无线传感器网络的理论及应用 9787811242195 北京航空航天大学出版社 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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王殊 著

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• 无线通信
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• 数据采集
• 低功耗设计
• 嵌入式系统
• 北京航空航天大学出版社
• 通信工程

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出版社： 北京航空航天大学出版社

ISBN：9787811242195

商品编码：29896738892

包装：平装

出版时间：2007-07-01

基本信息

书名：无线传感器网络的理论及应用

定价：39.00元

作者：王殊

出版社：北京航空航天大学出版社

出版日期：2007-07-01

ISBN：9787811242195

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

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商品重量：0.640kg

编辑推荐

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内容提要

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全面论述无线传感器网络的理论与应用，在系统阐述无线传感器网络当前新理论成果的基础上，结合作者长期以来在该领域的研究工作，论述和总结无线传感器网络的发展、应用及所面临的诸多技术挑战。全书分为5篇，共22章。内容涉及无线传感器网络的概念、特点；无线传感器网络物理层、数据链路层、网络层和传输层的通信协议；无线传感器网络的拓扑控制、节点定位、时间同步、网内信息处理和网络安全等核心支撑技术；无线传感器网络的传感器节点、资源、任务、数据、网络部署、初始化和维护等自组织管理技术；无线传感器网络的仿真、硬件开发、操作系统、软件开发、ZigBee系统开发以及有关无线传感器网络的应用实例。
本书既可作为无线传感器网络领域的研究人员以及广大对无线传感器网络感兴趣的工程技术人员的参考用书，也可作为高等院校网络、通信、计算机、电子和自动化等专业本科高年级学生和研究生的学习教材。

目录

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第1篇 总论
　第1章 无线传感器网络概述
第2篇 无线传感器网络的通信协议
　第2章 无线传感器网络的物理层
　第3章 无线传感器网络的数据链路层
　第4章 IEEE802.15.4标准
　第5章 无线传感器网络的网络层
　第6章 无线传感器网络的传输层
　第7章 ZigBee协议规范
第3篇 无线传感器网络的核心支撑技术
　第8章 无线传感器网络的拓扑控制
　第9章 无线传感器网络的节点定位
　第10章 无线传感器网络的时间同步
　第11章 无线传感器网络的网内信息处理
　第12章 无线传感器网络的安全技术
第4篇 无线传感器网络的自组织管理技术
　第13章 无线传感器网络的节点管理
　第14章 无线传感器网络的资源与任务管理
　第15章 无线传感器网络的数据管理
　第16章 无线传感器网络的部署、初始化和维护管理
第5篇 无线传感器网络的开发与应用
　第17章 无线传感器网络的仿真技术
　第18章 无线传感器网络的硬件开发
　第19章 无线传感器网络的操作系统
　第20章 无线传感器网络的软件开发
　第21章 无线传感器网络应用于环境监测
　第22章 无线传感器网络应用于目标追踪
附录 英汉缩略语对照表

作者介绍

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文摘

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序言

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《无线传感器网络：基础理论与前沿技术》 内容提要 本书旨在全面深入地探讨无线传感器网络（WSN）的核心理论、关键技术以及广泛的应用前景。从基础的网络架构、传感器节点的设计原则，到数据采集、路由选择、能耗管理等核心问题，再到最新的研究热点与前沿技术，本书力求为读者构建一个系统、完整的知识体系。本书尤其侧重于理论的严谨性与技术的实用性相结合，既为研究者提供坚实的理论基础，也为工程师和开发者提供可行的技术方案和工程实现思路。 第一章：无线传感器网络概述 无线传感器网络（WSN）作为一种新兴的信息感知与处理技术，正以前所未有的速度渗透到社会生产和生活的各个领域。本章将首先阐述WSN的定义、发展历程及其在信息技术革命中的地位。我们将深入剖析WSN的基本组成部分，包括传感器节点、基站（汇聚节点）和管理节点，并详细介绍它们各自的功能和作用。 传感器节点是WSN的基石，其设计涉及硬件（传感器、微处理器、通信模块、能源模块）和软件（嵌入式操作系统、传感器驱动、通信协议栈）的协同优化。我们将重点讨论节点的传感能力，包括其类型、精度、采样频率以及数据预处理等关键指标。通信模块的设计则直接关系到网络的覆盖范围、数据传输速率和能耗，我们将在此介绍不同的通信技术，如Zigbee、Bluetooth、LoRa等，并分析它们在WSN中的适用性。能源模块是WSN面临的最大挑战之一，本书将深入探讨各种能源供给方式，包括电池供电、能量收集（如太阳能、振动能、射频能）以及节能技术的必要性。 基站作为网络的汇聚点，负责收集来自大量传感器节点的数据，并将其转发到后端服务器或互联网。其设计需要考虑高吞吐量、低延迟和良好的网络连接性。管理节点则负责网络的整体监控、配置和维护，确保网络的稳定运行。 本章还将分析WSN的典型网络拓扑结构，如星型、树型、网状型和混合型，并讨论不同拓扑结构在性能、可靠性和可扩展性方面的优劣。此外，我们将初步介绍WSN在感知范围、节点密度、通信方式等方面的特点，为后续章节的深入讨论奠定基础。 第二章：传感器节点设计与关键技术 本章将聚焦于传感器节点的具体设计和实现，这是WSN系统能否高效可靠运行的关键。我们将详细探讨传感器节点的关键技术，并分析不同技术选择对整体网络性能的影响。 在硬件层面，我们将深入研究各类传感器的原理、特性及其在不同应用场景下的选型。例如，温度传感器、湿度传感器、光照传感器、气体传感器、加速度传感器、压力传感器等，它们的工作原理、精度、响应时间、功耗等都将进行详细的比较和分析。微处理器作为节点的大脑，其选择直接影响到节点的计算能力、功耗和成本。我们将介绍不同类型的微控制器（MCU），如ARM Cortex-M系列、AVR系列等，并分析它们在功耗、处理速度和外设接口方面的差异。通信模块是节点之间以及节点与基站之间信息传递的桥梁，本章将深入剖析各种无线通信协议栈，如IEEE 802.15.4（Zigbee的基础）、Bluetooth Low Energy（BLE）、LoRaWAN等，详细讲解其MAC层和网络层协议的设计，以及它们在功耗、传输距离、数据速率和网络容量方面的权衡。 能源管理是WSN面临的核心挑战。本章将全面深入地探讨WSN的能量管理策略。首先，我们将分析传感器节点的能量消耗模型，识别主要的能量消耗源，如传感器采集、数据处理、通信发送和接收、以及空闲状态。接着，我们将详细介绍各种节能技术，包括硬件节能（低功耗组件、动态电压和频率调整）、软件节能（休眠策略、事件驱动的唤醒机制、智能调度）、以及通信节能（数据压缩、功率控制、数据聚合）。能量收集技术作为一种可持续的能源供给方式，也将被重点讨论，我们将分析太阳能、振动能、热能、射频能等能量收集技术的原理、效率以及在WSN中的应用前景。 此外，本章还将涉及传感器节点的软件设计，包括嵌入式操作系统的选择（RTOS、FreeRTOS等）、驱动程序的开发、以及应用程序的编写。数据采集与预处理技术，如采样率控制、滤波、量化、压缩等，将直接影响到数据的质量和传输效率，因此也将作为本章的重点进行阐述。 第三章：无线传感器网络通信协议栈 高效可靠的通信是WSN正常运行的生命线。本章将深入剖析WSN通信协议栈的各个层次，并分析主流协议的设计原理和关键技术。 我们首先将从物理层开始，讲解无线信号的传播特性、调制解调技术、信道编码以及误码率分析。这将为理解上层协议的健壮性提供基础。接着，我们将重点关注MAC层协议的设计。WSN的MAC层协议需要解决信道访问、冲突避免、同步以及能量效率等关键问题。我们将详细介绍时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）、码分多址（CDMA）以及载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）等介质访问控制机制，并分析它们在WSN中的适用性和改进方法。例如，对于能量效率至关重要的WSN，我们还将介绍一些低功耗MAC协议，如S-MAC、T-MAC、B-MAC等，它们通过引入休眠/唤醒机制和周期性监听来节省能量。 网络层是WSN通信协议栈的核心，负责路由选择、数据传输和网络管理。与传统IP网络不同，WSN的网络层协议需要充分考虑其节点数量庞大、拓扑动态变化、资源受限以及能量限制等特点。本章将重点介绍WSN的路由协议。我们首先会介绍基于拓扑的路由协议，如跳数计数（Hop Count）路由、最短路径（Shortest Path）路由等。然后，我们将深入探讨WSN中更具代表性的数据驱动（Data-Driven）和查询驱动（Query-Driven）路由协议，例如： 基于位置的路由： 如GPSR（Greedy Perimeter Stateless Routing），它利用节点的位置信息进行路由决策，适用于节点位置已知且分布相对均匀的网络。 能量感知路由： 如LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy），它通过将节点聚集成簇来延长网络的生命周期，减少能量消耗。我们还将讨论LEACH的变种和改进算法，以解决其存在的均匀能量消耗和网络稳定性问题。 兴趣点（Interest Point）路由： 针对特定应用场景，设计能够高效地将数据路由到感兴趣区域或节点的协议。 多路径路由： 提高网络的鲁棒性和数据传输的可靠性。 此外，我们还将讨论WSN网络层中的其他重要技术，如流量控制、拥塞控制、节点定位（Localization）以及数据聚合（Data Aggregation）技术，这些技术对于提高网络性能、降低通信开销至关重要。 第四章：无线传感器网络数据管理与处理 WSN产生海量的数据，如何有效地采集、存储、查询和分析这些数据，是实现WSN应用价值的关键。本章将深入探讨WSN的数据管理与处理技术。 首先，我们将讨论数据采集的策略和技术。这包括数据的采样频率、采样点选择、数据采集调度以及如何处理传感器噪声和误差。数据预处理技术，如滤波（低通、高通、中值滤波）、平滑、去噪、量化和压缩，将直接影响到后续的数据分析和传输效率。 数据传输是WSN中的一项高能耗活动，因此数据压缩和聚合技术至关重要。本章将详细介绍各种数据压缩算法，如行程长度编码（RLE）、霍夫曼编码、Lempel-Ziv算法等，以及它们在WSN中的适用性。数据聚合技术则旨在通过在节点或汇聚节点处对来自多个传感器的数据进行融合和统计，以减少冗余数据量，降低通信开销，延长网络寿命。我们将介绍几种典型的数据聚合算法，如最大值/最小值聚合、平均值聚合、计数聚合等，并分析它们的优缺点。 对于海量的传感器数据，高效的数据存储和查询机制是必不可少的。本章将介绍适用于WSN的分布式数据存储模型，以及如何设计高效的查询接口。我们将探讨时序数据库（Time-Series Database）在WSN数据存储中的应用，以及如何进行索引和优化查询。 最后，本章还将涉及WSN数据的分析与挖掘技术。这包括对传感器数据进行实时监测、异常检测、模式识别、趋势预测等。我们将初步介绍一些适用于WSN的机器学习算法，如聚类、分类、回归等，并探讨它们在环境监测、故障诊断、智能交通等领域的应用。 第五章：无线传感器网络安全与隐私保护 WSN的部署环境通常是开放的、缺乏物理防护的，这使得其面临严峻的安全威胁。本章将深入探讨WSN的安全挑战，并介绍相应的安全机制和隐私保护技术。 我们将首先分析WSN面临的典型安全威胁，包括窃听（Eavesdropping）、拒绝服务攻击（Denial of Service, DoS）、恶意节点（Malicious Nodes）、重放攻击（Replay Attacks）、假冒攻击（Impersonation Attacks）和消息篡改（Message Tampering）等。 针对这些威胁，本章将详细介绍WSN的安全机制。我们将重点讨论加密技术在WSN中的应用，包括对称加密、非对称加密以及轻量级加密算法。密钥管理是WSN安全中的一个重要问题，我们将介绍几种适用于WSN的密钥分发和管理方案，如基于预共享密钥的方案、基于公钥基础设施（PKI）的方案以及分布式密钥管理方案。 除了加密，认证机制也是保障WSN安全的关键。本章将介绍基于身份的认证、基于角色的认证以及基于信任的认证机制。我们将探讨如何设计轻量级的认证协议，以适应WSN节点的计算和通信资源限制。 对于可能存在的恶意节点，我们将介绍入侵检测和防御技术。这包括基于规则的检测、基于行为的检测以及基于机器学习的异常检测方法。此外，我们将讨论节点销毁（Node Disposal）和安全撤离（Secure Evacuation）等安全策略，以应对节点被攻击或损坏的情况。 在隐私保护方面，WSN收集的用户或环境数据可能包含敏感信息。本章将介绍隐私保护的原则和技术，包括匿名化（Anonymization）、差分隐私（Differential Privacy）以及安全多方计算（Secure Multi-Party Computation）等。我们将探讨如何在保障数据可用性的同时，最大程度地保护用户隐私。 第六章：无线传感器网络部署与应用 本章将从实践的角度出发，探讨WSN的部署策略和典型的应用场景。 首先，我们将分析WSN的部署过程，包括网络规划、节点布局、初始配置以及现场调试。我们将讨论影响部署的因素，如目标区域的地理环境、通信覆盖需求、能量供给条件、以及成本预算等。我们将介绍一些常用的节点布局优化算法，以及如何进行网络覆盖和连通性分析。 接下来，本章将详细介绍WSN在各个领域的广泛应用。我们将深入探讨以下几个关键应用方向： 环境监测： 包括空气质量监测、水质监测、土壤湿度监测、森林火灾预警、气象信息采集等。我们将分析WSN在这些场景下的具体需求和实现方案。 智能家居与楼宇自动化： 如智能照明、温度控制、安防监控、能源管理、家电远程控制等。 医疗健康监测： 包括生理参数监测（心率、体温、血压）、病人监护、跌倒检测、活动跟踪等。 工业自动化与监测： 如设备状态监测、生产过程控制、安全生产监测、资产跟踪等。 智慧农业： 如精准灌溉、土壤养分监测、病虫害预警、作物生长环境监测等。 智慧城市： 包括交通流量监测、停车位检测、路灯控制、垃圾箱监测、公共安全监控等。 军事与国防： 如战场侦察、目标跟踪、边界监控、环境感知等。 对于每个应用场景，我们将分析WSN在该领域面临的挑战，并介绍相应的解决方案和关键技术。我们将通过具体的案例分析，展示WSN如何帮助实现智能化、自动化和高效化的目标。 第七章：无线传感器网络前沿技术与未来展望 本章将聚焦于WSN领域最新的研究热点和前沿技术，并对WSN的未来发展趋势进行展望。 网络融合与协同： 随着物联网（IoT）的发展，WSN正与其他网络（如Wi-Fi、蜂窝网络、低功耗广域网LPWAN）进行深度融合。我们将探讨WSN与这些网络的互联互通、数据共享以及协同工作机制。 软件定义传感器网络（SDSN）： SDSN通过将网络控制功能从硬件中分离出来，实现网络的集中化管理和灵活配置。我们将介绍SDSN的架构、关键技术以及其在WSN中的优势，如动态的网络重构、服务质量（QoS）保证和按需部署。 人工智能与WSN： 人工智能（AI）与WSN的结合将极大地提升WSN的数据分析能力和决策水平。我们将探讨如何利用机器学习、深度学习等AI技术来优化WSN的路由、能耗管理、异常检测以及数据预测。边缘计算（Edge Computing）在WSN中的应用也将被重点讨论，它允许在靠近数据源的节点上进行数据处理和分析，减少对云端计算的依赖。 区块链技术在WSN中的应用： 区块链技术以其去中心化、可信和不可篡改的特性，为WSN的安全和数据可信度提供了新的解决方案。我们将探讨区块链如何在WSN中用于身份认证、数据完整性验证、以及节点间的安全协作。 面向特定场景的WSN： 针对水下WSN、天空WSN（无人机网络）、车载WSN等特殊应用场景，我们将探讨其特有的技术挑战和解决方案。 能源效率的极致追求： 随着对WSN可持续性的要求越来越高，能量收集技术、低功耗通信和高效能耗管理将继续是研究的重点。 标准化与互操作性： 随着WSN应用的普及，标准化组织和行业联盟在推动WSN技术的互操作性和跨平台兼容性方面将发挥越来越重要的作用。 最后，我们将对WSN的未来发展进行展望，预测其在智能社会、智慧生活以及科学研究中的更多可能性，并指出当前面临的主要挑战和未来的研究方向。 本书力求为读者提供一个全面、深入且具有前瞻性的WSN知识体系，希望能为相关领域的教学、科研和工程实践提供有价值的参考。

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