本教材根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)工程本科專業(yè)的教學(xué)需要，結(jié)合無線傳感網(wǎng)的發(fā)展歷史、*趨勢和應(yīng)用現(xiàn)狀編寫而成，旨在系統(tǒng)闡述無線傳感網(wǎng)的核心技術(shù)、開發(fā)平臺，為學(xué)習(xí)者提供較為全局的視角。教材內(nèi)容論及近年來國際國內(nèi)無線傳感網(wǎng)的形成歷史和TinyOS開發(fā)平臺； 分析無線傳感網(wǎng)的組織架構(gòu)和協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，從平臺角度總結(jié)出一個無線傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)的基本要素； 隨后從無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議、路由協(xié)議、時間同步、數(shù)據(jù)感知與融合方面詳細介紹無線傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，并簡要介紹諸如拓?fù)淇刂�、�?jié)點定位等其他重要技術(shù)； *后，從無線傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)角度重點闡述TinyOS系統(tǒng)和NesC程序設(shè)計語言。
本書主要針對以下讀者，包括普通高等院校學(xué)習(xí)無線傳感網(wǎng)課程的本科生，涉及物聯(lián)網(wǎng)工程、網(wǎng)絡(luò)工程、計算機應(yīng)用、通信工程等信息技術(shù)類專業(yè)；也包括開設(shè)無線傳感網(wǎng)課程的職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)生，以及無線傳感網(wǎng)工程技術(shù)開發(fā)人員。*后，普通高等院校的碩士生、博士生也可將其作為了解和開發(fā)無線傳感網(wǎng)的入門參考教材。
本教材道器有效融合，既有工作原理的深入分析，也有應(yīng)用開發(fā)的設(shè)計實踐，點面結(jié)合；通過核心技術(shù) 開發(fā)實踐將相關(guān)章節(jié)有效聯(lián)系起來，系統(tǒng)性較強。教材內(nèi)容論及近年來國際國內(nèi)無線傳感網(wǎng)的形成歷史和TinyOS開發(fā)平臺；分析無線傳感網(wǎng)的組織架構(gòu)和協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，從平臺角度總結(jié)出一個無線傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)的基本要素；隨后從無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議、路由協(xié)議、時間同步、數(shù)據(jù)感知與融合詳細介紹無線傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，并簡要介紹諸如拓?fù)淇刂�、�?jié)點定位等其他重要技術(shù)；*后，從無線傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)角度重點闡述TinyOS系統(tǒng)和NesC程序設(shè)計語言。
前言
物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、因特網(wǎng)之后信息技術(shù)的第三次革命浪潮，是一個新興產(chǎn)業(yè)，而物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)則是教育部為該產(chǎn)業(yè)發(fā)展特別設(shè)立的新專業(yè)。無線傳感網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的一門核心課程，在培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能和課程體系建設(shè)中起著重要作用，我們總結(jié)出近年來課程建設(shè)和教學(xué)過程中的體會、經(jīng)驗，以開發(fā) 平臺的視角完成教材內(nèi)容的編寫工作。本書的目的是系統(tǒng)介紹無線傳感網(wǎng)的基本概念、發(fā)展歷程、基本原理和核心技術(shù)，以及學(xué)術(shù)界和工業(yè)界流行的TinyOS開發(fā)平臺，給學(xué)生較為整體的課程知識，以實踐為導(dǎo)向激發(fā)其專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。
形而上者謂之道，形而下者謂之器。本書在闡述無線傳感網(wǎng)理論知識的同時，融入實踐的視角組織文字，力求深入淺出。另一方面，在具體介紹無線傳感網(wǎng)實踐開發(fā)時，又力爭抽象出工作原理，以原理指導(dǎo)應(yīng)用開發(fā)。因此，本教材道器有效融合，既有工作原理的深入分析，也有應(yīng)用開發(fā)的設(shè)計實踐，點面結(jié)合；
通過核心技術(shù) 開發(fā)實踐將相關(guān)章節(jié)有效聯(lián)系起來，系統(tǒng)性較強。在上述寫作方針的指導(dǎo)下，全書共分10章，其章節(jié)內(nèi)容組織如圖1所示。
第1章為概述，介紹無線傳感網(wǎng)的發(fā)展概況、場景應(yīng)用和發(fā)展趨勢，并簡要闡述無線傳感網(wǎng)節(jié)點硬件、微操作系統(tǒng)平臺、節(jié)點開發(fā)語言。
第2章為無線傳感網(wǎng)的組織結(jié)構(gòu)，介紹無線傳感網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)、協(xié)議棧、核心技術(shù)、物理層基本概念，并通過具體應(yīng)用實例，描述無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的程序框架，拋出學(xué)習(xí)問題。
第3章為無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議，主要包括無線廣播信道、基于競爭的介質(zhì)訪問控制協(xié)議和混合介質(zhì)訪問協(xié)議，詳細闡述IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，簡要介紹其他類型的無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議。
第4章為無線傳感網(wǎng)路由協(xié)議，主要包括無線傳感網(wǎng)路由協(xié)議的特點、路由協(xié)議設(shè)計的核心問題，詳細闡述無線傳感網(wǎng)分層路由協(xié)議、平面路由協(xié)議的設(shè)計，重點分析工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。
第5章為無線傳感網(wǎng)同步技術(shù)，包括無線傳感網(wǎng)時間同步的必要性、同步技術(shù)分類、時間同步模型，詳細闡述無線傳感網(wǎng)經(jīng)典的時間同步機制。
第6章為無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)感知與融合技術(shù)，主要包括典型傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件、數(shù)據(jù)采集板和網(wǎng)關(guān)節(jié)點，模擬量采集
圖1本書章節(jié)內(nèi)容框架結(jié)構(gòu)
轉(zhuǎn)換的工作原理和組織結(jié)構(gòu)，并以一個實例介紹無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)感知、采集的系統(tǒng)組成和程序?qū)崿F(xiàn)。
第7章為無線傳感網(wǎng)其他核心技術(shù)，包括節(jié)點的能量管理機制、拓?fù)淇刂萍夹g(shù)、節(jié)點定位技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全控制。
第8章為微操作系統(tǒng)TinyOS，主要包括TinyOS的體系結(jié)構(gòu)、內(nèi)核調(diào)度機制，重點探討任務(wù)、事件和任務(wù)調(diào)度模型；
深入分析TinyOS及其應(yīng)用程序的啟動過程、TinyOS的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)、TinyOS的資源管理。
第9章為NesC程序設(shè)計語言，包括NesC語言的特點、組成，重點討論接口、組件、配置和模塊等概念；
深入分析NesC程序的運行模型、NesC語言的程序設(shè)計。
第10章為無線傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)，以兩個實例詳細介紹無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)，包括基于節(jié)點RSSI的位置識別、基于樹狀路由的無線傳感網(wǎng)多跳數(shù)據(jù)傳輸。
課時安排上，考慮到各個學(xué)校有各自的側(cè)重點，不同物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)辦學(xué)依托的學(xué)科不一樣，因此辦學(xué)特色也不盡相同，這些特色將決定該門課程內(nèi)容講授范圍不盡相同，建議大致課時為45～75。對于同一本教材，由于教學(xué)定位不同、教學(xué)對象不同，教學(xué)內(nèi)容也會有所不同，針對不同院校，為便于使用，我們建議的教學(xué)內(nèi)容如表1所示，這些內(nèi)容可根據(jù)實際情況做一定調(diào)整。
表1教學(xué)內(nèi)容建議
教學(xué)對象
章節(jié)內(nèi)容
普通高校物聯(lián)網(wǎng)工
程
本科專業(yè)
普通高校其他信息
技術(shù)類本科專業(yè)
職業(yè)技術(shù)類
第1章概述
▲
▲
▲
第2章無線傳感網(wǎng)的組織結(jié)構(gòu)
2.1～2.2
▲
▲
▲
2.3
▲
▲
2.4～2.5
▲
▲
▲
第3章無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議
3.1～3.2
▲
▲
▲
3.3
▲
3.4
▲
▲
▲
3.5
▲
▲
第4章無線傳感網(wǎng)路由協(xié)議
4.1～4.2
▲
▲
▲
4.3～4.4
▲○
○
4.5
▲
▲
▲
4.6
▲
▲
第5章無線傳感網(wǎng)同步技術(shù)
5.1
▲
▲
▲
5.2
▲
5.3
▲○
▲○
▲○
5.4
▲
第6章無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)感知與融合技術(shù)
6.1
▲○
▲○
▲
6.2
▲
▲
▲
6.3
▲
○
6.4
▲
▲
▲
第7章無線傳感網(wǎng)其他核心技術(shù)
7.1～7.2
○
7.3
▲
7.4
○
○
○
第8章微操作系統(tǒng)TinyOS
8.1～8.4
▲
▲
▲
8.5
○
第9章NesC程序設(shè)計語言
▲
▲
▲
第10章無線傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)
10.1
10.2
▲○
▲○
▲
○
注：▲表示必講，○表示內(nèi)部可選。
本書由無線傳感網(wǎng)課程組的老師合作編寫。熊書明負(fù)責(zé)制訂了全書的大綱、內(nèi)容安排和寫作風(fēng)格，負(fù)責(zé)編寫了第2~4章和第8章；
第1章由熊書明、辛燕與趙俊杰合寫完成；
辛燕負(fù)責(zé)完成第5章和第6章的編寫工作；
趙俊杰負(fù)責(zé)完成第7章和第9章的編寫工作；
包松負(fù)責(zé)完成第10章的編寫工作。熊書明負(fù)責(zé)完成了全書的統(tǒng)稿、組織和審校工作；
研究生郝偉強完成了本書大量插圖的繪制工作，胡永娣、王謙、蘇遠、王文駿參與了書稿的材料收集工作，感謝他們?yōu)楸緯冻龅男燎趧趧�。在此衷心感謝王良民教授，本教材的撰寫來自他對我們國家專業(yè)綜合改革試點的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)建設(shè)安排，最初是他把我?guī)нM了傳感網(wǎng)研究與物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)，這本教材的章節(jié)安排以及內(nèi)容設(shè)計多數(shù)來自和他商談討論中獲得的啟發(fā)，也是他的鼓勵和鞭策讓我最終負(fù)責(zé)完成了這本教材的編寫。作者所在課題組從2007年開始研究無線傳感網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)，先后承擔(dān)了與此有關(guān)的國家自然科學(xué)基金、國家統(tǒng)計局重點項目等多項課題，在無線傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用方面積累了較深厚的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，編寫過程得到江蘇大學(xué)重點教材建設(shè)項目的支持，在此表示感謝！本教材的相關(guān)實驗例程來自兼容TinyOS 2.x的韓伯開發(fā)套件，并根據(jù)需要做了適當(dāng)調(diào)整，同時，教材編寫的一些靈感來自無錫泛太公司實驗設(shè)備使用過程中的經(jīng)驗積累，也參考了眾多優(yōu)秀教材的編寫，在此一并衷心感謝。
由于作者水平有限，書中難免存在錯誤和不妥之處，敬請廣大讀者批評指正，在汲取大家建議和意見的基礎(chǔ)上，我們會不斷修正、完善本書內(nèi)容，聯(lián)系電子郵箱地址： 37939881@qq.com。專業(yè)建設(shè)任重道遠，希望本書的出版能為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)等的發(fā)展盡一份綿薄之力。
熊書明
2017年10月
于玉帶河畔
目錄
第1章概述
1.1無線傳感網(wǎng)發(fā)展概況
1.1.1無線傳感網(wǎng)簡介
1.1.2無線傳感網(wǎng)發(fā)展的幾個階段
1.1.3無線傳感網(wǎng)的主要特點
1.2無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用
1.3無線傳感網(wǎng)開發(fā)平臺簡介
1.3.1節(jié)點硬件
1.3.2無線傳感網(wǎng)微操作系統(tǒng)
1.3.3應(yīng)用開發(fā)語言
1.4無線傳感網(wǎng)發(fā)展趨勢
習(xí)題
第2章無線傳感網(wǎng)的組織結(jié)構(gòu)
2.1無線傳感網(wǎng)組織
2.1.1無線傳感網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)
2.1.2節(jié)點通信模塊
2.1.3控制器模塊
2.1.4節(jié)點其他模塊
2.2二維協(xié)議棧結(jié)構(gòu)
2.3無線傳感網(wǎng)的物理層
2.4無線傳感網(wǎng)核心技術(shù)
2.5簡單無線傳感網(wǎng)節(jié)點應(yīng)用實例
2.5.1應(yīng)用的整體框架
2.5.2應(yīng)用程序的功能實現(xiàn)
2.5.3值得思考的問題
習(xí)題
第3章無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議
3.1無線廣播信道
3.2無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議概述
3.3競爭的介質(zhì)訪問協(xié)議SMAC
3.3.1協(xié)議特點
3.3.2節(jié)點的偵聽與睡眠
3.3.3介質(zhì)訪問的沖突避免
3.3.4協(xié)議的通信結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.3.5協(xié)議的實現(xiàn)
3.3.6時延分析與性能測試
3.4混合介質(zhì)訪問IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)
3.4.1802.15.4概述
3.4.2物理層
3.4.3MAC層幀結(jié)構(gòu)
3.4.4MAC子層
3.5其他無線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議
習(xí)題
第4章無線傳感網(wǎng)路由協(xié)議
4.1無線傳感網(wǎng)路由概述
4.2路由設(shè)計的核心問題
4.3無線傳感網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)路由協(xié)議
4.3.1LEACH協(xié)議
4.3.2鏈路估計父節(jié)點選擇協(xié)議
4.3.3匯聚樹協(xié)議CTP
4.4無線傳感網(wǎng)平面結(jié)構(gòu)路由協(xié)議
4.4.1洪泛路由協(xié)議Flooding
4.4.2定向擴散路由協(xié)議DD
4.4.3AODV路由協(xié)議
4.5ZigBee路由協(xié)議
4.5.1ZigBee概述
4.5.2ZigBee協(xié)議棧
4.5.3ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
4.5.4網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)
4.5.5ZigBee協(xié)議的路由機制
4.6其他無線傳感網(wǎng)路由協(xié)議
習(xí)題
第5章無線傳感網(wǎng)同步技術(shù)
5.1同步技術(shù)簡介
5.1.1WSN時間同步的必要性
5.1.2WSN時間同步分類
5.2時間同步模型
5.2.1時鐘模型
5.2.2通信模型
5.2.3時間同步的誤差源
5.3無線傳感網(wǎng)時間同步機制
5.3.1時間同步的性能指標(biāo)和技術(shù)挑戰(zhàn)
5.3.2RBS時間同步協(xié)議
5.3.3TPSN時間同步協(xié)議
5.3.4LTS時間同步協(xié)議
5.4時間同步協(xié)議的分析比較
習(xí)題
第6章無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)感知與融合技術(shù)
6.1無線傳感網(wǎng)節(jié)點
6.1.1Mcia系列感知節(jié)點
6.1.2其他感知節(jié)點
6.1.3傳感器與傳感器板
6.1.4網(wǎng)關(guān)節(jié)點
6.2節(jié)點數(shù)據(jù)感知與采集
6.2.1節(jié)點數(shù)據(jù)采集模塊的構(gòu)成
6.2.2A/D與D/A轉(zhuǎn)換
6.2.3A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809
6.3無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)
6.3.1數(shù)據(jù)融合的定義和必要性
6.3.2無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)融合的分類
6.3.3簇內(nèi)數(shù)據(jù)融合技術(shù)
6.3.4網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)融合技術(shù)
6.4無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集實例
6.4.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成
6.4.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能實現(xiàn)
習(xí)題
第7章無線傳感網(wǎng)其他核心技術(shù)
7.1能量管理
7.1.1節(jié)點級低功耗技術(shù)
7.1.2網(wǎng)絡(luò)級能量管理
7.1.3應(yīng)用級能量管理
7.2拓?fù)淇刂?/p>
7.2.1分層拓?fù)淇刂?/p>
7.2.2功率調(diào)節(jié)拓?fù)淇刂?/p>
7.3定位技術(shù)
7.3.1GPS定位系統(tǒng)
7.3.2基于距離的定位技術(shù)
7.3.3距離無關(guān)的定位技術(shù)
7.4網(wǎng)絡(luò)安全
7.4.1無線傳感網(wǎng)的安全威脅
7.4.2兩類密碼體制
7.4.3無線傳感網(wǎng)路由安全
習(xí)題
第8章微操作系統(tǒng)TinyOS
8.1TinyOS概述
8.1.1TinyOS簡介
8.1.2TinyOS體系結(jié)構(gòu)
8.1.3TinyOS的安裝
8.2內(nèi)核調(diào)度機制
8.2.1任務(wù)
8.2.2事件
8.2.3任務(wù)調(diào)度模型
8.2.4調(diào)度器的實現(xiàn)
8.3TinyOS的啟動
8.3.1內(nèi)核啟動的過程
8.3.2應(yīng)用組件初始化
8.4TinyOS的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧
8.4.1TinyOS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧概述
8.4.2主動消息機制
8.4.3相關(guān)訪問接口
8.5TinyOS的資源管理
8.5.1資源概述
8.5.2資源的訪問接口
8.5.3微控制器電源管理
8.5.4通信模塊電源管理
8.5.5外設(shè)電源管理
習(xí)題
第9章NesC程序設(shè)計語言
9.1NesC語言概述
9.2NesC語言程序的組成
9.2.1接口
9.2.2組件
9.2.3配置
9.2.4模塊
9.3NesC程序的運行模型
9.3.1任務(wù)
9.3.2原子代碼
9.3.3內(nèi)部函數(shù)
9.3.4代碼的同步和異步
9.4NesC語言程序設(shè)計
9.4.1可視化的組件組織
9.4.2定時器應(yīng)用
9.4.3模擬量采集
9.5NesC通信程序設(shè)計舉例
習(xí)題
第10章無線傳感網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)
10.1基于RSSI的節(jié)點位置識別
10.1.1基于RSSI的距離測量原理
10.1.2三角測量法與Location Engine
10.1.3節(jié)點類型初始化和位置識別過程
10.1.4功能實現(xiàn)
10.1.5代碼編譯與運行測試
10.2利用Tree路由的多跳傳輸
10.2.1Tree路由實現(xiàn)的原理
10.2.2TestTreeApp配置文件和模塊文件
10.2.3TreeRouting配置文件和模塊文件
10.2.4TestTree與TreeRouting頭文件
10.2.5代碼編譯與運行測試
習(xí)題
參考文獻
書單推薦
