无线传感器网络技术原理及应用（第2版）

本书依据物联网工程专业培养计划及无线传感器网络教学大纲而编写。为了适合教学需要，每章提供完整的教学电子文档，各章后面均附有习题，书后附有主要的参考文献。通过本课程的学习，主要让学生掌握无线传感器网络设计与开发的基本技术，为今后从事无线传感器网络系统和网络化探测设备的设计开发打下良好的基础。 

本书根据物联网工程本科专业的发展方向和教学需要，结合无线网络传感器网络技术的*发展技术及其应用现状编写而成，主要介绍无线传感器网络的基本概念、无线传感器网络开发环境、无线传感器网络拓扑控制与覆盖技术、无线传感器网络通信与组网技术、无线传感器网络支撑技术、无线传感器网络协议的技术标准、无线传感器网络安全技术、无线传感器网络接入技术、无线传感器网络的应用、无线传感器网络与物联网等。
本书内容丰富、覆盖面广、浅显易懂，不仅注重基本概念和基础技术，还强调了技术应用和实践教学内容，力求概念准确、图文并茂。
本书可作为普通高等院校物联网工程专业的本科教材，主要针对以下阅读群体：
(1) 开设无线传感器网络课程的本科生，涉及的专业包括物联网工程、计算机和自动化等信息技术类专业；
(2) 普通高校的硕士生、博士生(作为无线传感器网络的入门辅导书)；
(3) 工程技术开发人员。

目录

第1章绪论

1.1WSN的基本概念

1.1.1无线网络的描述

1.1.2WSN的定义

1.1.3WSN系统的组成

1.2WSN的特点

1.2.1与无线自组网的区别

1.2.2与现场总线的区别

1.2.3传感器节点的限制

1.2.4WSN的特点

1.3WSN的关键性能指标

1.4传感器的类型

1.4.1传感器的基础知识

1.4.2传感器的分类

1.4.3常见传感器的类型介绍

1.4.4传感器的基本特性

1.5WSN的应用

习题1

第2章WSN开发环境

2.1概述

2.2WSN平台硬件设计

2.2.1系统结构图

2.2.2节点设计内容与要求

2.2.3节点的模块化设计

2.2.4传感器节点开发实例

2.2.5常见传感器节点

2.3WSN的操作系统

2.3.1概述

2.3.2nesC语言

2.3.3TinyOS组件模型

2.3.4TinyOS通信模型

2.3.5TinyOS事件驱动机制

2.3.6调度策略

2.3.7能量管理机制

2.3.8LED灯闪烁实验分析

2.4现代WSN典型实验平台

2.4.1硬件系统的组成

2.4.2硬件组件介绍

2.4.3传感器节点

2.4.4路由器节点

2.5ZigBee硬件平台

2.5.1CC2530芯片的特点

2.5.2CC2530片上8051内核

2.5.3CC2530主要特征外设

2.5.4CC2530无线收发器

2.5.5CC2530开发环境

习题2

第3章WSN拓扑控制与覆盖技术

3.1WSN拓扑结构

3.1.1平面网络结构

3.1.2分级网络结构

3.1.3混合网络结构

3.1.4Mesh网络结构

3.2拓扑控制

3.2.1概述

3.2.2拓扑控制的意义

3.2.3拓扑控制设计目标

3.3功率控制

3.4层次性拓扑结构控制方法

3.5启发机制

3.6覆盖

3.6.1覆盖理论基础

3.6.2覆盖感知模型

3.6.3覆盖算法分类

3.6.4典型覆盖算法

3.6.5覆盖能效评价指标

3.7传感器网络的覆盖控制

习题3

第4章WSN通信与组网技术

4.1WSN协议结构

4.1.1传统网络协议OSI参考模型

4.1.2WSN协议的分层结构

4.2物理层

4.2.1物理层概述

4.2.2通信信道分配

4.2.3WSN物理层的设计

4.3数据链路层协议

4.4网络层协议

4.5传输层协议

4.5.1EventtoSink传输

4.5.2SinktoSensors传输

4.6应用层协议

4.6.1传感器管理协议

4.6.2任务分派与数据广播协议

4.6.3传感器查询与数据分发协议

4.7MAC协议

4.7.1MAC协议的分类

4.7.2IEEE 802.11协议

4.7.3基于竞争的MAC协议

4.7.4基于时分复用的MAC协议

4.8路由协议

4.8.1路由协议概述

4.8.2平面路由协议

4.8.3层次路由协议

4.8.4能量感知路由

习题4

第5章WSN支撑技术

5.1时间同步

5.1.1时钟同步问题

5.1.2时间同步问题

5.1.3时间同步基础

5.1.4时间同步协议

5.2定位技术

5.2.1基本描述

5.2.2节点位置的计算方法

5.2.3基于测距的定位算法

5.2.4距离无关的定位算法

5.2.5典型的定位系统

5.3数据融合

5.3.1数据融合的基本概念

5.3.2数据融合分类

5.3.3基于组播树数据融合算法实现

5.4能量管理

5.4.1能量管理的意义

5.4.2电源节能方法

5.4.3动态能量管理

5.5容错技术

5.5.1容错技术的基本描述

5.5.2故障模型

5.5.3故障检测与诊断

5.5.4故障修复

5.6QoS保证

5.6.1QoS概述

5.6.2QoS研究

5.7安全技术

5.7.1安全攻击

5.7.2安全协议

5.7.3安全管理

习题5

第6章WSN协议技术标准

6.1IEEE 1451系列标准

6.2IEEE 802.15.4标准

6.2.1IEEE 802.15.4标准概述

6.2.2物理层

6.2.3MAC子层

6.2.4符合IEEE 802.15.4标准的传感器网络实例

6.3ZigBee协议栈原理

6.3.1概述

6.3.2寻址

6.3.3绑定

6.3.4路由

6.3.5ZDO消息请求

6.3.6便携式设备

6.3.7端到端确认

6.3.8其他

6.3.9安全

6.3.10ZigBee系统软件的设计

6.3.11符合ZigBee规范的传感器网络实例

6.4蓝牙

6.4.1蓝牙协议栈简介

6.4.2蓝牙协议栈分析

6.4.3蓝牙技术的发展趋势

6.5UWB技术

6.5.1概述

6.5.2UWB主流技术

6.5.3UWB的发展趋势

6.6红外线数据传输技术

6.7短距离无线通信技术特点比较

习题6

第7章WSN接入技术

7.1多网融合体系结构

7.2面向WSN接入

7.2.1概述

7.2.2面向以太网的WSN接入

7.2.3面向无线局域网的WSN接入

7.2.4面向移动通信网的WSN接入

7.3WSN接入Internet

7.3.1概述

7.3.2WSN接入Internet结构

7.3.3WSN接入Internet方法

7.3.4WSN接入Internet体系结构设计

7.4WSN服务提供方法

7.4.1服务提供体系

7.4.2服务提供网络中间件

7.4.3服务提供步骤

7.5多网融合网关的硬件设计

7.5.1网关总体结构设计

7.5.2现代WSN网关实验平台

7.6网关接入外部基础设施网络的实现

习题7

第8章WSN的应用

8.1基于WSN路况信息监测技术的实现

8.1.1路面参数监测传感器选择

8.1.2道路车流量监测的传感器

8.1.3交通参数监测技术

8.1.4交通参数监测的实施方案

8.2基于WSN的智能家居系统设计与实现

8.2.1智能家居的基本描述

8.2.2智能家居系统的整体架构

8.2.3节点硬件设计

8.2.4终端节点硬件设计

8.2.5节点软件部分设计

8.2.6节点功能的实现

8.2.7节点能量控制

8.2.8智能家居网关分析

8.2.9智能家居网关通信技术

8.2.10智能家居网关总体设计

8.2.11智能家居网关硬件设计

8.2.12智能家居网关操作系统及驱动移植

8.2.13智能家居网关应用软件设计

8.2.14智能家居系统演示平台搭建

8.3基于TinyOS的WSN定位系统的设计

8.3.1定位系统设计的原则

8.3.2定位系统算法选择

8.3.3WSN节点硬件设计

8.3.4TinyOS程序编译与移植

8.3.5RSSI定位的TinyOS实现

8.3.6未知节点程序设计

8.3.7信标节点程序设计

8.3.8网关节点程序设计

8.3.9实验测试结果

8.3.10无线传输损耗模型分析与验证

习题8

第9章WSN与物联网

9.1物联网的基本概念

9.1.1物联网的兴起

9.1.2物联网的定义

9.1.3物联网的特点

9.1.4物联网的技术架构

9.1.5物联网关键技术

9.2RFID与WSN的整合

9.2.1RFID的基础理论

9.2.2RFID和WSN整合的原因

9.2.3RFID标签与传感器的整合

9.2.4RFID标签与传感器节点的整合

9.2.5读写器与传感器节点的整合

9.2.6RFID和传感器的整合

9.3物联网环境下的WSN

9.4基于RFID的WSN车载信息服务系统设计

9.4.1系统整体设计

9.4.2系统硬件设计

9.4.3系统网络模块

9.4.4系统软件设计

9.4.5应用软件设计

9.4.6系统软件测试

习题9

参考文献

前言

作为物联网最重要的基础支撑技术之一，无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。
无线传感器网络作为全新的技术领域，扩展了人们的信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域。已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响的技术之一。我国也把这项技术发展列入长期科技发展规划，2009年8月，温家宝同志在中科院无锡高新微纳传感网络工程研发中心考察时，强调在国家重大科技专项中，要加快推进无线传感器网络的发展。
物联网工程专业是一个完全崭新的专业,是教育部2010年根据国家新兴战略性产业发展需要新设立的相关本科专业，无线传感器网络是物联网工程专业的核心课程之一。本科教育是高等教育的主体和基础，抓好本科教学是提高整个高等教育质量的重点和关键。因此，本专业学生或者其他相关信息专业的本科生学习无线传感器网络的基本内容和基础技术具有非常重要的意义。
随着无线传感器网络技术的不断发展，本科教学内容也要随之发生改变。因此，编者在从事无线传感器网络技术多年工程实践、教学活动的基础上，对2011年出版的《无线传感器网络原理及方法》一书的内容进行了大量的修改，增加了许多新的技术内容和实践教学内容，让学生更好地学习掌握无线传感器网络的最新技术，以适应当今社会发展。
　　本书依据物联网工程专业培养计划及无线传感器网络教学大纲而编写。为了适合教学需要，每章提供完整的教学电子文档，各章后面均附有习题，书后附有主要的参考文献。通过本课程的学习，主要让学生掌握无线传感器网络设计与开发的基本技术，为今后从事无线传感器网络系统和网络化探测设备的设计开发打下良好的基础。
本书对无线传感器网络的核心技术进行了较为深入且全面的剖析，在编写上力求内容完整，深入浅出； 在内容描述上做到理论与实践、技术与应用相结合。本书建立了一套完整的教学与实践体系，全书共分9章。
　　第1章是绪论，内容包括WSN的基本概念、WSN的特点、WSN的关键性能指标、传感器的类型、WSN的应用。
　　第2章是 WSN开发环境，内容包括WSN平台硬件设计、WSN的操作系统、现代WSN实验平台和ZigBee硬件平台等。
　　第3章是WSN拓扑控制与覆盖技术，内容包括WSN拓扑结构、拓扑控制概述、拓扑控制技术、层次性拓扑结构控制方法、启发机制、覆盖和传感器网络的覆盖控制等。
　　第4章是WSN通信与组网技术，内容包括WSN协议结构、物理层、数据链路层协议、网络层协议、传输层协议、应用层协议、MAC协议和路由协议等。
　　第5章是WSN支撑技术，内容包括时间同步、定位技术、数据融合、能量管理、容错技术、QoS保证和安全技术等。
　　第6章是WSN协议技术标准，内容包括技术标准的意义、IEEE 1451系列标准、ZigBee协议栈原理、蓝牙(Bluetooth)、WiFi技术、UWB、红外线数据传输技术(IrDA)和各种短距离无线通信技术特点比较等。
　　第7章是WSN接入技术，内容包括多网融合体系结构、接入技术、WSN接入Internet、传感器网络服务提供方法、多网融合网关的硬件设计和网关接入外部基础设施网络的实现等。
     第8章是WSN的应用，内容包括基于WSN路况信息监测技术的实现、基于WSN的智能家居系统设计与实现和基于 TinyOS 的WSN定位系统的设计等。
　　第9章是WSN与物联网，内容包括物联网的基本概念，RFID与WSN的整合，物联网环境下的WSN和基于RFID的WSN车载信息服务系统设计等。
本书作者的工作得到了国家自然科学基金项目、湖北省基金项目、湖北省教研项目、武汉理工大学教研项目等的支持和资助，在此表示谢意! 感谢武汉创维特公司提供实验开发板和实验原理图，感谢刘铁刚经理及公司工程师在实验过程中提供技术指导，为本书的撰写提供实验数据。研究生李振华、刘书进、毛楚阳、刘姣姣、李兆祥、崔梅、杨威、曾伟伟、刘荣兰、张佳珂、许永强、高玉、李欢、秦雪涵和赵晓静等人为本书的完成也做出了贡献。另外，在本书的编写过程中参考了大量文献和资料，恕不一一列举，在此对原作者深表谢意。
许毅完成第1章、第4章和第7章的编写； 陈立家完成第3章、第5章和第6章的编写； 甘浪雄完成第2章和第8章的编写； 章阳完成第9章和所有章节习题的修订。
无线传感器网络技术发展非常快，目前正处在迅速发展时期，新思想、新技术、新观点不断涌现，本书力求比较全面地介绍无线传感器网络的主要技术原理及应用，由于作者水平所限，书中内容难免存在不足之处，希望广大读者批评指正。
    感谢读者选择使用本书，欢迎您对本书内容提出批评和修改建议，本书的作者将竭诚为您服务。
作者
2018年1月于武汉

第3章WSN拓扑控制与覆盖技术

学习目标
 掌握WSN拓扑结构的分类。
 掌握WSN平面网络结构。
 掌握WSN分级网络结构。
 掌握WSN混合网络结构。
 掌握Mesh网络结构。
 了解WSN拓扑控制的意义。
 了解WSN拓扑控制设计目标。
 了解WSN功率控制。
 掌握层次性拓扑结构控制方法。
 了解启发机制。
 了解覆盖理论基础。
 了解覆盖感知模型。
 了解覆盖算法分类。
 了解典型覆盖算法。
 了解覆盖能效评价指标。
 了解覆盖控制的基本思想。

学习导航

3.1WSN拓扑结构

无线传感器网络的网络拓扑结构是组织无线传感器节点的组网技术，有多种形态和组网方式。
按照其组网形态和方式分，有集中式、分布式和混合式。无线传感器网络的集中式结构类似移动通信的蜂窝结构，集中管理； 无线传感器网络的分布式结构，类似AdHoc网络结构，可自组织网络接入连接，分布管理； 无线传感器网络的混合式结构包括集中式和分布式结构的组合。
按照节点功能及结构层次分，无线传感器网络通常可分为平面网络结构、分级网络结构、混合网络结构，以及Mesh网络结构。
无线传感器网络的网状式结构，类似Mesh网络结构，网状分布连接和管理。无线传感器节点经多跳转发，通过基站或汇聚节点或网关接入网络，在网络的任务管理节点对感应信息进行管理、分类和处理，再把感应信息送给用户使用。