本書依據物聯網工程專業培養計劃及無線傳感器網絡教學大綱而編寫。為了適合教學需要，每章提供完整的教學電子文檔，各章後面均附有習題，書後附有主要的參考文獻。通過本課程的學習，主要讓學生掌握無線傳感器網絡設計與開發的基本技術，為今後從事無線傳感器網絡繫統和網絡化探測設備的設計開發打下良好的基礎。

\"本書根據物聯網工程本科專業的發展方向和教學需要，結合無線網絡傳感器網絡技術的最新發展技術及其應用現狀編寫而成，主要介紹無線傳感器網絡的基本概念、無線傳感器網絡開發環境、無線傳感器網絡拓撲控制與覆蓋技術、無線傳感器網絡通信與組網技術、無線傳感器網絡支撐技術、無線傳感器網絡協議的技術標準、無線傳感器網絡安全技術、無線傳感器網絡接入技術、無線傳感器網絡的應用、無線傳感器網絡與物聯網等。 本書內容豐富、覆蓋面廣、淺顯易懂，不僅注重基本概念和基礎技術，還強調了技術應用和實踐教學內容，力求概念準確、圖文並茂。 本書可作為普通高等院校物聯網工程專業的本科教材，主要針對以下閱讀群體： (1) 開設無線傳感器網絡課程的本科生，涉及的專業包括物聯網工程、計算機和自動化等信息技術類專業； (2) 普通高校的碩士生、博士生(作為無線傳感器網絡的入門輔導書)； (3) 工程技術開發人員。\"

目錄

第1章緒論

1.1WSN的基本概念

1.1.1無線網絡的描述

1.1.2WSN的定義

1.1.3WSN繫統的組成

1.2WSN的特點

1.2.1與無線自組網的區別

1.2.2與現場總線的區別

1.2.3傳感器節點的限制

1.2.4WSN的特點

1.3WSN的關鍵性能指標

1.4傳感器的類型

1.4.1傳感器的基礎知識

1.4.2傳感器的分類

1.4.3常見傳感器的類型介紹

1.4.4傳感器的基本特性

1.5WSN的應用

習題1

第2章WSN開發環境

2.1概述

2.2WSN平臺硬件設計

2.2.1繫統結構圖

2.2.2節點設計內容與要求

2.2.3節點的模塊化設計

2.2.4傳感器節點開發實例

2.2.5常見傳感器節點

2.3WSN的操作繫統

2.3.1概述

2.3.2nesC語言

2.3.3TinyOS組件模型

2.3.4TinyOS通信模型

2.3.5TinyOS事件驅動機制

2.3.6調度策略

2.3.7能量管理機制

2.3.8LED燈閃爍實驗分析

2.4現代WSN典型實驗平臺

2.4.1硬件繫統的組成

2.4.2硬件組件介紹

2.4.3傳感器節點

2.4.4路由器節點

2.5ZigBee硬件平臺

2.5.1CC2530芯片的特點

2.5.2CC2530片上8051內核

2.5.3CC2530主要特征外設

2.5.4CC2530無線收發器

2.5.5CC2530開發環境

習題2

第3章WSN拓撲控制與覆蓋技術

3.1WSN拓撲結構

3.1.1平面網絡結構

3.1.2分級網絡結構

3.1.3混合網絡結構

3.1.4Mesh網絡結構

3.2拓撲控制

3.2.1概述

3.2.2拓撲控制的意義

3.2.3拓撲控制設計目標

3.3功率控制

3.4層次性拓撲結構控制方法

3.5啟發機制

3.6覆蓋

3.6.1覆蓋理論基礎

3.6.2覆蓋感知模型

3.6.3覆蓋算法分類

3.6.4典型覆蓋算法

3.6.5覆蓋能效評價指標

3.7傳感器網絡的覆蓋控制

習題3

第4章WSN通信與組網技術

4.1WSN協議結構

4.1.1傳統網絡協議OSI參考模型

4.1.2WSN協議的分層結構

4.2物理層

4.2.1物理層概述

4.2.2通信信道分配

4.2.3WSN物理層的設計

4.3數據鏈路層協議

4.4網絡層協議

4.5傳輸層協議

4.5.1EventtoSink傳輸

4.5.2SinktoSensors傳輸

4.6應用層協議

4.6.1傳感器管理協議

4.6.2任務分派與數據廣播協議

4.6.3傳感器查詢與數據分發協議

4.7MAC協議

4.7.1MAC協議的分類

4.7.2IEEE 802.11協議

4.7.3基於競爭的MAC協議

4.7.4基於時分復用的MAC協議

4.8路由協議

4.8.1路由協議概述

4.8.2平面路由協議

4.8.3層次路由協議

4.8.4能量感知路由

習題4

第5章WSN支撐技術

5.1時間同步

5.1.1時鐘同步問題

5.1.2時間同步問題

5.1.3時間同步基礎

5.1.4時間同步協議

5.2定位技術

5.2.1基本描述

5.2.2節點位置的計算方法

5.2.3基於測距的定位算法

5.2.4距離無關的定位算法

5.2.5典型的定位繫統

5.3數據融合

5.3.1數據融合的基本概念

5.3.2數據融合分類

5.3.3基於組播樹數據融合算法實現

5.4能量管理

5.4.1能量管理的意義

5.4.2電源節能方法

5.4.3動態能量管理

5.5容錯技術

5.5.1容錯技術的基本描述

5.5.2故障模型

5.5.3故障檢測與診斷

5.5.4故障修復

5.6QoS保證

5.6.1QoS概述

5.6.2QoS研究

5.7安全技術

5.7.1安全攻擊

5.7.2安全協議

5.7.3安全管理

習題5

第6章WSN協議技術標準

6.1IEEE 1451繫列標準

6.2IEEE 802.15.4標準

6.2.1IEEE 802.15.4標準概述

6.2.2物理層

6.2.3MAC子層

6.2.4符合IEEE 802.15.4標準的傳感器網絡實例

6.3ZigBee協議棧原理

6.3.1概述

6.3.2尋址

6.3.3綁定

6.3.4路由

6.3.5ZDO消息請求

6.3.6便攜式設備

6.3.7端到端確認

6.3.8其他

6.3.9安全

6.3.10ZigBee繫統軟件的設計

6.3.11符合ZigBee規範的傳感器網絡實例

6.4藍牙

6.4.1藍牙協議棧簡介

6.4.2藍牙協議棧分析

6.4.3藍牙技術的發展趨勢

6.5UWB技術

6.5.1概述

6.5.2UWB主流技術

6.5.3UWB的發展趨勢

6.6紅外線數據傳輸技術

6.7短距離無線通信技術特點比較

習題6

第7章WSN接入技術

7.1多網融合體繫結構

7.2面向WSN接入

7.2.1概述

7.2.2面向以太網的WSN接入

7.2.3面向無線局域網的WSN接入

7.2.4面向移動通信網的WSN接入

7.3WSN接入Internet

7.3.1概述

7.3.2WSN接入Internet結構

7.3.3WSN接入Internet方法

7.3.4WSN接入Internet體繫結構設計

7.4WSN服務提供方法

7.4.1服務提供體繫

7.4.2服務提供網絡中間件

7.4.3服務提供步驟

7.5多網融合網關的硬件設計

7.5.1網關總體結構設計

7.5.2現代WSN網關實驗平臺

7.6網關接入外部基礎設施網絡的實現

習題7

第8章WSN的應用

8.1基於WSN路況信息監測技術的實現

8.1.1路面參數監測傳感器選擇

8.1.2道路車流量監測的傳感器

8.1.3交通參數監測技術

8.1.4交通參數監測的實施方案

8.2基於WSN的智能家居繫統設計與實現

8.2.1智能家居的基本描述

8.2.2智能家居繫統的整體架構

8.2.3節點硬件設計

8.2.4終端節點硬件設計

8.2.5節點軟件部分設計

8.2.6節點功能的實現

8.2.7節點能量控制

8.2.8智能家居網關分析

8.2.9智能家居網關通信技術

8.2.10智能家居網關總體設計

8.2.11智能家居網關硬件設計

8.2.12智能家居網關操作繫統及驅動移植

8.2.13智能家居網關應用軟件設計

8.2.14智能家居繫統演示平臺搭建

8.3基於TinyOS的WSN定位繫統的設計

8.3.1定位繫統設計的原則

8.3.2定位繫統算法選擇

8.3.3WSN節點硬件設計

8.3.4TinyOS程序編譯與移植

8.3.5RSSI定位的TinyOS實現

8.3.6未知節點程序設計

8.3.7信標節點程序設計

8.3.8網關節點程序設計

8.3.9實驗測試結果

8.3.10無線傳輸損耗模型分析與驗證

習題8


第9章WSN與物聯網

9.1物聯網的基本概念

9.1.1物聯網的興起

9.1.2物聯網的定義

9.1.3物聯網的特點

9.1.4物聯網的技術架構

9.1.5物聯網關鍵技術

9.2RFID與WSN的整合

9.2.1RFID的基礎理論

9.2.2RFID和WSN整合的原因

9.2.3RFID標簽與傳感器的整合

9.2.4RFID標簽與傳感器節點的整合

9.2.5讀寫器與傳感器節點的整合

9.2.6RFID和傳感器的整合

9.3物聯網環境下的WSN

9.4基於RFID的WSN車載信息服務繫統設計

9.4.1繫統整體設計

9.4.2繫統硬件設計

9.4.3繫統網絡模塊

9.4.4繫統軟件設計

9.4.5應用軟件設計

9.4.6繫統軟件測試

習題9

參考文獻

第5章WSN支撐技術 學習目標  掌握時鐘同步的問題。
 掌握時間同步問題。
 掌握時間同步基礎。
 掌握時間同步協議。
 了解節點定位的基本概念。
 了解基於測距的定位算法。
 了解距離無關的定位算法。
 了解典型的定位繫統。
 掌握數據融合的基本概念。
 掌握數據融合的分類。
 了解常用的數據融合算法。
 了解WSN數據融合算法實現。
 了解能量管理的意義。
 了解傳感器網絡的電源節能方法。
 了解動態能量管理。
 了解故障模型。
 了解故障檢測與診斷。
 了解故障修復。
 了解QoS。
 了解安全技術。
學習導航 5.1時間同步 在分布式繫統中，每個節點都有自己的時鐘和對於時間的定義。然而，為了確定物理世界中事件之間的因果關繫，為了消除傳感器的冗餘數據，為了能在整體上促進傳感器網絡的工作，傳感器節點之間需要遵循一個共同的時標。傳感器網絡中的每個節點都獨立運作，並且依賴於其自身的時鐘，所以不同的傳感器節點的時鐘讀數也不同。除了這些隨機差異(相位偏移)，不同傳感器時鐘之間的間隙也會由於振蕩器漂移率的變化而進一步增加。為了確保感測到的時間可以以有意義的方式進行比較，時間(或時鐘)必須同步。有線網絡的時間同步技術已經得到很多的關注，但這些技術並不適用於無線傳感器，原因是無線感知環境會帶來一些特殊的問題。這些挑戰包括WSN可能的大規模性、自主配置需求以及健壯性，潛在的傳感器的移動性以及對節能的需求。
5.1.1時鐘同步問題 基於硬件振蕩器的計算機時鐘是所有計算設備的重要組成部分。典型的時鐘由一個穩定的石英振蕩器和一個計數器組成，這個計數器隨著每次石英晶體的振蕩遞減。當計數器的值為0時，它將復位為其初始值，並產生一個中斷。而每一個中斷(或者時鐘周期)都將觸發一個軟件時鐘(另一個計數器)。應用程序可以通過一個適當的應用程序編程接口(Application Programming Interface，API)來讀取並使用軟件時鐘。因此，軟件時鐘為每一個傳感器節點提供了一個本地時間，其中C(t)表示在某一個實時時間t時的時鐘讀數。時間分辨率是軟件時鐘的兩個增量(計數)之間的間距。
對於兩個節點的本地時間而言，時鐘偏移量表示時鐘之間的時間差。同步是指調整一個或者兩個時鐘，從而使它們的讀數匹配。時鐘率則表示一個時鐘推移的頻率，而時鐘偏差則表示兩個時鐘頻率之間的差別。理想時鐘的時鐘率的值恆為dC/dt=1，但實際上很多參數影響了實際的時鐘率，例如環境的溫度和濕度、電源電壓以及石英的年齡。偏移率的偏差結果表明兩個時鐘的相對漂移速率，即dC/dt-1。一個時鐘的*大漂移率用ρ來表示，石英鐘的典型值為1~100ppm(1ppm=10-6)。這個數值由振蕩器的制造廠商給出，且滿足 1-ρ≤dCdt ≤1+ρ (51) 圖51本地時間C(t)與實時時間t的關繫 圖51顯示了漂移率(Drift Rate)如何影響時鐘的讀數，它使得時鐘要麼準確無誤，要麼變快或者變慢。漂移率導致傳感器時鐘讀數即使在同步以後也不一致，因此，有必要定期執行同步過程。假設時鐘**相同，那麼任意兩個被同步以後的時鐘之間*大的漂移為 2ρmax 。為了把相對偏移限制到 δ 秒，同步操作之間的間隔τsync必須滿足： τsync ≤ δ2ρmax (52) C(t)必須是分段連續的，即它必須是一個時間的嚴格單調函數。因此，時鐘的調整是一個漸進過程，例如可以使用線性補償函數來改變本地時間斜率。單純地讓時鐘向前或者向後跳轉可能會帶來很嚴重的後果，例如，設定一個計時器在某個特定時間產生一個中斷，然而執行同步會漏掉一些時間，可能使得這個特定的時間永遠不會到來。
同步有兩種，一種是外部的，一種是內部的。外部同步是指所有節點的時鐘都與一個外部時間源(或者參考時鐘)同步。外部參考時鐘是一個類似於世界協調時(UTC)的**的實時標準。內部同步是指在沒有外部參考時鐘支持的情況下，所有節點的時鐘之間互相同步。內部同步的目的是： 盡管時間可能與外部參考時間不同，但是網絡中所有節點的時間都一樣。外部時間同步既保證了網絡中的所有時鐘一致，又保證了與外部時間源一致。當節點與外部參考時鐘同步時，時鐘精度表示時鐘相對於參考時鐘的*大偏移。當網絡中的節點內同步時，精度表示網絡中任意兩時鐘之間的*大偏移。需要注意的是，如果兩個節點外部時鐘同步的精度是Δ，則它們內部時鐘同步的精度為2Δ。