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第1篇 绪论 1

第1章　无线传感网络概述 1

1.1　引言 1

1.2　无线传感网络面临的机遇及其应用 2

1.2.1　面临的机遇 2

1.2.2　无线传感网络的应用 4

1.3　无线传感网络的关键技术 6

1.4　无线传感网络的发展趋势及应用前景 10

参考文献 13

第2篇　无线传感网络系统管理技术 15

第2章 无线传感网络的体系结构 15

2.1 引言 15

2.2　无线传感网络体系结构的特点与需求 16

2.3　无线传感节点的构成 17

2.4　无线传感网络的节点介绍 20

2.5　无线传感网络的嵌入式系统 27

2.6　层次化结构问题 29

2.6.1　性价比 30

2.6.2　网络寿命 30

2.6.3 可扩展性 31

2.7　无线传感网络的硬件结构 31

2.7.1　小型传感节点 31

2.7.2　大型传感节点 33

2.8　任务分解与分配 34

2.8.1 网络测量 34

2.8.2　信息处理 35

2.8.3　网络通信 35

2.9　层次化结构的组成 36

2.9.1　工程化网络 36

2.9.2　路由机制 36

2.9.3　聚类机制 37

2.10　层次化结构路由与寻址 39

2.10.1　层次化结构路由 40

2.10.2　层次化寻址 40

2.11　小结 43

参考文献 43

第3章　无线传感网络通信协议分类 46

3.1 引言 46

3.2　应用层协议 47

3.2.1　传感器管理协议 47

3.2.2　任务分派与数据广播协议 47

3.2.3　传感器查询与数据分发协议 47

3.3　定位协议 48

3.4　时钟同步协议 49

3.5　传输层协议 50

3.6　网络层协议 52

3.7　数据链路层协议 54

3.8　无线传感网络路由技术 56

3.8.1　无线传感网络路由设计相关问题 57

3.8.2　无线传感网络路由面临的挑战 58

3.9　无线传感网络路由协议设计 60

3.10　无线Ad hoc网络的媒体访问控制方案 72

3.10.1 IEEE 802.11 74

3.10.2　能量唤醒多路访问协议 75

3.11　无线传感网络媒体访问控制的设计挑战 77

3.12　无线传感网络媒体访问协议 80

3.13　小结 83

参考文献 83

第4章 无线传感网络能效设计 87

4.1 引言 87

4.2　无线传感网络拓扑能效设计的技术背景 89

4.3　无线传感网络拓扑结构设计问题 89

4.4　无线传感网络通信能耗分析 93

4.5　无线传感网络路由能效性分析 94

4.6　定向源感知路由协议 96

4.7　DSAP能效性分析 97

4.8　无线传感节点能效设计背景 102

4.9　无线传感节点能效设计模型 102

4.9.1　无线传感节点能耗模型 102

4.9.2　可变电压微处理器 103

4.9.3　消息头文件 104

4.10　包含消息头文件的动态电压调节技术 105

4.10.1　无线传感网络的安全需求 105

4.10.2　数据加密与解密的能耗 105

4.10.3　无线传感节点动态电压调节 106

4.11 无线传感网络动态电压调节实验仿真 107

4.12　小结 111

参考文献 112

第5章　无线传感网络性能优化 114

5.1　引言 114

5.2　异构多级无线传感网络优化设计模型 116

5.3　无线传感网络的改进GASA优化设计方法 117

5.4　无线传感网络的优化设计仿真实验 119

5.5　无线传感网络布局优化问题模型与假设 120

5.6　虚拟力导向微粒群优化策略基本原理 122

5.6.1　虚拟力算法基本原理 122

5.6.2　基于微粒群算法的无线传感网络布局优化基本原理 123

5.6.3　虚拟力导向微粒群优化过程 125

5.7　虚拟力导向微粒群优化策略仿真实验 126

5.8　动态节点选择优化问题 128

5.9 动态节点选择优化策略的基本原理 131

5.9.1 基于遗传算法的动态节点优化选择过程 131

5.9.2　基于Hopfield网络的局部搜索 132

5.9.3　无线传感网络动态节点选择优化步骤 132

5.10　动态节点选择优化仿真实验 133

5.11　对等无线传感网络及任务分配指标 136

5.11.1　对等无线传感网络 136

5.11.2　任务分配控制策略 137

5.12　采用蚁群算法的能效性任务分配控制策略 140

5.13　能效性任务分配控制实验分析 142

5.14　小结 143

参考文献 144

第6章　无线传感网络动态能量管理 147

6.1　引言 147

6.2　空闲能量管理 148

6.2.1　多种关闭状态 148

6.2.2　传感节点的构成 149

6.2.3　睡眠状态转换策略 149

6.3　有功能量管理 151

6.4　系统实现 151

6.4.1　DVS电路 152

6.4.2　空闲能量管理硬件实现 154

6.4.3　处理器能量模式 154

6.4.4　操作系统结构 155

6.4.5　传感器特定应用编程接口扩展 156

6.5　动态能量管理实验 156

6.6 目标预测动态能量优化模型 158

6.6.1　协作测量模型 158

6.6.2　能耗模型 159

6.7　动态能量优化基本原理 160

6.7.1　唤醒机制比较 160

6.7.2　采用粒子滤波的目标状态预测 161

6.7.3 分布式遗传模拟退火算法能量优化 162

6.8　动态能量优化的机动目标跟踪 163

6.8.1　机动目标模型 163

6.8.2　空闲时间规划 163

6.8.3　通信路径规划 164

6.8.4　节点选择优化 165

6.9　仿真实验 166

6.9.1　环境设置 166

6.9.2　动态能量优化仿真 166

6.10　小结 168

参考文献 169

第7章　无线传感网络安全涉密保护与可靠性 170

7.1　引言 170

7.2　无线传感网络的安全性与授权机制 171

7.2.1 安全性 171

7.2.2　系统层安全性 171

7.2.3　移动代码 172

7.2.4　安全指标 172

7.3　安全体系 173

7.4　保密技术 179

7.4.1　最小泛化原则 179

7.4.2　定位信息的保密 180

7.5　无线传感网络中的可靠性问题 182

7.5.1　可靠性支持问题 182

7.5.2　可靠性的分布式支持 183

7.5.3　分布式传感器系统的体系结构 184

7.5.4　定向扩散网络 184

7.6　分布式服务 185

7.6.1　可重构的智能节点 186

7.6.2　分布式查询服务器 186

7.6.3　管理服务器 188

7.6.4　自适应服务器 188

7.7　分布式系统服务的原理和方法 188

7.7.1　远程执行过程 188

7.7.2　链接器 189

7.7.3　传感网络任务拓扑 190

7.8　动态自适应分布式传感网络的应用 190

7.8.1　一致性规划 191

7.8.2 自适应控制 191

7.8.3　传感器功能的故障与性能恢复 191

7.9　小结 192

参考文献 193

第3篇 无线传感网络测试技术 195

第8章 无线传感节点小型化及低功耗设计 195

8.1　引言 195

8.2　MEMS基本原理 196

8.2.1　微机械制造技术 196

8.2.2　高度集成过程 197

8.3　MEMS测量模块设计理论 198

8.3.1　MEMS技术选择标准 198

8.3.2　集成电路传感器 199

8.3.3　纳米传感器 199

8.4　MEMS通信模块设计理论 199

8.4.1　射频通信技术 200

8.4.2　光通信 202

8.5　MEMS供能模块设计理论 204

8.5.1　能量存储单元 204

8.5.2　能量再生单元 205

8.6　基于MEMS的节点封装技术 205

8.7　MEMS系统集成技术 206

8.8　无线传感节点的低功耗设计基本理论 208

8.9　网络布局的低功耗设计 208

8.10　节点测量模块的低功耗设计 209

8.11　节点计算模块的低功耗设计 209

8.12　硬件与软件交互的低功耗设计 211

8.13　无线传感节点通信模块的低功耗设计 212

8.14　小结 215

参考文献 215

第9章　无线传感网络移动代理数据融合 218

9.1　引言 218

9.2　无线传感网络的移动代理调度问题 219

9.3　无线传感网络的移动代理调度机制 220

9.3.1　移动代理派遣的关键因素 220

9.3.2　综合评价指标设计 222

9.3.3 采用遗传算法优化移动代理调度机制 222

9.3.4　符合综合评价指标的移动代理调度过程 223

9.4　移动代理调度机制的性能评估 223

9.5　采用移动代理的生产过程质量检测实验 226

9.5.1　不同工序的缺陷定位 228

9.5.2　采用前馈神经网络识别裸板缺陷 228

9.6　移动代理分簇融合计算优化原理 229

9.6.1　分簇融合计算基本模型 229

9.6.2　分簇融合计算优化方法 230

9.6.3　仿真实验 232

9.7　基于分层动态委员会的多代理决策方法 236

9.7.1　委员会决策的基本原理 236

9.7.2　分层动态委员会决策方法 237

9.7.3　仿真实验 242

9.8　小结 245

参考文献 245

第10章　分布式传感网络计算与信息融合 247

10.1 引言 247

10.2　分布式传感网络的基本构成 248

10.2.1　传统网络结构 248

10.2.2　基于移动代理的分布式传感网络 248

10.2.3　信息融合方法 249

10.3　传感网络布置优化 250

10.3.1　计算复杂性 250

10.3.2　采用遗传算法的优化传感器布置 252

10.4　分布式传感网络的路由策略 253

10.4.1 采用遗传算法的移动代理路由 253

10.4.2　随时间变化的移动无线网络连接性 255

10.4.3　通信协议的适应性路由 260

10.5　传感网络信息融合基本原理 262

10.5.1 传感网络信息融合的目的 262

10.5.2　传感网络信息融合的层次与结构 262

10.5.3　典型的信息融合方法 263

10.5.4　传感网络信息融合方法的特点 266

10.6　分布式自适应动态信息融合方法 268

10.6.1　测量模型与方法简述 268

10.6.2　测量数据范围的推导 269

10.6.3　最优范围的确定 270

10.7　小结 271

参考文献 271

第11章　无线传感网络协作信号处理 274

11.1 引言 274

11.2　协作式计算模型 276

11.3　协作计算体系 277

11.4　智能信息的基本理论 278

11.4.1　智能信息的工作周期 279

11.4.2　智能信息自主路由 279

11.5　智能信息的程序接口 280

11.6　智能信息系统的实现与评价方法 281

11.6.1　智能信息迁移花费 281

11.6.2　标签空间操作花费 283

11.7　智能信息的应用 284

11.7.1 基于智能信息的SPIN传输协议 284

11.7.2　基于智能信息的定向扩散协议 286

11.8　基于智能信息的SPIN协议与定向扩散协议仿真 286

11.9　无线传感网络协作式计算的相关工作 289

11.10　无线传感网络协作信号处理问题 289

11.10.1 分布式无线传感网络面临的挑战 289

11.10.2　协作式信号处理的特点 290

11.11 基于协作式信号处理的目标跟踪方法 291

11.11.1　单节点目标检测与分类 291

11.11.2　协作式目标定位 293

11.11.3　目标跟踪与预测 298

11.11.4　多目标跟踪数据关联 299

11.12　基于协作信号处理的多目标跟踪实验 300

11.13　小结 305

参考文献 305

第4篇 无线传感网络应用 307

第12章　无线传感网络覆盖技术 307

12.1　引言 307

12.2　无线传感网络区域覆盖问题 310

12.2.1　能效性随机覆盖方法 311

12.2.2　连接性随机覆盖方法 312

12.3　无线传感网络的点覆盖问题 313

12.3.1　随机型点覆盖问题 314

12.3.2　确定型点覆盖问题 314

12.4　无线传感网络边界覆盖问题 314

12.5　无线传感网络的覆盖能效问题与评价指标 315

12.6　无线传感网络覆盖能效优化算法 318

12.7　无线传感网络动态能量控制策略 319

12.8　无线传感网络动态能量控制实验仿真 320

12.8.1 无线传感网络覆盖能效优化效果 320

12.8.2　无线传感网络覆盖能效优化的仿真分析 322

12.9　小结 324

参考文献 324

第13章　无线传感网络定位跟踪技术 326

13.1 引言 326

13.2　无线通信系统的节点定位 327

13.3　无线传感网络中的节点定位 334

13.4　网络定位算法的基本原理 343

13.5　无线传感网络的定位和跟踪算法基本原理 345

13.5.1　三边测量法 345

13.5.2　多边测量法 346

13.5.3　模板匹配法 347

13.5.4　节点位置跟踪 349

13.5.5　无线传感网络的目标跟踪 350

13.6　典型的网络定位系统 351

13.7　无线传感网络的滤波跟踪 352

13.7.1　模型与假设 353

13.7.2　径向基粒子滤波算法基本原理 354

13.7.3　实验仿真 357

13.8　小结 359

参考文献 360

第14章　工业领域传感网络及开发仿真平台 364

14.1 引言 364

14.2　工业传感器的通信协议 365

14.3　IEEE 1451智能传感器接口标准 375

14.4　基于互联网的传感网络 378

14.4.1　IEEE 1451.1的基本概念 378

14.4.2　IEEE 1451.1网络化 378

14.4.3　多播通信 379

14.4.4　互联网联结结构 379

14.4.5　互连结构 380

14.5　工业网络互联 380

14.5.1　互连结构 381

14.5.2　执行器-传感器-接口标准 381

14.6　无线传感网络的开发环境与仿真平台 382

14.6.1　无线传感网络硬件系统 382

14.6.2　无线传感网络软件环境 386

14.6.3　无线传感网络仿真平台 392

14.7　小结 397

参考文献 398

第15章　无线传感网络测量系统应用 399

15.1　引言 399

15.2　无线传感网络测量系统结构 400

15.3　远程虚拟测量技术的基本原理 402

15.4　无线传感网络的远程虚拟测量 404

15.5　无线传感网络的远程虚拟测量仿真实验 405

15.6　基于无线传感网络的智能维护 407

15.7　船只设备监测的应用 409

15.8 高尔夫球场设施维护的应用 413

15.9　半导体工业的应用 415

15.9.1　预测性维护技术 416

15.9.2　设计要求 417

15.9.3 现场勘察与无线传感节点布置 417

15.9.4　层次结构 418

15.9.5　系统容错性设计 420

15.9.6　实验结果 420

15.10　国防反恐的应用 420

15.10.1 目标定位基本原理 421

15.10.2　目标定位方法 422

15.10.3　系统结构 422

15.10.4 中间件技术 423

15.10.5　现场实验 423

15.11　医疗监护系统的应用 424

15.11.1 系统背景 425

15.11.2　医疗监护系统要求 425

15.11.3　系统硬件设计 426

15.11.4　系统软件实现 428

15.11.5　终端监控界面 429

15.11.6　应用前景 430

15.12　小结 431

参考文献 431

附录　部分缩写中英文对照表 433