自20世紀90年代以來,隨著傳感器、無線通信、計算機網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)、分布式信息處理與人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展與融合,研制出了各種具有感知、通信與計算功能的智能微型傳感器。由大量的傳感器結(jié)點構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有信號采集、實時監(jiān)測、信息傳輸、協(xié)同處理、信息服務(wù)等功能,能感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)中感知對象的各種信息。這種具有智能獲取、傳輸和處理信息功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),正在逐步形成IT領(lǐng)域的新興產(chǎn)業(yè)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以廣泛應(yīng)用于軍事、科研、環(huán)境、交通、醫(yī)療、制造、反恐、抗災(zāi)、家居等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個學(xué)科交叉綜合、知識高度集成的前沿熱點研究領(lǐng)域,正受到各方面的高度關(guān)注。美國研究機構(gòu)和媒體認為它是21世紀世界最具有影響力的、高技術(shù)領(lǐng)域的四大支柱型產(chǎn)業(yè)之一,是改變世界的十大新興技術(shù)之一。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通信工程及相關(guān)專業(yè)的一門重要課程,給本科生講解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用具有重要的意義。本書主要介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念、組網(wǎng)基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)據(jù)融合、安全機制、協(xié)議技術(shù)標準等內(nèi)容,第2章介紹了一些常用的傳感器,第7章介紹了一款無線傳感器網(wǎng)絡(luò)射頻收發(fā)微控制器CC253X。第8章著重介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的3個應(yīng)用實例。實例1:城市照明監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用“監(jiān)控中心一路端通信裝置一路端單燈測控器”3層結(jié)構(gòu)。路端通信裝置與路端單燈測控器組建ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。路端通信裝置還通過GPRS技術(shù)與監(jiān)控中心的服務(wù)器進行無線通信。監(jiān)控中心的監(jiān)聽軟件與城市照明控制系統(tǒng)配合使用可實現(xiàn)對路燈狀態(tài)的監(jiān)測和控制。實例2:汽車道閘控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由主控器、無線通信模塊和無線信號激勵源組成。當安置在汽車內(nèi)的無線通信模塊(電子車牌)在汽車進入無線信號激活區(qū)內(nèi)時從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到工作狀態(tài),發(fā)射出車牌信息,主控器中的無線通信模塊接收到此信息,決定是否開放道閘。實例3:高壓輸電線故障監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由監(jiān)控中心、線上網(wǎng)關(guān)和故障監(jiān)測結(jié)點3部分組成。故障監(jiān)測結(jié)點和線上網(wǎng)關(guān)組成短距離ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò),線上網(wǎng)關(guān)通過GPRS分組數(shù)據(jù)技術(shù)同監(jiān)控中心服務(wù)器主機進行遠程通信,所有線上裝置均采用電磁互感取電方式作為能量來源。書中給出了3個實例的軟硬件設(shè)計方案。
本課程課時數(shù)為45學(xué)時左右,通過本課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本原理,結(jié)合實驗課程掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與開發(fā)的基本技術(shù),為今后從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)工作及進一步學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。本書也可供對傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)感興趣的工程技術(shù)人員參考。
本書參考了許多文獻和資料,在此對相關(guān)作者深表謝意,書中參考文獻若有遺漏,或有內(nèi)容涉及相關(guān)作者的知識產(chǎn)權(quán),敬請諒解。本書由陳小平承擔1,3,4,8章的編寫及全書的統(tǒng)稿;陳紅仙承擔第2,5章的編寫;檀永承擔第6,7章的編寫。3個應(yīng)用實例要特別感謝研究生何賽、董葉、段毅所做的工作。
感謝讀者使用本書,歡迎讀者對本書內(nèi)容提出批評和建議,我們將非常感激。
1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述
1.1 引言
1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)
1.2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)
1.2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的結(jié)構(gòu)
1.2.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)
1.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征
1.3.1 與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別
1.3.2 與現(xiàn)場總線的區(qū)別
1.3.3 傳感器結(jié)點的限制條件
1.3.4 組網(wǎng)特點
1.4 傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域
1.4.1 軍事領(lǐng)域
1.4.2 工業(yè)領(lǐng)域
1.4.3 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域
1.4.4 家庭與健康領(lǐng)域
1.4.5 環(huán)境保護領(lǐng)域
1.4.6 其他領(lǐng)域
1.5 傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史
1.5.1 計算設(shè)備的演化歷史
1.5.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程
1.5.3 我國傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況
1.6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的未來挑戰(zhàn)與展望
1.6.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的未來挑戰(zhàn)
1.6.2 展望
參考文獻
2 傳感器簡介
2.1 傳感器概述
2.1.1 傳感器的定義和作用
2.1.2 傳感器的組成
2.1.3 傳感器的分類
2.2 常見傳感器的類型介紹
2.2.1 能量控制型傳感器
2.2.2 能量轉(zhuǎn)換型傳感器
2.2.3 集成與智能傳感器
2.3 傳感器的一般特性和選型
2.3.1 傳感器的一般特性
2.3.2 傳感器選型的原則
2.4 微型傳感器示例
2.4.1 DS18820數(shù)字式溫度傳感器
2.4.2 溫濕度傳感器SHT1x/7x
參考文獻
3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)基礎(chǔ)
3.1 物理層
3.1.1 物理層概述
3.1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層的設(shè)計
3.2 MAC子層及協(xié)議
3.2.1 MAC子層
3.2.2 MAC協(xié)議概述
3.2.3 IEEE 802.11 MAC協(xié)議
3.2.4 典型MAC協(xié)議:S—MAC協(xié)議
3.3 路由協(xié)議
3.3.1 路由協(xié)議概述
3.3.2 地理位置路由協(xié)議
3.3.3 定向擴散路由協(xié)議
參考文獻
4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)
4.1 時問同步機制
4.1.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制
4.1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議
4.2 定位技術(shù)
4.2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)點定位問題
4.2.2 基于測距的定位技術(shù)
4.2.3 非測距的定位技術(shù)
4.2.4 定位系統(tǒng)的典型應(yīng)用
4.3 能量管理
4.3.1 能量管理的意義
4.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)的電源節(jié)能方法
4.3.3 動態(tài)能量管理
參考文獻
5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合與安全機制
5.1 數(shù)據(jù)融合
5.1.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合概述
5.1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)融合的作用
5.1.3 數(shù)據(jù)融合技術(shù)的分類
5.1.4 數(shù)據(jù)融合的主要方法
5.1.5 傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)融合示例
5.2 安全機制
5.2.1 安全概述
5.2.2 安全攻擊
5.2.3 SPINS安全解決方案
5.2.4 安全管理
參考文獻
6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標準
6.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標準的意義
6.2 IEEE 1451系列標準
6.3 IEEE 802.15.4標準
6.3.1 概述
6.3.2 IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)簡介
6.3.3 物理層
6.3.4 MAC子層
6.3.5 符合IEEE 802.15.4標準的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實例
6.4 ZigBee協(xié)議標準
6.4.1 ZigBee概述
6.4.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范
6.4.3 ZigBee系統(tǒng)軟件的設(shè)計開發(fā)
參考文獻
7 CC253x系列射頻收發(fā)微控制器
7.1 CC253x系列射頻收發(fā)微控器簡介
7.1.1 CPU和內(nèi)存
7.1.2 時鐘和電源
7.1.3 外設(shè)
7.1.4 無線模塊
7.2 AES協(xié)處理器
7.2.1 AES操作
7.2.2 密鑰和IV
7.2.3 填充輸入數(shù)據(jù)
7.2.4 AES協(xié)處理器和CPU通信
7.2.5 工作模式
7.2.6 CBC—MAC模式
7.2.7 CCM模式
7.2.8 層之間共享AES協(xié)處理器
7.2.9 AES中斷
7.2.10 AES DMA觸發(fā)
7.2.11 AES寄存器
7.3 定時器2(MAC定時器)
7.3.1 定時器操作
7.3.2 中斷
7.3.3 事件輸出(DMA觸發(fā)和(2SP事件)
7.3.4 定時器啟動/停止同步
7.3.5 定時器2的寄存器
7.4 無線模塊
7.4.1 RF內(nèi)核
7.4.2 FIF0訪問
7.4.3 DMA
7.4.4 存儲器映射
7.4.5 頻率和通道編程
7.4.6 IEEE 802.15.4—2006調(diào)制格式
7.4.7 1EEE 802.15.4—2006幀格式
7.4.8 發(fā)送模式
7.4.9 接收模式
7.4.10 RXFIFO訪問
7.4.11 無線模塊控制狀態(tài)機制
7.4.12 隨機數(shù)的產(chǎn)生
7.4.13 數(shù)據(jù)包分析器和無線模塊測試輸出信號
7.4.14 命令選通/CSMA—CA處理器
7.4.15 寄存器
8 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用
8.1 汽車道閘控制系統(tǒng)
8.1.1 概述
8.1.2 道閘控制系統(tǒng)的無線通信技術(shù)方案
8.1.3 道閘控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
8.1.4 道閘控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
8.1.5 實驗結(jié)果與分析
8.2 城市照明監(jiān)控系統(tǒng)
8.2.1 研究內(nèi)容
8.2.2 城市照明監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案
8.2.3 城市照明監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計
8.2.4 城市照明監(jiān)控系統(tǒng)的嵌入式軟件設(shè)計
8.2.5 城市照明監(jiān)控系統(tǒng)測試
8.3 高壓輸電線監(jiān)測系統(tǒng)
8.3.1 概述
8.3.2 高壓輸電線故障監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案
8.3.3 高壓輸電線故障監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計
8.3.4 高壓輸電線故障監(jiān)測系統(tǒng)的嵌入式軟件設(shè)計
8.3.5 實驗結(jié)果
參考文獻
附錄 中英文術(shù)語對照表