無線感測器網路：原理與實踐

《無線感測器網路：原理與實踐》是2015年機械工業出版社出版的圖書，作者是胡飛和曹小軍。本書內容豐富、語言簡練，理論敘述深入淺出。它基本涵蓋了無線感測器網路領域所有知識點的全新研究進展並提供了詳盡的參考文獻，包括硬體設計、媒體接入控制、路由策略、傳輸協定、作業系統、中間件、數據管理、定位、同步、安全、執行器/水下/視頻感測器網路、能量控制、感測器模擬和新興的研究。另外，《計算機科學叢書·無線感測器網路：原理與實踐》還提供了豐富的課後練習題和思考題，詳細的個案研究，以及實際感測器網路的設計案例。

基本介紹

• 中文名：無線感測器網路：原理與實踐
• 作者：胡飛、曹小軍
• 譯者：牛曉光
• 出版社：機械工業出版社
• ISBN：9787111406990 

內容簡介

Wireless Sensor Networks：Principles and Practice在當今信息爆炸的時代，無線感測器網路（WSN）已成為研究熱點之一。科學與機械工程方面的最新進展為建立低能耗、低成本的無線感測器網路提供了有利條件。無線感測器網路為日益增加的套用需求提供了足夠的發展空間與有效的解決方案，例如基礎設施的保護與安全維護、管理與監控、健康護理、環境監測、食品安全與智慧能源等。相比於傳統的網路技術，無線感測器網路具有許多優勢，但後者在網路結構的設計、模型與算法等方面也存在很多極具挑戰性的問題。無線感測器網路在設計中存在很多限制，例如有限的能耗、頻寬、存儲空間和計算能力，節點的高失效率與訊息丟失率，不利的通信環境與獨特的套用要求。目前為止，在學術與工業領域已有很多關於無線感測器網路的研究。

最近，出版了一些感測器網路領域方面的書籍，但大多數並不適合當作教材，因為其覆蓋的領域有限或者編輯並不得當。本書則嘗試綜合討論感測器網路中的主要技術、標準、主要問題和最新發展。它基本覆蓋了此領域讀者所需的所有主題，包括硬體設計、介質訪問控制、路由協定、傳輸協定、作業系統，中間件、數據管理定位、時間同步、安全、執行器/水下/視頻感測器網路、能量控制和感測器網路模擬等。

本書通過列舉生動有趣的無線感測器網路套用實例，使複雜的概念變得簡單易懂。另外，本書設計了豐富的課後練習、作業與詳實的套用案例，幫助讀者理解書中內容，並能夠將自己的知識套用到無線感測器網路的設計中或者解決現實生活中的問題。本書還包括一些實際的感測器網路設計，比如醫療健康護理系統。

目標閱讀人群作為教材，本書適合計算機工程、電子工程或者計算機科學、物聯網工程等相關專業的高年級本科生和低年級研究生使用。對於想全面了解無線感測器網路技術的感測器網路設計者、研究者和工程師來說，這是一本優秀的參考書。另外，本書也適用於政府部門工作人員，他們可以通過學習此書，利用無線感測器網路保障國土安全。

本書內容第1章緒論（無線感測器網路概述、基本的網路概念）計算機工程知識第2章硬體——感測器節點的體系結構與設計（具有微型控制器和無線通信模組的微型感測器節點）網路協定棧第3章MAC層 （相鄰節點無線傳輸）第4章路由層 （建立源節點與目的節點間的最優通信路徑）第5章傳輸層 （丟包恢復，擁塞控制）計算機科學知識第6章作業系統 （TinyOS等）第7章中間件 （向套用開發程式人員隱藏網路細節）第8章感測器數據管理高級無線感測器網路技術第9章定位 （也稱為定標，非常重要）第10章時鐘同步 （修正感測器節點時鐘漂移帶來的誤差）第11章安全 （無線感測器網路面臨的攻擊及相應安全機制）（續）特殊感測器網路第12章無線執行器與感測器網路（具有移動執行器）第13章水下感測器網路（通信採用聲波而非射頻）第14章視頻感測器網路其他技術第15章能量模型與低功耗設計第16章無線感測器網路模擬器套用案例分析第17章無線感測器網路套用案例：醫療健康護理系統第18章無線感測器網路套用案例：燈光控制教學建議本書可以用於學時為一個學期（15周）的“無線感測器網路”課程教材，下表給出了本書中不同教學單元的時間分配建議。教師可以根據學生的反饋與學習的實際情況調整教學計畫。

時間長度教學內容章節2周無線感測器網路概況、感測器節點硬體（對於計算機科學專業本科生，本內容可以縮減）第1章與第2章2周MAC層（至少講授兩個MAC方案，重點為“能量節省”設計）第3章25周路由層（講授主動式/反應式路由協定，重點為可擴展性設計）第4章15周傳輸層（講授可靠的端到端傳輸和擁塞控制兩部分內容）第5章1周作業系統；中間件（對於計算機科學專業本科生，可用兩周時間講授本部分）第6章與第7章1周感測器數據管理（對於計算機科學專業本科生，可用兩周時間講授本部分）第8章1周感測器節點定位、時間同步（對於博士/碩士研究生，可用2~3周時間深入講授本部分）第9章與第10章1周無線感測器網路安全（講授μTESLA、EG、qComposite等經典認證、密鑰管理協定）第11章15周特殊感測器網路（著重講授水下無線感測器網路）第12章到第14章05周能量模型；無線感測器網路模擬器第15章與第16章1周典型套用案例學習第17章與第18章總計：15周對於每一章，教師應講授相關數學模型、協定原理與設計實例。可以將一些教學內容作為課後閱讀作業提示：教師應留一些課堂實驗的時間。

對於時長為10周的“無線感測器網路”課程，本書中各教學單元的時間分配建議如下表所示。

時間長度教學內容章節15周無線感測器網路概況、感測器節點硬體第1章與第2章1周MAC層（重點講授“能量節省”設計）第3章15周路由層（講授主動式/反應式路由協定，重點為可擴展性設計）第4章1周傳輸層（講授可靠的端到端傳輸和擁塞控制兩部分內容）第5章05周作業系統；中間件（對於計算機科學專業本科生，可用15周時間講授本部分）第6章與第7章（續）時間長度教學內容章節05周感測器數據管理（對於計算機科學專業本科生，可用15周時間講授本部分）第8章1周感測器節點定位、時間同步（對於博士/碩士研究生，可用2~3周時間深入講授本部分）第9章與第10章05周無線感測器網路安全（講授μTESLA、EG、qComposite等經典認證、密鑰管理協定）第11章1周特殊感測器網路（著重講授水下無線感測器網路）第12章至第14章05周能量模型、無線感測器網路第15章與第16章1周典型套用案例學習第17章與第18章總計：10周對於每一章，教師應講授相關數學模型、協定原理與設計實例。可以將一些教學內容作為課後閱讀作業對於計算機工程專業的學生，第2章的內容（感測器節點硬體設計）很重要，需要較多的時間進行系統學習。而計算機科學專業的學生需要細緻地學習第6章至第8章內容（感測器網路作業系統和數據管理）。

還有一些章節，例如第8章~第10章（感測器網路定位、同步、安全），可以作為博士/碩士研究生的學期考試課題（也就是說，要求學生更深入地研究此課題，然後基於他們的研究提交一份研究報告）。第17章與第18章的內容可以作為大學高年級學生的研究項目。

在課堂教學過程中，不建議對本書涉及的無線感測器網路知識點以綜述的形式進行講解。教師應選擇適當的典型設計案例，對案例涉及的相關概念進行詳細闡述。例如，當講授介質訪問（MAC）層時，教師應至少詳細介紹一種典型的MAC協定（例如SMAC協定）。

數學理論對於無線感測器網路設計尤其重要。因此，學生應仔細學習各章節中出現的一些經典數學模型。博士/碩士研究生更應著重學習這些模型

圖書目錄

譯者序

前言

第一部分 基礎知識

第1章 緒論

1.1 基礎知識

1.2 介質訪問控制層

1.3 路由

1.4 其他通信問題

1.5 感測器定位

1.6 時鐘同步

1.7 電源管理

1.8 特殊的無線感測器網路

1.8.1 無線多媒體感測器網路

1.8.2 水下聲學無線感測器網路

1.9 無線感測器網路的套用

問題與練習

第二部分 工程設計

第2章 硬體??感測器節點的體系結構與設計

2.1 感測器節點的模組

2.1.1 感測器

2.1.2 微處理器

2.1.3 存儲器

2.1.4 無線通信模組

2.1.5 電源

2.1.6 外圍模組支持

2.2 綜合設計

2.3 Mica節點設計

2.4 定製節點??Spec

2.5 COTS微塵系統

2.6 Telos節點

2.7 CargoNet

問題與練習

第三部分 網路協定棧

第3章 無線感測器網路中的介質訪問控制技術

3.1 引言

3.1.1 無線感測器網路中的介質訪問控制

3.1.2 無線感測器網路中MAC設計的挑戰性

3.2 IEEE802.1 1標準概述

3.2.1 點協調功能

3.2.2 分散式協調功能

3.3 MAC協定的分類

3.3.1 基於競爭的MAC協定

3.3.2 基於調度的MAC協定

3.3.3 混合型與事件驅動的MAC協定

3.4 總結

問題與練習

第4章 無線感測器網路的路由技術

4.1 引言

4.1.1 資源受限

4.1.2 容錯性

4.1.3 數據報告與融合

4.1.4 節點部署

4.1.5 可擴展性和覆蓋度

4.1.6 網路動態性和異構性

4.2 本章的組織結構

4.3 無線感測器網路路由協定的分類

4.3.1 主動式路由協定和反應式路由協定

4.3.2 平面路由協定和分層路由協定

4.4 以數據為中心的路由協定

4.4.1 洪泛和閒聊

4.4.2 SPIN：基於信息協商的感測器網路路由協定

4.4.3 DD：定向擴散路由

4.5 分層路由協定

4.5.1 LEACH：低功耗自適應按簇分層路由協定

4.5.2 TEEN：閾值敏感的能量高效感測器網路路由協定

4.6 基於位置信息的路由協定

4.7 多徑QoS路由

4.7.1 多徑路由

4.7.2 多徑QoS路由協定

4.8 小結

問題與練習

第5章 無線感測器網路傳輸層技術

5.1 引言

5.2 PSFQ

5.2.1 為什麼TCP協定不適用於感測器網路

5.2.2 基本工作原理

5.2.3 協定描述

5.3 ESRT：事件到匯聚節點的可靠傳輸協定

5.3.1 可靠傳輸問題

5.3.2 歸一化事件可靠性與報告速率之間的關係

5.3.3 擁塞檢測

5.4 E2SRT：事件到匯聚節點的增強可靠傳輸協定

5.5 CODA：感測器網路中的擁塞檢測與避免

5.5.1 開環逐跳反壓

5.5.2 擁塞檢測

5.5.3 基於採樣的信道監聽

5.6 STCP：無線感測器網路的傳輸控制協定

5.6.1 STCP中的數據傳輸序列

5.6.2 STCP分組的格式

5.6.3 連續數據流

5.6.4 事件觸發數據流

5.6.5 可靠性

5.6.6 擁塞檢測與避免

5.6.7 以數據為中心的套用

5.7 GARUDA：實現有效可靠的下行通信

5.7.1 無線感測器網路中下行數據可靠性面臨的挑戰

5.7.2 GARUDA基本設計

5.7.3 GARUDA 架構

問題與練習

第四部分 計算機科學原理

第6章 感測器節點的作業系統

6.1 TinyOS

6.1.1 概述

6.1.2 組件模型

6.1.3 執行模組與並發性

6.1.4 主動訊息

6.1.5 實現狀況

6.1.6 主要特性

6.1.7 低功率最佳化

6.2 LA?QTinyOS：無線感測器網路中的一種局部性感知的作業系統

6.2.1 改變定時器以支持時間和空間局部性

6.2.2 多級任務調度器

6.2.3 LA?QTinyOS系統的代碼結構

6.3 SOS

6.3.1 模組

6.3.2 動態記憶體

6.4 RETOS： 彈性可擴展多執行緒作業系統

6.4.1 套用代碼檢查

6.4.2 多執行緒系統

6.4.3 可載入核心模組

問題與練習

第7章 無線感測器網路中的中間件設計

7.1 引言

7.2 無線感測器網路中間件參考模型

7.3 中間件實例：Agilla

7.4 用於獲取數據的中間件實例：Mires

7.5 數據存儲實例：DSWare

7.6 無線感測器網路運行時支持實例：Mate

7.7 QoS支持實例：MiLAN

問題與練習

第8章 感測器數據管理

8.1 感測器數據清理

8.1.1 背景

8.1.2 通用模型

8.1.3 降低不確定性

8.2 TinyDB：套用於感測器網路的可獲取的查詢處理系統

8.2.1 數據模型

8.2.2 基本語言特點

8.2.3 基於事件查詢

8.2.4 TinyDB定義的其他查詢

8.2.5 基於能量的查詢最佳化

8.2.6 TinyDB策略一覽

8.3 數據聚合：獨立於套用的數據聚合（AIDA）

8.4 感測器數據存儲：層次化數據存儲結構（TSAR）

8.5 多解析度數據處理

問題與練習

第五部分 高級話題

第9章 感測器定位

9.1 引言

9.2 定位的基本要素

9.2.1 接收信號強度指示

9.2.2 到達時間

9.2.3 到達時間差

9.2.4 到達角度

9.2.5 三角測量

9.2.6 三邊測量

9.2.7 多邊定位

9.3 使用移動機器人進行感測器定位

9.4 多維標度節點定位

9.4.1 經典多維標度

9.4.2 疊代多維標度

9.5 無線感測器網路中的定位

9.5.1 蒙特卡洛方法

9.5.2 算法

9.5.3 算法

9.6 無GPS環境中的移動無線感測器網路的節點定位方法

9.7 高精度低功耗的無線感測器網路定位系統

9.8 LOCALE：稀疏移動感測器網路的協同定位估計

9.8.1 協同位置估計

9.8.2 LOCALE中的定位

9.8.3 局部定位階段

9.8.4 轉換階段

9.8.5 更新階段

9.9 無線感測器網路定位的安全

9.9.1 SeRLoc

9.9.2 信標套件

9.9.3 攻擊容忍的節點定位

9.9.4 穩健統計方法

問題與練習

第10章 無線感測器網路中的時間同步技術

10.1 引言

10.2 一般網路（非無線感測器網路）中的時間同步

10.2.1 遠程時鐘讀取

10.2.2 偏移時延估計方法

10.3 無線感測器網路中的時鐘同步

10.4 同步性能的評估

10.4.1 精度

10.4.2 協定開銷

10.4.3 收斂時間

10.4.4 能效

10.4.5 可擴展性

10.4.6 魯棒性

10.5 無線感測器網路同步協定的例子

10.5.1 參考廣播同步

10.5.2 時間擴散同步協定

10.5.3 機率時鐘同步

問題與練習

第11章 無線感測器網路安全與隱私

11.1 引言

11.1.1 一般攻擊類型

11.1.2 物理節點攻擊

11.1.3 針對無線感測器網路通信議棧的攻擊

11.2 攻擊與對策示例：蟲洞攻擊

11.3 無線感測器網路安全示例：基於Blom模型的方法

11.4 廣播認證：基於時間的高效的容忍丟包的流認證協定μTESLA

11.5 面向感測器節點的實用安全機制

11.5.1 TinySec

11.5.2 MiniSec：一種面向無線感測器網路的安全通信架構

11.6 案例：無線感測器網路中的安全時間同步

問題與練習

第六部分 特殊無線感測器網路

第12章 無線感測器和執行器網路

12.1 引言

12.2 感測器-執行器協同問題

12.2.1 網路和能量模型

12.2.2 ILP算法

12.2.3 感測器-執行器協同工作：分散式協定

12.2.4 DEPR概述

12.3 層次化感測器-執行器協同工作機制

12.3.1 層次化WSAN協同工作架構

12.3.2 “感測器-感測器”協同工作層次??使用聚類

12.3.3 “感測器-執行器”協同工作層次

12.3.4 “執行器-執行器”協同工作層次問題與練習

第13章 水下感測器網路

13.1 引言

13.1.1 水下無線感測器網路套用

13.1.2 水下無線感測器網路與陸上無線感測器網路的區別

13.1.3 網路拓撲

13.1.4 聲頻信號傳輸

13.1.5 水下感測器

13.2 水下無線感測器網路協定棧

13.2.1 物理層

13.2.2 數據鏈路層

13.2.3 網路層（路由層）

13.2.4 傳輸層

13.3 介質訪問控制設計實例

13.4 路由設計實例：基於矢量的轉發協定

13.5 硬體原型設計

13.5.1 硬體設計

13.5.2 軟體設計

13.5.3 系統測試

問題與練習

第14章 視頻感測器網路

14.1 引言

14.2 Panoptes

14.2.1 視頻捕捉

14.2.2 視頻壓縮

14.2.3 數據過濾

14.2.4 數據快取

14.3 Cyclops

14.4 視頻感測器網路定標

14.4.1 確定重疊的程度

14.4.2 估計k?Qoverlap值

14.5 SensEye

問題與練習

第七部分 其他主題

第15章 無線感測器網路能量模型

15.1 基本WSN能量模型

15.2 基於仿真的能量模型

15.3 能量感知路由

問題與練習

第16章 感測器網路仿真器

16.1 GloMoSim

16.2 SensorSim

16.3 TOSSIM

16.4 PowerTOSSIM

16.4.1 PowerTOSSIM的結構

16.4.2 組件裝配

16.4.3 CPU能耗分析

16.4.4 PowerState模組

16.4.5 分析工具

問題與練習

第八部分 案例研究

第17章 案例研究1：遠程醫療服務

17.1 引言

17.2 遠程心電圖感測器網路的硬體設計

17.3 可靠的MASN通信協定

17.3.1 增強的基於聚類的MASN數據傳輸

17.3.2 MASN的路由性能

17.4 MASN的軟體設計

17.5 RFID和可穿戴感測器的集成

問題與練習

第18章 案例研究2：燈光控制18.1 引言

18.2 Illumimote系統的感測器

18.3 系統結構

18.4 校準

18.5 系統評估

問題與練習

參考文獻

索引