无线传感器网络技术原理及应用

第1章绪论

1.1WSN的基本概念

1.1.1无线网络的描述

1.1.2WSN的定义

1.1.3WSN系统的组成

1.2WSN的特点

1.2.1与无线自组网的区别

1.2.2与现场总线的区别

1.2.3传感器节点的限制

1.2.4WSN的特点

1.3WSN的关键性能指标

1.4传感器的类型

1.4.1传感器的基础知识

1.4.2传感器的分类

1.4.3常见传感器的类型介绍

1.4.4传感器的基本特性

1.5WSN的应用

1.6WSN的研究历史

1.6.1计算设备的演化历史

1.6.2WSN发展的三个阶段

1.6.3WSN的发展趋势

习题1

第2章WSN开发环境

2.1概述

2.2WSN平台硬件设计

2.2.1系统结构图

2.2.2节点设计内容与要求

2.2.3节点的模块化设计

2.2.4传感器节点开发实例

2.2.5常见传感器节点

2.3WSN的操作系统

2.3.1概述

2.3.2nesC语言

2.3.3TinyOS组件模型

2.3.4TinyOS通信模型

2.3.5TinyOS事件驱动机制

2.3.6调度策略

2.3.7能量管理机制

2.3.8LED灯闪烁实验分析

2.4现代WSN典型实验平台

2.4.1硬件系统的组成

2.4.2硬件组件介绍

2.4.3传感器节点

2.4.4路由器节点

2.5ZigBee硬件平台

2.5.1CC2530芯片的特点

2.5.2CC2530片上8051内核

2.5.3CC2530主要特征外设

2.5.4CC2530无线收发器

2.5.5CC2530开发环境IAR

习题2

第3章WSN拓扑控制与覆盖技术

3.1WSN拓扑结构

3.1.1平面网络结构

3.1.2分级网络结构

3.1.3混合网络结构

3.1.4Mesh网络结构

3.2拓扑控制

3.2.1概述

3.2.2拓扑控制的意义

3.2.3拓扑控制设计目标

3.3功率控制

3.4层次性拓扑结构控制方法

3.5启发机制

3.6覆盖

3.6.1覆盖理论基础

3.6.2覆盖感知模型

3.6.3覆盖算法分类

3.6.4典型覆盖算法

3.6.5覆盖能效评价指标

3.7传感器网络的覆盖控制

习题3

第4章WSN通信与组网技术

4.1WSN协议结构

4.1.1传统网络协议OSI参考模型

4.1.2WSN协议的分层结构

4.2物理层

4.2.1物理层概述

4.2.2通信信道分配

4.2.3调制解调方式

4.2.4WSN物理层的设计

4.3数据链路层协议

4.4网络层协议

4.5传输层协议

4.5.1EventtoSink传输

4.5.2SinktoSensors传输

4.6应用层协议

4.6.1传感器管理协议

4.6.2任务分派与数据广播协议

4.6.3传感器查询与数据分发协议

4.7MAC协议

4.7.1MAC协议的分类

4.7.2IEEE 802.11协议

4.7.3基于竞争的MAC协议

4.7.4基于时分复用的MAC协议

4.8路由协议

4.8.1路由协议概述

4.8.2平面路由协议

4.8.3层次路由协议

4.8.4能量感知路由

4.8.5基于查询的路由

4.8.6地理位置路由

4.8.7可靠路由协议

4.8.8路由协议自主切换

习题4

第5章WSN支撑技术

5.1时间同步

5.1.1时钟同步问题

5.1.2时间同步问题

5.1.3时间同步基础

5.1.4时间同步协议

5.2定位技术

5.2.1基本描述

5.2.2节点位置的计算方法

5.2.3基于测距的定位算法

5.2.4距离无关的定位算法

5.2.5典型的定位系统

5.3数据融合

5.3.1数据融合的基本概念

5.3.2数据融合分类

5.3.3常用的数据融合算法

5.3.4WSN数据融合技术

5.3.5WSN数据融合算法实现

5.4能量管理

5.4.1能量管理的意义

5.4.2电源节能方法

5.4.3动态能量管理

5.5容错技术

5.5.1容错技术的基本描述

5.5.2故障模型

5.5.3故障检测与诊断

5.5.4故障修复

5.6QoS保证

5.6.1QoS概述

5.6.2QoS研究

5.7安全性

5.7.1WSN安全威胁模型

5.7.2WSN安全要求

5.7.3WSN中的安全攻击

习题5

第6章WSN协议技术标准

6.1技术标准的意义

6.2IEEE 1451系列标准

6.3IEEE 802.15.4标准

6.3.1IEEE 802.15.4标准概述

6.3.2物理层

6.3.3MAC子层

6.3.4符合IEEE 802.15.4标准的传感器网络实例

6.4ZigBee协议栈原理

6.4.1概述

6.4.2寻址

6.4.3绑定

6.4.4路由

6.4.5ZDO消息请求

6.4.6便携式设备

6.4.7端到端确认

6.4.8其他

6.4.9安全

6.4.10ZigBee系统软件的设计

6.4.11符合ZigBee规范的传感器网络实例

6.5蓝牙

6.5.1蓝牙协议栈简介

6.5.2蓝牙协议栈分析

6.5.3蓝牙技术的发展趋势

6.6WiFi技术

6.6.1概述

6.6.2WiFi协议架构

6.6.3WiFi技术应用

6.7UWB技术

6.7.1概括

6.7.2UWB主流技术

6.7.3UWB的发展趋势

6.8红外线数据传输技术

6.9短距离无线通信技术特点比较

习题6

第7章WSN接入技术

7.1多网融合体系结构

7.2面向WSN接入

7.2.1概述

7.2.2面向以太网的WSN接入

7.2.3面向无线局域网的WSN接入

7.2.4面向移动通信网的WSN接入

7.3WSN接入Internet

7.3.1概述

7.3.2WSN接入Internet结构

7.3.3WSN接入Internet方法

7.3.4WSN接入Internet体系结构设计

7.4WSN服务提供方法

7.4.1服务提供体系

7.4.2服务提供网络中间件

7.4.3服务提供步骤

7.5多网融合网关的硬件设计

7.5.1网关总体结构设计

7.5.2现代WSN网关实验平台

7.6网关接入外部基础设施网络的实现

习题7

第8章WSN的应用

8.1基于WSN路况信息监测技术的实现

8.1.1路面参数监测传感器选择

8.1.2道路车流量监测的传感器

8.1.3交通参数监测技术

8.1.4交通参数监测的实施方案

8.2基于WSN的智能家居系统设计与实现

8.2.1智能家居的基本描述

8.2.2智能家居系统的整体架构

8.2.3节点硬件设计

8.2.4终端节点硬件设计

8.2.5节点软件部分设计

8.2.6节点功能的实现

8.2.7节点能量控制

8.2.8智能家居网关分析

8.2.9智能家居网关通信技术

8.2.10智能家居网关总体设计

8.2.11智能家居网关硬件设计

8.2.12智能家居网关操作系统及驱动移植

8.2.13智能家居网关应用软件设计

8.2.14智能家居系统演示平台搭建

8.3基于TinyOS的WSN定位系统的设计

8.3.1定位系统设计的原则

8.3.2定位系统算法选择

8.3.3WSN节点硬件设计

8.3.4TinyOS程序编译与移植

8.3.5RSSI定位的TinyOS实现

8.3.6未知节点程序设计

8.3.7信标节点程序设计

8.3.8网关节点程序设计

8.3.9实验测试结果

8.3.10无线传输损耗模型分析与验证

习题8

第9章WSN与物联网

9.1物联网的基本概念

9.1.1物联网的兴起

9.1.2物联网的定义

9.1.3物联网的特点

9.1.4物联网的技术架构

9.1.5物联网关键技术

9.2RFID与WSN的整合

9.2.1RFID的基础理论

9.2.2RFID和WSN整合的原因

9.2.3RFID标签与传感器的整合

9.2.4RFID标签与传感器节点的整合

9.2.5读写器与传感器节点的整合

9.2.6RFID和传感器的整合

9.3物联网环境下的WSN

9.4基于RFID的WSN车载信息服务系统设计

9.4.1系统整体设计

9.4.2系统硬件设计

9.4.3系统网络模块

9.4.4系统软件设计

9.4.5应用软件设计

9.4.6系统软件测试

习题9

参考文献

本书根据物联网工程本科专业的发展方向和教学需要，结合无线网络传感器网络技术的最新发展技术及其应用现状编写而成，主要介绍无线传感器网络的基本概念、无线传感器网络开发环境、无线传感器网络拓扑控制与覆盖技术、无线传感器网络通信与组网技术、无线传感器网络支撑技术、无线传感器网络协议的技术标准、无线传感器网络安全技术，无线传感器网络接入技术、无线传感器网络的应用、无线传感器网络与物联网等。本书内容丰富、覆盖面广、浅显易懂，不仅注重基本概念和基础技术，还强调了技术应用和实践教学内容，力求概念准确、图文并茂。本书可作为普通高等院校物联网工程专业的本科教材，主要针对以下阅读群体： ① 开设无线传感器网络课程的本科生，涉及的专业包括物联网工程、计算机和自动化等信息技术类专业； ② 普通高校的硕士生、博士生(作为无线传感器网络的入门辅导书)； ③ 工程技术开发人员。