无线传感器网络 原理、设计和应用PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 无线通信技术 1

1.2 无线传感器网络 2

1.3 无线传感器网络的应用领域 3

1.4 无线传感器网络设计与实现中的挑战 4

1.5 本书的目标 5

参考文献 5

第2章 无线传感器网络的原理 6

2.1 引言 6

2.2 IEEE 802.15.4协议和无线传感器网络 8

2.2.1 开放式系统互联模型和无线传感器网络协议栈 8

2.2.2 IEEE 802.15.4协议概述 9

2.2.3 全功能设备和精简功能设备 10

2.2.4 IEEE 802.15.4协议的拓扑结构 11

2.2.5 IEEE 802.15.4协议的无线系统多路访问 12

2.3 使用IEEE 802.15.4协议构建无线传感器网络 14

2.3.1 无线信道评估 14

2.3.2 网络初始化 15

2.3.3 网络构建公告 20

2.3.4 监听／启动连接申请 20

2.3.5 监听／启动移除申请 20

2.3.6 网络命令发送／接收 21

2.3.7 数据发送和接收 21

2.3.8 时隙和非时隙具有冲突避免的载波侦听多路访问 23

2.3.9 IEEE 802.15.4协议的数据传输小结 26

2.4 ZigBee和无线传感器网络 26

2.4.1 ZigBee协议栈结构 26

2.4.2 ZigBee拓扑结构 29

2.4.3 ZigBee地址分配方案 31

2.4.4 ZigBee管理机制 33

2.5 6LoWPAN和无线传感器网络 37

2.6 小结 38

参考文献 39

第3章 无线传感器网络的硬件设计 40

3.1 通用无线传感器网络节点体系结构 40

3.2 片上系统和基于组件设计 41

3.3 设计准则 42

3.3.1 微处理器的选择 43

3.3.2 通信设备选择 44

3.3.3 传感器设计 45

3.3.4 电源设计 47

3.4 设计案例 48

3.4.1 温度传感器设计 48

3.4.2 一氧化碳传感器设计 50

3.4.3 传感器节点电路设计 51

3.5 电源管理 53

3.6 能量捕获 54

3.6.1 太阳能捕获单元 55

3.6.2 最大功率点跟踪单元 56

3.6.3 电源管理单元 56

3.6.4 设计案例 57

3.7 小结 59

参考文献 59

第4章 无线传感器网络的嵌入式软件设计 61

4.1 引言 61

4.2 无线传感器网络的嵌入式软件设计 62

4.2.1 基于Jennic ZigBee的应用开发 62

4.2.2 基于Contiki 6LowPAN的应用开发 64

4.3 传感器驱动程序设计 66

4.3.1 传感器驱动程序设计一般步骤 67

4.3.2 模拟流量传感器驱动程序设计 70

4.3.3 数字温度传感器驱动程序设计 71

4.4 基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络实现 75

4.5 无线传感器网络与外部公共网络的桥接 81

4.6 小结 82

参考文献 83

第5章 无线传感器网络中的路由技术 84

5.1 引言 84

5.2 无线传感器网络中的路由协议分类 85

5.2.1 平面路由协议 85

5.2.2 分层路由协议 89

5.2.3 基于地理位置的路由协议 91

5.3 Ad-hoc网络按需距离矢量路由协议 93

5.3.1 Ad-hoc网络按需距离矢量路由协议原理 93

5.3.2 Ad-hoc网络按需距离矢量路由协议的消息格式 94

5.3.3 Ad-hoc网络按需距离矢量路由协议简化版本的实现 96

5.4 簇树路由协议 101

5.4.1 单簇网络 101

5.4.2 多簇网络 102

5.5 能量感知路由协议 103

5.6 小结 106

参考文献 106

第6章 汇聚节点位置的优化布局 108

6.1 引言 108

6.2 汇聚节点位置布局的挑战 109

6.3 汇聚节点位置布局方法的分类 110

6.3.1 汇聚节点的静态位置布局 110

6.3.2 动态汇聚节点位置布局 111

6.3.3 移动汇聚节点位置布局 112

6.4 静态多汇聚节点的位置布局优化 112

6.4.1 系统假设 112

6.4.2 简化路由协议 113

6.4.3 能耗模型 114

6.4.4 多汇聚节点的位置布局优化 115

6.5 位置布局优化问题的求解 117

6.6 小结 118

参考文献 118

第7章 无线传感器网络与IEEE 802.11b系统的互扰抑制 119

7.1 引言 119

7.2 无线传感器网络的共存与互扰 119

7.3 性能指标 120

7.3.1 物理层性能指标 120

7.3.2 媒体访问控制层性能指标 121

7.4 IEEE 802.15.4中的共存机制 122

7.4.1 直接序列扩频 122

7.4.2 频分多址 124

7.4.3 具有冲突避免的载波侦听多路访问 125

7.5 IEEE 802.11b和IEEE 802.15.4间的互扰抑制 125

7.5.1 频段分离 125

7.5.2 能量互扰和物理分离 128

7.5.3 IEEE 802.15.4中的互扰抑制建议 129

7.6 先进互扰抑制策略 130

7.6.1 自适应互扰感知的多信道分簇 131

7.6.2 自适应无线信道分配 132

7.6.3 连续数据传输 132

7.6.4 多跳数据传输控制 133

7.7 实验研究 137

7.7.1 单跳传输 137

7.7.2 多跳传输 137

7.8 小结 140

参考文献 141

第8章 传感器数据融合和事件检测 143

8.1 引言 143

8.1.1 传感器数据特征 143

8.2 传感器数据融合技术 144

8.2.1 传感器数据预处理 144

8.2.2 传感器数据挖掘 147

8.2.3 传感器数据后处理 147

8.3 事件检测 147

8.3.1 基于阈值的事件检测 148

8.3.2 基于时空模式的事件检测 149

8.4 具有邻里支持的通用传感器状态模型 150

8.4.1 通用传感器状态模型 150

8.4.2 邻里支持模型 150

8.5 基于传感器状态模型的事件检测 151

8.5.1 基于阈值的事件检测 151

8.5.2 基于时空模式的事件检测 151

8.6 传感器网络数据库 152

8.7 小结 152

参考文献 153

第9章 无线传感器网络安全防御 155

9.1 开放式系统互联安全防御的基本概念 155

9.2 无线传感器网络安全防御的挑战 157

9.3 无线传感器网络面临的攻击分类 158

9.4 ZigBee安全防御服务 159

9.4.1 用于ZigBee安全防御的密码学 159

9.4.2 ZigBee安全密钥和信任中心 162

9.4.3 密钥传输与密钥构建 164

9.5 防御拒绝服务攻击的典型策略 165

9.6 基于无线传感器网络的智能家居系统拒绝服务深攻击的防御 166

9.6.1 虚拟家居：拒绝服务攻击监视和防御触发 167

9.6.2 远程家居服务器和拒绝服务防御服务器 168

9.6.3 虚拟家居：拒绝服务攻击转移机制 168

9.6.4 虚拟家居的实现 169

9.7 利用虚拟家居防御拒绝服务对智能家居的攻击的实现 171

9.7.1 远程家居客户端 171

9.7.2 远程家居服务器 171

9.7.3 拒绝服务防御服务器 173

9.7.4 家居网关 173

9.8 测评 174

9.8.1 攻击工具 174

9.8.2 基于无线传感器网络智能家居的拒绝服务深攻击的分析 176

9.8.3 家庭网关上拒绝服务深攻击的分析 177

9.9 小结 178

参考文献 178

第10章 移动目标的定位与跟踪 180

10.1 引言 180

10.2 距离测定 181

10.2.1 接收端信号强度指示 181

10.2.2 链路质量指示 182

10.2.3 信号到达时间 182

10.2.4 信号到达的时间差 182

10.3 定位方法 183

10.3.1 三角定位法 184

10.3.2 指纹定位法 185

10.3.3 质心定位法 186

10.4 定位准确度的提高 187

10.4.1 环境因素的引入 187

10.4.2 无线信号异常值的消除 188

10.4.3 进化优化算法 189

10.5 多移动目标跟踪 190

10.6 案例研究：地下隧道移动目标跟踪 191

10.7 小结 193

参考文献 193

第11章 面向物流管理的无线射频识别／无线传感器网络的混合网络 194

11.1 引言 194

11.2 无线射频识别技术 194

11.2.1 无线射频识别标签 195

11.2.2 无线射频识别读取设备 196

11.3 无线射频识别与传感器的混合网络 197

11.3.1 读取式传感器 197

11.3.2 标签式传感器 198

11.4 通用无线射频识别与传感器混合网络体系结构 198

11.5 人道救援物流管理可行方案 200

11.6 小结 202

参考文献 203

第12章 物联网 204

12.1 引言 204

12.2 物联网的特征与挑战 205

12.3 无线传感器网络与因特网连接 206

12.3.1 前端代理解决方案 207

12.3.2 网关解决方案 207

12.3.3 TCP/IP解决方案 208

12.4 面向服务的物联网体系结构 209

12.4.1 传感器服务发布 210

12.4.2 本地历史数据库 210

12.4.3 传感器域名服务器 211

12.4.4 实施方案 212

12.5 应急响应物联网的可行实现 213

12.6 小结 214

参考文献 215

第13章 基于ZigBee的智能家居系统：IndeedNet 216

13.1 引言 216

13.2 现有智能家居系统的分析 217

13.3 智能家居系统体系结构 217

13.4 系统实现 219

13.4.1 基于ZigBee的智能家居系统的实现 219

13.4.2 智能家居网关的实现 220

13.4.3 虚拟家居的实现 221

13.4.4 智能家居设备开发 222

13.5 系统测评 222

13.6 结论 224

参考文献 224

第14章 建筑物消防安全防护：SafetyNET 225

14.1 引言 225

14.2 系统架构 226

14.3 SafetyNET专用设备 227

14.4 移动消防车载网络 228

14.5 SafetyNET无线传感器网络 229

14.5.1 SafetyNET协调器 230

14.5.2 SafetyNET路由器 231

14.5.3 SafetyNET终端设备 232

14.5.4 SafetyNET适配器 233

14.6 现场试验 233

14.7 小结 234

参考文献 234

第15章 结论 235

15.1 总结 235

15.2 未来发展研究展望 235

参考文献 236

名词术语 237