傳感網原理與技術

本書根據《高等院校物聯網工程專業規範》和物聯網工程本科專業的教學需要，結合傳感網的最新發展及其應用現狀編寫而成。本書的主要內容包括傳感網的概述，通信協議，數據管理技術，拓撲控制、能量管理、時間同步、節點定位等傳感網關鍵技術，應用開發技術和基於TinyOS的傳感網實驗。《傳感網原理與技術》側重傳感網的基本概念和關鍵技術，強調理論聯繫實際，力求概念準確、圖文並茂。本書主要作為普通高等院校物聯網工程專業本科生的教材。 ^[1] 

前言

教學建議

第1章　緒論?/1

1.1　傳感網的起源與發展?/1

1.2　傳感網的體系結構?/3

1.2.1　傳感器節點體系結構?/3

1.2.2　傳感網的網絡結構?/4

1.3　傳感網的核心技術?/5

1.4　傳感網的主要特點?/7

1.5　傳感網的應用?/8

1.5.1　軍事應用?/8

1.5.2　環境監測?/10

1.5.3　醫療衞生?/12

1.5.4　智能家居?/12

1.5.5　其他方面?/13

1.6　傳感網與物聯網的關係?/13

1.7　本章小結與進一步閲讀的文獻?/14

習題1?/14

參考文獻?/14

第2章　傳感網通信協議?/16

2.1　物理層的協議設計?/16

2.1.1　IEEE 802.15.4物理層標準?/17

2.1.2　868/915 MHz頻段物理層?/18

2.1.3　2.4 GHz物理層描述?/19

2.1.4　各頻段通用規範?/20

2.2　MAC層協議?/21

2.2.1　傳感網MAC協議設計原則?/21

2.2.2　IEEE 802.15.4 MAC?/21

2.2.3　S-MAC?/22

2.2.4　B-MAC?/24

2.2.5　RI-MAC?/25

2.2.6　實例：TinyOS MAC層協議分析?/26

2.3　路由協議?/29

2.3.1　路由協議簡介?/29

2.3.2　分發協議?/30

2.3.3　匯聚協議?/32

2.4　傳輸層?/42

2.4.1　傳輸層的挑戰?/43

2.4.2　可靠多段傳輸協議（RMST）?/44

2.4.3　慢存入快取出協議（PSFQ）?/45

2.4.4　擁塞檢測和避免協議（CODA）?/48

2.4.5　可靠的事件傳輸協議（ESRT）?/50

2.5　6LoWPAN標準?/52

2.5.1　6LoWPAN簡介?/52

2.5.2　6LoWPAN協議棧體系結構?/53

2.5.3　6LoWPAN適配層?/54

2.5.4　6LoWPAN路由協議?/55

2.5.5　6LoWPAN傳輸層?/55

2.6　ZigBee標準?/56

2.7　本章小結與進一步閲讀的文獻?/58

習題2?/58

參考文獻?/59

第3章　傳感網數據管理?/60

3.1　概述?/60

3.1.1　傳感網數據管理系統的體系結構?/61

3.1.2　傳感網數據管理系統的數據模型?/63

3.2　數據管理技術?/64

3.2.1　數據查詢?/64

3.2.2　數據索引?/68

3.2.3　網絡數據聚合?/72

3.3　實例：TinyDB系統?/77

3.3.1　TinyDB系統簡介?/77

3.3.2　TinyDB的系統結構?/78

3.3.3　TinyDB系統組成?/78

3.3.4　查詢語言?/80

3.3.5　TinyDB系統仿真?/80

3.4　本章小結與進一步閲讀的文獻?/84

習題3?/85

參考文獻?/85

第4章　傳感網關鍵技術?/87

4.1　命名與尋址?/87

4.1.1　基本原理?/87

4.1.2　地址管理?/88

4.1.3　地址分配?/89

4.1.4　基於內容和地理位置尋址?/90

4.2　拓撲控制?/90

4.2.1　概述?/91

4.2.2　功率控制?/92

4.2.3　層次拓撲?/96

4.3　能量管理?/101

4.3.1　概述?/101

4.3.2　能耗優化策略?/102

4.4　時間同步?/107

4.4.1　概述?/108

4.4.2　事件同步?/113

4.4.3　局部同步?/115

4.4.4　全網同步?/118

4.5　節點定位?/121

4.5.1　概述?/121

4.5.2　節點位置的基本計算方法?/124

4.5.3　測距定位?/125

4.5.4　非測距定位?/132

4.6　本章小結與進一步閲讀的文獻?/136

習題4?/139

參考文獻?/140

第5章　傳感網應用?/144

5.1　概述?/144

5.2?傳感網應用設計基本原理?/144

5.2.1?設計因素?/145

5.2.2　架構設計?/146

5.2.3　硬件設計?/147

5.2.4　軟件設計?/150

5.3　應用開發、部署與維護技術?/150

5.3.1　開發技術?/151

5.3.2　部署技術?/156

5.3.3　維護技術?/156

5.4　環境監測類案例：精準農業應用?/158

5.4.1　概述?/158

5.4.2　系統架構?/158

5.4.3　軟硬件介紹?/159

5.5　事件檢測類案例：反狙擊系統?/162

5.5.1　概述?/162

5.5.2　系統架構?/163

5.5.3　軟硬件介紹?/163

5.6　目標追蹤類案例：警戒網?/165

5.6.1　概述?/165

5.6.2　系統架構?/166

5.6.3　軟硬件介紹?/166

5.7　案例分析：金門大橋震動監測?/168

5.7.1　應用需求?/168

5.7.2　系統架構?/168

5.7.3　硬件設計?/169

5.7.4　軟件設計?/171

5.8　光纖傳感技術?/173

5.8.1　光纖傳感器?/173

5.8.2　光纖傳感系統組成?/174

5.8.3　光纖傳感技術的應用?/175

5.9　本章小結與進一步閲讀的文獻?/175

習題5?/176

參考文獻?/177

第6章　基於TinyOS的傳感網應用開發?/180

6.1?典型的無線傳感網開發套件?/180

6.1.1　MICA系列節點?/180

6.1.2　MICA系列處理器/射頻板?/183

6.1.3　MICA系列傳感器板?/185

6.1.4　編程調試接口板?/186

6.1.5　國內外其他典型的無線傳感網節點?/187

6.2　nesC語言基礎?/188

6.2.1　簡介?/188

6.2.2　術語?/190

6.2.3　接口（interface）?/192

6.2.4　組件（component）?/194

6.2.5　模塊（module）?/197

6.2.6　配件（configuration）?/202

6.2.7　應用程序樣例?/207

6.3　TinyOS操作系統?/210

6.3.1　組件模型?/211

6.3.2　事件驅動的併發執行模型?/211

6.3.3　通信模型?/212

6.4　TinyOS開發環境搭建?/214

6.4.1　創建Ubuntu虛擬機?/215

6.4.2　安裝Java編譯運行環境?/216

6.4.3　安裝必備工具?/217

6.4.4　下載並編譯安裝nesC編譯器?/217

6.4.5　下載並安裝TinyOS?/218

6.4.6　下載並安裝AVR交叉編譯工具鏈?/218

6.4.7　測試TinyOS開發環境?/218

6.5　簡單無線傳輸?/221

6.5.1　BlinkToRadio依賴的其他組件?/222

6.5.2　BlinkToRadio的執行過程?/224

6.5.3　內存所有權?/226

6.6　簡單數據分發?/227

6.6.1　數據分發依賴的組件?/227

6.6.2　數據分發例程?/228

6.7　簡單數據匯聚?/230

6.7.1　數據匯聚依賴的組件?/231

6.7.2　數據匯聚例程?/232

6.8　TinyOS仿真平台——TOSSIM?/235

6.8.1　TOSSIM簡介?/236

6.8.2　仿真庫的編譯?/236

6.8.3　仿真腳本的編寫?/236

6.8.4　仿真例子?/238

6.8.5　高級功能簡介?/240

6.9　本章小結與進一步閲讀的文獻?/241

習題6?/241

參考文獻?/242 ^[1]