無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用

前言

作為獲取信息、傳遞信息的最基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用發(fā)展非常迅猛。目前非常熱門的兩個(gè)概念——物聯(lián)網(wǎng)及智慧地球，其核心技術(shù)就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。因此，相關(guān)技術(shù)人員有必要對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)深入了解和認(rèn)識。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)以及分布式計(jì)算技術(shù)等為一體，具備部署快速、節(jié)點(diǎn)眾多、自組織成網(wǎng)、較強(qiáng)的抗毀和自愈能力等優(yōu)點(diǎn)。它是由一些微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測和采集各種監(jiān)測對象的信息并傳送到用戶進(jìn)行分析和利用。它通過攜帶能量有限的電池來供應(yīng)能量，通常部署在區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，甚至工作人員不能到達(dá)的場合，而且成本較低，在軍事、環(huán)境監(jiān)測、氣象、工業(yè)控制、外層空間探索等領(lǐng)域具有十分重要的作用?，F(xiàn)在的移動通信實(shí)現(xiàn)的是人人互聯(lián)，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決的是物物互聯(lián)，將開拓通信網(wǎng)絡(luò)中物物互聯(lián)的全新業(yè)務(wù)即物聯(lián)網(wǎng)，預(yù)計(jì)未來物聯(lián)網(wǎng)的物物互聯(lián)業(yè)務(wù)將超越現(xiàn)在移動通信的人人互聯(lián)業(yè)務(wù).嵌入在物體中的各種傳感器與互聯(lián)網(wǎng)相連的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，被稱為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，由物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成智慧地球。智慧地球的基礎(chǔ)是需要世界更全面的互聯(lián)互通和更深入的智能化，它涉及幾乎所有的行業(yè)并賦予人們能力去越來越智慧地解決問題。這些技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，都為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了良好的外部環(huán)境，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將形成巨大的、全新的制造、運(yùn)營產(chǎn)業(yè)。美國總統(tǒng)信息科技顧問委員會的報(bào)告指出，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是21世紀(jì)最具有經(jīng)濟(jì)前途和科技重要性的九大領(lǐng)域之一。

內(nèi)容概要

　　《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用》對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的眾多關(guān)鍵技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、MAC層協(xié)議、路由協(xié)議等做了詳細(xì)而深入的描述，同時(shí)還著重探討了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)和應(yīng)用，安排了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件開發(fā)、嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS和MiniOS等內(nèi)容。最后，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面的最新成果進(jìn)行全面介紹，有助于讀者開拓視野，打開研究思路?！　　稛o線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用》既注重基礎(chǔ)理論知識，又注重技術(shù)的工程實(shí)用性，可作為通信與信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、電子與信息、傳感器技術(shù)等專業(yè)的大學(xué)本科高年級學(xué)生和研究生的教材、教輔和教學(xué)參考書，也可作為對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)感興趣的工程技術(shù)人員和管理人員的參考用書。

書籍目錄

第1章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 11.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程 11.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu) 21.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo) 31.3.1 網(wǎng)絡(luò)的工作壽命 31.3.2 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍 41.3.3 網(wǎng)絡(luò)搭建成本和難易程度 41.3.4 網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間 51.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) 51.4.1 QoS保證 51.4.2 數(shù)據(jù)融合技術(shù) 61.4.3 網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制 61.4.4 定位技術(shù) 71.4.5 同步管理機(jī)制 71.4.6 無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 81.4.7 嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件技術(shù) 81.4.8 相關(guān)的硬件技術(shù) 81.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍 91.5.1 環(huán)境監(jiān)測 91.5.2 軍事領(lǐng)域 91.5.3 醫(yī)療健康 91.5.4 交通管理 101.5.5 智能家居 101.5.6 空間探測應(yīng)用 10第2章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) 112.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 112.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 112.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 152.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)模型 172.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征 222.2.1 與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別 222.2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 262.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能評價(jià)指標(biāo) 27第3章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 293.1 路由協(xié)議概述 293.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的考慮因素 293.1.2 路由的過程 303.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分類方法 323.2 平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議 333.2.1 平面路由協(xié)議 333.2.2 層次路由協(xié)議 363.2.3 平面路由協(xié)議和層次路由協(xié)議比較 403.3 能量感知路由 413.3.1 能量消耗源 413.3.2 能量路由 423.3.3 能量多路徑路由 423.4 基于查詢的路由 443.4.1 定向擴(kuò)散路由 443.4.2 謠傳路由 463.5 地理位置路由 473.5.1 GEAR路由 483.5.2 GAF路由 503.5.3 GPSR路由 523.5.4 其他位置路由 533.6 可靠路由協(xié)議 543.6.1 不相交多路徑路由機(jī)制 543.6.2 ReInForM路由 563.6.3 SPEED協(xié)議 583.7 路由協(xié)議自主切換 593.8 小結(jié) 60第4章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層技術(shù) 614.1 MAC層技術(shù)概述 614.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)對MAC協(xié)議的影響 614.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 634.1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議分類 654.2 IEEE 802.11協(xié)議 664.2.1 IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 664.2.2 IEEE 802.11協(xié)議MAC層的工作模式 684.2.3 分布式協(xié)調(diào)功能(DCF) 704.2.4 集中式協(xié)調(diào)功能(PCF) 724.2.5 DCF與PCF機(jī)制的局限性 744.2.6 IEEE 802.11的QoS保障 744.3 小結(jié) 75第5章 常用MAC層協(xié)議簡介 765.1 基于競爭方式的MAC協(xié)議 765.1.1 S-MAC協(xié)議 765.1.2 T-MAC協(xié)議 855.1.3 Sift協(xié)議 895.1.4 S-MAC Sift協(xié)議 905.1.5 WiseMAC協(xié)議 915.1.6 其他基于競爭的MAC協(xié)議 925.2 基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議 945.2.1 基于分簇網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議 945.2.2 AL-LMAC協(xié)議 955.2.3 TRAMA協(xié)議 965.2.4 DMAC 975.2.5 其他基于時(shí)分復(fù)用的MAC協(xié)議 1005.3 TDMA和FDMA結(jié)合的協(xié)議 1015.4 小結(jié) 103第6章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件開發(fā) 1056.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件開發(fā)需考慮的因素 1056.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用類別 1056.1.2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求 1076.2 節(jié)點(diǎn)的組成與核心模塊設(shè)計(jì) 1086.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)例 1136.3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu) 1146.3.2 微控制單元芯片選擇和設(shè)計(jì) 1146.3.3 無線傳輸單元芯片選擇和設(shè)計(jì) 1176.3.4 傳感器模塊芯片選擇和設(shè)計(jì) 1226.4 小結(jié) 126第7章 嵌入式操作系統(tǒng) 1277.1 傳感器節(jié)點(diǎn)對操作系統(tǒng)的需求 1277.2 TinyOS操作系統(tǒng) 1277.2.1 簡介 1277.2.2 基于組件的體系結(jié)構(gòu) 1287.2.3 任務(wù)調(diào)度機(jī)制 1307.2.4 通信機(jī)制 1317.3 MiniOS操作系統(tǒng) 1327.3.1 MiniOS簡介 1327.3.2 MiniOS的進(jìn)程管理 1337.3.3 系統(tǒng)時(shí)鐘服務(wù) 1357.3.4 MiniOS的內(nèi)存管理 1357.3.5 通信與同步 1367.3.6 中斷過程及處理 1387.4 小結(jié) 139第8章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 1408.1 軍事領(lǐng)域的應(yīng)用 1408.1.1 智能塵埃 1418.1.2 目標(biāo)定位和跟蹤 1438.1.3 防核生化襲擊 1458.1.4 靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)(SSW) 1458.1.5 WSN在協(xié)同作戰(zhàn)中的應(yīng)用 1458.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于城市交通管理 1468.2.1 智能交通系統(tǒng) 1478.2.2 智能公交系統(tǒng) 1488.3 環(huán)境科學(xué)的應(yīng)用 1488.3.1 環(huán)境監(jiān)測 1498.3.2 無線溫室監(jiān)測系統(tǒng) 1518.3.3 詹姆斯保護(hù)區(qū)研究項(xiàng)目 1538.3.4 PODS研究項(xiàng)目 1538.3.5 森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng) 1548.3.6 無線傳感器在煤田監(jiān)測中的應(yīng)用 1558.4 醫(yī)療健康方面的應(yīng)用 1558.4.1 醫(yī)療檢測領(lǐng)域常用傳感器 1568.4.2 遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng) 1588.4.3 呼吸醫(yī)療監(jiān)視儀 1598.4.4 藥物生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用 1598.4.5 藥物臨床實(shí)驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用 1618.4.6 無人智能藥物超市應(yīng)用 1618.4.7 住院患者管理 1628.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境的應(yīng)用 1638.5.1 智能家居系統(tǒng) 1638.5.2 智能建筑系統(tǒng) 1648.6 其他應(yīng)用 1658.7 小結(jié) 166參考文獻(xiàn) 167

章節(jié)摘錄

插圖：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的第二大性能指標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。對于一個(gè)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)來說，能夠覆蓋更大的范圍通常是更有意義的事情，而且終端用戶使用也會更方便。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，覆蓋范圍不僅僅局限于單個(gè)節(jié)點(diǎn)的無線通信距離，因?yàn)椴捎枚嗵ㄐ偶夹g(shù)可以大大擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，理論上可以無限地?cái)U(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的范圍，但在實(shí)際應(yīng)用中，覆蓋范圍越大，也就預(yù)示著信息傳遞所需經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)越多，同時(shí)對于處于關(guān)鍵路徑的節(jié)點(diǎn)來說，需要傳輸?shù)拇螖?shù)也會越多，從而增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗，降低網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。和覆蓋范圍相關(guān)的是網(wǎng)絡(luò)容納節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，即可擴(kuò)展性。可擴(kuò)展性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一大優(yōu)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)用戶可以先組建很小的網(wǎng)絡(luò)，隨后不斷增加傳感器節(jié)點(diǎn)以采集更多的信息.該網(wǎng)絡(luò)采用的技術(shù)必須能滿足其網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的要求。與此同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展過程中，必須注意這樣的問題：增加系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量會影響到系統(tǒng)的工作壽命和采樣速率。因?yàn)楦嗟墓?jié)點(diǎn)意味著更多數(shù)據(jù)的無線傳輸和更多的功耗，并且原來的采樣周期也會相應(yīng)增加。1.3.3 網(wǎng)絡(luò)搭建成本和難易程度網(wǎng)絡(luò)搭建容易是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的突出優(yōu)點(diǎn).由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常可以自組織網(wǎng)絡(luò)，因此施工人員就無需了解其底層的通信機(jī)制，沒有經(jīng)過特別培訓(xùn)的人員也可以在其關(guān)心的區(qū)域中組建簡易的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。理想情況下，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)任意的節(jié)點(diǎn)布置方式自組織網(wǎng)絡(luò)。但是在真實(shí)的應(yīng)用環(huán)境中，不同的場景和目的制約著節(jié)點(diǎn)的布置方式，節(jié)點(diǎn)不可能任意無限制地布置，所以在搭建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)該能夠自我評定網(wǎng)絡(luò)組建的性能以及指示潛在的問題，這就要求任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)現(xiàn)與其相關(guān)的鏈路信息并評定其鏈接性能。

編輯推薦

《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用》由人民郵電出版社出版。

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