《無線傳感器網絡（微課視頻版）》共分為十章，前七章分別介紹了無線傳感器網絡的基本概念、體系結構、物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層以及定位、時間同步、安全、數據融合、接入技術等無線傳感器網絡的支撐技術，第八章介紹了無線多媒體傳感器網絡，第九章介紹了無線傳感器網絡的開發(fā)技術，包括硬件平臺、軟件平臺和仿真平臺，第十章介紹了智能交通和智能家居兩種應用實例，《無線傳感器網絡（微課視頻版）》配套有教學課件。 《無線傳感器網絡（微課視頻版）》適合作為普通高等學校電子信息、通信、計算機、物聯(lián)網等相關專業(yè)的本科生和碩士研究生的無線傳感器網絡課程教材，也可作為無線傳感器網絡及物聯(lián)網技術的科研人員和工程技術人員的參考用書。

《無線傳感器網絡（微課視頻版）》全面梳理無線傳感器網絡分層結構的控制機制和關鍵技術，主要介紹了無線傳感器網絡的基本原理和應用技術，幫助讀者形成關于無線傳感器網絡的系統(tǒng)全面的知識體系。

現(xiàn)代信息技術的三大基礎是傳感器技術、通信技術和計算機技術，無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)正是這三大技術結合的產物。無線傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等領域的先進技術，通過各類微型傳感器對目標信息進行實時監(jiān)測，由嵌入式計算資源對信息進行處理，并通過無線通信網絡將信息傳送至遠程用戶。因此，無線傳感器網絡一經提出，便成為備受關注的、多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。

無線傳感器網絡作為全新的技術領域，具有監(jiān)測精度高、容錯性能好、覆蓋區(qū)域大、可遠程監(jiān)控等眾多優(yōu)點，在軍事國防、工農業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等許多領域都有重要的應用，具有十分廣闊的應用前景，被列為十種將改變世界的新興技術之首，成為五個國防尖端領域之一，是信息產業(yè)的第三次革命浪潮物聯(lián)網的基石。

隨著無線傳感器網絡技術的不斷發(fā)展，教學內容也隨之發(fā)生改變。無線傳感器網絡成為物聯(lián)網工程、電子信息工程、通信工程、計算機等專業(yè)的重點課程之一。因此，編者在從事無線傳感器網絡技術多年工程實踐和教學活動的基礎上編寫本書，系統(tǒng)介紹了無線傳感器網絡的結構、原理、相關技術及最新成果，以適應當今社會發(fā)展的需要。

本書全面梳理了無線傳感器網絡分層結構的控制機制和關鍵技術，以幫助讀者形成關于無線傳感器網絡系統(tǒng)全面的知識體系。全書共分10章，各章內容如下。

第1章主要介紹了無線傳感器網絡的發(fā)展、特點、性能指標、包含的關鍵技術，與無線數據網絡、物聯(lián)網的區(qū)別與聯(lián)系，相關的標準協(xié)議，以及無線傳感器網絡的應用。

第2章主要介紹了無線傳感器網絡的體系結構，包括系統(tǒng)結構、節(jié)點結構、網絡結構、協(xié)議棧結構等。

第3章介紹了物理層的技術，包括無線電波與無線信道，調制與解調，天線，超寬帶、ZigBee、藍牙等短距離無線通信技術。

第4章介紹了數據鏈路層的控制，包括介質訪問控制層（MAC）協(xié)議、拓撲結構和控制技術、覆蓋和連通的模型和算法。

第5章介紹了網絡層協(xié)議，包括平面路由協(xié)議、分層路由協(xié)議以及其他路由協(xié)議。

第6章介紹了傳輸層機制，包括擁塞控制機制及以可靠性為中心的協(xié)議等。

第7章主要介紹了無線傳感器網絡的多種支撐技術，包括定位技術、時間同步技術、安全技術、數據融合技術和接入技術等。

第8章介紹了新興的無線多媒體傳感器網絡，包括無線多媒體傳感器網絡的架構、關鍵技術、編解碼技術、融合技術和跨層控制方法等。

第9章介紹了無線傳感器網絡的應用開發(fā)技術，包括CC2530硬件平臺、ZigBee協(xié)議棧組網、TinyOS等操作系統(tǒng)的軟件平臺、NS等仿真平臺。

第10章從設計角度分別介紹了智能交通和智能家居兩個應用實例。

為了適合教學需要，每章都提供了完整的教學課件和微課視頻，前9章后面均附有習題。通過本書的學習，可以系統(tǒng)掌握無線傳感器網絡的基本結構和原理、設計與開發(fā)的基本技術，為今后從事無線傳感器網絡系統(tǒng)和物聯(lián)網的應用與開發(fā)打下良好的基礎。

本書由北京建筑大學田啟川，太原科技大學喬建華、張雄、李素月、武迎春、武曉嘉、趙賢凌，西華大學謝維成、陳克力共同編寫。第1章由田啟川編寫，第2、10章由喬建華編寫，第3章由李素月編寫，第4章由謝維成編寫，第5章由陳克力編寫，第6章由武迎春編寫，第7章由喬建華、張雄編寫，第8章由武曉嘉編寫，第9章由趙賢凌編寫。全書由喬建華統(tǒng)稿。

感謝在編寫過程中許多老師的幫助和指正，以及侯筠、吳言等多位研究生的工作。同時，本書參考了大量文獻資料，并引用了部分成果，在此向這些文獻資料的作者們表示誠摯的感謝。

由于編者水平有限，書中難免有疏漏和錯誤，懇請讀者批評指正。

編者
2023年6月

喬建華 副教授，太原科技大學電子信息教研室主任。長期從事無線傳感器網絡、嵌入式系統(tǒng)、多媒體信號處理等領域的教學和研發(fā)工作。參編《微機原理與接口技術》《微機原理與單片微機系統(tǒng)及應用基于proteus仿真》等。
田啟川 教授，北京建筑大學人工智能系主任，全國信息技術標準化技術委員會生物特征識別分技術委員會委員。長期從事人工智能、生物特征識別、嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網應用等方面的研究、開發(fā)、標準制（修）訂及應用推廣工作。
謝維成 教授，西華大學電氣與電子信息學院碩士研究生導師，信號檢測與智能信息處理專家，四川省學術和技術帶頭人后備人選，美國喬治梅森大學計算機科學系訪問學者。主要從事信號檢測與控制、智能信息處理研究及應用開發(fā)。先后主持30余項省部級橫向科研項目，獲四川省政府二等獎、三等獎各1項。在國內外學術期刊及會議發(fā)表60余篇學術論文，含30余篇SCI、EI檢索論文，獲9項國家專利。

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第1章無線傳感器網絡概述

1.1無線傳感器網絡的發(fā)展

1.1.1發(fā)展歷程

1.1.2無線數據網絡

1.1.3無線傳感器網絡

1.2無線傳感器網絡的特點和性能指標

1.3無線傳感器網絡的關鍵技術

1.3.1關鍵技術

1.3.2面臨的挑戰(zhàn)

1.4無線傳感器網絡與物聯(lián)網

1.5無線傳感器網絡的標準化

1.5.1ISO/IEC JTC1 WG7標準框架

1.5.2IEEE 802.15系列相關標準

1.5.3IEEE 1451系列相關標準

1.6無線傳感器網絡的應用

習題1

第2章無線傳感器網絡的體系結構

2.1系統(tǒng)結構

2.2節(jié)點結構

2.2.1節(jié)點組成結構

2.2.2傳感器模塊

2.2.3微處理器模塊

2.2.4無線通信模塊

2.2.5電源模塊

2.2.6典型節(jié)點實例

2.3網絡結構

2.3.1扁平結構和分層結構

2.3.2單sink和多sink

2.4協(xié)議體系結構

2.4.1傳統(tǒng)網絡協(xié)議OSI參考模型

2.4.2WSN協(xié)議的分層結構

習題2

第3章物理層技術

3.1物理層概述

3.1.1物理層特性

3.1.2物理層設計要求

3.2無線電波與無線信道

3.2.1無線電波的傳播特性

3.2.2無線信道的傳播模型

3.3物理層主要技術

3.3.1信號調制與解調

3.3.2信道編碼

3.3.3擴頻通信

3.4天線

3.5短距離無線通信技術

3.5.1超寬帶技術

3.5.2ZigBee技術

3.5.3藍牙技術

3.5.4Wi�睩i技術

3.5.5紅外通信技術

3.5.6LORA技術

習題3

第4章數據鏈路層控制

4.1MAC協(xié)議

4.1.1MAC概述

4.1.2基于競爭的MAC協(xié)議

4.1.3基于分配的MAC協(xié)議

4.2拓撲控制

4.2.1網絡拓撲結構

4.2.2拓撲控制設計目標

4.2.3功率控制技術

4.2.4睡眠調度

4.3覆蓋和連通

4.3.1概述

4.3.2傳感器節(jié)點感知模型

4.3.3覆蓋的分類

4.3.4覆蓋算法

習題4

第5章網絡層協(xié)議

5.1路由協(xié)議概述

5.1.1網絡層的服務實體

5.1.2路由協(xié)議的基本問題

5.1.3路由的過程

5.1.4傳感器網絡路由的評價標準

5.1.5路由協(xié)議分類

5.2平面路由協(xié)議

5.2.1Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議

5.2.2SPIN路由協(xié)議

5.2.3DD路由協(xié)議

5.2.4Rumor路由協(xié)議

5.3分層路由協(xié)議

5.3.1LEACH路由協(xié)議

5.3.2HEED路由協(xié)議

5.3.3TEEN路由協(xié)議

5.3.4TTDD路由協(xié)議

5.3.5PEGASIS路由協(xié)議

5.4其他路由協(xié)議

5.4.1地理位置路由

5.4.2QoS路由協(xié)議

5.4.3多徑路由協(xié)議

習題5

第6章傳輸層機制

6.1傳輸控制協(xié)議概述

6.1.1無線傳感器網絡的傳輸協(xié)議需求

6.1.2傳輸層協(xié)議的功能

6.1.3TCP

6.1.4傳感器網絡傳輸層協(xié)議評價指標

6.2擁塞控制機制

6.2.1擁塞產生的原因

6.2.2擁塞的分類

6.2.3擁塞控制

6.2.4以擁塞控制為中心的協(xié)議

6.3可靠傳輸機制

6.3.1可靠性的定義

6.3.2可靠性保障的基本思想

6.3.3以可靠性為中心的協(xié)議

習題6

第7章無線傳感器網絡的支撐技術

7.1無線傳感器網絡的定位技術

7.1.1定位技術概述

7.1.2基于距離的定位

7.1.3與距離無關的定位

7.2無線傳感器網絡的時間同步

7.2.1時間同步概述

7.2.2無線傳輸的時延

7.2.3時間同步機制的基本原理

7.2.4同步算法分類

7.2.5典型時間同步協(xié)議

7.3無線傳感器網絡的安全

7.3.1安全問題概述

7.3.2安全攻擊和防護手段

7.3.3入侵檢測技術

7.3.4密鑰管理技術

7.3.5網絡安全框架協(xié)議

7.4無線傳感器網絡數據融合

7.4.1數據融合概述

7.4.2數據融合分類

7.4.3常用的數據融合算法

7.4.4無線傳感器網絡數據融合方法

7.4.5網絡層的數據融合

7.5接入技術

7.5.1多網融合體系結構

7.5.2面向WSN接入

7.5.3WSN接入Internet

7.5.4多網融合網關的硬件設計

習題7

第8章無線多媒體傳感器網絡

8.1無線多媒體傳感器網絡的架構

8.1.1基本概念

8.1.2通信協(xié)議架構

8.1.3單層結構

8.1.4多層結構

8.2無線多媒體傳感器網絡的關鍵技術

8.2.1多媒體信源編碼

8.2.2超帶寬技術

8.2.3服務質量要求

8.2.4節(jié)點系統(tǒng)

8.2.5覆蓋范圍

8.3多媒體信息編解碼技術

8.3.1靜態(tài)圖像編碼

8.3.2視頻編碼

8.3.3分布式信源編碼

8.4無線多媒體傳感器網絡的數據融合

8.4.1直方圖匹配

8.4.2雙線性插值

8.4.3圖像配準

8.4.4像素值圖像融合

8.4.5圖像/視頻數據融合方法

8.5無線多媒體傳感器網絡的跨層控制

8.5.1采用跨層方法的原因

8.5.2跨層設計方法及其優(yōu)勢

8.5.3跨層設計的應用

習題8

第9章無線傳感器網絡應用開發(fā)技術

9.1無線傳感器網絡應用設計原則

9.1.1體系結構設計原則

9.1.2節(jié)點設計原則

9.1.3跨層設計

9.2ZigBee硬件平臺與協(xié)議棧組網

9.2.1CC2530芯片的配置

9.2.2CC2530的無線收發(fā)器

9.2.3CC2530的開發(fā)環(huán)境

9.2.4ZigBee協(xié)議棧原理

9.2.5ZigBee組網

9.3無線傳感器網絡軟件平臺

9.3.1無線傳感器網絡操作系統(tǒng)

9.3.2TinyOS操作系統(tǒng)

9.3.3Contiki操作系統(tǒng)

9.3.4常見操作系統(tǒng)的對比分析

9.4無線傳感器網絡的仿真平臺

9.4.1TOSSIM

9.4.2OMNeT

9.4.3NS��2

9.4.4其他工具

習題9

第10章無線傳感器網絡應用實例

10.1無線傳感器網絡應用系統(tǒng)開發(fā)過程

10.2基于無線傳感器網絡的智能交通

10.2.1需求分析

10.2.2系統(tǒng)架構

10.2.3功能模塊

10.2.4軟件設計與測試

10.3基于無線傳感器網絡的智能家居

10.3.1相關技術

10.3.2需求分析

10.3.3系統(tǒng)架構

10.3.4功能模塊

10.3.5軟件設計與測試

參考文獻