無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工程應(yīng)用

前言

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是繼互聯(lián)網(wǎng)之后，又一重大的影響人類(lèi)生活方式的熱點(diǎn)技術(shù)。它的出現(xiàn)將改變?nèi)伺c自然交互的方式，使信息世界與真實(shí)物理世界更緊密地融合在一起?！　∮捎跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備的巨大潛力，吸引了眾多研究者從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)工作。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)出現(xiàn)之前，人們已經(jīng)對(duì)不同類(lèi)型的有線、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了深入的研究，但由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗、低成本、自組織、自適應(yīng)、無(wú)人職守等特點(diǎn)，導(dǎo)致無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)前成熟的有線、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比無(wú)論是在通信協(xié)議還是工程應(yīng)用方面都有很大的不同。為了使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)真正為人類(lèi)服務(wù)，必須進(jìn)行工業(yè)化的節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)和大規(guī)模的工程應(yīng)用，這需要更多的人掌握無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，才能把對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的憧憬變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)?！　o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有工作都是由節(jié)點(diǎn)完成的。節(jié)點(diǎn)雖小，但需要掌握的知識(shí)卻非常廣。既有中、低頻的傳統(tǒng)嵌入式設(shè)計(jì)，又有高頻的射頻電路；既要有一般的數(shù)據(jù)采集與控制軟件，又要有自組網(wǎng)、路由、標(biāo)準(zhǔn)鏈路等復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)。由于學(xué)校專(zhuān)業(yè)設(shè)置問(wèn)題，幾乎沒(méi)有一個(gè)專(zhuān)業(yè)能夠覆蓋無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所涉及的技術(shù)，因此對(duì)于希望自行開(kāi)發(fā)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、針對(duì)特定工程應(yīng)用進(jìn)行開(kāi)發(fā)的讀者來(lái)講，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通用設(shè)計(jì)技術(shù)，充分發(fā)揮自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以獲得更有效的2T_程應(yīng)用是其非常盼望的事情。　　本書(shū)立足工程應(yīng)用，在強(qiáng)調(diào)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論的同時(shí)，更多地突出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)，特別是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟硬件的開(kāi)發(fā)，在介紹通用軟硬件設(shè)計(jì)的前提下，針對(duì)不同應(yīng)用給出了精簡(jiǎn)的設(shè)計(jì)思想?！　∽髡咴趯?shí)際工作中發(fā)現(xiàn)操作系統(tǒng)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟可靠的應(yīng)用非常重要。通過(guò)操作系統(tǒng)可以將開(kāi)發(fā)成熟的軟件變?yōu)楣碳?，?dāng)新功能開(kāi)發(fā)出來(lái)后，通過(guò)添加任務(wù)的方式擴(kuò)展固件，對(duì)原有的固件幾乎不需要更改，這樣就使合作開(kāi)發(fā)成為可能，大大降低了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度，也極大方便了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能的升級(jí)和完善。本書(shū)在附錄中給出了作者自行開(kāi)發(fā)的微代碼的操作系統(tǒng)——PICl8系列微處理器網(wǎng)絡(luò)版操作系統(tǒng)，希望能給讀者提供些幫助?！　∪珪?shū)共分10章。第1章介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史和相關(guān)的基本概念。第2章介紹了IEEE 802.15.4協(xié)議的內(nèi)容。第3章介紹了zigBee協(xié)議的內(nèi)容。

內(nèi)容概要

本書(shū)比較全面地論述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、特點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)等。全書(shū)共分為10章，內(nèi)容包括無(wú)線傳感器的概念、通信協(xié)議、定位與信息處理、開(kāi)發(fā)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)所涉及的理論基礎(chǔ)、軟件、硬件設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法以及應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際工程案例。附錄中給出了作者自行開(kāi)發(fā)的微代碼的操作系統(tǒng)——PIC18系列微處理網(wǎng)絡(luò)版操作系統(tǒng)。在本書(shū)配套的光盤(pán)中給出了作者自主開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和應(yīng)用操作系統(tǒng)的12個(gè)實(shí)例代碼，以幫助讀者更好地開(kāi)發(fā)自己的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和工程應(yīng)用。　　本書(shū)主要適合從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域工作，特別是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用的讀者，也可作為計(jì)算機(jī)、電子、自動(dòng)化和通信等專(zhuān)業(yè)的本科生和研究生的教材。

書(shū)籍目錄

　　前言 第1章　緒論 　1.1　引言 　1.2　傳感器技術(shù)的發(fā)展 　　1.2.1　微型化 　　1.2.2　智能化 　　1.2.3　多功能傳感器 　1.3　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 　　1.3.1　軍事領(lǐng)域 　　1.3.2　環(huán)境監(jiān)測(cè) 　　1.3.3　醫(yī)療健康監(jiān)測(cè) 　　1.3.4　建筑物監(jiān)測(cè)及城市管理 　　1.3.5　智能交通 　　1.3.6　藥品管理和衛(wèi)生保健 　1.4　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究熱點(diǎn)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù) 　1.5　幾種無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 　1.6　關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā) 第2章　IEEE 802.15.4協(xié)議 　2.1　IEEE 802.15.4的主要特點(diǎn) 　2.2　IEEE 802.15.4的物理層 　　2.2.1　物理層服務(wù)規(guī)范 　　2.2.2　物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式 　2.3　IEEE 802.15.4的MAC層 　　2.3.1　MAC幀的結(jié)構(gòu) 　　2.3.2　MAC幀的分類(lèi) 　2.4　MAC層完成的基本服務(wù) 　　2.4.1　MAC層數(shù)據(jù)服務(wù) 　　2.4.2　MAC層管理服務(wù) 第3章　ZigBee協(xié)議介紹 　3.1　概述 　3.2　應(yīng)用層規(guī)范 　　3.2.1　ZigBee應(yīng)用支持子層 　　3.2.2　應(yīng)用支持子層的管理實(shí)體 　　3.2.3　APS數(shù)據(jù)服務(wù) 　　3.2.4　APS管理服務(wù) 　　3.2.5　APS的帖格式 　　3.2.6　特殊幀類(lèi)型格式 　3.3　APS常數(shù)和PIB屬性 　　3.3.1　APS常數(shù) 　　3.3.2　APS信息數(shù)據(jù)庫(kù) 　3.4　網(wǎng)絡(luò)層 　　3.4.1　網(wǎng)絡(luò)層幀格式 　　3.4.2　網(wǎng)絡(luò)層常量和NIB屬性 　3.5　ZigBee的網(wǎng)絡(luò)建立過(guò)程 第4章　WSN定位與信息處理 　4.1　節(jié)點(diǎn)定位技術(shù) 　　4.1.1　概述 　　4.1.2　定位算法的分類(lèi) 　　4.1.3　測(cè)距方法的分類(lèi) 　4.2　計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置的算法 　4.3　IEEE　802.15.4的定位思路 　4.4　網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制方法 　　4.4.1　變時(shí)滯網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 　　4.4.2　數(shù)據(jù)丟失網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 　　4.4.3　帶寬有限網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 　4.5　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)估計(jì) 　　4.5.1　不可靠網(wǎng)絡(luò)中的估計(jì)問(wèn)題 　　4.5.2　信息丟失系統(tǒng) 　　4.5.3　基于量化數(shù)據(jù)的估計(jì)問(wèn)題 第5章　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用軟件 　5.1　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng) 　5.2　自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的WSN操作系統(tǒng)wsnRTOS 　　5.2.1　操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 　　5.2.2　操作系統(tǒng)的特點(diǎn) 　5.3　射頻通信與控制軟件 　　5.3.1　SPI通信設(shè)計(jì) 　　5.3.2　CC2500的控制軟件功能 　5.4　網(wǎng)關(guān)軟件的設(shè)計(jì) 第6章　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線傳輸理論基礎(chǔ)第7章　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件第8章　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在油井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用第9章　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在路燈節(jié)能中的應(yīng)用 第10章　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)其他應(yīng)用舉例附錄　PIC18系列微處理器網(wǎng)絡(luò)版操作系統(tǒng)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　3.傳感器集成化　　傳感器是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在的基礎(chǔ)，但是傳統(tǒng)傳感器一般體積和功耗都較大，顯然將傳統(tǒng)的傳感器與射頻器件直接組合構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，不符合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)。因此如何在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上設(shè)計(jì)小型化和低功耗的傳感器是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的另一個(gè)需要突破的技術(shù)難關(guān)?！　∧壳翱梢耘c節(jié)點(diǎn)集成到一起的傳感器有：溫度傳感器、濕度傳感器、照度傳感器等少量傳感器。大量的傳感器還未能與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成在一起，未來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題可能主要依靠MEMS技術(shù)?！　?.電源多樣化　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)最基本的供電方式是電池，但是為了提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的壽命，新的能量供給方式也是必須要考慮的。現(xiàn)在能夠投入實(shí)用的供電方式主要有太陽(yáng)能、風(fēng)能和振動(dòng)發(fā)電。當(dāng)供電技術(shù)解決后，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將會(huì)取得一個(gè)更大的進(jìn)步。需要指出的是，即使是供電電源也要按照小型化原則進(jìn)行設(shè)計(jì)?！　?.軟件簡(jiǎn)單化　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)若滿足體積、功耗的要求，軟件的設(shè)計(jì)最好越小越好，這樣就可以占據(jù)更少的資源?？墒沁@又存在一個(gè)矛盾的問(wèn)題，從自組網(wǎng)要求來(lái)講，需要軟件十分的穩(wěn)定，能夠在多種復(fù)雜條件下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可靠組建與傳輸。要滿足這個(gè)要求，軟件協(xié)議棧就要比較完善，程序代碼的量就大，需要的硬件資源就多。如果只強(qiáng)調(diào)軟件功能的完善，就不可避免的造成資源需求的擴(kuò)大化，比如現(xiàn)在有些節(jié)點(diǎn)甚至采用ARM7或.ARM9來(lái)實(shí)現(xiàn)的。　　雖然存在這個(gè)矛盾，但從實(shí)際應(yīng)用的角度看，一旦無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用目標(biāo)確定下來(lái)，軟件的功能設(shè)置也就確定了，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用可以對(duì)軟件功能進(jìn)行精簡(jiǎn)?！　?.功能單一化　　雖然從理論的角度看節(jié)點(diǎn)的功能越多越好，但是就實(shí)際的應(yīng)用來(lái)看，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)功能并不是越多越好，必須在節(jié)點(diǎn)功能和節(jié)點(diǎn)資源之間進(jìn)行平衡，從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用看，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用對(duì)象一般都非常明確，過(guò)多的功能意義不大。比如當(dāng)前許多商用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的DEMO板，這些ＤEMO板作為實(shí)驗(yàn)室中的調(diào)試工具是很有意義的，但若直接用到某個(gè)具體應(yīng)用，則就有些浪費(fèi)了。應(yīng)將其硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，只要能達(dá)到要求，其他功能應(yīng)盡量簡(jiǎn)化。　　7.2接地設(shè)計(jì)　　接地設(shè)計(jì)無(wú)論在何種電路設(shè)計(jì)中不管如何強(qiáng)調(diào)都不過(guò)分，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，接地主要討論射頻接地的問(wèn)題。

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