描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787121203398丛书名: 高等学校电子信息类教材
内容简介
本书全面介绍了无线传感网的基本原理和应用开发技术，以及无线传感网领域的研究成果。首先介绍了无线传感网的体系结构、关键技术和发展历程，包括低功耗物理层无线通信技术、通信标准，并详细介绍了通信协议，主要涉及MAC协议和路由协议；其次介绍了无线传感网的支撑技术，包括定位技术、安全技术、数据融合与数据管理技术；最后讨论了无线传感网的应用开发技术，包括以数据为中心的网络互联技术，节点的硬件平台和软件平台的编程语言nesC和操作系统TinyOS，并提供了开发设计案例，做到课程的理论与实践密切结合。
目 录
第1章 无线传感网技术概述
1.1 无线传感网体系结构
1.1.1 无线传感网网络结构
1.1.2 无线传感器节点结构
1.1.3 无线传感器协议栈
1.2 无线传感网的主要特征
1.2.1 不同于移动自组网
1.2.2 不同于现场总线网络
1.2.3 无线传感器节点的限制
1.2.4 无线传感网的特点
1.3 无线传感网关键技术
1.4 无线传感网的应用
1.5 无线传感网发展与现状
1.5.1 无线传感网发展的三个阶段
1.5.2 无线传感网发展现状
1.5.3 无线传感网的发展趋势
本章小结
思考题
第2章 物理层通信技术
2.1 概述
2.2 链路特征
2.2.1 通信频率
2.2.2 无线通信信道
2.2.3 调制解调技术
2.3 物理层的设计
2.3.1 物理层帧结构
2.3.2 物理层设计要素
2.4 典型的物理层通信技术
2.4.1 近距离无线通信技术
2.4.2 广域网无线通信技术
本章小结
思考题
第3章 无线传感网MAC协议
3.1 概述
3.1.1 无线传感网MAC协议设计所面临的问题
3.1.2 无线传感网MAC协议分类
3.2 基于竞争的MAC协议
3.2.1 IEEE 802.11 MAC协议
3.2.2 S-MAC协议
3.2.3 T-MAC协议
3.2.4 Sift协议
3.3 基于时分复用的MAC协议
3.3.1 基于分簇网络的MAC协议
3.3.2 DEANA协议
3.3.3 TRAMA协议
3.3.4 DMAC协议
3.4 其他类型的MAC协议
3.4.1 S-MACS/EAR协议
3.4.2 基于CDMA的MAC协议
本章小结
思考题
第4章 IEEE 802.15.4标准与ZigBee协议
4.1 概述
4.2 IEEE 802.15.4网络简介
4.2.1 IEEE 802.15.4网络拓扑结构
4.2.2 IEEE 802.15.4网络协议栈
4.2.3 物理层
4.2.4 MAC层
4.3 ZigBee协议
4.3.1 ZigBee协议框架
4.3.2 ZigBee协议的主要特征
4.3.3 ZigBee网络层
4.3.4 ZigBee应用层
本章小结
思考题
第5章 无线传感网路由协议
5.1 概述
5.1.1 无线传感网路由协议的特点和要求
5.1.2 路由协议的分类
5.2 能量感知路由协议
5.2.1 能量路由协议
5.2.2 能量多路径路由协议
5.3 平面路由协议
5.4 层次路由协议
5.4.1 LEACH协议
5.4.2 PEGASIS协议
5.4.3 TEEN协议
5.5 基于查询的路由协议
5.5.1 定向扩散路由协议
5.5.2 谣传路由机制
5.6 基于地理位置的路由协议
5.6.1 GEAR路由协议
5.6.2 GAF路由协议
5.6.3 GPSR路由协议
5.6.4 GEM路由协议
5.7 基于QoS的路由协议
5.7.1 SPEED协议
5.7.2 SAR协议
5.7.3 ReInForM协议
5.8 路由协议自主切换
本章小结
思考题
第6章 定位技术
6.1 节点定位概述
6.2 基于测距的定位算法
6.2.1 测距方法
6.2.2 节点定位计算方法
6.3 无须测距的定位算法
6.4 定位技术的典型应用
本章小结
思考题
第7章 同步技术
7.1 无线传感网时间同步的重要性和协议特点
7.1.1 时间同步的重要性
7.1.2 时间同步协议
7.2 RBS同步机制
7.3 Tiny-sync/Mini-sync同步机制
7.4 TPSN时间同步协议
7.5 时间同步的应用示例
本章小结
思考题
第8章 安全技术
8.1 概述
8.2 无线传感网的安全分析
8.2.1 物理层的攻击与防御
8.2.2 链路层的攻击与防御
8.2.3 网络层的攻击与防御
8.2.4 传输层的攻击与防御
8.3 无线传感网的安全防护技术
8.3.1 安全框架
8.3.2 安全协议与防护技术
本章小结
思考题
第9章 数据融合技术
9.1 概述
9.2 无线传感网数据融合的作用
9.3 无线传感网的数据融合模型
9.3.1 数据包级融合模型
9.3.2 跟踪级融合模型
9.4 无线传感网数据融合技术
9.4.1 基于路由的数据融合
9.4.2 基于反向组播树的数据融合
9.5 数据融合技术的主要算法
本章小结
思考题
第10章 数据管理技术
10.1 系统结构
10.2 数据模型与查询语言
10.3 数据存储与索引技术
10.4 查询处理技术
本章总结
思考题
第11章 nesC语言与TinyOS操作系统
11.1 nesC语言
11.1.1 nesC语言规范
11.1.2 模块及其组成
11.1.3 配件及其组成
11.1.4 基于nesC语言的应用程序
11.1.5 Blink实例
11.1.6 nesC语言程序运行模型
11.1.7 编程约定
11.2 TinyOS操作系统
11.2.1 无线传感网对操作系统的要求
11.2.2 TinyOS组件模型
11.2.3 TinyOS通信模型
本章小结
思考题
第12章 以数据为中心的网络互联
12.1 无线传感网互联技术概述
12.1.1 无线传感网接入Internet所面临的挑战
12.1.2 无线传感网接入Internet的结构
12.1.3 无线传感网接入Internet的方案
12.1.4 现有解决方案所存在的问题
12.2 无线传感网接入Internet体系结构的设计
12.2.1 WSN—Internet网关设计
12.2.2 Internet→WSN数据包转换
12.2.3 WSN→Internet数据包转换 ……
本章小结
思考题
第13章 无线传感网应用开发技术
1.1 无线传感网体系结构
1.1.1 无线传感网网络结构
1.1.2 无线传感器节点结构
1.1.3 无线传感器协议栈
1.2 无线传感网的主要特征
1.2.1 不同于移动自组网
1.2.2 不同于现场总线网络
1.2.3 无线传感器节点的限制
1.2.4 无线传感网的特点
1.3 无线传感网关键技术
1.4 无线传感网的应用
1.5 无线传感网发展与现状
1.5.1 无线传感网发展的三个阶段
1.5.2 无线传感网发展现状
1.5.3 无线传感网的发展趋势
本章小结
思考题
第2章 物理层通信技术
2.1 概述
2.2 链路特征
2.2.1 通信频率
2.2.2 无线通信信道
2.2.3 调制解调技术
2.3 物理层的设计
2.3.1 物理层帧结构
2.3.2 物理层设计要素
2.4 典型的物理层通信技术
2.4.1 近距离无线通信技术
2.4.2 广域网无线通信技术
本章小结
思考题
第3章 无线传感网MAC协议
3.1 概述
3.1.1 无线传感网MAC协议设计所面临的问题
3.1.2 无线传感网MAC协议分类
3.2 基于竞争的MAC协议
3.2.1 IEEE 802.11 MAC协议
3.2.2 S-MAC协议
3.2.3 T-MAC协议
3.2.4 Sift协议
3.3 基于时分复用的MAC协议
3.3.1 基于分簇网络的MAC协议
3.3.2 DEANA协议
3.3.3 TRAMA协议
3.3.4 DMAC协议
3.4 其他类型的MAC协议
3.4.1 S-MACS/EAR协议
3.4.2 基于CDMA的MAC协议
本章小结
思考题
第4章 IEEE 802.15.4标准与ZigBee协议
4.1 概述
4.2 IEEE 802.15.4网络简介
4.2.1 IEEE 802.15.4网络拓扑结构
4.2.2 IEEE 802.15.4网络协议栈
4.2.3 物理层
4.2.4 MAC层
4.3 ZigBee协议
4.3.1 ZigBee协议框架
4.3.2 ZigBee协议的主要特征
4.3.3 ZigBee网络层
4.3.4 ZigBee应用层
本章小结
思考题
第5章 无线传感网路由协议
5.1 概述
5.1.1 无线传感网路由协议的特点和要求
5.1.2 路由协议的分类
5.2 能量感知路由协议
5.2.1 能量路由协议
5.2.2 能量多路径路由协议
5.3 平面路由协议
5.4 层次路由协议
5.4.1 LEACH协议
5.4.2 PEGASIS协议
5.4.3 TEEN协议
5.5 基于查询的路由协议
5.5.1 定向扩散路由协议
5.5.2 谣传路由机制
5.6 基于地理位置的路由协议
5.6.1 GEAR路由协议
5.6.2 GAF路由协议
5.6.3 GPSR路由协议
5.6.4 GEM路由协议
5.7 基于QoS的路由协议
5.7.1 SPEED协议
5.7.2 SAR协议
5.7.3 ReInForM协议
5.8 路由协议自主切换
本章小结
思考题
第6章 定位技术
6.1 节点定位概述
6.2 基于测距的定位算法
6.2.1 测距方法
6.2.2 节点定位计算方法
6.3 无须测距的定位算法
6.4 定位技术的典型应用
本章小结
思考题
第7章 同步技术
7.1 无线传感网时间同步的重要性和协议特点
7.1.1 时间同步的重要性
7.1.2 时间同步协议
7.2 RBS同步机制
7.3 Tiny-sync/Mini-sync同步机制
7.4 TPSN时间同步协议
7.5 时间同步的应用示例
本章小结
思考题
第8章 安全技术
8.1 概述
8.2 无线传感网的安全分析
8.2.1 物理层的攻击与防御
8.2.2 链路层的攻击与防御
8.2.3 网络层的攻击与防御
8.2.4 传输层的攻击与防御
8.3 无线传感网的安全防护技术
8.3.1 安全框架
8.3.2 安全协议与防护技术
本章小结
思考题
第9章 数据融合技术
9.1 概述
9.2 无线传感网数据融合的作用
9.3 无线传感网的数据融合模型
9.3.1 数据包级融合模型
9.3.2 跟踪级融合模型
9.4 无线传感网数据融合技术
9.4.1 基于路由的数据融合
9.4.2 基于反向组播树的数据融合
9.5 数据融合技术的主要算法
本章小结
思考题
第10章 数据管理技术
10.1 系统结构
10.2 数据模型与查询语言
10.3 数据存储与索引技术
10.4 查询处理技术
本章总结
思考题
第11章 nesC语言与TinyOS操作系统
11.1 nesC语言
11.1.1 nesC语言规范
11.1.2 模块及其组成
11.1.3 配件及其组成
11.1.4 基于nesC语言的应用程序
11.1.5 Blink实例
11.1.6 nesC语言程序运行模型
11.1.7 编程约定
11.2 TinyOS操作系统
11.2.1 无线传感网对操作系统的要求
11.2.2 TinyOS组件模型
11.2.3 TinyOS通信模型
本章小结
思考题
第12章 以数据为中心的网络互联
12.1 无线传感网互联技术概述
12.1.1 无线传感网接入Internet所面临的挑战
12.1.2 无线传感网接入Internet的结构
12.1.3 无线传感网接入Internet的方案
12.1.4 现有解决方案所存在的问题
12.2 无线传感网接入Internet体系结构的设计
12.2.1 WSN—Internet网关设计
12.2.2 Internet→WSN数据包转换
12.2.3 WSN→Internet数据包转换 ……
本章小结
思考题
第13章 无线传感网应用开发技术
在线试读
前言
物联网是国家新兴战略产业中信息产业发展的核心领域，将在国民经济发展中发挥重要作用。目前，物联网是全球研究热点，被称为继计算机、互联网之后的世界信息产业的第三次浪潮。加快“感知中国”计划，加快物联网、传感网发展已经上升为国家战略。为适应国家战略性产业发展需要，加大信息网络高级专门人才培养的力度，很多高校都建立了物联网学院和物联网、传感网专业。最近几年教育部要求高校逐步扩大物联网、传感网专业，加快物联网、传感网相关技术普及和人才培养。我们根据已有的基础和教学条件，设置了传感网工程专业，以满足新兴产业发展对物联网技术人才的要求。
无线传感网是物联网的重要分支，是随着无线通信、嵌入式计算技术、传感器技术、微机电技术以及分布式信息处理技术的进步而发展起来的一门新兴的信息获取技术，是当前在国际上备受关注、涉及多学科、高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。无线传感网采用自组织方式配置大量的传感器节点，通过节点的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息，是一个集数据采集、数据处理、数据传输于一体的复杂系统，它能够通过各类集成化的微型传感器协作，实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组织多跳的无线传播方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。
无线传感网技术所涉及的前沿学科和理论研究问题较多，很多技术还在探索过程中，因此目前已有的无线传感网教材都比较注重理论深度，不利于工程应用型人才的培养。本书是在作者多年对无线传感网的理论研究和教学实践基础上编写的，作为无线传感网技术的基础性教材，力求简明扼要，深入浅出，删减复杂、烦琐的理论推导，比较详细地描述了无线传感网所涉及的关键技术和基本理论，并结合相关应用，介绍具体无线传感网应用系统的设计方法，使理论与具体的实践相结合。全书总结了当今无线传感网研究领域中的研究成果和应用技术，详细阐述了无线传感网研究中的基本理论和研究方法。包括无线传感网络的概念、通信技术与通信协议、核心支撑技术，以及应用开发技术与应用实例等。全书结构合理，内容丰富，可分成三大部分：第一部分包括第1～5章，其中第1章介绍无线传感网的基本概念、关键技术和发展历程，第2章介绍物理层无线通信技术，第3章介绍无线传感网MAC协议，第4章介绍无线通信标准IEEE802.15.4和Zigbee协议，第5章介绍传感网的路由协议；第二部分讲解无线传感网的主要支撑技术，包括第6～10章，其中第6～8章分别介绍无线传感网的定位技术、同步技术和安全技术，第9、10章分别介绍无线传感网的数据融合和数据管理技术；第三部分讲解无线传感网的应用开发技术，包括第11～13章，其中第11章详细介绍传感器节点设计的编程语言nesC和操作系统TinyOS，第12章介绍以数据为中心的数据互联技术和网关设计技术，第13章主要介绍无线传感网的设计开发技术，涉及节点的硬件平台、软件平台和仿真平台，并给出了设计案例，便于读者实践。通过阅读本书，读者可以快速、全面地掌握无线传感网的基本理论知识，并可以根据应用进行一些简单的设计开发工作。
本教材依据物联网工程专业的教学大纲而编写，教学计划分为48课时（含实验实训）和32课时，可根据实际教学情况和要求进行删减。通过本课程的学习，为以后从事无线传感网技术的应用设计开发工作打下良好基础。
为了便于读者学习，本书在编写过程中尽量做到结合实际，着重介绍物理概念，以图文结合的方式来阐述问题，文字力求通俗易懂。为了适应教学需要，各章后面均附有思考题，书末附有主要的参考文献。
本书由刘传清、刘化君编著，参加部分编写工作的有柳群英、操天明、王志明、王琪等。本书作者诚挚地感谢参加本书资料收集和整理的老师们，感谢孟超博士对本书进行了全面的校对工作。本书相关的科研工作得到了江苏省高等教育教改立项研究课题（2013JSJG172）、南京工程学院硕士专业学位研究生专项课题（60973095）和南京工程学院创新基金项目（CKJB201309）的资助。最后感谢江苏大学博士生导师朱玉全教授对本书的全面审定。在此，向所有为本书编写出版做出贡献的人们表示衷心感谢！
由于水平有限，加之时间仓促，对于书中的缺点和错误，真诚地期望读者批评指正。
编著者
2014年7月
物联网是国家新兴战略产业中信息产业发展的核心领域，将在国民经济发展中发挥重要作用。目前，物联网是全球研究热点，被称为继计算机、互联网之后的世界信息产业的第三次浪潮。加快“感知中国”计划，加快物联网、传感网发展已经上升为国家战略。为适应国家战略性产业发展需要，加大信息网络高级专门人才培养的力度，很多高校都建立了物联网学院和物联网、传感网专业。最近几年教育部要求高校逐步扩大物联网、传感网专业，加快物联网、传感网相关技术普及和人才培养。我们根据已有的基础和教学条件，设置了传感网工程专业，以满足新兴产业发展对物联网技术人才的要求。
无线传感网是物联网的重要分支，是随着无线通信、嵌入式计算技术、传感器技术、微机电技术以及分布式信息处理技术的进步而发展起来的一门新兴的信息获取技术，是当前在国际上备受关注、涉及多学科、高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。无线传感网采用自组织方式配置大量的传感器节点，通过节点的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息，是一个集数据采集、数据处理、数据传输于一体的复杂系统，它能够通过各类集成化的微型传感器协作，实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组织多跳的无线传播方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。
无线传感网技术所涉及的前沿学科和理论研究问题较多，很多技术还在探索过程中，因此目前已有的无线传感网教材都比较注重理论深度，不利于工程应用型人才的培养。本书是在作者多年对无线传感网的理论研究和教学实践基础上编写的，作为无线传感网技术的基础性教材，力求简明扼要，深入浅出，删减复杂、烦琐的理论推导，比较详细地描述了无线传感网所涉及的关键技术和基本理论，并结合相关应用，介绍具体无线传感网应用系统的设计方法，使理论与具体的实践相结合。全书总结了当今无线传感网研究领域中的研究成果和应用技术，详细阐述了无线传感网研究中的基本理论和研究方法。包括无线传感网络的概念、通信技术与通信协议、核心支撑技术，以及应用开发技术与应用实例等。全书结构合理，内容丰富，可分成三大部分：第一部分包括第1～5章，其中第1章介绍无线传感网的基本概念、关键技术和发展历程，第2章介绍物理层无线通信技术，第3章介绍无线传感网MAC协议，第4章介绍无线通信标准IEEE802.15.4和Zigbee协议，第5章介绍传感网的路由协议；第二部分讲解无线传感网的主要支撑技术，包括第6～10章，其中第6～8章分别介绍无线传感网的定位技术、同步技术和安全技术，第9、10章分别介绍无线传感网的数据融合和数据管理技术；第三部分讲解无线传感网的应用开发技术，包括第11～13章，其中第11章详细介绍传感器节点设计的编程语言nesC和操作系统TinyOS，第12章介绍以数据为中心的数据互联技术和网关设计技术，第13章主要介绍无线传感网的设计开发技术，涉及节点的硬件平台、软件平台和仿真平台，并给出了设计案例，便于读者实践。通过阅读本书，读者可以快速、全面地掌握无线传感网的基本理论知识，并可以根据应用进行一些简单的设计开发工作。
本教材依据物联网工程专业的教学大纲而编写，教学计划分为48课时（含实验实训）和32课时，可根据实际教学情况和要求进行删减。通过本课程的学习，为以后从事无线传感网技术的应用设计开发工作打下良好基础。
为了便于读者学习，本书在编写过程中尽量做到结合实际，着重介绍物理概念，以图文结合的方式来阐述问题，文字力求通俗易懂。为了适应教学需要，各章后面均附有思考题，书末附有主要的参考文献。
本书由刘传清、刘化君编著，参加部分编写工作的有柳群英、操天明、王志明、王琪等。本书作者诚挚地感谢参加本书资料收集和整理的老师们，感谢孟超博士对本书进行了全面的校对工作。本书相关的科研工作得到了江苏省高等教育教改立项研究课题（2013JSJG172）、南京工程学院硕士专业学位研究生专项课题（60973095）和南京工程学院创新基金项目（CKJB201309）的资助。最后感谢江苏大学博士生导师朱玉全教授对本书的全面审定。在此，向所有为本书编写出版做出贡献的人们表示衷心感谢！
由于水平有限，加之时间仓促，对于书中的缺点和错误，真诚地期望读者批评指正。
编著者
2014年7月
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