.1TinyOS的安装346

19.4.2创建应用程序348

19.4.3使用TOSSIM仿真调试应用程序348

19.4.4使用TinyViz进行可视化调试349

19.4.5将应用程序导入节点运行350

参考文献351

第20章无线传感器网络的软件开发

20.1无线传感器网络软件开发概述353

20.1.1无线传感器网络软件开发的特点与设计要求353

20.1.2无线传感器网络软件开发的内容354

20.1.3无线传感器网络软件开发的主要技术挑战355

20.2nesC编程语言355

20.2.1nesC语言介绍355

20.2.2nesC的语法规范356

20.2.3nesC应用程序开发364

20.3无线传感器网络的应用软件开发367

20.3.1无线传感器网络的编程模式367

20.3.2无线传感器网络的中间件设计370

20.3.3无线传感器网络的服务发现372

参考文献373

第21章无线传感器网络应用于环境监测

21.1环境监测应用概述375

21.1.1环境监测应用的场景描述375

21.1.2环境监测应用中无线传感器网络的体系架构375

21.2关键技术377

21.2.1节点部署377

21.2.2能量管理377

21.2.3通信机制378

21.2.4任务的分配与控制379

21.2.5数据采样与收集379

21.3无线传感器网络用于环境监测的实例380

21.3.1公路交通监测380

21.3.2建筑物健康状况监测384

21.3.3"狼群计划"385

参考文献387

第22章无线传感器网络应用于目标追踪

22.1目标追踪应用概述388

22.1.1目标追踪应用的场景描述388

22.1.2目标追踪应用的特点与技术挑战388

22.1.3目标追踪应用中的无线传感器网络系统架构389

22.2无线传感器网络用于目标追踪的关键技术390

22.2.1追踪步骤390

22.2.2追踪算法392

22.2.3面向目标追踪的网络布局优化400

22.3基于无线传感器网络的车辆追踪系统实例402

22.3.1系统架构402

22.3.2关键问题403

22.3.3关键技术404

参考文献407

附录英汉缩略语对照表410

传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多样，不可穷尽。不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。

无线传感器网络

不同的应用对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。所以传感器网络不能像因特网一样，有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在开发传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。

无线传感网络有着许多不同的应用。在工业界和商业界中，它用于监测数据，而如果使用有线传感器，则成本较高且实现起来困难。无线传感器可以长期放置在荒芜的地区，用于监测环境变量，而不需要将他们重新充电再放回去。

无线传感网络的应用包括视频监视，交通监视，航空交通控制，机器人学,汽车，家居健康监测和工业自动化。在环境监控中一个典型的应用就是传感网（Sensor Web，或SW）。传感器网络可以用来监视有效利用电力，如日本的例子。[1]