无线传感器网络技术概论

第1章 无线传感器网络基本概况 1
1.1 无线传感器网络概述 1
1.1.1 无线传感器网络的产生与发展 1
1.1.2 无线传感器网络的含义与作用 2
1.2 物联网与WSN的关系 3
1.2.1 物联网的产生与发展 3
1.2.2 物联网的含义 4
1.2.3 物联网体系结构 5
1.2.4 WSN与物联网的关系 6
1.3 WSN与互联网的关系 7
1.3.1 互联网内涵的理解 7
1.3.2 互联网的特点 8
1.3.3 WSN与互联网的关系 8
1.4 WSN的技术特点 12
1.4.1 WSN与现有无线网络的区别 12
1.4.2 WSN与现场总线网络的区别 13
1.4.3 WSN的特点 13
1.5 WSN的相关技术基础 15
1.5.1 传感器技术 15
1.5.2 无线电技术 16
1.5.3 短距离无线通信技术 19
思考题 26
第2章 无线传感器网络体系结构 27
2.1 系统结构 27
2.1.1 基本结构 27
2.1.2 多网络融合系统结构 28
2.1.3 无线传感器网络拓扑结构 29
2.2 节点结构 31
2.2.1 传感器节点的特点与类型 31
2.2.2 节点结构与作用 32
2.2.3 节点约束条件 32
2.3 传感器网络工作模式 33
2.3.1 网络的组成和特点 33
2.3.2 通信机制 34
2.4 网络整体结构 36
2.4.1 OSI分层模型 37
2.4.2 网络体系结构 37
2.5 无线传感器网络服务质量及其
?体系结构 40
2.5.1 服务质量体系 40
2.5.2 通信协议QoS 42
2.5.3 管理系统QoS 43
2.5.4 功能模块QoS 46
2.6 无线传感器网络体系结构的设计原则与
?优化设计方法 46
2.6.1 设计原则 46
2.6.2 优化设计方法 48
2.6.3 跨层设计总体架构 49
2.6.4 跨层设计的步骤 50
2.6.5 设计模型与问题求解方法 51
2.6.6 网络效能*大化模型 53
思考题 54
第3章 无线传感器网络传感技术 55
3.1 传感技术概述 55
3.1.1 传感技术的地位和作用 55
3.1.2 传感技术的现状及发展趋势 58
3.1.3 传感技术与无线传感器网络系统 61
3.2 传感器的含义与分类 62
3.2.1 传感器的含义 62
3.2.2 传感器的分类和性能要求 63
3.3 典型传感器 64
3.3.1 力敏传感器 64
3.3.2 磁敏传感器 65
3.3.3 光敏传感器 68
3.3.4 温度传感器 70
3.3.5 气敏传感器 74
3.3.6 湿敏传感器 76
3.3.7 其他传感器 78
3.4 射频识别传感技术 83
3.4.1 射频识别技术概述 83
3.4.2 射频识别系统基本构成 84
3.4.3 射频识别系统分类及典型应用 89
3.4.4 射频识别的基本原理及关键技术 92
3.5 模式识别传感技术 95
3.5.1 模式和模式识别 95
3.5.2 模式识别的发展和应用 95
3.5.3 模式识别的研究内容、分类及
研究方法 97
3.6 图像识别传感技术 99
3.6.1 图像的定义及分类 99
3.6.2 数字图像处理与应用 101
3.6.3 图像识别过程 103
3.6.4 二值图像压缩编码技术 104
3.7 纳米技术与小型化技术 107
3.7.1 纳米技术 107
3.7.2 微机电系统及装置 109
3.7.3 封装、组装与连接技术 111
思考题 112
第4章 无线传感器网络感知节点
技术 113
4.1 感知节点技术的基本概况 113
4.1.1 感知节点技术的发展情况 113
4.1.2 感知节点设计的基本原则 115
4.2 感知节点硬件技术 117
4.2.1 电源技术 117
4.2.2 传感器模块 123
4.2.3 微处理器模块 124
4.2.4 存储模块 130
4.2.5 通信模块 135
4.3 感知节点软件技术 138
4.3.1 软件的基本概况 138
4.3.2 汇编语言 141
4.3.3 C语言 143
4.3.4 C 语言 145
4.3.5 Java语言 147
4.3.6 VHDL语言 152
4.4 常用微处理器 154
4.4.1 单片微处理器 154
4.4.2 ARM处理器 161
4.4.3 DSP处理器 164
4.4.4 FPGA处理器 169
4.5 操作系统 175
4.5.1 操作系统基本概述 175
4.5.2 WSN操作系统(WSNOS) 179
思考题 185
第5章 无线传感器网络通信技术 186
5.1 信息通信构建基础 186
5.1.1 构建框架 186
5.1.2 物理层 187
5.1.3 数据链路层 187
5.1.4 网络层 187
5.1.5 传输层 190
5.1.6 应用层 190
5.2 IEEE 802标准 190
5.2.1 标准概述 190
5.2.2 MAC协议 191
5.3 通信模块硬件架构 212
5.3.1 蓝牙模块 212
5.3.2 ZigBee模块 220
5.3.3 无线射频模块 224
5.3.4 WiFi通信模块 226
5.3.5 红外通信模块 228
5.3.6 GPRS模块 229
5.3.7 全球定位系统模块 231
5.4 无线通信协议 235
5.4.1 ZigBee协议 235
5.4.2 蓝牙协议 238
5.4.3 WiFi协议 240
5.4.4 其他协议 244
思考题 245
第6章 无线传感器网络控制技术 246
6.1 无线传感器网络控制系统的构成 246
6.1.1 控制系统结构 246
6.1.2 控制关键技术 251
6.1.3 控制模式 252
6.1.4 控制系统设计原则 255
6.2 无线传感器网络的控制终端 255
6.2.1 可编程逻辑控制器 255
6.2.2 数字控制器 261
6.2.3 嵌入式控制器 264
6.3 网络远程控制技术 266
6.3.1 移动通信远程控制 266
6.3.2 网络遥控操作 268
6.3.3 Web动态服务及控制 269
6.4 无线传感器网络的控制策略 271
6.4.1 智能控制策略 271
6.4.2 自适应控制系统策略 273
6.4.3 能耗控制策略 275
6.5 数据融合与优化决策 276
6.5.1 数据融合结构 276
6.5.2 优化决策 278
6.6 现场控制网络通信 281
6.6.1 现场总线简介 281
6.6.2 基金会现场总线 281
6.6.3 局部操作网络总线 282
6.6.4 过程现场总线 283
6.6.5 CAN总线网络 285
思考题 286
第7章 无线传感器网络管理技术 287
7.1 无线传感器网络管理概述 287
7.1.1 无线传感器网络管理面临的问题 287
7.1.2 无线传感器网络管理系统设计
要求 288
7.1.3 无线传感器网络管理系统的分类 288
7.2 网络拓扑结构管理系统 290
7.2.1 网络拓扑结构管理系统概述 290
7.2.2 分簇层次型拓扑结构 291
7.2.3 功率控制的拓扑结构 295
7.2.4 启发式节点唤醒和睡眠机制 296
7.3 能量管理 298
7.3.1 能量管理概述 298
7.3.2 硬件能耗设计 299
7.3.3 状态调制机制 302
7.3.4 通信能耗 303
7.3.5 拓扑结构能耗分析 304
7.3.6 路由协议能耗分析 305
思考题 306
第8章 无线传感器网络安全技术 307
8.1 网络安全技术概述 307
8.1.1 网络安全问题 307
8.1.2 安全防护技术的分类 310
8.1.3 WSN的网络安全设计策略 312
8.1.4 网络安全框架协议分析 317
8.2 无线传感器网络的安全机制 320
8.2.1 节点的安全机制 320
8.2.2 信息通信的安全机制 322
8.2.3 信息应用的安全机制 323
8.3 信息隐私权与保护 325
8.3.1 隐私保护 325
8.3.2 隐私保护面临的威胁 327
8.3.3 隐私权的保护策略 328
8.4 数据计算安全性 330
8.4.1 数据计算的关键技术 330
8.4.2 数据计算安全问题 333
8.5 业务认证与加密技术 335
8.5.1 业务认证机制 335
8.5.2 加密机制 337
8.6 物理设备安全问题 343
8.6.1 物理安全概况 343
8.6.2 物理设备的安全问题 344
8.6.3 其他物理安全问题 346
8.7 移动互联网安全漏洞与防范技术 349
8.7.1 移动互联网的基本概况 349
8.7.2 移动互联网面临的安全威胁 350
8.7.3 移动系统的安全措施 351
思考题 354
第9章 无线传感器网络其他关键
?技术 355
9.1 时间同步机制 355
9.1.1 时间同步面临的问题 355
9.1.2 时钟模型 356
9.1.3 接收者和接收者交互时间同步
机制 357
9.1.4 发送者和接收者的双向时间同步
机制 358
9.1.5 发送者和接收者的单向时间同步
机制 359
9.1.6 时间同步机制的误差来源及性能
指标 361
9.1.7 时间同步机制的主要应用 362
9.2 无线传感器网络定位技术 363
9.2.1 无线传感器网络节点定位的基本
原理 363
9.2.2 无线传感器网络节点定位算法 365
9.2.3 定位算法的应用案例 369
9.3 数据融合技术 370
9.3.1 数据融合概述 370
9.3.2 主要数据融合方法分析 374
9.4 无线传感器网络目标跟踪技术 379
9.4.1 目标跟踪概述 379
9.4.2 无线传感器网络协作跟踪方法 381
9.4.3 典型目标跟踪算法比较分析 384
9.4.4 无线传感器网络主要跟踪技术 386
思考题 389
第10章 无线传感器网络的应用 390
10.1 无线传感器网络应用基本概况 390
10.2 军事领域的应用 391
10.2.1 智能尘埃网络系统 392
10.2.2 灵巧传感器网络 393
10.2.3 WSN在协同作战中的应用 393
10.2.4 WSN在军事目标定位和跟踪中的
应用 396
10.3 气象生态环保领域的应用 397
10.3.1 气象环境监测 397
10.3.2 生态环境监测 399
10.3.3 海洋与空间生态监测 401
10.4 工业领域的应用 403
10.4.1 智能制造传感器网络 403
10.4.2 矿业领域传感器网络 405
10.4.3 数字化油田传感器网络 406
10.5 智能电网领域的应用 408
10.5.1 智能抄表传感器网络 408
10.5.2 智能变电站传感器网络 409
10.6 农林领域的应用 412
10.6.1 智慧农业传感器网络 412
10.6.2 智慧林业传感器网络 413
10.7 智能交通领域的应用 415
10.8 智能家居领域的应用 416
10.9 其他领域的应用 417
思考题 418