無線傳感器網(wǎng)絡技術與應用

前言

傳感器技術、低功率電子學以及低功率RF設計技術的發(fā)展和進步使人們已經(jīng)能夠開發(fā)微型、能夠通過無線網(wǎng)絡相互連接、相對價廉的低功率傳感器，這種傳感器也叫做微型傳感器（Microsensor）。無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）技術能夠革新很多場合下的信息采集和處理，代表提取環(huán)境數(shù)據(jù)、各種環(huán)境可靠監(jiān)視（包括監(jiān)視、機器故障診斷、化學/生物檢測等）的一種新方式。大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡由數(shù)千個、甚至數(shù)萬個微型傳感器組成，各個微型傳感器分散在一個巨大場中，用來獲取紋理細密的高精度感知數(shù)據(jù)。微型傳感器通常依靠電池供電，相互之間進行無線通信。無線傳感器網(wǎng)絡可以布置在惡劣、苛刻、復雜、甚至敵方的物理環(huán)境中（比如遙遠地理區(qū)域或者有毒的城市地點、自然災害區(qū)、戰(zhàn)場敵方區(qū)、戰(zhàn)場火力打擊區(qū)等），也可以布置在人不易接近的環(huán)境中（比如大工廠、飛機內(nèi)部、機器內(nèi)部，甚至人體內(nèi)部等）進行低成本地維護感知或者監(jiān)視感知，更可以布置在人易于接近的環(huán)境中（比如人體表面各個部位、房間各個角落）進行各種狀態(tài)監(jiān)視。無線傳感器網(wǎng)絡可以對大量感知信息（比如地震數(shù)據(jù)、聲學數(shù)據(jù)、高分辨率圖像等）進行分布式處理，提高感知數(shù)據(jù)的精確性。傳感器組成網(wǎng)絡后，能夠累積感知數(shù)據(jù)，從而提供對環(huán)境的一個豐富的、多維的了解。此外，網(wǎng)絡化傳感器能夠重點關注網(wǎng)絡中其他傳感器指出的關鍵事件（比如入侵者進入某個建筑物）。網(wǎng)絡化傳感器在面對各個傳感器失效時也仍然能夠繼續(xù)發(fā)揮準確的作用。例如，假如網(wǎng)絡中的一些傳感器丟失某些關鍵信息，那么其他傳感器就可以給這些傳感器補充丟失的信息?？梢韵胂笪磥硪唤M傳感器節(jié)點構(gòu)成Ad Hoc分布式處理網(wǎng)絡，產(chǎn)生易于訪問和高質(zhì)量的有關真實世界的信息。每個傳感器節(jié)點在網(wǎng)絡中自動工作，不需要中央控制中心；每個傳感器節(jié)點根據(jù)其承擔的任務、當前擁有的信息以及所了解的計算資源、通信資源、能量資源、存儲資源來做出決策。與孤立的各個傳感器比較，網(wǎng)絡化傳感器有可能精確性更高，系統(tǒng)更加強壯和復雜。無線傳感器網(wǎng)絡深入我們生活的每個環(huán)節(jié)、滲透社會的每個角落，有利幫助人類提高認識物理世界的深度、廣度、精確性、及時性，加強和密切人類與物理世界的聯(lián)系，大力提高人類對物理環(huán)境的遠端監(jiān)視和控制能力，所以無線傳感器網(wǎng)絡應用前景非常廣闊。無線傳感器網(wǎng)絡設計面臨許多技術挑戰(zhàn)，比如能量高效網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)絡拓撲控制、信號與信息的聯(lián)合處理、任務分配、信息查詢、安全、中間件、網(wǎng)絡編程等，其中最重要的挑戰(zhàn)是三個關鍵資源的高效綜合利用：①能量，無線傳感器節(jié)點主要依靠電池供電，電池不方便替換或者重復充電，且大多數(shù)情形下不可能替換或者重復充電，而且目前的電池供電能力也非常有限；②通信帶寬，無線傳感器網(wǎng)絡的通信帶寬相對于有線網(wǎng)絡而言是非常有限的，一般只有幾百千比特每秒；③計算能力，由于節(jié)能非常關鍵，所以一般情況下不會給傳感器節(jié)點配置功能強大的微型處理器，而是采用低功耗、計算能力有限的微型處理器，因而不能運行復雜的網(wǎng)絡協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡技術是一門跨學科的綜合性網(wǎng)絡系統(tǒng)技術，除了涉及最基本的通信、計算機語言、編程知識和技術外，還涉及傳感器網(wǎng)絡所有應用領域的一些專門知識（比如醫(yī)學、地震學、土壤學、農(nóng)學等），這些特殊應用領域的專門知識對于設計高性能傳感器網(wǎng)絡應用是非常重要的。本書系統(tǒng)地介紹了無線傳感器網(wǎng)絡技術，包括三個部分的內(nèi)容：無線傳感器網(wǎng)絡概述、無線傳感器網(wǎng)絡技術、無線傳感器網(wǎng)絡應用與編程。其目的是為無線傳感器網(wǎng)絡設計者、研究人員、院校師生以及所有對此感興趣的人士等全面、系統(tǒng)地理解和掌握無線傳感器網(wǎng)絡技術提供一些幫助。本書的編寫安排如下：第一部分“無線傳感器網(wǎng)絡概述”：包括1章（第1章）。介紹無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展歷史，闡述基本概念，分析無線傳感器網(wǎng)絡的主要技術及其網(wǎng)絡設計影響因素，簡單介紹了當前流行的傳感器節(jié)點平臺。第二部分“無線傳感器網(wǎng)絡技術”：包括11章，其中WSN的MAC技術3章（第2、3、4章），WSN路由技術3章（第5、6、7章），WSN可靠傳輸技術2章（第8、9章），WSN數(shù)據(jù)融合技術1章（第10章），WSN安全技術1章（第11章），WSN中間件技術1章（第12章）。各章安排如下：第2章是無線傳感器網(wǎng)絡競爭類MAC協(xié)議，詳細描述了三個典型的WSN競爭類MAC協(xié)議：傳感器媒介訪問控制協(xié)議（S-MAC）、超時MAC協(xié)議（T-MAC）、伯克利媒介訪問控制協(xié)議（B-MAC）。第3章是無線傳感器網(wǎng)絡分配類MAC協(xié)議，詳細描述三個典型的WSN分配類協(xié)議：流量自適應媒介訪問協(xié)議（TRAMA）、分布式隨機時隙安排協(xié)議（DRAND）、功率高效與時延意識媒介訪問協(xié)議（PEDAMACS）。第4章是無線傳感器網(wǎng)絡混合類MAC協(xié)議，詳細描述WSN時間同步技術和兩個典型的WSN混合類MAC協(xié)議：斑馬-MAC協(xié)議（Z-MAC）、漏斗-MAC協(xié)議。第5章是無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)中心路由協(xié)議，詳細描述了兩個典型的WSN數(shù)據(jù)中心路由協(xié)議：協(xié)商式傳感器信息分發(fā)協(xié)議（SPIN）、定向擴散。第6章是無線傳感器網(wǎng)絡分層路由協(xié)議，詳細描述了兩個典型的WSN分層路由協(xié)議：低能量自適應分群分層協(xié)議（LEACH）、兩層數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議（TTDD）。第7章是無線傳感器網(wǎng)絡地理位置路由協(xié)議，詳細描述了WSN定位技術以及兩個典型的WSN地理位置路由協(xié)議：貪婪地理路由算法、位置輔助泛洪協(xié)議（LAF）。第8章是無線傳感器網(wǎng)絡端到端可靠傳輸協(xié)議，詳細描述了WSN擁塞檢測與預防技術（CODA）和兩個典型的WSN端到端可靠傳輸協(xié)議：事件到中心節(jié)點的可靠傳輸協(xié)議（ESRT）、基于多電臺虛擬中心節(jié)點的過載流量管理協(xié)議（SIPHON）。第9章是無線傳感器網(wǎng)絡逐跳可靠傳輸協(xié)議，詳細描述了WSN合成擁塞控制技術（FUSION）和兩個典型的WSN逐跳可靠傳輸協(xié)議：慢分發(fā)快提取可靠傳輸協(xié)議（PSFQ）、下行數(shù)據(jù)可靠交付可擴展體系結(jié)構(gòu)（GARUDA）。第10章是無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)融合協(xié)議，詳細描述了樹狀結(jié)構(gòu)累積技術、不受應用約束的自適應數(shù)據(jù)累積技術（AIDA）、無結(jié)構(gòu)累積技術（DAA+DW）與半結(jié)構(gòu)累積技術（ToD）。第11章是無線傳感器網(wǎng)絡安全，詳細分析了WSN安全面臨的障礙、WSN安全要求，剖析WSN中的各種安全攻擊，詳細描述SPINS安全解決方案、LEAP+安全解決方案。第12章是無線傳感器網(wǎng)絡中間件協(xié)議，分析了WSN中間件設計面臨的挑戰(zhàn)和困難，及其功能要求，詳細介紹ZebraNet系統(tǒng)中的中間件系統(tǒng)（Impala）、無線傳感器信息網(wǎng)絡化體系結(jié)構(gòu)與應用中間件體系結(jié)構(gòu)（SINA），其間介紹了SINA在車輛跟蹤中的應用。第三部分“無線傳感器網(wǎng)絡應用及編程”：包括1章（第13章）。概括了WSN在軍事、環(huán)境、醫(yī)療衛(wèi)生、家庭以及其他商業(yè)領域的應用；介紹了WSN應用設計原理；闡述了WSN網(wǎng)絡編程問題，包括編程抽象、編程模型，比如Kairos編程模型、微型傳感器網(wǎng)絡虛擬機（Mate）、采用屬性狀態(tài)機的無線傳感器網(wǎng)絡編程（OSM）；詳細描述了WSN分層編程技術、抽象任務圖宏編程架構(gòu)（ATaG）。本書的編寫參閱了大量的研究文獻和資料。在每章最后列出本章的主要參考文獻。電子科技大學駱睿老師仔細審閱了本書第2、3、4、7、12章，并提出了許多改進之處。中國電子科技集團公司電子第30研究所高級工程師曾曦審閱了本書第1、5、6、11、13章；劉亮審閱了第10章；馬蓉審閱了第8章；張虎審閱了第9章。此外作者還得到了謝青、劉英、陳曦、劉靜、馬先慶、劉偉、葉國宏、劉萍、李家國、王慶、王婷、曾令長、劉陶惠、羅永秀、曾暉、謝長富、周華等人的幫助。在本書的構(gòu)思和寫作過程中，以及本書的成功出版，作者一直得到了電子工業(yè)出版社、尤其是電子工業(yè)出版社通信分社王春寧博士的大力支持和幫助。作者在此一并表示由衷的感謝！

內(nèi)容概要

本書介紹無線傳感器網(wǎng)絡技術，主要包括三個部分的內(nèi)容：無線傳感器網(wǎng)絡概述，包括基本概念、發(fā)展歷史、主要技術、網(wǎng)絡設計主要影響因素；無線傳感器網(wǎng)絡技術，包括MAC、路由、擁塞控制與可靠傳輸、數(shù)據(jù)融合、安全、定位、同步、中間件方面的技術；無線傳感器網(wǎng)絡應用與編程，包括應用設計原理、網(wǎng)絡編程、分層編程技術、融合應用編程體系架構(gòu)。    本書內(nèi)容豐富、新穎，概念清楚，層次結(jié)構(gòu)合理、明晰，涵蓋了當前國際上無線傳感器網(wǎng)絡的主要研究成果及內(nèi)容，可幫助讀者盡快全面了解和掌握無線傳感器網(wǎng)絡技術。    本書可供從事無線傳感器網(wǎng)絡的科研人員、工程技術人員、院校師生，以及所有對此感興趣的人士閱讀和參考。

作者簡介

陳林星，畢業(yè)于電子科技大學通信專業(yè)，研究員。長期從事通信尤其是分組無線網(wǎng)絡方面的研究和開發(fā)工作。參與或主持過多項大型或重點通信項目的研究和開發(fā)工作。研究興趣是無線網(wǎng)絡技術。已出版的技術專著有：《移動Ad Hoc網(wǎng)絡——自組織分組無線網(wǎng)絡技術》、《IEEE 802.11無線局域網(wǎng)》、《無線網(wǎng)絡安全——技術與策略》。

書籍目錄

第1章  無線傳感器網(wǎng)絡概述  1.1  傳感器網(wǎng)絡的研究歷史    1.1.1  早期的軍用傳感器網(wǎng)絡研究　　1.1.2  美軍DARPA的分布式傳感器網(wǎng)絡研究計劃　　1.1.3  20世紀80年代和90年代的軍用傳感器網(wǎng)絡　　1.1.4  21世紀的傳感器網(wǎng)絡研究　1.2  WSN基本概念　　1.2.1  什么是WSN　　1.2.2  WSN與MANET的異同　　1.2.3  WSN的通信體系結(jié)構(gòu)　1.3  WSN的主要技術　　1.3.1  系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)　　1.3.2  網(wǎng)絡與通信的控制　1.4  影響WSN設計的因素　　1.4.1  容錯　　1.4.2  擴展性　　1.4.3  價格　　1.4.4  硬件限制　　1.4.5  WSN拓撲　　1.4.6  WSN工作環(huán)境　　1.4.7  傳輸媒介　　1.4.8  功耗　參考文獻第2章  無線傳感器網(wǎng)絡競爭類MAC協(xié)議　2.1  傳感器媒介訪問控制協(xié)議（S-MAC）　　2.1.1  能量浪費原因分析　　2.1.2  S-MAC協(xié)議概述　　2.1.3  休眠的協(xié)調(diào)　　2.1.4  避免旁聽與消息分片傳輸　　2.1.5  時延分析　　2.1.6  S-MAC協(xié)議實現(xiàn)　　2.1.7  S-MAC協(xié)議的性能　2.2  超時MAC協(xié)議（T-MAC）　　2.2.1  T-MAC協(xié)議概述　　2.2.2  T-MAC基本協(xié)議　　2.2.3  分群與同步　　2.2.4  RTS操作與TA選擇　　2.2.5  避免旁聽　　2.2.6  不對稱通信　　2.2.7  T-MAC的性能　2.3  伯克利媒介訪問控制協(xié)議（B-MAC）　　2.3.1  B-MAC協(xié)議的設計與實現(xiàn)　　2.3.2  壽命建?！　?.3.3  參數(shù)　　2.3.4  自適應控制　參考文獻第3章  無線傳感器網(wǎng)絡分配類MAC協(xié)議　3.1  流量自適應媒介訪問協(xié)議（TRAMA）　　3.1.1  TRAMA協(xié)議概述　　3.1.2  TRAMA協(xié)議組成　　3.1.3  訪問方式與相鄰節(jié)點協(xié)議　　3.1.4  傳輸時間安排交換協(xié)議　　3.1.5  自適應選舉算法　　3.1.6  TRAMA的性能　3.2  分布式隨機時隙安排協(xié)議（DRAND）　　3.2.1  TDMA時隙分配問題定義　　3.2.2  DRAND算法詳述　　3.2.3  DRAND正確性　　3.2.4  DRAND復雜性分析　　3.2.5  DRAND的性能　3.3  功率高效與時延意識媒介訪問協(xié)議（PEDAMACS）　　3.3.1  PEDAMACS協(xié)議概述　　3.3.2  PEDAMACS分組格式　　3.3.3  本地拓撲建立階段　　3.3.4  AP拓撲信息收集階段　　3.3.5  傳輸時間安排階段　　3.3.6  拓撲調(diào)整階段　　3.3.7  傳輸時間安排算法　參考文獻第4章  無線傳感器網(wǎng)絡混合類MAC協(xié)議　4.1  斑馬MAC協(xié)議（Z-MAC）　　4.1.1  時間同步協(xié)議（TPSN）　　4.1.2  Z-MAC協(xié)議概述　　4.1.3  相鄰節(jié)點尋找與時隙分配　　4.1.4  本地成幀　　4.1.5  Z-MAC協(xié)議的傳輸控制　　4.1.6  發(fā)送規(guī)則　　4.1.7  直接競爭通知　　4.1.8  Z-MAC傳輸時間安排的接收　　4.1.9  本地時間同步　　4.1.10  Z-MAC協(xié)議的性能　　4.1.11  Z-MAC協(xié)議隨機分析　4.2  漏斗-MAC協(xié)議　　4.2.1  漏斗問題　　4.2.2  按需發(fā)送信標　　4.2.3  面向中心節(jié)點的傳輸時間安排　　4.2.4  定時與成幀　　4.2.5  Meta-傳輸時間安排的廣播　　4.2.6  動態(tài)深度調(diào)整　　4.2.7  漏斗-MAC協(xié)議的測試床實驗評估　參考文獻第5章  無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)中心路由協(xié)議第6章  無線傳感器網(wǎng)絡分層路由協(xié)議第7章  無線傳感器網(wǎng)絡地理位置路由協(xié)議第8章  無線傳感器網(wǎng)絡端到端可靠傳輸協(xié)議第9章  無線傳感器網(wǎng)絡逐跳可靠傳輸協(xié)議第10章  無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)融合技術第11章  無線傳感器網(wǎng)絡安全第12章  無線傳感器網(wǎng)絡中間件技術第13章  無線傳感器網(wǎng)絡應用及編程

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 無線傳感器網(wǎng)絡概述許多領域需要監(jiān)視和測量各種物理現(xiàn)象比如溫度、液位、振動、損傷（張力）、濕度、酸度、泵、生產(chǎn)線的發(fā)電機、航空、建筑物維護等，包括建筑工程、農(nóng)林業(yè)、衛(wèi)生、后勤、交通運輸、軍事應用等。有線傳感器網(wǎng)絡一直長期用于支持這種環(huán)境，直到最近也只是在有線基礎設施不可行的時候（比如偏僻區(qū)域、敵對環(huán)境）才使用無線傳感器。有線傳感器網(wǎng)絡安裝、停機、測試、維護、故障定位、升級的成本高，從而使得無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）很有吸引力。最新技術發(fā)展已經(jīng)使得人們能夠生產(chǎn)智能、自治、能量高效并且可以大量使用的傳感器，在地理區(qū)域中構(gòu)成自組織和自愈WSN。無線傳感器技術成本大幅度下降，因而具有廣泛的應用。隨著WSN技術和其他相關技術的不斷發(fā)展進步，WSN將不斷成熟，極有可能長期而顯著地改變?nèi)祟惖娜粘Ｉ?。WSN技術是一門跨學科的新技術。下面首先介紹傳感器網(wǎng)絡的研究歷史，然后介紹WSN的基本概念，比較WSN與MANE丁的異同，分析WSN網(wǎng)絡設計的影響因素，簡述WSN涉及的主要技術，最后詳細描述WSN中的一個重要概念——覆蓋范圍。

編輯推薦

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