無線傳感器網絡

無線傳感器網絡技術是信息感知和採集領域的一場革命，給人類的生產和生活帶來了深遠影響。目前，無線傳感器網絡已成為國際競爭的焦點，引起了學術界和工業界的廣泛關註。本書按照無線傳感器網絡的搭建過程進行介紹，將理論與實際、技術與應用相結合，力求培養具有創新和實踐能力的人才，提高學習者分析和解決問題的能力。 本書共分為7章。第1章介紹無線傳感器網絡的基本概念、特點、關鍵性能指標、傳感器、應用和發展歷史，第2章介紹無線傳感器網絡開發環境，第3章介紹無線傳感器網絡中的無線通信技術，第4章介紹無線傳感器網絡的拓撲控制與覆蓋技術，第5章介紹無線傳感器網絡通信與組網技術，第6章介紹無線傳感器網絡的支撐技術，第7章介紹無線傳感器網絡的接入技術。 本書適合通信、電子、自動化、物聯網等相關專業本科生和研究生學習，也可供物聯網相關從業人員自學使用。

本書作者均為高校教師，主講無線傳感網絡的多年，具有豐富的一線教學經驗的，曾參與和主持十三五教改重點項目、教育部協同育人項目，主編出版物聯網專業教材多部、教改論文多篇。

目錄
第1章無線傳感器網絡概述1
1.1基本概念1
1.1.1無線傳感器網絡的定義1
1.1.2遠程數據傳輸網絡1
1.1.3無線傳感器網絡系統結構2
1.2無線傳感器網絡的特點3
1.3傳感器結點概述4
1.3.1傳感器結點的組成4
1.3.2傳感器結點的角色5
1.3.3傳感器結點的喚醒方式5
1.3.4傳感器結點的特點6
1.3.5傳感器結點面臨的威脅及對策6
1.4關鍵性能指標8
1.4.1網絡層指標8
1.4.2抗毀性指標8
1.4.3監測性能指標9
1.4.4定位技術指標9
1.5傳感器10
1.6無線傳感器網絡的應用11
1.6.1主要的應用領域11
1.6.2典型項目案例——油田氣管線智能化管理系統12
1.7無線傳感器網絡發展歷史13

第2章無線傳感器網絡開發環境14
2.1概述14
2.2無線傳感器網絡平臺硬件設計15
2.2.1系統結構圖15
2.2.2結點設計要求與內容16
2.2.3結點的模塊化設計16
2.2.4常見的無線傳感器網絡結點19無線傳感器網絡目錄2.3無線傳感器網絡的操作系統22
2.3.1傳感器網絡對操作系統的要求22
2.3.2TinyOS23
2.3.3nesC語言23
2.3.4TinyOS組件模型24
2.3.5TinyOS通信模型25
2.3.6TinyOS事件驅動機制、調度策略與能量管理機制26
2.4ZigBee硬件平臺26
2.4.1CC2530芯片的特點26
2.4.2CC2530芯片上8051內核27
2.4.3CC2530的主要外設27
2.4.4CC2530無線收發器27
2.4.5CC2530開發環境IAR27

第3章無線傳感器網絡中的無線通信技術29
3.1IEEE 802.15.4標準概述29
3.1.1網絡簡介29
3.1.2拓撲結構30
3.1.3網絡拓撲的形成過程30
3.2藍牙技術31
3.2.1藍牙技術概述31
3.2.2藍牙協議體系33
3.2.3藍牙數據包36
3.2.4藍牙地址38
3.2.5藍牙的狀態38
3.2.6藍牙的關鍵技術40
3.3ZigBee技術44
3.3.1ZigBee技術概述44
3.3.2ZigBee網絡的組成46
3.3.3ZigBee協議棧的原理48
3.4超寬帶技術52
3.4.1超寬帶的定義52
3.4.2超寬帶技術的實現方式53
3.4.3超寬帶技術的特點54
3.5LiFi技術55
3.5.1LiFi技術產生的背景56
3.5.2LiFi技術的原理56
3.5.3LiFi技術的優點和缺點57
3.6LPWAN技術58
3.6.1LPWAN技術的發展58
3.6.2LoRa59
3.6.3NBIoT64

第4章無線傳感器網絡的拓撲控制與覆蓋技術69
4.1無線傳感器網絡拓撲結構69
4.1.1拓撲結構的分類69
4.1.2煤礦安全監測應用實例70
4.2拓撲控制73
4.2.1拓撲控制研究的主要問題73
4.2.2網絡拓撲結構優化的重要性74
4.2.3拓撲控制的目標74
4.2.4拓撲控制的算法與面臨的挑戰76
4.2.5拓撲控制的分類76
4.3覆蓋83
4.3.1無線傳感器網絡覆蓋的基礎研究83
4.3.2無線傳感器網絡覆蓋控制90
4.3.3無線傳感器網絡覆蓋技術在礦井中的應用96
4.4無線傳感器網絡的覆蓋空洞檢測和修復算法98
4.4.1覆蓋空洞的產生原因98
4.4.2覆蓋空洞產生的影響99
4.4.3覆蓋空洞的檢測方法99
4.4.4覆蓋空洞的修復策略100
4.5無線傳感器網絡的移動式覆蓋控制103
4.5.1主要衡量指標103
4.5.2存在的問題及挑戰103
4.5.3移動式覆蓋控制方法的分類104
4.5.4典型的移動式覆蓋技術方法105

第5章無線傳感器網絡通信與組網技術108
5.1無線傳感器網絡的體系結構與協議108
5.1.1無線傳感器網絡的體系結構108
5.1.2無線傳感器網絡的協議棧109
5.2物理層111
5.2.1物理層概述112
5.2.2物理層協議113
5.3數據鏈路層115
5.3.1MAC層115
5.3.2差錯控制117
5.3.3幀結構118
5.4網絡層119
5.4.1網絡層設計原則119
5.4.2網絡層事件及消息類型121
5.4.3網絡層數據收發121
5.4.4網絡層路由功能121
5.5傳輸層122
5.5.1事件到匯聚結點的傳輸123
5.5.2匯聚結點到傳感器結點的傳輸123
5.6應用層124
5.6.1應用層的幀類型124
5.6.2應用層協議124
5.6.3應用層功能實現125
5.7MAC協議127
5.7.1無線傳感器網絡的介質訪問控制問題127
5.7.2無線傳感器網絡MAC協議分類128
5.7.3常見的無線傳感器網絡MAC協議129
5.7.4無線傳感器網絡自適應MAC協議在礦井中的應用137
5.8無線傳感器網絡路由協議141
5.8.1無線傳感器網絡路由協議概述141
5.8.2平面結構的路由協議143
5.8.3層次結構的路由協議148
5.8.4基於查詢的路由協議150
5.8.5基於地理位置的路由協議151
5.8.6基於能量感知的路由協議154
5.8.7可靠路由協議156
5.8.8無線傳感器網絡路由協議在智能家居中的應用159

第6章無線傳感器網絡的支撐技術163
6.1時間同步163
6.1.1時間同步概述163
6.1.2時間同步的分類166
6.1.3消息同步的方法166
6.1.4時間同步協議168
6.1.5時間同步算法在煤礦電網輸電線路故障檢測中的應用175
6.2定位技術178
6.2.1定位技術概述178
6.2.2結點位置的計算方法180
6.2.3基於測距的定位算法182
6.2.4與距離無關的定位算法185
6.2.5定位算法在智能公交系統的應用與比較191
6.3數據融合192
6.3.1數據融合技術193
6.3.2數據融合的方法199
6.3.3基於數據融合的室內環境監控系統設計202
6.4容錯技術204
6.4.1容錯技術概述205
6.4.2故障模型206
6.4.3故障檢測208
6.4.4故障修復215
6.5能量管理217
6.5.1能量管理概述217
6.5.2節約電能的方法219
6.5.3動態能量管理222
6.5.4能量管理在精準農業中的應用225
6.6服務質量保證228
6.6.1服務質量技術概述228
6.6.2服務質量保障技術230
6.6.3服務質量體系結構232
6.6.4高速鐵路中無線傳感器網絡的服務質量234
6.7安全性238
6.7.1安全需求238
6.7.2關鍵技術240
6.7.3面臨的主要攻擊手段與防禦方案242

第7章無線傳感器網絡的接入技術247
7.1基於無線傳感器網絡的多網融合體系結構247
7.2面向無線傳感器網絡的接入248
7.2.1無線傳感器網絡的網關248
7.2.2面向以太網的無線傳感器網絡接入250
7.2.3面向無線局域網的無線傳感器網絡接入252
7.2.4面向移動通信網的無線傳感器網絡接入254
7.3無線傳感器網絡接入Internet256
7.3.1概述256
7.3.2無線傳感器網絡接入Internet的方法258
7.3.3無線傳感器網絡接入Internet的體系結構260
7.4無線傳感器網絡服務提供方法262
7.4.1服務提供體系262
7.4.2服務提供網絡中間件262
7.4.3服務提供步驟263
7.5多網融合網關的硬件設計264
7.5.1多網融合網關的硬件總體結構設計265
7.5.2網關設備通信模塊設計268

參考文獻274