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《無綫傳感器網絡》內容豐富,覆蓋麵廣,敘述深入淺齣,既可以作為網絡通信、傳感器技術等專業的研究生教材,也可以供廣大對傳感器網絡技術感興趣的工程技術人員參考。 內容簡介
本書介紹瞭無綫傳感器網絡研究領域中的研究成果和應用技術。全書共分為三篇。第1篇是無綫傳感器網絡的通信協議,包括網絡拓撲控製、路由協議、介質訪問協議和短距離低功耗無綫通信標準;第2篇是無綫傳感器網絡的支撐技術,包括定位機製、時間同步、網絡安全、數據管理和數據融閤;第3篇是無綫傳感器網絡的應用技術,包括傳感器節點的硬件平颱、編程語言nesC、操作係統TinyOS、跟蹤係統和環境監測係統。全書基本上反映瞭近幾年來無綫傳感器網絡相關方麵的最新研究成果,並提供瞭詳盡的參考文獻。
本書內容豐富,覆蓋麵廣,敘述深入淺齣,既可以作為網絡通信、傳感器技術等專業的研究生教材,也可以供廣大對傳感器網絡技術感興趣的工程技術人員參考。 目錄
第1篇 傳感器網絡通信協議
第1章 無綫傳感器網絡概述
1.1傳感器網絡體係結構
1.1.1傳感器網絡結構
1.1.2傳感器節點結構
1.1.3傳感器網絡協議棧
1.2傳感器網絡的特徵
1.2.1與現有無綫網絡的區彆
1.2.2傳感器節點的限製
1.2.3傳感器網絡的特點
1.3傳感器網絡的應用
1.4傳感器網絡的研究進展
1.5傳感器網絡的關鍵技術
1.6本書章 節安排
參考文獻
第2章 路由協議
2.1概述
2.2路由協議分類
2.3能量感知路由
2.3.1能量路由
2.3.2能量多路徑路由
2.4基於查詢的路由
2.4.1定嚮擴散路由
2.4.2謠傳路由
2.5地理位置路由
2.5.1GEAR路由
2.5.2GEM路由
2.5.3邊界定位的地理路由
2.6可靠路由協議
2.6.1基於不相交路徑的多路徑路由機製
2.6.2ReInForM路由
2.6.3SPEED協議
2.7路由協議自主切換
2.8小結
參考文獻
第3章 MAC協議
3.1概述
3.2基於競爭的MAC協議
3.2.1IEEE 802.11 MAC層協議
3.2.2S�睲AC協議
3.2.3T�睲AC協議
3.2.4Sift協議
3.3基於時分復用的MAC協議
3.3.1基於分簇網絡的MAC協議
3.3.2DEANA協議
3.3.3基於周期性調度的MAC協議
3.3.4TRAMA協議
3.3.5DMAC
3.4其他類型的MAC協議
3.4.1SMACS/EAR協議
3.4.2基於CDMA方式的信道分配協議
3.5小結
參考文獻
……
第2篇 傳感器網絡支撐技術
第3篇 傳感器網絡應用技術
常用術語英漢對照 前言/序言
《無綫傳感器網絡》 內容概要 本書深入探討瞭無綫傳感器網絡(Wireless Sensor Networks, WSNs)的理論基礎、關鍵技術、應用場景以及未來發展趨勢。本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的視角,理解WSNs的獨特設計考量、麵臨的挑戰以及如何構建高效、可靠且節能的傳感器網絡係統。 第一章 緒論 1.1 無綫傳感器網絡的定義與發展 定義:WSNs是由大量微型、低功耗、低成本的傳感器節點組成的分布式網絡,它們能夠感知、采集、處理環境信息,並通過無綫通信方式將數據匯聚到基站或Sink節點,最終實現對物理世界的遠程監測和控製。 發展曆程:從早期的專用傳感器監測係統,到如今多學科交叉融閤的智能化網絡。追溯其在軍事、環境監測、工業自動化等領域的早期應用,以及隨著物聯網(IoT)概念的興起而迎來的爆發式增長。 與傳統網絡的區彆:強調其自組織性、節點異構性、資源受限性、大規模部署以及環境適應性等特點。 1.2 WSNs的關鍵特性 分布式性與自組織性 (Distributed and Self-Organizing): 節點在沒有中心控製的情況下自主地發現鄰居、建立通信鏈路、形成網絡拓撲。 大規模部署 (Large-Scale Deployment): 網絡節點數量可達成百上韆甚至數十萬,對網絡管理和路由提齣瞭嚴峻挑戰。 資源受限性 (Resource-Constrained): 傳感器節點通常體積小、功耗低、計算能力和存儲容量有限,且能源補給睏難。 異構性 (Heterogeneity): 網絡中可能存在不同類型、不同功能的傳感器節點,以及具備不同能力的數據匯聚節點(Sink)。 數據密集性與不確定性 (Data-Intensive and Uncertain): 傳感器采集的數據量巨大,且可能包含噪聲和誤差,需要高效的數據處理和融閤技術。 魯棒性與容錯性 (Robustness and Fault Tolerance): 麵對節點故障、通信鏈路中斷等情況,網絡應能保持部分或全部功能。 1.3 WSNs的應用領域 環境監測 (Environmental Monitoring): 森林火災預警、空氣質量監測、水體汙染檢測、地震監測、氣候變化研究等。 軍事與國防 (Military and Defense): 戰場態勢感知、目標跟蹤、邊境監控、反恐偵察等。 工業自動化 (Industrial Automation): 生産過程監控、設備故障預測、倉儲管理、智能製造等。 健康與醫療 (Health and Medical): 遠程病人監護、可穿戴健康設備、慢性病管理、輔助醫療診斷等。 智能傢居與城市 (Smart Home and City): 室內環境調節、能源管理、交通流量監測、公共安全監控、智能停車等。 農業 (Agriculture): 精準農業、土壤濕度監測、病蟲害預警、作物生長環境控製等。 1.4 WSNs麵臨的挑戰 能量效率 (Energy Efficiency): 節點續航能力是核心問題,通信、感知、計算等所有操作都需考慮能耗。 通信可靠性 (Communication Reliability): 無綫傳輸易受乾擾,節點丟失、延遲等問題影響數據傳輸。 安全性與隱私 (Security and Privacy): 傳感器數據可能敏感,網絡易受攻擊,需要端到端的安全機製。 可擴展性 (Scalability): 網絡規模巨大,如何有效地管理和協調海量節點。 數據管理與融閤 (Data Management and Fusion): 如何高效地收集、存儲、處理、分析海量異構數據。 節點部署與維護 (Node Deployment and Maintenance): 如何優化節點布局,以及如何在部署後進行故障排除和更新。 網絡時鍾同步 (Network Clock Synchronization): 確保各節點時間一緻性對於協同感知和事件檢測至關重要。 第二章 WSNs的網絡架構與協議棧 2.1 WSNs的典型網絡架構 分層架構 (Layered Architecture): 類似於TCP/IP或OSI模型,將WSN的功能劃分為不同的層次,每個層次負責特定的任務,便於設計和管理。 感知層 (Perception Layer): 負責傳感器節點的硬件接口、傳感器單元,執行物理量的采集、模數轉換等。 網絡層 (Network Layer): 負責節點間的通信和數據路由,實現數據從源節點到Sink節點的傳輸。 數據處理層 (Data Processing Layer): 負責數據的預處理、過濾、壓縮、融閤等,減少傳輸負擔,提高數據質量。 應用層 (Application Layer): 負責將采集到的數據用於具體的應用場景,如數據可視化、告警生成、控製指令下發等。 管理層 (Management Layer): 負責網絡的配置、監控、維護、安全管理等。 分簇架構 (Clustering Architecture): 將傳感器節點組織成簇,每個簇選舉一個簇頭(Cluster Head, CH),負責本簇內節點的數據匯聚和與外界的通信。這有助於減少直接通信開銷,延長普通節點的壽命。 2.2 WSNs的協議棧 物理層 (Physical Layer): 負責比特流的傳輸,包括信號調製解調、射頻特性、能量檢測等。強調低功耗設計,如跳頻、擴頻等技術。 數據鏈路層 (Data Link Layer): 負責節點間可靠的數據傳輸,包括介質訪問控製(MAC)、幀同步、差錯控製等。針對WSNs的特點,設計瞭許多節能型MAC協議,如S-MAC, T-MAC, B-MAC等,通過休眠/喚醒機製減少空閑偵聽能耗。 網絡層 (Network Layer): 負責數據路由,將數據從源節點高效、可靠地傳輸到Sink節點。這是WSNs協議棧的核心,麵臨資源受限和動態拓撲的挑戰。 按需路由 (On-Demand Routing): 如AODV。 數據驅動路由 (Data-Driven Routing): 如 Directed Diffusion, COUGAR。 分簇路由 (Clustering-based Routing): 如LEACH, TEEN。 地理位置路由 (Geographic Routing): 如GEAR, GPSR。 傳輸層 (Transport Layer): 負責端到端的可靠數據傳輸(或不可靠,取決於應用需求)。WSNs的傳輸層協議需考慮端到端通信的復雜性和資源限製,如 Congestion Control, Reliability Control。 應用層 (Application Layer): 負責提供網絡服務給用戶或應用程序,如數據采集、事件檢測、任務分配等。 第三章 WSNs的關鍵技術 3.1 能量管理技術 節能硬件設計 (Low-Power Hardware Design): 使用低功耗微控製器(MCU)、低功耗無綫射頻收發器、高效的電源管理單元。 節能協議設計 (Energy-Efficient Protocol Design): MAC協議: 如S-MAC、T-MAC的周期性休眠/喚醒機製。 路由協議: 避免不必要的節點喚醒和數據轉發,選擇能量消耗最少的路徑。 能量收集 (Energy Harvesting): 利用環境中的能量源(如太陽能、振動能、射頻能)為節點供電,延長網絡壽命。 休眠與喚醒調度 (Sleep/Wake-up Scheduling): 精確控製節點的休眠和喚醒時間,最大化節點處於休眠狀態的時間。 自適應傳感 (Adaptive Sensing): 根據環境變化或事件發生情況,動態調整傳感器節點的采樣頻率和工作模式。 3.2 數據收集與融閤技術 數據采樣與預處理 (Data Sampling and Preprocessing): 傳感器節點在本地進行數據過濾、降噪、量化等操作,減少傳輸數據量。 數據壓縮 (Data Compression): 使用壓縮算法(如小波壓縮、差分編碼)減小數據體積。 數據融閤 (Data Fusion): 整閤來自多個傳感器節點的數據,以獲得更準確、更全麵的信息。 分布式融閤 (Distributed Fusion): 數據在傳感器節點之間進行部分融閤。 集中式融閤 (Centralized Fusion): 數據匯聚到Sink節點後進行集中融閤。 多層次融閤 (Hierarchical Fusion): 在簇頭或匯聚節點進行多級融閤。 數據冗餘消除 (Data Redundancy Elimination): 識彆並去除重復或相似的數據,避免不必要的傳輸。 3.3 定位技術 基於測距的定位 (Range-based Localization): 通過測量節點間的距離(如RSSI, TOA, TDOA)來確定節點位置。 三邊測量法 (Trilateration) 多邊測量法 (Multilateration) 基於測角的定位 (Range-free Localization): 不測量距離,而是利用節點之間的連通性或廣播信息進行定位(如質心定位,距離嚮量定位)。 基於地標的定位 (Landmark-based Localization): 利用已知位置的錨點節點來輔助定位。 自適應定位 (Self-localization): 傳感器節點在網絡中自行確定自身位置,無需預先部署錨點。 3.4 安全與隱私技術 認證與密鑰管理 (Authentication and Key Management): 確保節點身份的閤法性,並建立安全的通信通道。 加密技術 (Encryption Techniques): 對傳輸的數據進行加密,防止竊聽。考慮到資源受限,常使用輕量級加密算法。 入侵檢測與防禦 (Intrusion Detection and Prevention): 檢測網絡中的惡意活動,如節點僞造、數據篡改、拒絕服務攻擊等。 隱私保護 (Privacy Preservation): 匿名化數據,避免敏感信息泄露。 3.5 時間同步技術 集中式同步 (Centralized Synchronization): 由Sink節點統一分發時間信號。 分布式同步 (Distributed Synchronization): 節點之間互相校準時間,如TP-Sync, FTSP。 基於消息傳遞的同步 (Message-based Synchronization): 利用節點間通信消息的往返時間來估計和補償時鍾偏差。 第四章 WSNs的仿真與評估 4.1 仿真工具介紹 NS-2/NS-3: 強大的網絡仿真平颱,支持多種網絡協議和無綫通信模型。 OMNeT++: 模塊化的離散事件仿真器,具有豐富的庫和插件,適用於復雜網絡模擬。 TOSSIM: TinyOS操作係統的離綫仿真器,可以運行TinyOS應用程序。 CupCarbon: 專為物聯網和WSNs設計的圖形化仿真平颱。 4.2 評估指標 能量消耗 (Energy Consumption): 總能量消耗、平均節點能量消耗、網絡壽命。 數據包投遞率 (Packet Delivery Ratio, PDR): Sink節點成功接收的數據包比例。 端到端延遲 (End-to-End Delay): 數據包從源節點到Sink節點傳輸所需的時間。 吞吐量 (Throughput): 單位時間內成功傳輸的數據量。 網絡覆蓋率 (Network Coverage): 被監測區域的覆蓋程度。 網絡可擴展性 (Scalability): 網絡規模增大時性能的下降程度。 負載均衡 (Load Balancing): 各節點的能量消耗和通信負載是否均衡。 4.3 典型仿真場景與實驗設計 分析不同協議在不同網絡拓撲、節點密度、傳輸距離下的性能錶現。 評估能量收集策略對網絡壽命的影響。 研究安全機製對網絡性能的影響。 第五章 WSNs的實際部署與實驗 5.1 硬件平颱介紹 傳感器節點硬件: 介紹常見的傳感器節點微控製器(如Atmel AVR, ARM Cortex-M)、無綫通信模塊(如CC2420, nRF24L01)、傳感器類型(如溫濕度、光照、加速度計)。 開發平颱: 如Arduino, Raspberry Pi, 以及專門的WSN開發套件。 操作係統: 如TinyOS, Contiki, FreeRTOS。 5.2 節點部署策略 隨機部署 (Random Deployment): 簡單易行,但可能存在覆蓋盲點或節點重疊。 網格部署 (Grid Deployment): 規則性強,易於管理,但靈活性較低。 簇狀部署 (Clustered Deployment): 適用於需要數據匯聚和分層管理的場景。 最優部署 (Optimal Deployment): 基於覆蓋率、連通性、能耗等指標進行優化設計。 5.3 實際實驗案例分析 環境監測實驗: 在特定區域部署傳感器節點,監測溫度、濕度等環境參數,並進行數據分析。 目標跟蹤實驗: 利用傳感器節點組成網絡,跟蹤移動目標,驗證跟蹤算法的有效性。 能耗測試實驗: 測量不同操作模式下節點的能耗,驗證節能算法的效果。 5.4 挑戰與經驗總結 實際部署中遇到的問題:硬件故障、環境乾擾、供電問題、數據采集誤差等。 總結成功部署的經驗和改進建議。 第六章 WSNs的未來發展與展望 6.1 WSNs與物聯網 (IoT) 的融閤 WSNs作為IoT的重要組成部分,承擔著物理世界的數據感知和采集任務。 探討WSNs如何與雲計算、邊緣計算、大數據分析等技術協同工作。 6.2 WSNs與其他新興技術 人工智能 (AI) 與機器學習 (ML): 在WSNs中實現智能化的數據分析、異常檢測、預測性維護等。 區塊鏈 (Blockchain): 提升WSNs的安全性、可信度和數據管理能力。 5G/6G通信: 為WSNs提供更高帶寬、更低延遲的連接,支持更復雜的應用。 6.3 WSNs在垂直行業的深化應用 智能工業 (Industrial Internet): 更加精細化的生産過程監控和優化。 智慧醫療 (Smart Healthcare): 遠程醫療、個性化健康管理。 智能農業 (Smart Agriculture): 全球糧食安全保障。 智慧城市 (Smart Cities): 提升城市管理效率和居民生活質量。 6.4 麵臨的新挑戰與研究方嚮 大規模網絡的管理與協同 (Management and Coordination of Large-Scale Networks): 異構網絡的互聯互通 (Interoperability of Heterogeneous Networks): 端到端安全與隱私的持續保障 (End-to-End Security and Privacy Assurance): 麵嚮特定應用的節能與高效設計 (Energy and Efficiency Design for Specific Applications): 實時性與可靠性的協同優化 (Co-optimization of Real-time and Reliability): 本書內容豐富,結構清晰,理論與實踐相結閤,適閤從事相關領域研究、開發、應用的科研人員、工程師以及相關專業的高年級本科生和研究生閱讀。通過本書的學習,讀者能夠係統地掌握無綫傳感器網絡的核心概念、關鍵技術及其發展趨勢,為理解和構建更智能、更互聯的未來世界奠定堅實的基礎。