无线传感器网络技术与工程应用

前言

第1章 绪论1

1.1 引言1

1.2 传感器技术的发展2

1.2.1 微型化2

1.2.2 智能化3

1.2.3 多功能传感器4

1.3 无线传感器网络的应用5

1.3.1 军事领域5

1.3.2 环境监测6

1.3.3 医疗健康监测6

1.3.4 建筑物监测及城市管理6

1.3.5 智能交通6

1.3.6 药品管理和卫生保健7

1.4 无线传感器网络研究热点问题和关键技术7

1.5 几种无线网络9

1.6 关于无线传感器网络的开发10

第2章 IEEE802.15.4 协议13

2.1 IEEE802.15.4 的主要特点13

2.2 IEEE802.15.4 的物理层15

2.2.1 物理层服务规范16

2.2.2 物理层协议数据单元格式17

2.3 IEEE802.15.4 的MAC层19

2.3.1 MAC帧的结构19

2.3.2 MAC帧的分类22

2.4 MAC层完成的基本服务31

2.4.1 MAC层数据服务31

2.4.2 MAC层管理服务32

第3章 ZigBee协议介绍34

3.1 概述34

3.2 应用层规范37

3.2.1 ZigBee应用支持子层39

3.2.2 应用支持子层的管理实体39

3.2.3 APS数据服务40

3.2.4 APS管理服务42

3.2.5 APS的帖格式46

3.2.6 特殊帧类型格式49

3.3 APS常数和PIB属性50

3.3.1 APS常数50

3.3.2 APS信息数据库51

3.4 网络层51

3.4.1 网络层帧格式53

3.4.2 网络层常量和NIB属性60

3.5 ZigBee的网络建立过程64

第4章 WSN定位与信息处理67

4.1 节点定位技术67

4.1.1 概述67

4.1.2 定位算法的分类68

4.1.3 测距方法的分类69

4.2 计算节点位置的算法70

4.3 IEEE802.1 5.4 的定位思路77

4.4 网络控制系统的控制方法79

4.4.1 变时滞网络控制系统79

4.4.2 数据丢失网络控制系统81

4.4.3 带宽有限网络控制系统82

4.5 无线传感器网络信号估计84

4.5.1 不可靠网络中的估计问题85

4.5.2 信息丢失系统87

4.5.3 基于量化数据的估计问题89

第5章 无线传感器网络系统应用软件92

5.1 无线传感器网络的操作系统92

5.2 自主知识产权的WSN操作系统wsnRTOS100

5.2.1 操作系统结构设计简介102

5.2.2 操作系统的特点105

5.3 射频通信与控制软件108

5.3.1 SPI通信设计108

5.3.2 CC2500的控制软件功能109

5.4 网关软件的设计114

第6章 无线传感器网络的无线传输理论基础122

6.1 天线基础知识122

6.1.1 天线的方向性122

6.1.2 天线的极化124

6.1.3 自由空间通信距离方程125

6.2 阻抗127

6.2.1 阻抗的重要意义127

6.2.2 无相移的最大传输功率128

6.2.3 天线的阻抗与频带宽度129

6.2.4 传输线与匹配网络133

6.3 WSN系统的天线设计134

6.3.1 微带天线的定义和结构135

6.3.2 PCB天线设计135

6.3.3 1/4波长单极天线138

6.3.4 PCB天线的匹配142

6.4 数字通信的编解码143

6.4.1 数字通信中的编码143

6.4.2 译码和误比特率144

6.4.3 纠错方案145

第7章 无线传感器网络硬件147

7.1 无线传感器网络硬件设计通用规则147

7.2 接地设计148

7.2.1 电容电感的接地149

7.2.2 微带接地151

7.3 无线传感器网络通用硬件设计155

7.3.1 通用I/O的设计155

7.3.2 A/D外围电路的设计155

7.3.3 振荡电路的设计156

7.3.4 CPU外围电路的设计157

7.4 无线传感器网络的功耗设计162

7.4.1 无线传感器网络单节点功耗分析及低功耗设计162

7.4.2 无线传感器网络传感器节点低功耗设计164

7.4.3 无线传感器网络各层低功耗设计166

第8章 无线传感器网络在油井监测系统中的应用169

8.1 背景及意义169

8.2 系统设计170

8.2.1 需求分析170

8.2.2 系统设计原则和思想171

8.2.3 系统结构设计172

8.3 传感器节点设计173

8.3.1 低功耗设计173

8.3.2 传感器节点硬件设计175

8.3.3 传感器节点软件设计176

8.4 汇聚节点设计179

8.4.1 嵌入式操作系统179

8.4.2 汇聚节点硬件设计180

8.4.3 汇聚节点软件设计183

8.5 管理节点187

8.5.1 数据库服务器管理软件187

8.5.2 系统设计实例188

第9章 无线传感器网络系统在路灯节能中的应用193

9.1 概述193

9.2 路灯节能中无线传感器网络的设计技术195

9.2.1 系统的硬件设计197

9.2.2 系统的软件设计199

第10章 无线传感器网络其他应用举例219

10.1 无线传感器网络与能量管理系统219

10.1.1 我国建筑能耗现状219

10.1.2 建筑物能量管理系统的构成220

10.1.3 无线传感器网络在能量管理系统中的应用222

10.2 无线传感器网络在家庭安防中的应用232

10.2.1 传统家居安防监控系统的组成232

10.2.2 智能家居安防监控系统原理233

10.2.3 无线传感器网络在智能家居安防监控系统中的实现235

附录PIC18系列微处理器网络版操作系统238

参考文献255

《无线传感器网络技术与工程应用》比较全面地论述了无线传感器网络所涉及的关键技术，包括无线传感器网络的概念、特点和节点的开发等。全书共分为10章，内容包括无线传感器的概念、通信协议、定位与信息处理、开发无线传感器节点所涉及的理论基础、软件、硬件设计原理和实现方法以及应用无线传感器网络的实际工程案例。附录中给出了作者自行开发的微代码的操作系统——PIC18系列微处理网络版操作系统。在《无线传感器网络技术与工程应用》配套的光盘中给出了作者自主开发的实时操作系统和应用操作系统的12个实例代码，以帮助读者更好地开发自己的无线传感器网络产品和工程应用。
　　《无线传感器网络技术与工程应用》主要适合从事无线传感器网络领域工作，特别是产品开发和工程应用的读者，也可作为计算机、电子、自动化和通信等专业的本科生和研究生的教材。