无线传感器网络（微课视频版）

现代信息技术的三大基础是传感器技术、通信技术和计算机技术，无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)正是这三大技术结合的产物。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等领域的先进技术，通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测，由嵌入式计算资源对信息进行处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。因此，无线传感器网络一经提出，便成为备受关注的、多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。

无线传感器网络作为全新的技术领域，具有监测精度高、容错性能好、覆盖区域大、可远程监控等众多优点，在军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的应用，具有十分广阔的应用前景，被列为“十种将改变世界的新兴技术”之首，成为“五个国防尖端领域”之一，是信息产业的“第三次革命浪潮——物联网”的基石。

随着无线传感器网络技术的不断发展，教学内容也随之发生改变。无线传感器网络成为物联网工程、电子信息工程、通信工程、计算机等专业的重点课程之一。因此，编者在从事无线传感器网络技术多年工程实践和教学活动的基础上编写本书，系统介绍了无线传感器网络的结构、原理、相关技术及最新成果，以适应当今社会发展的需要。

本书全面梳理了无线传感器网络分层结构的控制机制和关键技术，以帮助读者形成关于无线传感器网络系统全面的知识体系。全书共分10章，各章内容如下。

第1章主要介绍了无线传感器网络的发展、特点、性能指标、包含的关键技术，与无线数据网络、物联网的区别与联系，相关的标准协议，以及无线传感器网络的应用。

第2章主要介绍了无线传感器网络的体系结构，包括系统结构、节点结构、网络结构、协议栈结构等。

第3章介绍了物理层的技术，包括无线电波与无线信道，调制与解调，天线，超宽带、ZigBee、蓝牙等短距离无线通信技术。

第4章介绍了数据链路层的控制，包括介质访问控制层（MAC）协议、拓扑结构和控制技术、覆盖和连通的模型和算法。

第5章介绍了网络层协议，包括平面路由协议、分层路由协议以及其他路由协议。

第6章介绍了传输层机制，包括拥塞控制机制及以可靠性为中心的协议等。

第7章主要介绍了无线传感器网络的多种支撑技术，包括定位技术、时间同步技术、安全技术、数据融合技术和接入技术等。

第8章介绍了新兴的无线多媒体传感器网络，包括无线多媒体传感器网络的架构、关键技术、编解码技术、融合技术和跨层控制方法等。

第9章介绍了无线传感器网络的应用开发技术，包括CC2530硬件平台、ZigBee协议栈组网、TinyOS等操作系统的软件平台、NS等仿真平台。

第10章从设计角度分别介绍了智能交通和智能家居两个应用实例。

为了适合教学需要，每章都提供了完整的教学课件和微课视频，前9章后面均附有习题。通过本书的学习，可以系统掌握无线传感器网络的基本结构和原理、设计与开发的基本技术，为今后从事无线传感器网络系统和物联网的应用与开发打下良好的基础。

本书由北京建筑大学田启川，太原科技大学乔建华、张雄、李素月、武迎春、武晓嘉、赵贤凌，西华大学谢维成、陈克力共同编写。第1章由田启川编写，第2、10章由乔建华编写，第3章由李素月编写，第4章由谢维成编写，第5章由陈克力编写，第6章由武迎春编写，第7章由乔建华、张雄编写，第8章由武晓嘉编写，第9章由赵贤凌编写。全书由乔建华统稿。

感谢在编写过程中许多老师的帮助和指正，以及侯筠、吴言等多位研究生的工作。同时，本书参考了大量文献资料，并引用了部分成果，在此向这些文献资料的作者们表示诚挚的感谢。

由于编者水平有限，书中难免有疏漏和错误，恳请读者批评指正。

编者

2023年6月

《无线传感器网络（微课视频版）》共分为十章，前七章分别介绍了无线传感器网络的基本概念、体系结构、物理层、数据链路层、网络层、传输层以及定位、时间同步、安全、数据融合、接入技术等无线传感器网络的支撑技术，第八章介绍了无线多媒体传感器网络，第九章介绍了无线传感器网络的开发技术，包括硬件平台、软件平台和仿真平台，第十章介绍了智能交通和智能家居两种应用实例，《无线传感器网络（微课视频版）》配套有教学课件。 《无线传感器网络（微课视频版）》适合作为普通高等学校电子信息、通信、计算机、物联网等相关专业的本科生和硕士研究生的无线传感器网络课程教材，也可作为无线传感器网络及物联网技术的科研人员和工程技术人员的参考用书。

乔建华  副教授，太原科技大学电子信息教研室主任。长期从事无线传感器网络、嵌入式系统、多媒体信号处理等领域的教学和研发工作。参编《微机原理与接口技术》《微机原理与单片微机系统及应用——基于proteus仿真》等。
田启川  教授，北京建筑大学人工智能系主任，全国信息技术标准化技术委员会生物特征识别分技术委员会委员。长期从事人工智能、生物特征识别、嵌入式系统与物联网应用等方面的研究、开发、标准制（修）订及应用推广工作。
谢维成  教授，西华大学电气与电子信息学院硕士研究生导师，信号检测与智能信息处理专家，四川省学术和技术带头人后备人选，美国乔治•梅森大学计算机科学系访问学者。主要从事信号检测与控制、智能信息处理研究及应用开发。先后主持30余项省部级横向科研项目，获四川省政府二等奖、三等奖各1项。在国内外学术期刊及会议发表60余篇学术论文，含30余篇SCI、EI检索论文，获9项国家专利。

第1章无线传感器网络概述

1.1无线传感器网络的发展

1.1.1发展历程

1.1.2无线数据网络

1.1.3无线传感器网络

1.2无线传感器网络的特点和性能指标

1.3无线传感器网络的关键技术

1.3.1关键技术

1.3.2面临的挑战

1.4无线传感器网络与物联网

1.5无线传感器网络的标准化

1.5.1ISO/IEC JTC1 WG7标准框架

1.5.2IEEE 802.15系列相关标准

1.5.3IEEE 1451系列相关标准

1.6无线传感器网络的应用

习题1

第2章无线传感器网络的体系结构

2.1系统结构

2.2节点结构

2.2.1节点组成结构

2.2.2传感器模块

2.2.3微处理器模块

2.2.4无线通信模块

2.2.5电源模块

2.2.6典型节点实例

2.3网络结构

2.3.1扁平结构和分层结构

2.3.2单sink和多sink

2.4协议体系结构

2.4.1传统网络协议OSI参考模型

2.4.2WSN协议的分层结构

习题2

第3章物理层技术

3.1物理层概述

3.1.1物理层特性

3.1.2物理层设计要求

3.2无线电波与无线信道

3.2.1无线电波的传播特性

3.2.2无线信道的传播模型

3.3物理层主要技术

3.3.1信号调制与解调

3.3.2信道编码

3.3.3扩频通信

3.4天线

3.5短距离无线通信技术

3.5.1超宽带技术

3.5.2ZigBee技术

3.5.3蓝牙技术

3.5.4WiFi技术

3.5.5红外通信技术

3.5.6LORA技术

习题3

第4章数据链路层控制

4.1MAC协议

4.1.1MAC概述

4.1.2基于竞争的MAC协议

4.1.3基于分配的MAC协议

4.2拓扑控制

4.2.1网络拓扑结构

4.2.2拓扑控制设计目标

4.2.3功率控制技术

4.2.4睡眠调度

4.3覆盖和连通

4.3.1概述

4.3.2传感器节点感知模型 

4.3.3覆盖的分类

4.3.4覆盖算法

习题4

第5章网络层协议

5.1路由协议概述 

5.1.1网络层的服务实体

5.1.2路由协议的基本问题

5.1.3路由的过程

5.1.4传感器网络路由的评价标准

5.1.5路由协议分类

5.2平面路由协议

5.2.1Flooding协议和Gossiping协议

5.2.2SPIN路由协议

5.2.3DD路由协议

5.2.4Rumor路由协议

5.3分层路由协议

5.3.1LEACH路由协议

5.3.2HEED路由协议

5.3.3TEEN路由协议

5.3.4TTDD路由协议

5.3.5PEGASIS路由协议

5.4其他路由协议

5.4.1地理位置路由

5.4.2QoS路由协议

5.4.3多径路由协议

习题5

第6章传输层机制

6.1传输控制协议概述

6.1.1无线传感器网络的传输协议需求

6.1.2传输层协议的功能

6.1.3TCP

6.1.4传感器网络传输层协议评价指标

6.2拥塞控制机制

6.2.1拥塞产生的原因

6.2.2拥塞的分类

6.2.3拥塞控制

6.2.4以拥塞控制为中心的协议

6.3可靠传输机制

6.3.1可靠性的定义

6.3.2可靠性保障的基本思想

6.3.3以可靠性为中心的协议

习题6

第7章无线传感器网络的支撑技术

7.1无线传感器网络的定位技术

7.1.1定位技术概述

7.1.2基于距离的定位

7.1.3与距离无关的定位

7.2无线传感器网络的时间同步

7.2.1时间同步概述

7.2.2无线传输的时延

7.2.3时间同步机制的基本原理

7.2.4同步算法分类

7.2.5典型时间同步协议

7.3无线传感器网络的安全

7.3.1安全问题概述

7.3.2安全攻击和防护手段

7.3.3入侵检测技术

7.3.4密钥管理技术

7.3.5网络安全框架协议

7.4无线传感器网络数据融合

7.4.1数据融合概述

7.4.2数据融合分类

7.4.3常用的数据融合算法

7.4.4无线传感器网络数据融合方法

7.4.5网络层的数据融合

7.5接入技术

7.5.1多网融合体系结构

7.5.2面向WSN接入

7.5.3WSN接入Internet

7.5.4多网融合网关的硬件设计

习题7

第8章无线多媒体传感器网络

8.1无线多媒体传感器网络的架构

8.1.1基本概念

8.1.2通信协议架构

8.1.3单层结构

8.1.4多层结构

8.2无线多媒体传感器网络的关键技术

8.2.1多媒体信源编码

8.2.2超带宽技术

8.2.3服务质量要求

8.2.4节点系统

8.2.5覆盖范围

8.3多媒体信息编解码技术

8.3.1静态图像编码

8.3.2视频编码

8.3.3分布式信源编码

8.4无线多媒体传感器网络的数据融合

8.4.1直方图匹配

8.4.2双线性插值

8.4.3图像配准

8.4.4像素值图像融合

8.4.5图像/视频数据融合方法

8.5无线多媒体传感器网络的跨层控制

8.5.1采用跨层方法的原因 

8.5.2跨层设计方法及其优势

8.5.3跨层设计的应用

习题8

第9章无线传感器网络应用开发技术

9.1无线传感器网络应用设计原则

9.1.1体系结构设计原则

9.1.2节点设计原则

9.1.3跨层设计

9.2ZigBee硬件平台与协议栈组网

9.2.1CC2530芯片的配置

9.2.2CC2530的无线收发器

9.2.3CC2530的开发环境

9.2.4ZigBee协议栈原理

9.2.5ZigBee组网

9.3无线传感器网络软件平台

9.3.1无线传感器网络操作系统

9.3.2TinyOS操作系统

9.3.3Contiki操作系统

9.3.4常见操作系统的对比分析

9.4无线传感器网络的仿真平台

9.4.1TOSSIM

9.4.2OMNeT

9.4.3NS2

9.4.4其他工具

习题9

第10章无线传感器网络应用实例

10.1无线传感器网络应用系统开发过程

10.2基于无线传感器网络的智能交通 

10.2.1需求分析

10.2.2系统架构

10.2.3功能模块

10.2.4软件设计与测试

10.3基于无线传感器网络的智能家居

10.3.1相关技术

10.3.2需求分析

10.3.3系统架构

10.3.4功能模块 

10.3.5软件设计与测试

参考文献

《无线传感器网络（微课视频版）》共分为十章，前七章分别介绍了无线传感器网络的基本概念、体系结构、物理层、数据链路层、网络层、传输层以及定位、时间同步、安全、数据融合、接入技术等无线传感器网络的支撑技术，第八章介绍了无线多媒体传感器网络，第九章介绍了无线传感器网络的开发技术，包括硬件平台、软件平台和仿真平台，第十章介绍了智能交通和智能家居两种应用实例，《无线传感器网络（微课视频版）》配套有教学课件。 《无线传感器网络（微课视频版）》适合作为普通高等学校电子信息、通信、计算机、物联网等相关专业的本科生和硕士研究生的无线传感器网络课程教材，也可作为无线传感器网络及物联网技术的科研人员和工程技术人员的参考用书。

乔建华  副教授，太原科技大学电子信息教研室主任。长期从事无线传感器网络、嵌入式系统、多媒体信号处理等领域的教学和研发工作。参编《微机原理与接口技术》《微机原理与单片微机系统及应用——基于proteus仿真》等。
田启川  教授，北京建筑大学人工智能系主任，全国信息技术标准化技术委员会生物特征识别分技术委员会委员。长期从事人工智能、生物特征识别、嵌入式系统与物联网应用等方面的研究、开发、标准制（修）订及应用推广工作。
谢维成  教授，西华大学电气与电子信息学院硕士研究生导师，信号检测与智能信息处理专家，四川省学术和技术带头人后备人选，美国乔治•梅森大学计算机科学系访问学者。主要从事信号检测与控制、智能信息处理研究及应用开发。先后主持30余项省部级横向科研项目，获四川省政府二等奖、三等奖各1项。在国内外学术期刊及会议发表60余篇学术论文，含30余篇SCI、EI检索论文，获9项国家专利。