无线传感网与TinyOS

前言

物联网是继计算机、因特网之后信息技术的第三次革命浪潮，是一个新兴产业，而物联网工程专业则是*为该产业发展特别设立的新专业。无线传感网作为物联网工程专业的一门核心课程，在培养学生专业技能和课程体系建设中起着重要作用，我们总结出近年来课程建设和教学过程中的体会、经验，以开发 平台的视角完成教材内容的编写工作。本书的目的是系统介绍无线传感网的基本概念、发展历程、基本原理和核心技术，以及学术界和工业界流行的TinyOS开发平台，给学生较为整体的课程知识，以实践为导向激发其专业学习兴趣。

“形而上者谓之道，形而下者谓之器”。本书在阐述无线传感网理论知识的同时，融入实践的视角组织文字，力求深入浅出。另一方面，在具体介绍无线传感网实践开发时，又力争抽象出工作原理，以原理指导应用开发。因此，本教材“道器”有效融合，既有工作原理的深入分析，也有应用开发的设计实践，点面结合；通过核心技术 开发实践将相关章节有效联系起来，系统性较强。在上述写作方针的指导下，全书共分10章，其章节内容组织如图1所示。

第1章为概述，介绍无线传感网的发展概况、场景应用和发展趋势，并简要阐述无线传感网节点硬件、微操作系统平台、节点开发语言。

第2章为无线传感网的组织结构，介绍无线传感网整体结构、协议栈、核心技术、物理层基本概念，并通过具体应用实例，描述无线传感网应用的程序框架，抛出学习问题。

第3章为无线传感网MAC协议，主要包括无线广播信道、基于竞争的介质访问控制协议和混合介质访问协议，详细阐述IEEE 802.15.4标准，简要介绍其他类型的无线传感网MAC协议。

第4章为无线传感网路由协议，主要包括无线传感网路由协议的特点、路由协议设计的核心问题，详细阐述无线传感网分层路由协议、平面路由协议的设计，重点分析工业标准ZigBee网络路由协议。

第5章为无线传感网同步技术，包括无线传感网时间同步的必要性、同步技术分类、时间同步模型，详细阐述无线传感网经典的时间同步机制。

第6章为无线传感网数据感知与融合技术，主要包括典型传感器网络节点硬件、数据采集板和网关节点，模拟量采集

图1本书章节内容框架结构

转换的工作原理和组织结构，并以一个实例介绍无线传感网数据感知、采集的系统组成和程序实现。

第7章为无线传感网其他核心技术，包括节点的能量管理机制、拓扑控制技术、节点定位技术、网络安全控制。

第8章为微操作系统TinyOS，主要包括TinyOS的体系结构、内核调度机制，重点探讨任务、事件和任务调度模型；深入分析TinyOS及其应用程序的启动过程、TinyOS的网络协议栈结构和实现、TinyOS的资源管理。

第9章为NesC程序设计语言，包括NesC语言的特点、组成，重点讨论接口、组件、配置和模块等概念；深入分析NesC程序的运行模型、NesC语言的程序设计。

第10章为无线传感网应用开发，以两个实例详细介绍无线传感网的应用开发，包括基于节点RSSI的位置识别、基于树状路由的无线传感网多跳数据传输。

课时安排上，考虑到各个学校有各自的侧重点，不同物联网专业办学依托的学科不一样，因此办学特色也不尽相同，这些特色将决定该门课程内容讲授范围不尽相同，建议大致课时为45～75。对于同一本教材，由于教学定位不同、教学对象不同，教学内容也会有所不同，针对不同院校，为便于使用，我们建议的教学内容如表1所示，这些内容可根据实际情况做一定调整。

表1教学内容建议

教学对象

章节内容

普通高校物联网工

程

本科专业

普通高校其他信息

技术类本科专业

职业技术类

第1章概述

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第2章无线传感网的组织结构

2.1～2.2

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2.3

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2.4～2.5

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第3章无线传感网MAC协议

3.1～3.2

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3.3

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3.4

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3.5

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▲

第4章无线传感网路由协议

4.1～4.2

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▲

▲

4.3～4.4

▲○

○

4.5

▲

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4.6

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▲

第5章无线传感网同步技术

5.1

▲

▲

▲

5.2

▲

5.3

▲○

▲○

▲○

5.4

▲

第6章无线传感网数据感知与融合技术

6.1

▲○

▲○

▲

6.2

▲

▲

▲

6.3

▲

○

6.4

▲

▲

▲

第7章无线传感网其他核心技术

7.1～7.2

○

7.3

▲

7.4

○

○

○

第8章微操作系统TinyOS

8.1～8.4

▲

▲

▲

8.5

○

第9章NesC程序设计语言

▲

▲

▲

第10章无线传感网应用开发

10.1

10.2

▲○

▲○

▲

○

注：▲表示必讲，○表示内部可选。

本书由无线传感网课程组的老师合作编写。熊书明负责制订了全书的大纲、内容安排和写作风格，负责编写了第2~4章和第8章；第1章由熊书明、辛燕与赵俊杰合写完成；辛燕负责完成第5章和第6章的编写工作；赵俊杰负责完成第7章和第9章的编写工作；包松负责完成第10章的编写工作。熊书明负责完成了全书的统稿、组织和审校工作；研究生郝伟强完成了本书大量插图的绘制工作，胡永娣、王谦、苏远、王文骏参与了书稿的材料收集工作，感谢他们为本书付出的辛勤劳动。在此衷心感谢王良民教授，本教材的撰写来自他对我们国家专业综合改革试点的物联网专业建设安排，初是他把我带进了传感网研究与物联网教学，这本教材的章节安排以及内容设计多数来自和他商谈讨论中获得的启发，也是他的鼓励和鞭策让我终负责完成了这本教材的编写。作者所在课题组从2007年开始研究无线传感网及物联网，先后承担了与此有关的国家自然科学基金、国家统计局重点项目等多项课题，在无线传感网、物联网研究与应用方面积累了较深厚的理论和技术基础，编写过程得到江苏大学重点教材建设项目的支持，在此表示感谢！本教材的相关实验例程来自兼容TinyOS 2.x的韩伯开发套件，并根据需要做了适当调整，同时，教材编写的一些灵感来自无锡泛太公司实验设备使用过程中的经验积累，也参考了众多优秀教材的编写，在此一并衷心感谢。

由于作者水平有限，书中难免存在错误和不妥之处，敬请广大读者批评指正，在汲取大家建议和意见的基础上，我们会不断修正、完善本书内容，联系电子邮箱地址： 37939881@qq.com。专业建设任重道远，希望本书的出版能为物联网工程专业等的发展尽一份绵薄之力。

熊书明

2017年10月

于玉带河畔

目录

第1章概述

1.1无线传感网发展概况

1.1.1无线传感网简介

1.1.2无线传感网发展的几个阶段

1.1.3无线传感网的主要特点

1.2无线传感网的应用

1.3无线传感网开发平台简介

1.3.1节点硬件

1.3.2无线传感网微操作系统

1.3.3应用开发语言

1.4无线传感网发展趋势

习题

第2章无线传感网的组织结构

2.1无线传感网组织

2.1.1无线传感网总体结构

2.1.2节点通信模块

2.1.3控制器模块

2.1.4节点其他模块

2.2二维协议栈结构

2.3无线传感网的物理层

2.4无线传感网核心技术

2.5简单无线传感网节点应用实例

2.5.1应用的整体框架

2.5.2应用程序的功能实现

2.5.3值得思考的问题

习题

第3章无线传感网MAC协议

3.1无线广播信道

3.2无线传感网MAC协议概述

3.3竞争的介质访问协议SMAC

3.3.1协议特点

3.3.2节点的侦听与睡眠

3.3.3介质访问的冲突避免

3.3.4协议的通信结构设计

3.3.5协议的实现

3.3.6时延分析与性能测试

3.4混合介质访问IEEE 802.15.4标准

3.4.1802.15.4概述

3.4.2物理层

3.4.3MAC层帧结构

3.4.4MAC子层

3.5其他无线传感网MAC协议

习题

第4章无线传感网路由协议

4.1无线传感网路由概述

4.2路由设计的核心问题

4.3无线传感网层次结构路由协议

4.3.1LEACH协议

4.3.2链路估计父节点选择协议

4.3.3汇聚树协议CTP

4.4无线传感网平面结构路由协议

4.4.1洪泛路由协议Flooding

4.4.2定向扩散路由协议DD

4.4.3AODV路由协议

4.5ZigBee路由协议

4.5.1ZigBee概述

4.5.2ZigBee协议栈

4.5.3ZigBee拓扑结构

4.5.4网络层帧结构

4.5.5ZigBee协议的路由机制

4.6其他无线传感网路由协议

习题

第5章无线传感网同步技术

5.1同步技术简介

5.1.1WSN时间同步的必要性

5.1.2WSN时间同步分类

5.2时间同步模型

5.2.1时钟模型

5.2.2通信模型

5.2.3时间同步的误差源

5.3无线传感网时间同步机制

5.3.1时间同步的性能指标和技术挑战

5.3.2RBS时间同步协议

5.3.3TPSN时间同步协议

5.3.4LTS时间同步协议

5.4时间同步协议的分析比较

习题

第6章无线传感网数据感知与融合技术

6.1无线传感网节点

6.1.1Mcia系列感知节点

6.1.2其他感知节点

6.1.3传感器与传感器板

6.1.4网关节点

6.2节点数据感知与采集

6.2.1节点数据采集模块的构成

6.2.2A/D与D/A转换

6.2.3A/D转换芯片ADC0809

6.3无线传感网数据融合技术

6.3.1数据融合的定义和必要性

6.3.2无线传感网数据融合的分类

6.3.3簇内数据融合技术

6.3.4网络层数据融合技术

6.4无线传感网数据采集实例

6.4.1数据采集系统组成

6.4.2数据采集系统的功能实现

习题

第7章无线传感网其他核心技术

7.1能量管理

7.1.1节点级低功耗技术

7.1.2网络级能量管理

7.1.3应用级能量管理

7.2拓扑控制

7.2.1分层拓扑控制

7.2.2功率调节拓扑控制

7.3定位技术

7.3.1GPS定位系统

7.3.2基于距离的定位技术

7.3.3距离无关的定位技术

7.4网络安全

7.4.1无线传感网的安全威胁

7.4.2两类密码体制

7.4.3无线传感网路由安全

习题

第8章微操作系统TinyOS

8.1TinyOS概述

8.1.1TinyOS简介

8.1.2TinyOS体系结构

8.1.3TinyOS的安装

8.2内核调度机制

8.2.1任务