無線感測器網路的理論及套用

《無線感測器網路的理論及套用》是2007年北航大學出版社出版的圖書，作 者是王殊、閻毓傑、胡富平。

基本介紹

• 中文名：無線感測器網路的理論及套用
• 出版社：北航大學
• 作者：王殊 閻毓傑 胡富平
• ISBN ：9787811242195
• 出版時間：2007-07-01
• 裝幀：平裝
• 開本：16開

內容簡介

作者在自身研究工作積累的基礎上精心編寫了本書，讓讀者分享其學習與研究工作的經驗與成果。全書分為5篇，共22章，內容涉及無線感測器網路的概念、組網通信技術、核心支撐技術、自組織管理技術以及開發套用實例。在系統闡述無線感測器網路當前最新理論成果的基礎上，結合作者長期以來在該領域的研究工作，論述和總結了無線感測器網路發展、套用及所面臨的諸多技術挑戰。全書結構清晰、內容豐富，敘述深入淺出，翔實地反映了無線感測器網路領域的最新研究進展與成果；既可使感興趣的初學者迅速入門，也可為有一定研究基礎的同行提供較為系統的相關技術或方案，彌補國內這一領域系統研究資料相對匱乏的境況；幫助讀者加深對無線感測器網路技術的理解，為在該領域內開展進一步的學習和研究奠定必要的基礎，以縮短國內學者在該領域與國際一流研究水平的差距，從而貢獻出更多的具有我國自主智慧財產權的研究成果。

全面論述無線感測器網路的理論與套用，在系統闡述無線感測器網路當前最新理論成果的基礎上，結合作者長期以來在該領域的研究工作，論述和總結無線感測器網路的發展、套用及所面臨的諸多技術挑戰。全書分為5篇，共22章。內容涉及無線感測器網路的概念、特點；無線感測器網路物理層、數據鏈路層、網路層和傳輸層的通信協定；無線感測器網路的拓撲控制、節點定位、時間同步、網內信息處理和網路安全等核心支撐技術；無線感測器網路的感測器節點、資源、任務、數據、網路部署、初始化和維護等自組織管理技術；無線感測器網路的仿真、硬體開發、作業系統、軟體開發、ZigBee系統開發以及有關無線感測器網路的套用實例。

本書既可作為無線感測器網路領域的研究人員以及廣大對無線感測器網路感興趣的工程技術人員的參考用書，也可作為高等院校網路、通信、計算機、電子和自動化等專業本科高年級學生和研究生的學習教材。

作者簡介

王殊，1956年出生，工學博士，華中科技大學電子與信息工程系教授、博士生導師。現任華中科技大學電子與信息工程系主任、湖北省智慧型網際網路技術重點實驗室常務主任、教育部高等學校電子電氣基礎課程教學指導分委員會委員。先後多次赴德國合作研究，所在的湖北省智慧型網際網路技術重點實驗室於2002年專門成立了無線感測器網路研究組，構建了無線感測器網路試驗平台。近年來，與研究組成員一起在感測器、無線感測器網路和信號檢測與處理等方面的研究取得進展，在國內外期刊和學術會議上發表論文近百篇，獲得與申請專利十餘項。

目錄

第1篇總論

第1章無線感測器網路概述

1.1無線感測器網路介紹1

1.1.1無線感測器網路的概念1

1.1.2無線感測器網路的特徵2

1.1.3無線感測器網路的套用4

1.2無線感測器網路的體系結構7

1.2.1無線感測器網路的系統架構7

1.2.2感測器節點的結構7

1.2.3無線感測器網路的體系結構概述8

1.3無線感測器網路的研究進展10

1.3.1無線感測器網路的發展歷程10

1.3.2無線感測器網路的關鍵技術14

1.3.3無線感測器網路所面臨的挑戰14

參考文獻16

第2篇無線感測器網路的通信協定

第2章無線感測器網路的物理層

2.1無線感測器網路物理層概述19

2.1.1無線感測器網路物理層的研究內容19

2.1.2無線感測器網路物理層的研究現狀20

2.1.3無線感測器網路物理層的主要技術挑戰22

2.2無線感測器網路的調製與編碼方法22

2.2.1Mary調製機制22

2.2.2差分脈衝位置調製機制23

2.2.3自適應編碼位置調製機制24

2.3超寬頻技術在無線感測器網路中的套用25

2.3.1超寬頻技術概述25

2.3.2超寬頻技術的基本原理26

2.3.3超寬頻技術的研究現狀29

2.3.4基於超寬頻技術的無線感測器網路31

參考文獻35

第3章無線感測器網路的數據鏈路層

3.1無線感測器網路數據鏈路層概述37

3.1.1無線感測器網路數據鏈路層的研究內容37

3.1.2無線感測器網路數據鏈路層的研究現狀38

3.1.3無線感測器網路數據鏈路層的主要技術挑戰39

3.2無線感測器網路的MAC協定40

3.2.1基於競爭機制的MAC協定40

3.2.2基於時分復用的MAC協定47

3.2.3其他類型的MAC協定54

參考文獻58

第4章IEEE802.15.4標準

4.1IEEE802.15.4標準概述60

4.2IEEE802.15.4的物理層60

4.2.1物理層概述60

4.2.2物理層服務規範61

4.2.3物理層幀結構65

4.3IEEE802.15.4的MAC子層65

4.3.1MAC層概述65

4.3.2MAC層的服務規範66

4.3.3MAC幀結構69

4.3.4MAC層的功能描述70

4.4基於IEEE802.15.4標準的無線感測器網路70

4.4.1組網類型70

4.4.2數據傳輸機制71

參考文獻72

第5章無線感測器網路的網路層

5.1無線感測器網路網路層概述73

5.1.1網路層的研究內容73

5.1.2網路層的研究現狀74

5.1.3網路層的主要技術挑戰75

5.2無線感測器網路的路由協定75

5.2.1以數據為中心的平面路由75

5.2.2網路分層路由77

5.2.3基於查詢的路由79

5.2.4地理位置路由81

5.2.5能量感知路由84

5.2.6基於QoS的路由87

5.2.7路由協定的最佳化88

5.3無線感測器網路中的數據包轉發策略90

5.3.1包轉發策略的研究背景90

5.3.2基於價格機制的包轉發博弈模型91

5.3.3自發合作的包轉發博弈模型93

參考文獻94

第6章無線感測器網路的傳輸層

6.1無線感測器網路傳輸層概述97

6.1.1無線感測器網路傳輸層的研究內容97

6.1.2無線感測器網路傳輸層的研究現狀98

6.1.3無線感測器網路傳輸層的主要技術挑戰99

6.2無線感測器網路的傳輸協定99

6.2.1PSFQ傳輸協定99

6.2.2ESRT傳輸協定101

6.3無線感測器網路與其他網路的互聯103

6.3.1無線感測器網路與Internet互聯103

6.3.2無線感測器網路接入到格線105

參考文獻109

第7章ZigBee協定規範

7.1ZigBee概述111

7.1.1ZigBee與IEEE802.15.4111

7.1.2ZigBee協定框架112

7.1.3ZigBee的技術特點113

7.2網路層規範113

7.2.1網路層概述113

7.2.2服務規範114

7.2.3幀結構與命令幀115

7.2.4功能描述116

7.3套用層規範117

7.3.1套用層概述117

7.3.2ZigBee套用支持子層117

7.3.3ZigBee套用層框架結構118

7.3.4ZigBee設備協定（profile）119

7.3.5ZigBee目標設備（ZDO）119

7.4ZigBee系統的開發119

7.4.1開發條件和注意事項119

7.4.2軟體開發120

7.4.3硬體開發121

7.5基於ZigBee規範的無線感測器網路122

7.5.1無線感測器的構建122

7.5.2無線感測器網路的構建123

7.5.3基於ZigBee的無線感測器網路與RFID技術的融合124

參考文獻124

第3篇無線感測器網路的核心支撐技術

第8章無線感測器網路的拓撲控制

8.1無線感測器網路的拓撲控制技術概述125

8.1.1無線感測器網路拓撲控制的研究內容125

8.1.2無線感測器網路拓撲控制的研究現狀126

8.1.3無線感測器網路拓撲控制的主要技術挑戰126

8.2無線感測器網路的拓撲控制算法127

8.2.1功率控制算法127

8.2.2層次拓撲結構控制算法129

8.3無線感測器網路的密度控制135

8.3.1連通支配集構造算法135

8.3.2基於機率覆蓋模型的無線感測器網路密度控制算法138

參考文獻140

第9章無線感測器網路的節點定位

9.1無線感測器網路的節點定位技術概述142

9.1.1無線感測器網路節點定位的研究內容142

9.1.2無線感測器網路節點定位的研究現狀143

9.1.3無線感測器網路節點定位的主要技術挑戰146

9.2無線感測器網路的定位機制147

9.2.1基於測距的定位算法147

9.2.2非基於測距的定位算法151

9.3一種基於測距的協作定位策略159

9.3.1剛性圖理論簡介159

9.3.2基於剛性圖的協作定位理論160

9.3.3LCB定位算法161

9.4節點位置估計更新策略162

9.4.1動態網路問題162

9.4.2更新策略163

參考文獻164

第10章無線感測器網路的時間同步

10.1無線感測器網路的時間同步概述167

10.1.1無線感測器網路時間同步的研究內容167

10.1.2無線感測器網路時間同步的研究現狀168

10.1.3無線感測器網路時間同步的主要技術挑戰169

10.2無線感測器網路的時間同步機制170

參考文獻180

第11章無線感測器網路的網內信息處理

11.1無線感測器網路的網內信息處理概述182

11.1.1無線感測器網路網內信息處理的研究內容182

11.1.2無線感測器網路網內信息處理的研究現狀183

11.1.3無線感測器網路網內信息處理的主要技術挑戰184

11.2無線感測器網路的數據融合技術184

11.2.1與路由相結合的數據融合184

11.2.2基於反向組播樹的數據融合186

11.2.3基於性能的數據融合187

11.2.4基於移動代理的數據融合189

11.3無線感測器網路的數據壓縮技術191

11.3.1基於排序編碼的數據壓縮算法191

11.3.2分散式數據壓縮算法192

11.3.3基於數據相關性的壓縮算法194

11.3.4管道數據壓縮算法194

11.4無線感測器網路的協作信號信息處理技術195

11.4.1網元層的CSIP技術195

11.4.2網路層的CSIP技術196

11.4.3套用層的CSIP技術196

11.4.4CSIP技術展望197

參考文獻198

第12章無線感測器網路的安全技術

12.1無線感測器網路的安全問題概述201

12.1.1無線感測器網路安全技術的研究內容201

12.1.2無線感測器網路安全技術的研究現狀202

12.1.3無線感測器網路安全技術的主要技術挑戰205

12.2無線感測器網路的安全問題分析205

12.2.1無線感測器網路物理層的安全策略206

12.2.2無線感測器網路鏈路層的安全策略207

12.2.3無線感測器網路網路層的安全策略207

12.2.4無線感測器網路傳輸層和套用層的安全策略209

12.3無線感測器網路的密鑰管理和入侵檢測技術209

12.3.1無線感測器網路的密鑰管理209

12.3.2無線感測器網路的入侵檢測技術211

參考文獻214

第4篇無線感測器網路的自組織管理技術

第13章無線感測器網路的節點管理

13.1無線感測器網路的節點管理概述216

13.1.1無線感測器網路節點管理的研究內容216

13.1.2無線感測器網路節點管理的研究現狀217

13.1.3無線感測器網路節點管理的主要技術挑戰218

13.2無線感測器網路的節點休眠/喚醒機制218

13.2.1PEAS算法218

13.2.2基於格線的調度算法219

13.2.3基於局部圓周覆蓋的節點休眠機制220

13.2.4基於隨機休眠調度的節能機制221

13.3無線感測器網路的節點功率管理222

13.3.1動態功率管理和動態電壓調節222

13.3.2基於節點度的算法224

13.3.3基於鄰近圖的算法224

13.3.4基於二分法的功率控制224

13.3.5網路負載自適應功率管理算法226

參考文獻227

第14章無線感測器網路的資源與任務管理

14.1無線感測器網路的資源與任務管理概述229

14.1.1無線感測器網路資源與任務管理的研究內容229

14.1.2無線感測器網路資源與任務管理的研究現狀230

14.1.3無線感測器網路資源與任務管理的主要技術挑戰230

14.2無線感測器網路的資源管理技術231

14.2.1自組織資源分配方式231

14.2.2計算資源分配232

14.2.3頻寬資源分配235

14.3無線感測器網路的任務管理技術237

14.3.1任務分配237

14.3.2任務調度239

14.3.3負載均衡243

參考文獻245

第15章無線感測器網路的數據管理

15.1無線感測器網路的數據管理概述248

15.1.1無線感測器網路數據管理的研究內容248

15.1.2無線感測器網路數據管理的研究現狀249

15.1.3無線感測器網路數據管理的主要技術挑戰249

15.2無線感測器網路的數據管理系統250

15.2.1TinyDB系統250

15.2.2Cougar系統251

15.2.3Dimensions系統252

15.3無線感測器網路數據管理的基本方法253

15.3.1數據模式253

15.3.2數據存儲254

15.3.3數據索引255

15.3.4數據查詢257

參考文獻260

第16章無線感測器網路的部署、初始化和維護管理

16.1無線感測器網路的部署、初始化和維護管理概述261

16.1.1無線感測器網路部署、初始化和維護管理的研究內容261

16.1.2無線感測器網路部署、初始化和維護管理的研究現狀262

16.1.3無線感測器網路部署、初始化和維護管理的主要技術挑戰263

16.2無線感測器網路的部署技術264

16.2.1採用確定放置的部署技術264

16.2.2採用隨機拋撒且節點不具移動能力的部署技術265

16.2.3採用隨機拋撒且節點具有移動能力的部署技術265

16.3無線感測器網路的初始化技術266

16.3.1UDG模型266

16.3.2基於MIS的初始化算法266

16.3.3基於MDS的初始化算法268

16.4無線感測器網路的維護管理技術270

16.4.1覆蓋與連線維護技術270

16.4.2性能監測技術271

參考文獻272

第5篇無線感測器網路的開發與套用

第17章無線感測器網路的仿真技術

17.1無線感測器網路的仿真技術概述275

17.1.1網路仿真概述275

17.1.2無線感測器網路仿真研究概述275

17.2常用網路仿真軟體276

17.2.1OPNET簡介276

17.2.2NS279

17.2.3TOSSIM280

17.3OMNeT++仿真軟體281

17.3.1OMNeT++概述281

17.3.2NED語言282

17.3.3簡單模組/複合模組287

17.3.4訊息290

17.3.5類庫291

17.4仿真示例296

參考文獻303

第18章無線感測器網路的硬體開發

18.1無線感測器網路的硬體開發概述304

18.1.1硬體系統的設計特點與要求304

18.1.2硬體系統的設計內容304

18.1.3硬體系統設計的主要挑戰305

18.2感測器節點的開發305

18.2.1數據處理模組設計305

18.2.2換能器模組設計307

18.2.3無線通信模組設計307

18.2.4電源模組設計309

18.2.5外圍模組設計309

18.3感測器節點原型的開發實例Mica310

18.3.1Mica系列節點簡介310

18.3.2Mica系列處理器/射頻板設計分析313

18.3.3Mica系列感測板設計分析315

18.3.4編程調試接口板介紹317

參考文獻318

第19章無線感測器網路的作業系統

19.1無線感測器網路作業系統概述320

19.1.1無線感測器網路作業系統的設計要求320

19.1.2幾種典型的無線感測器網路作業系統介紹321

19.1.3無線感測器網路作業系統設計的主要技術挑戰321

19.2TinyOS作業系統322

19.2.1TinyOS的設計思路322

19.2.2TinyOS的組件模型322

19.2.3TinyOS的通信模型324

19.3基於TinyOS的應用程式運行過程解析324

19.3.1Blink程式的配件分析325

19.3.2BlinkM模組分析327

19.3.3ncc編譯nesC程式的過程329

19.3.4Blink程式的運行跟蹤解析329

19.3.5TinyOS的任務調度機制的實現338

19.3.6TinyOS的事件驅動機制的實現342

19.4TinyOS的使用346

19.4.1TinyOS的安裝346

19.4.2創建應用程式348

19.4.3使用TOSSIM仿真調試應用程式348

19.4.4使用TinyViz進行可視化調試349

19.4.5將應用程式導入節點運行350

參考文獻351

第20章無線感測器網路的軟體開發

20.1無線感測器網路軟體開發概述353

20.1.1無線感測器網路軟體開發的特點與設計要求353

20.1.2無線感測器網路軟體開發的內容354

20.1.3無線感測器網路軟體開發的主要技術挑戰355

20.2nesC程式語言355

20.2.1nesC語言介紹355

20.2.2nesC的語法規範356

20.2.3nesC應用程式開發364

20.3無線感測器網路的套用軟體開發367

20.3.1無線感測器網路的編程模式367

20.3.2無線感測器網路的中間件設計370

20.3.3無線感測器網路的服務發現372

參考文獻373

第21章無線感測器網路套用於環境監測

21.1環境監測套用概述375

21.1.1環境監測套用的場景描述375

21.1.2環境監測套用中無線感測器網路的體系架構375

21.2關鍵技術377

21.2.1節點部署377

21.2.2能量管理377

21.2.3通信機制378

21.2.4任務的分配與控制379

21.2.5數據採樣與收集379

21.3無線感測器網路用於環境監測的實例380

21.3.1公路交通監測380

21.3.2建築物健康狀況監測384

21.3.3“狼群計畫”385

參考文獻387

第22章無線感測器網路套用於目標追蹤

22.1目標追蹤套用概述388

22.1.1目標追蹤套用的場景描述388

22.1.2目標追蹤套用的特點與技術挑戰388

22.1.3目標追蹤套用中的無線感測器網路系統架構389

22.2無線感測器網路用於目標追蹤的關鍵技術390

22.2.1追蹤步驟390

22.2.2追蹤算法392

22.2.3面向目標追蹤的網路布局最佳化400

22.3基於無線感測器網路的車輛追蹤系統實例402

22.3.1系統架構402

22.3.2關鍵問題403

22.3.3關鍵技術404

參考文獻407

附錄英漢縮略語對照表410