无线传感器网络基础

第一部分 序言

第1章　无线传感器网络研究动机

1.1　定义与背景

1.1.1　传感和传感器

1.1.2　无线传感器网络

1.2　挑战和约束

1.2.1　能量

1.2.2　自我管理

1.2.3　无线组网

1.2.4　分布式管理

1.2.5　设计限制

1.2.6?安全

1.2.7?其他挑战

练习

参考文献

第2章　应用

2.1　结构安全监测

2.1.1　感知地壳活动

2.1.2　使用固有频率的单损伤检测

2.1.3　使用固有频率的多损伤检测

2.1.4　使用模态振型的多损伤检测

2.1.5　相关性

2.1.6　压电效应

2.1.7　原型

2.2　交通控制

2.2.1　感知任务

2.2.2　原型

2.3　医疗保健

2.3.1　可用的传感器

2.3.2　原型

2.4　管道监测

2.4.1　原型

2.5　精细农业

2.5.1　原型

2.6　活火山

2.6.1　原型

2.7　地下采矿

2.7.1　事故起因

2.7.2　感知任务

练习

参考文献

第3章 节点架构

3.1　传感子系统

3.1.1　模数转换器

3.2　处理器子系统

3.2.1　体系结构概述

3.2.2　微控制器

3.2.3　数字信号处理器

3.2.4　专用集成电路

3.2.5　现场可编程门阵列

3.2.6　比较

3.3　通信接口

3.3.1　串行外围接口

3.3.2　内部集成电路

3.3.3　总结

3.4　原型机

3.4.1　IMote节点的架构

3.4.2　XYZ节点的架构

3.4.3　Hogthrob节点的架构

习题

参考文献

第4章 操作系统

4.1　功能方面

4.1.1　数据类型

4.1.2　调度

4.1.3　堆栈

4.1.4　系统调用

4.1.5　处理中断

4.1.6　多线程

4.1.7　基于线程的和基于事件的编程

4.1.8　内存分配

4.2　非功能方面

4.2.1　分离关注点

4.2.2　系统开销

4.2.3　可移植性

4.2.4　动态重编程

4.3　操作系统原型

4.3.1　TinyOS

4.3.2　SOS

4.3.3　Contiki

4.3.4　LiteOS

4.4　评估

……

　　传感器设计、信息技术以及无线网络等领域的快速进步，为无线传感器网络（WSN）的发展铺平了道路。WSN可以把虚拟（计算）世界与现实世界以前所未有的规模相接合，并开发大量实用型的应用，包括保护民用基础设施、监测居住地、精准农业、有毒气体检测、供应链管理和医疗保健等方面。然而，WSN的设计面临着严峻的挑战，因为所需要的知识包括了电子、计算机工程和计算机科学领域的几乎所有研究方向。
　　目前，世界各地许多大学都给高年级本科生或研究生开设WSN课程。另外，WSN也是很多学生项目和研究生论文的关注点。所以，本书作为一本教科书，主要是针对工程类和计算机科学专业的学生。它介绍了WSN的若干基本概念和设计时的框架模型，并且尽量把理论与实践相结合，同时介绍了已经构建的系统原型和最新的进展。在每章结尾，给出了大量的实际问题和练习，帮助学生们评估对所学主要概念和理论的理解。此外，本书的部分章节和内容已经充分模块化，为课程内容的设计提供了灵活性。
　　《无线传感器网络基础：理论和实践》同样有助于对WSN感兴趣的学者，适合自学，并且可以作为重要的参考。对于该类读者，本书可以当作基础概念的教程和近期研究成果、技术进展的综述。
　　本书的组织结构
　　本书介绍了WSN的基本概念和原理，综述了传感器系统不同层上的协议、算法和技术，包括网络协议栈、中间件和应用层等。
　　《无线传感器网络基础：理论和实践》分为三个部分。第一部分：序言。第1章给出了WSN应用、传感器节点和基本系统结构的概述。第2章概述了代表性的传感器网络应用。第3章分析了不同的节点架构，详细地讲解了感知子系统、处理子系统和通信接口，另外，给出了几个典型的原型实现的例子。第4章对操作系统的功能性和非功能性方面进行了叙述，并综述了最近的操作系统实例。
　　第二部分，基本架构，详细讲解了协议和在传感器系统不同的网络协议层上使用的算法。在这些层的设计和选择对传感器节点和网络的操作与资源利用率有显著影响。第5章开始引入物理层架构和概念进行讲解。由于许多传感器节点共享无线介质，MAC层协议需要访问无线信道进行仲裁。第?6?章介绍了MAC?层的解决方案。第?7?章讨论了无线传感器网络中的多跳通信以及相关挑战，同时对现有的和提出的路由协议进行研究。
　　第三部分，节点和网络管理，探讨了另外一些技术并提出了针对各种挑战的解决方案。第8章综述了WSN的能耗管理技术。当多个传感器节点观测现实世界中的同一个事件时，正确地分析来自不同传感器的数据就非常重要，这需要传感器节点的时钟互相同步。不少其他的协议和算法同样需要时钟同步，例如，很多MAC协议依赖于精确的时序以确保没有两个节点同时发送数据包。因此，第9章介绍了时间同步的概念，并给出了几种同步策略的概述。对于许多WSN应用，无论是使用绝对坐标表示（例如，使用GPS），还是使用在同一环境中相对于其他节点或地标来表示，很重要的一点是需要传感器节点能够估算出自己的位置。第?10?章论述了多种定位机制，并比较了它们的优缺点。鉴于许多传感器应用的性质（军事、应急响应）和WSN的独有特点（例如，规模和无人值守操作），WSN面临着不少安全挑战，因此，在第?11?章中讨论了WSN的安全隐患和防御措施。最后，第12章对本书做出总结，描述了开发环境和WSN的编程技术，也概述了经常使用的WSN仿真器。