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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 WMNMCS49

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