無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)明教程

前言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用非常熱門的領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防軍事上具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。綜觀計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展史，應(yīng)用需求始終是推動(dòng)和左右全球網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)步的動(dòng)力與源泉。早在1999年，商業(yè)周刊就將傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最具影響的21項(xiàng)技術(shù)之一。2002年美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出“網(wǎng)絡(luò)就是傳感器”的論斷。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國(guó)際上被認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的第二大網(wǎng)絡(luò)，在2003年美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志評(píng)出對(duì)人類未來(lái)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一。在現(xiàn)代意義上的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究及其應(yīng)用方面，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)缀跬絾?dòng)，它已經(jīng)成為我國(guó)信息領(lǐng)域位居世界前列的少數(shù)方向之一。我國(guó)發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中，為信息技術(shù)確定了三個(gè)前沿方向，其中有兩項(xiàng)就與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)，這就是智能感知和自組網(wǎng)技術(shù)。目前傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展幾乎呈爆炸式的趨勢(shì)。本科教育是高等教育的主體和基礎(chǔ)，抓好本科教學(xué)是提高整個(gè)高等教育質(zhì)量的重點(diǎn)和關(guān)鍵。因此，給本科生介紹和學(xué)習(xí)傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本內(nèi)容和基礎(chǔ)技術(shù)具有非常重要的意義。根據(jù)中國(guó)人民解放軍炮兵學(xué)院的學(xué)科規(guī)劃，以及軍隊(duì)院校本科專業(yè)發(fā)展的內(nèi)容體系，我們較早地在本科學(xué)員中開設(shè)了“無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及軍事應(yīng)用”的課程。我們總結(jié)本課程的前兩期教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)工程開發(fā)所需要的知識(shí)點(diǎn)，確定了本書的題材與內(nèi)容。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是軍用網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的一門重要課程，本書主要介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和測(cè)試技術(shù)等內(nèi)容，結(jié)合傳感器探測(cè)功能介紹一些常用的傳感器類型，闡述傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)、調(diào)試與應(yīng)用，以及相關(guān)的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建立和調(diào)試的實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，另外提供傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面的實(shí)例。本教材依據(jù)網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)教學(xué)大綱而編寫，課時(shí)數(shù)約為50學(xué)時(shí)左右。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，主要使學(xué)生掌握傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與開發(fā)的基本技術(shù)，為今后從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化探測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)打下良好基礎(chǔ)。

內(nèi)容概要

本書根據(jù)網(wǎng)絡(luò)工程本科專業(yè)的發(fā)展方向和教學(xué)需要，結(jié)合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和傳感器技術(shù)的最新發(fā)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀編寫而成。本書主要介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念，常見的微型傳感器，傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)、支撐技術(shù)、應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)，傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。另外提供傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面的實(shí)例。    本書的特色在于內(nèi)容簡(jiǎn)單明了、淺顯易懂，側(cè)重基本概念和基礎(chǔ)技術(shù)，強(qiáng)調(diào)基本原理，力求概念準(zhǔn)確、圖文并茂。本書適宜作為普通高等院校本科生學(xué)習(xí)的教材，或者作為初學(xué)者的入門輔導(dǎo)書籍。    本書主要針對(duì)以下閱讀群體： ①開設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的本科生，涉及的專業(yè)包括計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等信息技術(shù)類專業(yè)、探測(cè)與控制類專業(yè)、精密儀器專業(yè)等； ②普通高校的碩士生、博士生作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的入門輔導(dǎo)書； ③工程技術(shù)開發(fā)人員作為參考書。

書籍目錄

第1章 概述  1.1 引言  1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)  1.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征  1.4 傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域  1.5 傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史  思考題第2章 微型傳感器的基本知識(shí)  2.1 傳感器概述  2.2 常見傳感器的類型介紹  2.3 傳感器的一般特性和選型  2.4 微型傳感器應(yīng)用示例  思考題第3章 傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù)  3.1 物理層  3.2 MAC協(xié)議  3.3 路由協(xié)議  思考題第4章 傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)  4.1 時(shí)間同步機(jī)制  4.2 定位技術(shù)  4.3 數(shù)據(jù)融合  4.4 能量管理    4.5 安全機(jī)制  思考題第5章 傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)  5.1 仿真平臺(tái)和工程測(cè)試床  5.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的硬件開發(fā)  5.3 操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)  思考題第6章 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)  6.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的意義  6.2 IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn)  6.3 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)  6.4 ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)  思考題第7章 傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的軍事應(yīng)用  7.1 戰(zhàn)場(chǎng)感知的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)  7.2 常見的地面戰(zhàn)場(chǎng)微型傳感器  7.3 美軍沙地直線傳感器網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目介紹  思考題第8章 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)  8.1 實(shí)驗(yàn)背景和設(shè)計(jì)  8.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟附錄A 英漢對(duì)照術(shù)語(yǔ)表附錄B 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的概率特性參考文獻(xiàn)與網(wǎng)址

章節(jié)摘錄

插圖：③網(wǎng)絡(luò)層。傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，通常大多數(shù)結(jié)點(diǎn)無(wú)法直接與網(wǎng)關(guān)通信，需要通過(guò)巾問(wèn)結(jié)點(diǎn)以多跳路由的方式將數(shù)據(jù)傳送至匯聚結(jié)點(diǎn)。④傳輸層。傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，主要通過(guò)匯聚結(jié)點(diǎn)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)，并使用衛(wèi)星、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、兇特網(wǎng)或者其他的鏈路與外部網(wǎng)絡(luò)通信，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分。（2）網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)主要是對(duì)傳感器結(jié)點(diǎn)自身的管理和用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，包括拓?fù)淇刂啤⒎?wù)質(zhì)量管理、能量管理、安全管理、移動(dòng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理等。網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)主要包括如下內(nèi)容：①拓?fù)淇刂啤Ｒ恍﹤鞲衅鹘Y(jié)點(diǎn)為了節(jié)約能量會(huì)在某些時(shí)刻進(jìn)入休眠狀態(tài)，這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，因而需要通過(guò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)管理各結(jié)點(diǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，使網(wǎng)絡(luò)保持暢通，數(shù)據(jù)能夠有效傳輸。拓?fù)淇刂评面溌穼印⒙酚蓪油瓿赏負(fù)渖?，反過(guò)來(lái)又為它們提供基礎(chǔ)信息支持，優(yōu)化MAC協(xié)議和路由協(xié)議，降低能耗。②服務(wù)質(zhì)量管理。服務(wù)質(zhì)量管理在各協(xié)議層設(shè)計(jì)隊(duì)列管理、優(yōu)先級(jí)機(jī)制或者帶寬預(yù)留等機(jī)制，并對(duì)特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)給予特別處理。它是網(wǎng)絡(luò)與用戶之間以及網(wǎng)絡(luò)上互相通信的用戶之間關(guān)于信息傳輸與共享的質(zhì)量約定。為了滿足用戶的要求，傳感器網(wǎng)絡(luò)必須能夠?yàn)橛脩籼峁┳銐虻馁Y源，以用戶可接受的性能指標(biāo)工作。③能量管理。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中電源能量是各個(gè)結(jié)點(diǎn)最寶貴的資源。為了使傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間盡可能長(zhǎng)，需要合理、有效地控制結(jié)點(diǎn)對(duì)能量的使用。每個(gè)協(xié)議層次中都要增加能量控制代碼，并提供給操作系統(tǒng)進(jìn)行能量分配決策。④安全管理。由于結(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性和無(wú)線信道的不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的安全機(jī)制無(wú)法在傳感器網(wǎng)絡(luò)中適用，因而需要設(shè)計(jì)新型的傳感器網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，采用諸如擴(kuò)頻通信、接人認(rèn)證／鑒權(quán)、數(shù)字水印和數(shù)據(jù)加密等技術(shù)。⑤移動(dòng)管理。在某些傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境中，結(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)，移動(dòng)管理用來(lái)監(jiān)測(cè)和控制結(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，維護(hù)到匯聚結(jié)點(diǎn)的路由，還可以使傳感器結(jié)點(diǎn)跟蹤它的鄰居。⑥網(wǎng)絡(luò)管理。網(wǎng)絡(luò)管理是對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備和傳輸系統(tǒng)進(jìn)行有效監(jiān)視、控制、診斷和測(cè)試所采用的技術(shù)和方法。它要求協(xié)議各層嵌入各種信息接口，并定時(shí)收集協(xié)議運(yùn)行狀態(tài)和流量信息，協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)協(xié)議組件的運(yùn)行。

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