智能无线传感器网络系统（第二版） PDF下载

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　　《信息化与工业化两化融合研究与应用：智能无线传感器网络系统（第2版）》系统地论述了无线传感器网络的概念、特点和关键技术，通过与传统网络系统的对比分析，提出了无线传感器网络面临的诸多挑战性问题，总结了当前*的研究成果。全书分六部分，共13章。内容涉及无线传感器网络的概念、体系结构、研究与应用现状，无线传感器网络的通信技术、组网技术、管理技术和协同技术，无线传感器网络仿真与开发环境，以及无线传感器网络的典型应用实例。

　　相信通过阅读《信息化与工业化两化融合研究与应用：智能无线传感器网络系统（第2版）》，读者会加深对无线传感器网络的理解，为进一步研究提供良好的基础与参考。

　　《信息化与工业化两化融合研究与应用：智能无线传感器网络系统（第2版）》可作为计算机、通信、电子和自动化等专业本科高年级学生和研究生的教材，也可作为无线传感器网络领域的研究人员和工程技术人员的参考用书。

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《信息化与工业化两化融合研究与应用》序
序
第二版前言
第一版前言
第一部分 总论
第1章 绪论
1.1 无线传感器网络概述
1.1.1 无线传感器网络的基本概念
1.1.2 无线传感器网络的特点
1.1.3 无线传感器网络的应用领域
1.2 无线传感器网络的发展
1.2.1 无线数据网络
1.2.2 无线传感器网络
1.3 无线传感器网络的研究
1.3.1 无线传感器网络面临的挑战
1.3.2 无线传感器网络的关键技术
1.3.3 无线传感器网络技术发展趋势
参考文献
第二部分 无线传感器网络通信技术
第2章 无线传感器网络的物理层
2.1 物理层技术概述
2.1.1 物理层的基本概念
2.1.2 无线通信物理层的主要技术
2.2 IEEE 802.15.4
2.2.1 IEEE 802.15.4物理层概述
2.2.2 IEEE 802.15.4物理层服务规范
2.2.3 IEEE 802.15.4物理层的帧结构
2.3 超宽带技术
2.3.1 超宽带技术的基本原理
2.3.2 超宽带技术的特点
2.3.3 超宽带技术的研究现状
2.3.4 超宽带技术在无线传感器网络中的应用
2.4 无线传感器网络物理层的研究
2.4.1 无线传感器网络物理层需要解决的问题
2.4.2 无线传感器网络物理层的研究现状
2.5 无线传感器网络物理层面临的技术挑战
参考文献
第3章 无线传感器网络的信道接入
3.1 无线网络信道接入概述
3.2 基于竞争机制的信道接入技术
3.2.1 基于竞争协议的信道接入技术概述
3.2.2 隐藏终端和暴露终端
3.2.3 退避算法
3.3 基于固定分配的信道接入技术
3.3.1 FDMA方式
3.3.2 TDMA方式
3.3.3 CDMA方式
3.3.4 SDMA方式
3.4 按需分配的信道接入技术
3.4.1 PCF方式
3.4.2 WTRP方式
3.5 无线传感器网络信道接入技术的研究
3.5.1 无线传感器网络信道接入技术需要解决的问题
3.5.2 无线传感器网络信道接入技术的研究现状
3.5.3 SM-AC协议
3.5.4 DE-MAC协议
3.5.5 MD协议
3.6 无线传感器网络信道接入技术面临的技术挑战
3.7 信道接入算例——S-MAC算法
3.7.1 流程图
3.7.2 S-MAC算法伪代码
3.7.3 仿真实验
参考文献
第三部分 无线传感器网络组网技术
第4章 无线传感器网络的路由
4.1 无线网络路由协议概述
4.1.1 路由的基本概念
4.1.2 路由算法及协议
4.2 无线自组网络路由协议研究
4.2.1 无线自组网络路由协议需要解决的主要问题
4.2.2 无线自组网络路由协议的分类
4.2.3 无线自组网络平面路由协议
4.2.4 无线自组网络分层路由协议
4.2.5 无线自组网络地理定位辅助路由协议
4.3 无线传感器网络路由协议研究
4.3.1 无线传感器网络路由协议需要解决的问题
4.3.2 无线传感器网络路由协议的分类
4.3.3 无线传感器网络平面路由协议
4.3.4 网络分层路由协议
4.3.5 无线传感器网络地理定位辅助路由协议
4.4 无线传感器网络路由协议的优化
4.4.1 路由协议的比较
4.4.2 路由协议的优化方法
4.4.3 以数据为中心的启发式数据收集算法
4.5 无线传感器网络路由协议面临的技术挑战
4.6 路由算例——LEACH算法
4.6.1 流程图
4.6.2 LEACH算法伪代码
4.6.3 仿真实验
参考文献
第5章 无线传感器网络传输协议
5.1 无线传输协议概述
5.1.1 传输层的基本概念
5.1.2 传输协议
5.2 无线传感器网络传输协议研究
5.2.1 无线传感器网络传输协议需要解决的问题
5.2.2 PSFQ协议
5.2.3 ESRT协议
5.3 无线传感器网络与Internet的互联
5.3.1 网络互联结构
5.3.2 网络互联协议
5.4 传输协议算法——PSFQ算法
5.4.1 流程图
5.4.2 PSFQ算法伪代码
5.4.3 仿真实验
参考文献
第四部分 无线传感器网络管理技术
第6章 无线传感器网络的构建
6.1 无线传感器网络的拓扑发现
6.1.1 拓扑发现的基本概念
6.1.2 拓扑发现研究
6.1.3 拓扑发现面临的技术挑战
6.2 无线传感器网络节点定位
6.2.1 节点定位的基本概念
6.2.2 节点定位的研究
6.2.3 节点定位面临的技术挑战
6.3 无线传感器网络的时间同步
6.3.1 时间同步的基本概念
6.3.2 时间同步的研究
6.3.3 时间同步面临的技术挑战
6.4 定位算例——质心算法
6.4.1 流程图
6.4.2 质心算法伪代码
6.4.3 仿真实验
参考文献
第7章 无线传感器网络的网络管理
7.1 网络管理技术及协议概述
7.1.1 网络管理的基本概念
7.1.2 网络管理的基本内容
7.1.3 Internet网络管理协议
7.1.4 无线自组网络网络管理协议
7.1.5 无线传感器网络管理体系及协议
7.2 无线传感器网络的拓扑管理
7.2.1 拓扑管理的基本概念
7.2.2 拓扑管理的研究
7.2.3 拓扑管理面临的技术挑战
7.3 无线传感器网络的传感器管理
7.3.1 传感器管理的基本概念
7.3.2 传感器管理的研究
7.3.3 传感器管理面临的技术挑战
7.4 无线传感器网络的能量管理
7.4.1 能量管理的基本概念
7.4.2 能量管理研究
7.4.3 能量管理面临的技术挑战
7.5 无线传感器网络的网络性能监测
7.5.1 网络性能监测的基本概念
7.5.2 网络性能监测的研究
7.5.3 网络性能监测面临的技术挑战
7.6 无线传感器网络的安全管理
7.6.1 无线传感器网络的安全需求
7.6.2 无线传感器网络安全问题的特点
7.6.3 无线传感器网络安全问题的研究现状
7.6.4 基于生物免疫原理的无线传感器网络安全体系
7.6.5 实现无线传感器网络安全的途径
7.7 拓扑管理算例——SPAN算法
7.7.1 流程图
7.7.2 SPAN算法伪代码
7.7.3 仿真实验
参考文献
第五部分 无线传感器网络协同技术
第8章 无线传感器网络的协同问题
8.1 无线传感器网络协同问题概述
8.2 无线传感器网络协同需要解决的问题
8.3 典型的无线传感器网络协同问题——追踪
8.3.1 追踪问题描述
8.3.2 追踪步骤
8.4 协同问题算例——时延定位算法
8.4.1 流程图
8.4.2 时延定位算法伪代码
8.4.3 仿真实验
参考文献
第9章 协同信息处理方法
9.1 贝叶斯估计方法
9.1.1 贝叶斯估计的传感器节点模型
9.1.2 贝叶斯估计的过程模型
9.1.3 结论
9.2 卡尔曼滤波方法
9.2.1 卡尔曼滤波方法
9.2.2 扩展卡尔曼滤波方法
9.2.3 联合卡尔曼滤波方法
9.3 协同信息处理方法算例——卡尔曼滤波算法
9.3.1 流程图
9.3.2 卡尔曼滤波算法伪代码
9.3.3 仿真实验
参考文献
第10章 多智能体系统中的协同方法
10.1 多智能体系统概述
10.2 协同方法
10.2.1 合同网
10.2.2 组织结构设计法
10.2.3 多智能体计划调度
10.2.4 协商
10.2.5 设计协同方法的准则
10.3 分布式决策及搜索方法
10.4 多智能体系统中的协同方法算例——多智能体计划调度算法
10.4.1 流程图
10.4.2 多智能体计划调度算法伪代码
10.4.3 仿真实验
参考文献
第11章 基于多智能体理论的无线传感器网络协同方法
11.1 基于合同网及拍卖的无线传感器网络协同方法
11.1.1 基于合同网及拍卖的协同方法概述
11.1.2 无线传感器网络中任务间的相互作用关系
11.1.3 基于中心的任务分配方法
11.1.4 仲裁方法与组合拍卖方法
11.1.5 迭代式组合拍卖方法
11.1.6 动态仲裁方法
11.2 基于动态联盟的无线传感器网络协同方法
11.2.1 动态联盟方法概述
11.2.2 初始联盟的形成
11.2.3 联盟的形成
11.2.4 联盟的确认
11.3 基于组织结构设计的无线传感器网络协同方法
11.3.1 组织结构设计方法概述
11.3.2 组织结构设计方法的运行原理
11.4 基于分布式约束满足的无线传感器网络协同方法
11.4.1 分布式探测调度问题
11.4.2 低负载分布式方法
11.5 无线传感器网络协同问题面临的技术挑战
11.6 协同方法算例——动态仲裁算法
11.6.1 流程图
11.6.2 动态仲裁算法伪代码
11.6.3 仿真实验
参考文献
第六部分 无线传感器网络开发与应用
第12章 无线传感器网络的典型开发环境与仿真平台
12.1 无线传感器网络硬件系统
12.1.1 传感器节点设计与开发需要解决的问题
12.1.2 传感器节点的开发
12.2 无线传感器网络软件环境
12.2.1 TinyOS操作系统
12.2.2 nesC编程语言
12.3 无线传感器网络仿真平台
12.3.1 网络仿真概述
12.3.2 无线传感器网络仿真需要解决的问题
12.3.3 无线传感器网络仿真的研究
12.3.4 无线传感器网络常用的仿真软件
参考文献
第13章 无线传感器网络的应用
13.1 NSOF系统
13.1.1 NSOF系统概述
13.1.2 系统体系结构
13.1.3 NSOF系统关键技术
13.2 GDI系统
13.2.1 GDI系统概述
13.2.2 系统体系结构
13.2.3 原型系统与实验
13.3 建筑结构健康监测
13.3.1 建筑健康监测概述
13.3.2 系统体系结构
13.3.3 原型系统与实验
13.4 未来家庭健康监测
13.4.1 家庭健康监测概述
13.4.2 系统体系结构
13.4.3 WWM实验系统
参考文献
附录 英汉缩略语对照表

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第一部分总论

传感器是数据采集、信息处理的关键部件，它可以将物理世界中的一个物理量映射到一个定量的测量值，使人们对物理世界形成量化认识。传感器技术是新技术革命和信息社会的重要技术基础。目前，传感器技术已广泛应用于航天、航空、国防、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林、渔业生产、食品、家电等诸多领域。随着微电子、计算机和网络技术的发展，传感器技术正向着微型化、智能化、网络化、集成化的方向发展［1］。研究表明，只有网络化的智能传感器技术才能适应各种控制系统对自动化水平、复杂性以及环境适应性（如高温、高速、野外、地下、高空等）越来越高的要求。

归纳起来，可以将传感器网络的发展划分为以下四个阶段，第一代传感器网络、第二代传感器网络、第三代传感器网络和第四代传感器网络，如图0.1所示。

一般地，我们将具有简单点到点信号传输功能的传统传感器所组成的测控系统称为第一代传感器网络。第一代传感器网络通信采用二线制的4～20mA 电流或1 ～5V电压标准，只是初步实现了信息的单向传递，其缺点是布线复杂、抗干扰性差。虽然目前仍被广泛应用，但随着技术的进步，最终将被淘汰。

第二代传感器网络是由智能传感器和现场控制站组成的测控网络。传感器与现场控制站间的信号传输方式与第一代传感器网络基本相同，依然采用模拟电流或电压信号实现传感器信号传递。现场控制站间的通信是数字化的，串行数据接口标准RS-232、RS-485 等被广泛应用。

通常第三代传感器网络是指基于现场总线（field bus，FB）的智能传感器网络。现场总线是连接智能化现场设备和控制室之间的全数字、开放式的双向通信网络。现场总线的不断发展和基于现场总线通信协议的智能传感器网络的广泛应用，使智能传感器网络的通信技术进入局部测控网络阶段，且该局部测控网络通过网关和路由器可以实现与Internet/Intranet相连。现场总线技术的发展最终将导致现场总线控制系统（fieldbus control system，FCS）取代采用第二代传感器网络作为底层通信架构的集散控制系统（distributed controlsystem，DCS）。

人类进入21 世纪以后，MEMS 技术、低能耗的模拟和数字电路技术、低能耗的无线电射频（radio frequency，RF）技术和传感技术的发展使得开发小体积、低成本、低功耗的微传感器成为可能。这种新型的微传感器一般装备有：一个用于感知周围世界中的物理量的传感模块（如声、光、磁、视觉等），一个用于处理传感模块采集的信号的计算模块，一个用于通信的无线电收发模块和一个为微传感器的各种操作提供能量的电源模块。这种微传感器的体积小、重量轻，甚至可以在空气中悬浮。

与传统的大型传感器相比，微传感器的成本低廉，但覆盖范围小、功能单一、测量精度不高。因此，在实际的应用中，通常需要成千上万的微传感器协同工作。在这种需求的驱动下，第四代传感器网络――无线传感器网络的概念出现了。由于规模很大，无线传感器网络很难像前三代传感器网络那样，由人工进行精确的布设和管理，而更多的是表现出一种自主完成任务的“智能”性，同时新一代传感器网络的应用领域也发生了很大的变化。

1988 年，Weiser［2］提出了“普适计算（ubiquitous computing，UC）”思想，其基本思想是为用户提供服务的计算技术将从用户意识中彻底消失，用户和周围环境（无数大大小小的计算设备）在潜意识上进行交互，用户不会有意识地弄清楚服务来自周围何处，就好比我们每天重复着开电灯、关电灯动作，却不会在意电来自哪个发电厂一样。无线传感器网络技术正是这种普适计算思想的延伸。借助于由大量游离于我们四周的微传感器构成的网络，我们可以实时地监测周围物理环境的变化，不断地将一些模糊的感觉量化，将一些影响我们日常生活的物理现象信息化。可以说，无线传感器网络将逻辑上的信息世界与真实的物理世界融合在一起，改变着人与自然交互的方式。

无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注。最早开始新一代传感器网络技术研究的是美国军方。1978 年，DARPA在卡耐基-梅隆大学成立了新一代分布式传感器网络工作组。工作组根据军方对军用侦察系统的需求，研究传感器网络中的通信、计算问题以及传感器在普适计算环境中的使用问题［3，4 ］。此后，DARPA 又联合NSF设立了多项有关无线传感器网络的研究项目。这些研究推动了以网络技术为核心的新军事革命，建立了网络中心战的思想体系。美国海军副司令ArthurCebrowski曾经说：“我们时刻关注着正在兴起的基于传感器网络的战争。众所周知，只要我们能感知到敌人的存在，我们就一定能消灭之。”［5］无线传感器网络是网络中心战体系中面向武器装备的网络系统，是C4ISRT的重要组成部分。

目前，无线传感器网络的应用已由军事领域扩展到其他许多领域，能够完成诸如灾难预警与救助、家庭健康监测、空间探索等传统系统无法完成的任务。1999年，著名的美国商业周刊将无线传感器网络列为21世纪最具影响的21 项技术之一［6 ］；2003 年，MIT 技术评论（ Technology Rev iew）在预测未来技术发展的报告中，将其列为改变世界的10 大新技术之一［7］；2003年，美国商业周刊又在其“未来技术专版”中发表文章指出，传感器网络是全球未来的四大高技术产业之一，将掀起新的产业浪潮。

参考文献

［1］谷有臣，孔英，等．传感器技术的发展和趋势综述［J］．物理实验，2002 ，22（12）：40 ～ 42

［2］ Weiser M ． Some computer science issues in ubiquitous computing［J］． Communications of the ACM ，1993 ，36 ：75 ～ 85

［3］ Lacoss R ，Walton R ．Strawman Design for a DSN to Detect andTrack Low Flying Aircraft ［A］．Proc ．Distributed Sensor Nets Conf．［C］，1978 ：41 ～ 52

［4］ Hewish M ． Little brother is watching you ：Unattended groundsensors ［J］． Defense Review ， 2001 ，34（6）：46 ～ 52

［5］ Walrod J ．Sensor Network Technology for Joint Undersea Warfare［A］．Proc ．Of the NDIA Joint UnderseaWarfare TechnologyConference［C］，San Diego ，2002

［6］ Byrne J A ．21 ideas for the 21st century［J］．Business Week，1999 ，8 ：78 ～ 167［7］ 10 Emerging Technologies that Will Change theWorld ［J］．Technology Review ，2003 ，106（1 ）：33 ～ 49

第1 章绪论

1.1 无线传感器网络概述

1.1.1 无线传感器网络的基本概念

无线传感器网络和基于无线传感器网络的自主智能系统是涉及微机电系统、计算机、通信、自动控制、人工智能等多学科的综合性技术。

MEMS 的迅速发展奠定了设计和实现片上系统（system on chip，SOC）的基础，使得将多种传感器集成为一体，制造小型化、低成本、多功能的传感器节点成为可能。

大量的MEMS 传感器节点只有通过低功耗的无线电通信技术连成网络才能够发挥其整体的综合作用；更小、更廉价的低功耗计算设备代表的“后PC时代”冲破了传统台式计算机和高性能服务器的设计模式，普及的网络化带来了难以估量的计算处理能力。

在通信方式上，无线电、红外、声等多种无线通信技术的发展为微传感器间通信提供了多种选择，尤其是以IEEE 802.15.4为代表的短距离无线电通信标准的出现，无疑为无线传感器网络的发展奠定了坚实的基础。

具有群体智能的自治系统的行为实现和控制是自动控制和人工智能领域的前沿研究内容，从而为无线传感器网络的智能性提供了有力的技术支持。

以上几个方面的高度发展孕育出了许多新的信息获取和处理模式。无线传感器网络就是其中一例。随机分布的、集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络，借助于节点中内置的形式多样的传感器感知所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多我们感兴趣的物理现象，并通过无线通信传送信息，由此构成了无线传感器网络。

尽管很多文献给出了多种无线传感器网络的定义，但是实际上是大同小异的。

本书基于已有文献［1 ～ 7］，并结合自身的理解，给出了如下的无线传感器网络通用定义：无线传感器网络是由大量无处不在的，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统。

由于传感器节点数量众多，布设时只能采用随机投放的方式，传感器节点的位置不能预先确定；在任意时刻，节点间通过无线信道连接，自组织网络拓扑结构；传感器节点间具有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交互来完成全局任务。无线传感器网络是一种无中心节点的全分布系统。由于大量传感器节点是密集布设的，传感器节点间的距离很短，因此，多跳（multi-hop）、对等（peertopeer）通信方式比传统的单跳、主从通信方式更适合在无线传感器网络中使用，由于每跳的距离较短，无线收发器可以在较低的能量级别上工作。另外，多跳通信方式可以有效地避免在长距离无线信号传播过程中遇到的信号衰减和干扰等各种问题。

无线传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到现有的网络基础设施上，如Internet等。在后面这种情况中，远程用户可以通过Internet 浏览无线传感器网络采集的信息。

1.1.2 无线传感器网络的特点

在过去的80多年里，无线网络技术取得了突飞猛进的发展。从人工操作的无线电报网络到使用扩频技术的自动化无线局域、个域网络，无线网络的应用领域随着技术的进步不断地扩展。但迄今为止，主流的无线网络技术，如IEEE802.11［8 ］、Bluetooth［9］，都是为了数据传输而设计的，我们称之为无线数据网络。目前，无线数据网络研究的热点问题是无线自组网络技术［10］。作为Internet在无线和移动范畴的扩展和延伸，无线自组网络可以实现不依赖于任何基础设施的移动节点在短时间内的互联。与传统网络相比，无线自组网络具有以下显著特点［11～ 14 ］：

（1）无中心和自组织性：无线自组网络中没有绝对的控制中心，所有节点的地位平等，网络中的节点通过分布式算法来协调彼此的行为，无需人工干预和任何其他预置的网络设施，可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。由于网络的分布式特征、节点的冗余性和不存在单点故障瓶颈，使得网络的鲁棒性和抗毁性很好。

（2）动态变化的网络拓扑：网络的拓扑结构是指从网络层角度来看的物理网络的逻辑视图。在无线自组网络中，移动终端能够以任意速度和任意方式在网中移动，并可以随时关闭电台；无线收发装置的天线类型多种多样、发送功率随着携带能量的变化而变化；加之无线信道间的互相干扰、地形和天气等综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测。

（3）受限的无线传输带宽：无线自组网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。此外，考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪声和信道之间干扰