無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論及應用

第1篇 總論
第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述
1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介紹1
1.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念1
1.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征2
1.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應用4
1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)7
1.2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)7
1.2.2 傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)7
1.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)概述8
1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進展10
1.3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程10
1.3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)14
1.3.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的挑戰(zhàn)14
參考文獻16
第2篇 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議
第2章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層
2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層概述19
2.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的研究內(nèi)容19
2.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的研究現(xiàn)狀20
2.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的主要技術(shù)挑戰(zhàn)22
2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的調(diào)制與編碼方法22
2.2.1 Mary調(diào)制機制22
2.2.2 差分脈沖位置調(diào)制機制23
2.2.3 自適應編碼位置調(diào)制機制24
2.3 超寬帶技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應用25
2.3.1 超寬帶技術(shù)概述25
2.3.2 超寬帶技術(shù)的基本原理26
2.3.3 超寬帶技術(shù)的研究現(xiàn)狀29
2.3.4 基于超寬帶技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)31
參考文獻35
第3章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層
3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層概述37
3.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的研究內(nèi)容37
3.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的研究現(xiàn)狀38
3.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的主要技術(shù)挑戰(zhàn)39
3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議40
3.2.1 基于競爭機制的MAC協(xié)議40
3.2.2 基于時分復用的MAC協(xié)議47
3.2.3 其他類型的MAC協(xié)議54
參考文獻58
第4章 IEEE802.15.4標準
4.1 IEEE802.15.4標準概述60
4.2 IEEE802.15.4的物理層 60
4.2.1 物理層概述60
4.2.2 物理層服務(wù)規(guī)范61
4.2.3 物理層幀結(jié)構(gòu)65
4.3 IEEE802.15.4的MAC子層65
4.3.1 MAC層概述65
4.3.2 MAC層的服務(wù)規(guī)范66
4.3.3 MAC幀結(jié)構(gòu)69
4.3.4 MAC層的功能描述70
4.4 基于IEEE802.15.4標準的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)70
4.4.1 組網(wǎng)類型70
4.4.2 數(shù)據(jù)傳輸機制71
參考文獻72
第5章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層
5.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層概述73
5.1.1 網(wǎng)絡(luò)層的研究內(nèi)容73
5.1.2 網(wǎng)絡(luò)層的研究現(xiàn)狀74
5.1.3 網(wǎng)絡(luò)層的主要技術(shù)挑戰(zhàn)75
5.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議75
5.2.1 以數(shù)據(jù)為中心的平面路由75
5.2.2 網(wǎng)絡(luò)分層路由77
5.2.3 基于查詢的路由79
5.2.4 地理位置路由81
5.2.5 能量感知路由 84
5.2.6 基于QoS的路由87
5.2.7 路由協(xié)議的優(yōu)化88
5.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)策略90
5.3.1 包轉(zhuǎn)發(fā)策略的研究背景90
5.3.2 基于價格機制的包轉(zhuǎn)發(fā)博弈模型91
5.3.3 自發(fā)合作的包轉(zhuǎn)發(fā)博弈模型93
參考文獻94
第6章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層
6.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層概述97
6.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層的研究內(nèi)容97
6.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層的研究現(xiàn)狀98
6.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層的主要技術(shù)挑戰(zhàn)99
6.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議99
6.2.1 PSFQ傳輸協(xié)議99
6.2.2 ESRT傳輸協(xié)議101
6.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)103
6.3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet互聯(lián)103
6.3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入到網(wǎng)格105
參考文獻109
第7章 ZigBee協(xié)議規(guī)范
7.1 ZigBee概述111
7.1.1 ZigBee與IEEE 802.15.4111
7.1.2 ZigBee協(xié)議框架112
7.1.3 ZigBee的技術(shù)特點113
7.2 網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范113
7.2.1 網(wǎng)絡(luò)層概述113
7.2.2 服務(wù)規(guī)范114
7.2.3 幀結(jié)構(gòu)與命令幀115
7.2.4 功能描述116
7.3 應用層規(guī)范117
7.3.1 應用層概述117
7.3.2 ZigBee應用支持子層117
7.3.3 ZigBee應用層框架結(jié)構(gòu)118
7.3.4 ZigBee設(shè)備協(xié)定（profile）119
7.3.5 ZigBee目標設(shè)備（ZDO）119
7.4 ZigBee系統(tǒng)的開發(fā)119
7.4.1 開發(fā)條件和注意事項119
7.4.2 軟件開發(fā)120
7.4.3 硬件開發(fā)121
7.5 基于ZigBee規(guī)范的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)122
7.5.1 無線傳感器的構(gòu)建122
7.5.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建123
7.5.3 基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與RFID技術(shù)的融合124
參考文獻124
第3篇 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心支撐技術(shù)
第8章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制
8.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制技術(shù)概述125
8.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制的研究內(nèi)容125
8.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制的研究現(xiàn)狀126
8.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制的主要技術(shù)挑戰(zhàn)126
8.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)控制算法129
8.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的密度控制135
8.3.1 連通支配集構(gòu)造算法135
8.3.2 基于概率覆蓋模型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密度控制算法138
參考文獻140
第9章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位
9.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位技術(shù)概述142
9.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位的研究內(nèi)容142
9.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位的研究現(xiàn)狀143
9.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位的主要技術(shù)挑戰(zhàn)146
9.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位機制147
9.2.1 基于測距的定位算法147
9.2.2 非基于測距的定位算法151
9.3 一種基于測距的協(xié)作定位策略159
9.3.1 剛性圖理論簡介159
9.3.2 基于剛性圖的協(xié)作定位理論160
9.3.3 LCB定位算法161
9.4 節(jié)點位置估計更新策略162
9.4.1 動態(tài)網(wǎng)絡(luò)問題162
9.4.2 更新策略163
參考文獻164
第10章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步
10.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步概述167
10.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的研究內(nèi)容167
10.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的研究現(xiàn)狀168
10.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的主要技術(shù)挑戰(zhàn)169
10.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制170
參考文獻180
第11章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)內(nèi)信息處理
11.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)內(nèi)信息處理概述182
11.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)內(nèi)信息處理的研究內(nèi)容182
11.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)內(nèi)信息處理的研究現(xiàn)狀183
11.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)內(nèi)信息處理的主要技術(shù)挑戰(zhàn)184
11.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)184
11.2.1 與路由相結(jié)合的數(shù)據(jù)融合184
11.2.2 基于反向組播樹的數(shù)據(jù)融合186
11.2.3 基于性能的數(shù)據(jù)融合187
11.2.4 基于移動代理的數(shù)據(jù)融合189
11.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)191
11.3.1 基于排序編碼的數(shù)據(jù)壓縮算法191
11.3.2 分布式數(shù)據(jù)壓縮算法192
11.3.3 基于數(shù)據(jù)相關(guān)性的壓縮算法194
11.3.4 管道數(shù)據(jù)壓縮算法194
11.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作信號信息處理技術(shù)195
11.4.1 網(wǎng)元層的CSIP技術(shù)195
11.4.2 網(wǎng)絡(luò)層的CSIP技術(shù)196
11.4.3 應用層的CSIP技術(shù)196
11.4.4 CSIP技術(shù)展望197
參考文獻198
第12章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全技術(shù)
12.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題概述201
12.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的研究內(nèi)容201
12.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的研究現(xiàn)狀202
12.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的主要技術(shù)挑戰(zhàn)205
12.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題分析205
12.2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的安全策略206
12.2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路層的安全策略207
12.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層的安全策略207
12.2.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應用層的安全策略209
12.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的密鑰管理和入侵檢測技術(shù)209
12.3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的密鑰管理209
12.3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測技術(shù)211
參考文獻214
第4篇 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織管理技術(shù)
第13章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點管理
13.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點管理概述216
13.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理的研究內(nèi)容216
13.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理的研究現(xiàn)狀217
13.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理的主要技術(shù)挑戰(zhàn)218
13.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點休眠/喚醒機制218
13.2.1 PEAS算法218
13.2.2 基于網(wǎng)格的調(diào)度算法219
13.2.3 基于局部圓周覆蓋的節(jié)點休眠機制220
13.2.4 基于隨機休眠調(diào)度的節(jié)能機制221
13.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點功率管理222
13.3.1 動態(tài)功率管理和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)222
13.3.2 基于節(jié)點度的算法224
13.3.3 基于鄰近圖的算法224
13.3.4 基于二分法的功率控制224
13.3.5 網(wǎng)絡(luò)負載自適應功率管理算法226
參考文獻227
第14章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源與任務(wù)管理
14.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源與任務(wù)管理概述229
14.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源與任務(wù)管理的研究內(nèi)容229
14.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源與任務(wù)管理的研究現(xiàn)狀230
14.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源與任務(wù)管理的主要技術(shù)挑戰(zhàn)230
14.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源管理技術(shù)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 帶寬資源分配235
14.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)管理技術(shù)237
14.3.1 任務(wù)分配237
14.3.2 任務(wù)調(diào)度239
14.3.3 負載均衡243
參考文獻245
第15章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理
15.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理概述248
15.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理的研究內(nèi)容248
15.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理的研究現(xiàn)狀249
15.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理的主要技術(shù)挑戰(zhàn)249
15.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)250
15.2.1 TinyDB系統(tǒng)250
15.2.2 Cougar系統(tǒng)251
15.2.3 Dimensions系統(tǒng)252
15.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理的基本方法253
15.3.1 數(shù)據(jù)模式253
15.3.2 數(shù)據(jù)存儲254
15.3.3 數(shù)據(jù)索引255
15.3.4 數(shù)據(jù)查詢257
參考文獻260
第16章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署、初始化和維護管理
16.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署、初始化和維護管理概述261
16.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署、初始化和維護管理的研究內(nèi)容261
16.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署、初始化和維護管理的研究現(xiàn)狀262
16.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署、初始化和維護管理的主要技術(shù)挑戰(zhàn)263
16.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署技術(shù)264
16.2.1 采用確定放置的部署技術(shù)264
16.2.2 采用隨機拋撒且節(jié)點不具移動能力的部署技術(shù)265
16.2.3 采用隨機拋撒且節(jié)點具有移動能力的部署技術(shù)265
16.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的初始化技術(shù)266
16.3.1 UDG模型266
16.3.2 基于MIS的初始化算法266
16.3.3 基于MDS的初始化算法268
16.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的維護管理技術(shù)270
16.4.1 覆蓋與連接維護技術(shù)270
16.4.2 性能監(jiān)測技術(shù)271
參考文獻272
第5篇 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)與應用
第17章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真技術(shù)
17.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真技術(shù)概述275
17.1.1 網(wǎng)絡(luò)仿真概述275
17.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真研究概述275
17.2 常用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件276
17.2.1 OPNET簡介276
17.2.2 NS279
17.2.3 TOSSIM280
17.3 OMNeT++仿真軟件281
17.3.1 OMNeT++概述281
17.3.2 NED語言282
17.3.3 簡單模塊/復合模塊287
17.3.4 消息290
17.3.5 類庫291
17.4 仿真示例296
參考文獻303
第18章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件開發(fā)
18.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件開發(fā)概述304
18.1.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計特點與要求304
18.1.2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容304
18.1.3 硬件系統(tǒng)設(shè)計的主要挑戰(zhàn)305
18.2 傳感器節(jié)點的開發(fā)305
18.2.1 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計305
18.2.2 換能器模塊設(shè)計307
18.2.3 無線通信模塊設(shè)計307
18.2.4 電源模塊設(shè)計309
18.2.5 外圍模塊設(shè)計309
18.3 傳感器節(jié)點原型的開發(fā)實例——Mica310
18.3.1 Mica系列節(jié)點簡介310
18.3.2 Mica系列處理器/射頻板設(shè)計分析313
18.3.3 Mica系列傳感板設(shè)計分析315
18.3.4 編程調(diào)試接口板介紹317
參考文獻318
第19章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)
19.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)概述320
19.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的設(shè)計要求320
19.1.2 幾種典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)介紹321
19.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)設(shè)計的主要技術(shù)挑戰(zhàn)321
19.2 TinyOS操作系統(tǒng)322
19.2.1 TinyOS的設(shè)計思路322
19.2.2 TinyOS的組件模型322
19.2.3 TinyOS的通信模型324
19.3 基于TinyOS的應用程序運行過程解析324
19.3.1 Blink程序的配件分析325
19.3.2 BlinkM模塊分析327
19.3.3 ncc編譯nesC程序的過程329
19.3.4 Blink程序的運行跟蹤解析329
19.3.5 TinyOS的任務(wù)調(diào)度機制的實現(xiàn)338
19.3.6 TinyOS的事件驅(qū)動機制的實現(xiàn)342
19.4 TinyOS的使用346
19.4.1 TinyOS的安裝346
19.4.2 創(chuàng)建應用程序348
19.4.3 使用TOSSIM仿真調(diào)試應用程序348
19.4.4 使用TinyViz進行可視化調(diào)試349
19.4.5 將應用程序?qū)牍?jié)點運行350
參考文獻351
第20章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件開發(fā)
20.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)概述353
20.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)的特點與設(shè)計要求353
20.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)的內(nèi)容354
20.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)的主要技術(shù)挑戰(zhàn)355
20.2 nesC編程語言355
20.2.1 nesC語言介紹355
20.2.2 nesC的語法規(guī)范356
20.2.3 nesC應用程序開發(fā)364
20.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應用軟件開發(fā)367
20.3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的編程模式367
20.3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中間件設(shè)計370
20.3.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)發(fā)現(xiàn)372
參考文獻373
第21章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應用于環(huán)境監(jiān)測
21.1 環(huán)境監(jiān)測應用概述375
21.1.1 環(huán)境監(jiān)測應用的場景描述375
21.1.2 環(huán)境監(jiān)測應用中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)375
21.2 關(guān)鍵技術(shù)377
21.2.1 節(jié)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(wù)的分配與控制379
21.2.5 數(shù)據(jù)采樣與收集379
21.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于環(huán)境監(jiān)測的實例380
21.3.1 公路交通監(jiān)測380
21.3.2 建筑物健康狀況監(jiān)測384
21.3.3 “狼群計劃”385
參考文獻387
第22章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應用于目標追蹤
22.1 目標追蹤應用概述388
22.1.1 目標追蹤應用的場景描述388
22.1.2 目標追蹤應用的特點與技術(shù)挑戰(zhàn)388
22.1.3 目標追蹤應用中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)389
22.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于目標追蹤的關(guān)鍵技術(shù)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(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化400
22.3 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的車輛追蹤系統(tǒng)實例402
22.3.1 系統(tǒng)架構(gòu)402
22.3.2 關(guān)鍵問題403
22.3.3 關(guān)鍵技術(shù)404
參考文獻407
附錄 英漢縮略語對照表410