現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)正是這三大技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，通過各類微型傳感器對目標(biāo)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，由嵌入式計(jì)算資源對信息進(jìn)行處理，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至遠(yuǎn)程用戶。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一經(jīng)提出，便成為備受關(guān)注的、多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為全新的技術(shù)領(lǐng)域，具有監(jiān)測精度高、容錯(cuò)性能好、覆蓋區(qū)域大、可遠(yuǎn)程監(jiān)控等眾多優(yōu)點(diǎn)，在軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，被列為十種將改變世界的新興技術(shù)之首，成為五個(gè)國防尖端領(lǐng)域之一，是信息產(chǎn)業(yè)的第三次革命浪潮物聯(lián)網(wǎng)的基石。
隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，教學(xué)內(nèi)容也隨之發(fā)生改變。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為物聯(lián)網(wǎng)工程、電子信息工程、通信工程、計(jì)算機(jī)等專業(yè)的重點(diǎn)課程之一。因此，編者在從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)多年工程實(shí)踐和教學(xué)活動(dòng)的基礎(chǔ)上編寫本書，系統(tǒng)介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、原理、相關(guān)技術(shù)及最新成果，以適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的需要。
本書全面梳理了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)的控制機(jī)制和關(guān)鍵技術(shù)，以幫助讀者形成關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)全面的知識(shí)體系。全書共分10章，各章內(nèi)容如下。
第1章主要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展、特點(diǎn)、性能指標(biāo)、包含的關(guān)鍵技術(shù)，與無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別與聯(lián)系，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。
第2章主要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、協(xié)議棧結(jié)構(gòu)等。
第3章介紹了物理層的技術(shù)，包括無線電波與無線信道，調(diào)制與解調(diào)，天線，超寬帶、ZigBee、藍(lán)牙等短距離無線通信技術(shù)。
第4章介紹了數(shù)據(jù)鏈路層的控制，包括介質(zhì)訪問控制層（MAC）協(xié)議、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制技術(shù)、覆蓋和連通的模型和算法。
第5章介紹了網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，包括平面路由協(xié)議、分層路由協(xié)議以及其他路由協(xié)議。
第6章介紹了傳輸層機(jī)制，包括擁塞控制機(jī)制及以可靠性為中心的協(xié)議等。
第7章主要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多種支撐技術(shù)，包括定位技術(shù)、時(shí)間同步技術(shù)、安全技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)和接入技術(shù)等。
第8章介紹了新興的無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、編解碼技術(shù)、融合技術(shù)和跨層控制方法等。
第9章介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，包括CC2530硬件平臺(tái)、ZigBee協(xié)議棧組網(wǎng)、TinyOS等操作系統(tǒng)的軟件平臺(tái)、NS等仿真平臺(tái)。
第10章從設(shè)計(jì)角度分別介紹了智能交通和智能家居兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例。
為了適合教學(xué)需要，每章都提供了完整的教學(xué)課件和微課視頻，前9章后面均附有習(xí)題。通過本書的學(xué)習(xí)，可以系統(tǒng)掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)和原理、設(shè)計(jì)與開發(fā)的基本技術(shù)，為今后從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與開發(fā)打下良好的基礎(chǔ)。
本書由北京建筑大學(xué)田啟川，太原科技大學(xué)喬建華、張雄、李素月、武迎春、武曉嘉、趙賢凌，西華大學(xué)謝維成、陳克力共同編寫。第1章由田啟川編寫，第2、10章由喬建華編寫，第3章由李素月編寫，第4章由謝維成編寫，第5章由陳克力編寫，第6章由武迎春編寫，第7章由喬建華、張雄編寫，第8章由武曉嘉編寫，第9章由趙賢凌編寫。全書由喬建華統(tǒng)稿。
感謝在編寫過程中許多老師的幫助和指正，以及侯筠、吳言等多位研究生的工作。同時(shí)，本書參考了大量文獻(xiàn)資料，并引用了部分成果，在此向這些文獻(xiàn)資料的作者們表示誠摯的感謝。
由于編者水平有限，書中難免有疏漏和錯(cuò)誤，懇請讀者批評(píng)指正。
編者
2023年6月
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)的發(fā)展
1.1.1發(fā)展歷程
1.1.2無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)
1.1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和性能指標(biāo)
1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)
1.3.1關(guān)鍵技術(shù)
1.3.2面臨的挑戰(zhàn)
1.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)
1.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化
1.5.1ISO/IEC JTC1 WG7標(biāo)準(zhǔn)框架
1.5.2IEEE 802.15系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
1.5.3IEEE 1451系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
1.6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
習(xí)題1
第2章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)
2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.2節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
2.2.1節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)
2.2.2傳感器模塊
2.2.3微處理器模塊
2.2.4無線通信模塊
2.2.5電源模塊
2.2.6典型節(jié)點(diǎn)實(shí)例
2.3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
2.3.1扁平結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)
2.3.2單sink和多sink
2.4協(xié)議體系結(jié)構(gòu)
2.4.1傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議OSI參考模型
2.4.2WSN協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)
習(xí)題2
第3章物理層技術(shù)
3.1物理層概述
3.1.1物理層特性
3.1.2物理層設(shè)計(jì)要求
3.2無線電波與無線信道
3.2.1無線電波的傳播特性
3.2.2無線信道的傳播模型
3.3物理層主要技術(shù)
3.3.1信號(hào)調(diào)制與解調(diào)
3.3.2信道編碼
3.3.3擴(kuò)頻通信
3.4天線
3.5短距離無線通信技術(shù)
3.5.1超寬帶技術(shù)
3.5.2ZigBee技術(shù)
3.5.3藍(lán)牙技術(shù)
3.5.4WiFi技術(shù)
3.5.5紅外通信技術(shù)
3.5.6LORA技術(shù)
習(xí)題3
第4章數(shù)據(jù)鏈路層控制
4.1MAC協(xié)議
4.1.1MAC概述
4.1.2基于競爭的MAC協(xié)議
4.1.3基于分配的MAC協(xié)議
4.2拓?fù)淇刂?/p>
4.2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
4.2.2拓?fù)淇刂圃O(shè)計(jì)目標(biāo)
4.2.3功率控制技術(shù)
4.2.4睡眠調(diào)度
4.3覆蓋和連通
4.3.1概述
4.3.2傳感器節(jié)點(diǎn)感知模型
4.3.3覆蓋的分類
4.3.4覆蓋算法
習(xí)題4
第5章網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議
5.1路由協(xié)議概述
5.1.1網(wǎng)絡(luò)層的服務(wù)實(shí)體
5.1.2路由協(xié)議的基本問題
5.1.3路由的過程
5.1.4傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
5.1.5路由協(xié)議分類
5.2平面路由協(xié)議
5.2.1Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議
5.2.2SPIN路由協(xié)議
5.2.3DD路由協(xié)議
5.2.4Rumor路由協(xié)議
5.3分層路由協(xié)議
5.3.1LEACH路由協(xié)議
5.3.2HEED路由協(xié)議
5.3.3TEEN路由協(xié)議
5.3.4TTDD路由協(xié)議
5.3.5PEGASIS路由協(xié)議
5.4其他路由協(xié)議
5.4.1地理位置路由
5.4.2QoS路由協(xié)議
5.4.3多徑路由協(xié)議
習(xí)題5
第6章傳輸層機(jī)制
6.1傳輸控制協(xié)議概述
6.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議需求
6.1.2傳輸層協(xié)議的功能
6.1.3TCP
6.1.4傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議評(píng)價(jià)指標(biāo)
6.2擁塞控制機(jī)制
6.2.1擁塞產(chǎn)生的原因
6.2.2擁塞的分類
6.2.3擁塞控制
6.2.4以擁塞控制為中心的協(xié)議
6.3可靠傳輸機(jī)制
6.3.1可靠性的定義
6.3.2可靠性保障的基本思想
6.3.3以可靠性為中心的協(xié)議
習(xí)題6
第7章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)
7.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)
7.1.1定位技術(shù)概述
7.1.2基于距離的定位
7.1.3與距離無關(guān)的定位
7.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步
7.2.1時(shí)間同步概述
7.2.2無線傳輸?shù)臅r(shí)延
7.2.3時(shí)間同步機(jī)制的基本原理
7.2.4同步算法分類
7.2.5典型時(shí)間同步協(xié)議
7.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全
7.3.1安全問題概述
7.3.2安全攻擊和防護(hù)手段
7.3.3入侵檢測技術(shù)
7.3.4密鑰管理技術(shù)
7.3.5網(wǎng)絡(luò)安全框架協(xié)議
7.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合
7.4.1數(shù)據(jù)融合概述
7.4.2數(shù)據(jù)融合分類
7.4.3常用的數(shù)據(jù)融合算法
7.4.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合方法
7.4.5網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)融合
7.5接入技術(shù)
7.5.1多網(wǎng)融合體系結(jié)構(gòu)
7.5.2面向WSN接入
7.5.3WSN接入Internet
7.5.4多網(wǎng)融合網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)
習(xí)題7
第8章無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)
8.1無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)
8.1.1基本概念
8.1.2通信協(xié)議架構(gòu)
8.1.3單層結(jié)構(gòu)
8.1.4多層結(jié)構(gòu)
8.2無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)
8.2.1多媒體信源編碼
8.2.2超帶寬技術(shù)
8.2.3服務(wù)質(zhì)量要求
8.2.4節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)
8.2.5覆蓋范圍
8.3多媒體信息編解碼技術(shù)
8.3.1靜態(tài)圖像編碼
8.3.2視頻編碼
8.3.3分布式信源編碼
8.4無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合
8.4.1直方圖匹配
8.4.2雙線性插值
8.4.3圖像配準(zhǔn)
8.4.4像素值圖像融合
8.4.5圖像/視頻數(shù)據(jù)融合方法
8.5無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)的跨層控制
8.5.1采用跨層方法的原因
8.5.2跨層設(shè)計(jì)方法及其優(yōu)勢
8.5.3跨層設(shè)計(jì)的應(yīng)用
習(xí)題8
第9章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)
9.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)原則
9.1.1體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則
9.1.2節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則
9.1.3跨層設(shè)計(jì)
9.2ZigBee硬件平臺(tái)與協(xié)議棧組網(wǎng)
9.2.1CC2530芯片的配置
9.2.2CC2530的無線收發(fā)器
9.2.3CC2530的開發(fā)環(huán)境
9.2.4ZigBee協(xié)議棧原理
9.2.5ZigBee組網(wǎng)
9.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件平臺(tái)
9.3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)
9.3.2TinyOS操作系統(tǒng)
9.3.3Contiki操作系統(tǒng)
9.3.4常見操作系統(tǒng)的對比分析
9.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真平臺(tái)
9.4.1TOSSIM
9.4.2OMNeT
9.4.3NS2
9.4.4其他工具
習(xí)題9
第10章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)例
10.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程
10.2基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能交通
10.2.1需求分析
10.2.2系統(tǒng)架構(gòu)
10.2.3功能模塊
10.2.4軟件設(shè)計(jì)與測試
10.3基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居
10.3.1相關(guān)技術(shù)
10.3.2需求分析
10.3.3系統(tǒng)架構(gòu)
10.3.4功能模塊
10.3.5軟件設(shè)計(jì)與測試
參考文獻(xiàn)
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