无线传感器网络

　　无线传感器网络技术是信息感知和采集领域的一场革命，给人类的生产和生活带来了深远影响。目前，无线传感器网络已成为国际竞争的焦点，引起了学术界和工业界的广泛关注。本书按照无线传感器网络的搭建过程进行介绍，将理论与实际、技术与应用相结合，力求培养具有创新和实践能力的人才，提高学习者分析和解决问题的能力。 本书共分为7章。第1章介绍无线传感器网络的基本概念、特点、关键性能指标、传感器、应用和发展历史，第2章介绍无线传感器网络开发环境，第3章介绍无线传感器网络中的无线通信技术，第4章介绍无线传感器网络的拓扑控制与覆盖技术，第5章介绍无线传感器网络通信与组网技术，第6章介绍无线传感器网络的支撑技术，第7章介绍无线传感器网络的接入技术。 本书适合通信、电子、自动化、物联网等相关专业本科生和研究生学习，也可供物联网相关从业人员自学使用。

　　本书作者均为高校教师，主讲无线传感网络的多年，具有丰富的一线教学经验的，曾参与和主持十三五教改重点项目、教育部协同育人项目，主编出版物联网专业教材多部、教改论文多篇。

第1章无线传感器网络概述1
1.1基本概念1
1.1.1无线传感器网络的定义1
1.1.2远程数据传输网络1
1.1.3无线传感器网络系统结构2
1.2无线传感器网络的特点3
1.3传感器结点概述4
1.3.1传感器结点的组成4
1.3.2传感器结点的角色5
1.3.3传感器结点的唤醒方式5
1.3.4传感器结点的特点6
1.3.5传感器结点面临的威胁及对策6
1.4关键性能指标8
1.4.1网络层指标8
1.4.2抗毁性指标8
1.4.3监测性能指标9
1.4.4定位技术指标9
1.5传感器10
1.6无线传感器网络的应用11
1.6.1主要的应用领域11
1.6.2典型项目案例——油田气管线智能化管理系统12
1.7无线传感器网络发展历史13
第2章无线传感器网络开发环境14
2.1概述14
2.2无线传感器网络平台硬件设计15
2.2.1系统结构图15
2.2.2结点设计要求与内容16
2.2.3结点的模块化设计16
2.2.4常见的无线传感器网络结点19无线传感器网络目录2.3无线传感器网络的操作系统22
2.3.1传感器网络对操作系统的要求22
2.3.2TinyOS23
2.3.3nesC语言23
2.3.4TinyOS组件模型24
2.3.5TinyOS通信模型25
2.3.6TinyOS事件驱动机制、调度策略与能量管理机制26
2.4ZigBee硬件平台26
2.4.1CC2530芯片的特点26
2.4.2CC2530芯片上8051内核27
2.4.3CC2530的主要外设27
2.4.4CC2530无线收发器27
2.4.5CC2530开发环境IAR27
第3章无线传感器网络中的无线通信技术29
3.1IEEE 802.15.4标准概述29
3.1.1网络简介29
3.1.2拓扑结构30
3.1.3网络拓扑的形成过程30
3.2蓝牙技术31
3.2.1蓝牙技术概述31
3.2.2蓝牙协议体系33
3.2.3蓝牙数据包36
3.2.4蓝牙地址38
3.2.5蓝牙的状态38
3.2.6蓝牙的关键技术40
3.3ZigBee技术44
3.3.1ZigBee技术概述44
3.3.2ZigBee网络的组成46
3.3.3ZigBee协议栈的原理48
3.4超宽带技术52
3.4.1超宽带的定义52
3.4.2超宽带技术的实现方式53
3.4.3超宽带技术的特点54
3.5LiFi技术55
3.5.1LiFi技术产生的背景56
3.5.2LiFi技术的原理56
3.5.3LiFi技术的优点和缺点57
3.6LPWAN技术58
3.6.1LPWAN技术的发展58
3.6.2LoRa59
3.6.3NBIoT64
第4章无线传感器网络的拓扑控制与覆盖技术69
4.1无线传感器网络拓扑结构69
4.1.1拓扑结构的分类69
4.1.2煤矿安全监测应用实例70
4.2拓扑控制73
4.2.1拓扑控制研究的主要问题73
4.2.2网络拓扑结构优化的重要性74
4.2.3拓扑控制的目标74
4.2.4拓扑控制的算法与面临的挑战76
4.2.5拓扑控制的分类76
4.3覆盖83
4.3.1无线传感器网络覆盖的基础研究83
4.3.2无线传感器网络覆盖控制90
4.3.3无线传感器网络覆盖技术在矿井中的应用96
4.4无线传感器网络的覆盖空洞检测和修复算法98
4.4.1覆盖空洞的产生原因98
4.4.2覆盖空洞产生的影响99
4.4.3覆盖空洞的检测方法99
4.4.4覆盖空洞的修复策略100
4.5无线传感器网络的移动式覆盖控制103
4.5.1主要衡量指标103
4.5.2存在的问题及挑战103
4.5.3移动式覆盖控制方法的分类104
4.5.4典型的移动式覆盖技术方法105
第5章无线传感器网络通信与组网技术108
5.1无线传感器网络的体系结构与协议108
5.1.1无线传感器网络的体系结构108
5.1.2无线传感器网络的协议栈109
5.2物理层111
5.2.1物理层概述112
5.2.2物理层协议113
5.3数据链路层115
5.3.1MAC层115
5.3.2差错控制117
5.3.3帧结构118
5.4网络层119
5.4.1网络层设计原则119
5.4.2网络层事件及消息类型121
5.4.3网络层数据收发121
5.4.4网络层路由功能121
5.5传输层122
5.5.1事件到汇聚结点的传输123
5.5.2汇聚结点到传感器结点的传输123
5.6应用层124
5.6.1应用层的帧类型124
5.6.2应用层协议124
5.6.3应用层功能实现125
5.7MAC协议127
5.7.1无线传感器网络的介质访问控制问题127
5.7.2无线传感器网络MAC协议分类128
5.7.3常见的无线传感器网络MAC协议129
5.7.4无线传感器网络自适应MAC协议在矿井中的应用137
5.8无线传感器网络路由协议141
5.8.1无线传感器网络路由协议概述141
5.8.2平面结构的路由协议143
5.8.3层次结构的路由协议148
5.8.4基于查询的路由协议150
5.8.5基于地理位置的路由协议151
5.8.6基于能量感知的路由协议154
5.8.7可靠路由协议156
5.8.8无线传感器网络路由协议在智能家居中的应用159
第6章无线传感器网络的支撑技术163
6.1时间同步163
6.1.1时间同步概述163
6.1.2时间同步的分类166
6.1.3消息同步的方法166
6.1.4时间同步协议168
6.1.5时间同步算法在煤矿电网输电线路故障检测中的应用175
6.2定位技术178
6.2.1定位技术概述178
6.2.2结点位置的计算方法180
6.2.3基于测距的定位算法182
6.2.4与距离无关的定位算法185
6.2.5定位算法在智能公交系统的应用与比较191
6.3数据融合192
6.3.1数据融合技术193
6.3.2数据融合的方法199
6.3.3基于数据融合的室内环境监控系统设计202
6.4容错技术204
6.4.1容错技术概述205
6.4.2故障模型206
6.4.3故障检测208
6.4.4故障修复215
6.5能量管理217
6.5.1能量管理概述217
6.5.2节约电能的方法219
6.5.3动态能量管理222
6.5.4能量管理在精准农业中的应用225
6.6服务质量保证228
6.6.1服务质量技术概述228
6.6.2服务质量保障技术230
6.6.3服务质量体系结构232
6.6.4高速铁路中无线传感器网络的服务质量234
6.7安全性238
6.7.1安全需求238
6.7.2关键技术240
6.7.3面临的主要攻击手段与防御方案242
第7章无线传感器网络的接入技术247
7.1基于无线传感器网络的多网融合体系结构247
7.2面向无线传感器网络的接入248
7.2.1无线传感器网络的网关248
7.2.2面向以太网的无线传感器网络接入250
7.2.3面向无线局域网的无线传感器网络接入252
7.2.4面向移动通信网的无线传感器网络接入254
7.3无线传感器网络接入Internet256
7.3.1概述256
7.3.2无线传感器网络接入Internet的方法258
7.3.3无线传感器网络接入Internet的体系结构260
7.4无线传感器网络服务提供方法262
7.4.1服务提供体系262
7.4.2服务提供网络中间件262
7.4.3服务提供步骤263
7.5多网融合网关的硬件设计264
7.5.1多网融合网关的硬件总体结构设计265
7.5.2网关设备通信模块设计268
参考文献274