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第1篇 智能网络传感器技术 2

第1章 智能网络传感器系统 2

1.1传感器技术发展概述 2

1.2智能网络传感器概述 3

1.2.1智能网络传感器概念与原理 3

1.2.2智能网络传感器实现途径 4

1.2.3有线智能网络传感器 6

1.2.4无线智能网络传感器 8

1.3智能网络传感器系统体系结构 14

1.3.1基于IEEE1451.2标准的智能网络传感器体系结构 14

1.3.2基于TCP/IP协议的智能网络传感器体系结构 15

1.4智能网络传感器系统发展趋势 17

第2章 基于以太网的智能网络传感器系统 18

2.1基于以太网的智能网络传感器系统概述 18

2.2以太网协议标准与TCP/IP协议栈 19

2.2.1工业以太网协议 19

2.2.2以太网协议 21

2.2.3以太网协议与TCP/IP协议栈的关系 22

2.2.4嵌入式以太网技术的优势 25

2.3基于以太网的智能网络传感器硬件结构 25

2.3.1硬件平台通用总体结构 25

2.3.2存储设备 26

2.4基于以太网的智能网络传感器软件结构 29

2.4.1硬件模块驱动程序设计 30

2.4.2嵌入式操作系统 32

2.4.3嵌入式TCP/IP协议栈 33

参考文献 35

第3章 无线智能网络传感器 36

3.1无线智能网络传感器构成 36

3.1.1微处理器与存储模块 36

3.1.2电源模块 39

3.1.3传感器模块 39

3.1.4无线通信模块 40

3.2无线智能网络传感器实例 42

3.2.1智能灰尘 42

3.2.2 Mica系列节点 45

3.2.3 GAINS节点 46

3.2.4 SIA-MS-1.0节点 48

3.2.5 WMNMCS 49

3.3无线智能网络传感器天线设计 51

3.3.1天线类型选择 51

3.3.2天线特性 53

3.3.3鞭状天线 54

3.3.4 PCB微带环形天线 55

3.4无线智能网络传感器研究中的若干问题 57

参考文献 58

第2篇 无线传感器网络体系结构与拓扑结构 60

第4章 无线传感器网络概述 60

4.1无线传感器网络的概念、特点及应用 60

4.1.1无线传感器网络的概念 60

4.1.2无线传感器网络的特点 62

4.1.3无线传感器网络的应用 64

4.2无线传感器网络与现有网络比较 68

4.2.1无线传感器网络与现场总线的区别 69

4.2.2无线传感器网络与无线自组织网络的区别 69

4.2.3无线传感器网络与无线自组织网络的共性 70

4.3无线传感器网络关键技术及研究进展 71

4.3.1无线传感器网络关键技术 71

4.3.2无线传感器网络国外研究进展 73

4.3.3无线传感器网络国内研究进展 77

4.4无线传感器网络研究新动态及发展趋势 79

参考文献 81

第5章 无线传感器网络体系结构与拓扑结构 82

5.1无线传感器网络体系结构 82

5.1.1应用需求与应用模式 82

5.1.2无线传感器网络功能结构、逻辑结构及典型体系结构 84

5.1.3网络节点体系结构 87

5.1.4层次化网络结构 90

5.2无线传感器网络拓扑结构及控制 98

5.2.1拓扑结构分类及拓扑发现 98

5.2.2无线传感器网络拓扑控制 103

5.2.3无线传感器网络拓扑控制算法 104

参考文献 115

第6章 无线传感器网络覆盖与连通 117

6.1无线传感器网络覆盖与连通问题概述 117

6.1.1网络覆盖问题概述 118

6.1.2网络连通问题概述 120

6.1.3覆盖与连通基本理论 120

6.1.4网络连通可靠性 122

6.2无线传感器网络覆盖与连通模型 125

6.2.1覆盖与连通模型 125

6.2.2网络节点数目计算 128

6.2.3覆盖率计算 129

6.3最优分簇数目 130

6.3.1节点能耗模型与基本假设 130

6.3.2簇头聚集能力不受限时的最优分簇数目 131

6.3.3簇头聚集能力受限时的最优分簇数目 133

参考文献 134

第3篇 无线传感器网络组网协议 138

第7章 无线传感器网络物理层协议 138

7.1物理层概述 138

7.2物理层主要技术 139

7.2.1通信介质及频段 140

7.2.2调制与解调技术 140

7.2.3扩频技术 146

7.3无线传感器网络物理层协议研究现状 150

7.3.1介质和频段选择研究 150

7.3.2休眠机制 151

7.3.3调制和扩频机制 152

7.4物理层面临的挑战与有待解决的问题 156

7.4.1物理层面临的挑战 156

7.4.2物理层有待解决的问题 157

参考文献 159

第8章 无线传感器网络MAC协议 160

8.1无线传感器网络MAC协议概述 160

8.2典型MAC协议分析 161

8.2.1多收发器式MAC协议 162

8.2.2调度式MAC协议 163

8.2.3非调度式MAC协议 165

8.2.4混合式MAC协议 167

8.2.5基于跨层设计的MAC协议 167

8.2.6典型MAC协议性能比较 168

8.3无线传感器网络MAC协议设计策略 169

8.4基于动态非等分时隙的MAC协议 170

8.4.1 ASVMAC协议相关定义 170

8.4.2 ASVMAC协议总体描述 171

8.4.3非等分时隙协议设计与选举算法 171

8.4.4 ASVMAC协议能耗有效性分析 175

参考文献 176

第9章 无线传感器网络路由协议 178

9.1路由协议概述 178

9.2路由协议分类 179

9.3路由协议研究现状 181

9.3.1典型路由协议原理 181

9.3.2路由协议性能比较 187

9.3.3路由协议的设计原则 190

9.4基于优先级的PMRP多径路由算法 190

9.4.1 PMRP多径路由算法原理 191

9.4.2 PMRP算法仿真 193

9.5基于动态负载均衡树的DLBTP路由算法 194

9.5.1 DLBTP路由算法原理 197

9.5.2 DLBTP路由算法仿真 200

9.6无尺度混合跳分层路由协议 202

9.6.1网络分层路由的数学模型 202

9.6.2 FSSMH路由协议相关阐述 203

9.6.3 FSSMH路由协议设计 204

9.6.4 FSSMH路由协议仿真试验与性能评价 207

9.7路由协议面临的挑战与有待解决的问题 210

9.7.1路由协议面临的挑战 210

9.7.2路由协议有待解决的问题 211

参考文献 212

第4篇 无线传感器应用支撑与关键技术 216

第10章 无线传感器网络时钟同步 216

10.1时钟同步概述 216

10.1.1时钟模型 216

10.1.2时钟同步算法执行周期 217

10.1.3时钟同步评价指标 217

10.2传统网络时钟同步算法 218

10.3典型时钟同步算法 218

10.3.1额外硬件支持的时钟同步 220

10.3.2单向广播式时钟同步算法 220

10.3.3双向成对时钟同步 223

10.3.4基于锁相环的时间同步机制与算法 225

10.3.5同步算法性能比较 226

10.4时钟同步研究展望 227

参考文献 227

第11章 无线传感器网络节点定位 229

11.1节点定位概述 229

11.2典型定位方法 230

11.2.1基于距离的定位算法 230

11.2.2非基于距离的定位算法 236

11.3基于时间差的节点定位方法 238

11.3.1网络模型与定位算法 238

11.3.2定位误差分析 241

11.3.3定位试验 241

11.4节点定位过程中的安全问题 242

11.4.1攻击样式 242

11.4.2安全定位系统及算法 243

参考文献 245

第12章 无线传感器网络接入技术 247

12.1接入技术概述 247

12.2接入方式研究现状 248

12.2.1代理接入方式 248

12.2.2直接接入方式 249

12.3无线传感器网络接入因特网 250

12.3.1网络互联结构 250

12.3.2基于嵌入式Web服务器的互联结构 251

12.4 Sink的多接入模式 252

12.5 Sink节点接入以太网通信传输协议研究 256

12.5.1嵌入式TCP/IP协议栈μLwIP的设计 256

12.5.2 μLwIP层次协议设计 257

12.5.3 μLwIP的Sink节点嵌入与移植 264

12.5.4嵌入式Web服务器的实现 266

12.5.5 Sink节点动态网页和本地文件读写与保存的中间件 267

12.6无线传感器网络接入网格 269

12.6.1相关研究工作及关键技术 270

12.6.2无线传感器网络接入网格的结合框架 271

参考文献 275

第13章 无线传感器网络QoS技术 276

13.1无线传感器网络QoS概述 276

13.1.1传统数据网络QoS技术 276

13.1.2 Ad Hoc网络QoS技术 277

13.1.3无线传感器网络QoS需求 278

13.1.4无线传感器网络QoS特点 280

13.1.5无线传感器网络QoS研究现状 282

13.2无线传感器网络QoS关键技术 284

13.2.1能源管理 284

13.2.2覆盖控制 285

13.2.3数据融合 286

13.2.4拥塞控制 287

13.3无线传感器网络QoS评价指标 288

13.4无线传感器网络QoS路由协议 289

13.5基于跨层设计的QoS保障机制 290

13.5.1无线传感器网络基于 QoS的总体框架 290

13.5.2无线传感器网络QoS需求的权衡关系 292

13.5.3基于QoS保证的跨层设计 293

13.6其他QoS保障机制 293

13.6.1基于中间件的主动QoS机制 293

13.6.2 QoS动态资源管理方式 293

13.6.3确保实时业务的QoS方法 294

13.7无线传感器网络QoS研究面临的挑战 295

参考文献 296

第14章 无线传感器网络安全技术 298

14.1无线传感器网络安全概述 298

14.1.1网络安全需求 299

14.1.2网络安全问题特点 300

14.1.3安全问题研究现状 302

14.1.4安全问题研究的挑战 305

14.2安全问题策略分析 307

14.2.1物理层安全问题 307

14.2.2链路层安全问题 308

14.2.3网络层与数据融合层安全问题 309

14.2.4传输层与应用层安全问题 310

14.3无线传感器网络认证机制 310

14.3.1信息安全威胁与认证目标 310

14.3.2基本认证协议 311

14.3.3双向认证和广播认证协议 312

14.3.4高级认证协议 313

14.4无线传感器网络密钥管理机制 315

14.4.1密钥管理基础 315

14.4.2密钥管理模型 316

14.5网络入侵检测技术 319

14.5.1入侵检测需求 319

14.5.2入侵检测基础 320

14.5.3几种入侵检测方案 322

14.5.4入侵检测研究方向 325

14.6基于比较的多源网络簇节点故障判定算法 326

14.6.1节点故障判定系统模型 326

14.6.2网络簇节点故障判定模型 328

14.6.3故障判定模型评价标准 329

14.6.4网络节点判定处理过程 330

14.6.5仿真试验与性能分析 330

参考文献 332

第5篇 无线传感器原型系统与应用实例 336

第15章 无线传感器网络节点平台开发实例 336

15.1网络节点低功耗设计策略 336

15.1.1微控制器模块低功耗设计 336

15.1.2无线通信低功耗设计 337

15.2传感器节点模块设计 338

15.2.1微处理器模块设计 338

15.2.2无线通信模块设计 339

15.2.3传感节点软件设计 341

15.3 Sink节点的特殊性设计 348

15.3.1处理模块设计 348

15.3.2以太网互联模块设计 350

15.3.3无线通信软件设计 350

15.3.4电源模块设计 355

15.4网络节点系统实现与功耗测试 356

15.4.1节点系统实现 356

15.4.2传感节点功耗测试 356

参考文献 357

第16章 无线传感器网络原型验证系统 359

16.1智能监测原型系统体系结构 359

16.2原型系统模块构成与功能描述 360

16.3组网算法设计 361

16.3.1网络协议低功耗设计策略 361

16.3.2物理层数据传输协议设计 362

16.3.3数据融合算法设计 363

16.4监测系统应用软件设计 367

16.5基于电源实验台的无线传感器网络功能测试床 369

16.5.1测试床场景 369

16.5.2功能性试验与结论 370

16.6可靠性测试设备整体性能监测 371

16.6.1监测需求分析 371

16.6.2传感器节点数据采集硬软件设计 372

16.6.3监测系统体系结构描述 373

16.6.4监测系统性能测试与运行结果分析 375

参考文献 378

第17章 无线传感器网络模拟器 379

17.1常用模拟器原理及特点 379

17.1.1无线网络模拟器 379

17.1.2无线传感器网络模拟器 383

17.1.3无线传感器网络后台软件 384

17.2分簇型无线传感器网络模拟器CWSNS的设计与实现 388

17.2.1 CWSNS的结构与原理 388

17.2.2典型类的设计 389

17.2.3类的相互关系 392

17.3 CWSNS仿真流程及仿真实例 392

17.3.1 CWSNS仿真流程 392

17.3.2仿真实例 393

参考文献 395

第18章 无线传感器网络应用实例 396

18.1军事应用 396

18.2国家安全 399

18.3工业领域 399

18.3.1工业安全 399

18.3.2先进制造 400

18.3.3交通控制管理 400

18.3.4安防系统 401

18.3.5仓储物流管理 401

18.4农业领域 402

18.5其他领域的典型应用 404

18.5.1环保监测 404

18.5.2智能家居 406

18.5.3医疗监护 406

18.5.4建筑领域 408

18.5.5自然灾害预警 410

18.5.6目标跟踪应用 411

18.5.7空间和海洋应用 413

18.6各种应用方案中共性问题与解决思路 414

18.6.1无线传感器网络中节点的能量问题 414

18.6.2传感器节点的时钟同步要求 414

18.6.3各方案中共性问题解决思路 415

参考文献 415