无线传感器网络

本书是一本关于无线传感器原理、设计与应用的学术专著。本书系统阐述了无线传感器网络的原理、设计和应用的问题，探讨了无线传感网络的设计过程和应用实例。本书旨在帮助读者设计和实现满足个人需求和目标的无线传感器网络。本书内容包括：无线传感器网络潜在的应用领域及面临的挑战；无线传感器网络的原理；无线传感器网络的硬件设计；无线传感器网络的嵌入式软件设计；无线传感器网络的路由策略；汇聚节点定位的优化；基于IEEE802.11b系统的无线传感器网络的干扰；传感器的数据融合与事件侦测；无线传感器网络的安全；移动目标的定位与跟踪；物流管理的射频识别与无线传感器网络的融合；物联网；Zigbee智能家居自动化系统；火灾安全防护的构建；无线传感网络的未来发展。

杨双华，男，1963年11月生。英国拉夫堡大学计算机系教授，网络通信与控制实验室主任。主要从事专业：无线通信、传感器网络、信息处理、过程控制、物联网、应急管理。主持英国自然科学基金、英国政府以及欧盟等提供的二十余项总额达两百万英镑的项目的研究工作。
出版英文专著2部，在计算机网络、系统控制、公共安全等领域的国际高水平期刊和国际会议发表学术论文200余篇，被谷歌学术索引的次数2000余次，最高单篇他引200余次。拥有英国专利1项。
学术任职：英国测量与控制学会会士(FelloW)；美国IEEE高级会员(Senior Member)；英国注册工程师；英国工程与物理科学基金评审委员。担任多个著名国际期刊的副主编；担任中国国家自然科学基金重大项目、中国国家科技奖及973项目海外评审专家；担任英国、爱尔兰、沙特、约旦、中国香港等国家和地区众多大学的教授资格评审专家。荣获2010年度英国测量与控制学会霍尼韦尔奖，研究成果受邀在2011年伦敦国际绿色建筑和节能环保展览会(ecoBuild 2011)展出。

译者序
原书致谢
原书前言
录
第1章绪论
1.1 无线通信技术
1.2无线传感器网络．．
1.3 无线传感器网络的应用领域
1.4 无线传感器网络设计与实现中的挑战
1.5本书的目标
参考文献
第2章无线传感器网络的原理
2.1 引言
2.2 IEEE 802. 15.4协议和无线传感器网络
2.2.1 开放式系统互联模型和无线传感器网络协议栈
2.2.2 IEEE 802. 15.4协议概述一
2.2.3全功能设备和精简功能设备
2.2.4 IEEE 802. 15.4协议的拓扑结构
2.2.5 IEEE 802.15.4协议的无线系统多路访问
2.3使用IEEE 802. 15.4协议构建无线传感器网络 "
2.3.1无线信道评估
2.3.2网络初始化
2.3.3网络构建公告
2.3.4监听／启动连接申请
2.3.5监听／启动移除申请
2.3.6网络命令发送／接收
2.3.7数据发送和接收
2.3.8时隙和非时隙具有冲突避免的载波侦听多路访问
2.3.9 IEEE 802.15.4协议的数据传输小结
2.4 ZigBee和无线传感器网络
2.4.1 ZigBee协议栈结构
2.4.2 ZigBee拓扑结构
2.4.3 ZigBee地址分配方案
2.4.4 ZigBee管理机制
2.5 6LoWPAN和无线传感器网络
2.6 小结
参考文献
第3章无线传感器网络的硬件设计
3.1 通用无线传感器网络节点体系结构
3.2 片上系统和基于组件设计
3.3 设计准则
3.3.1微处理器的选择
3.3.2通信设备选择
3.3.3传感器设计
3.3.4电源设计
3.4设计案例
3.4.1温度传感器设计
3.4.2 -氧化碳传感器设计
3.4.3传感器节点电路设计
3.5 电源管理
3.6 能量捕获
3.6.1太阳能捕获单元
3.6.2最大功率点跟踪单元
3.6.3电源管理单元
3.6.4设计案例
3.7 小结
参考文献
第4章无线传感器网络的嵌入式软件设计
4.1 引言
4.2 无线传感器网络的嵌入式软件设计
4.2.1 基于Jennic ZigBee的应用开发
4.2.2基于Contiki 6 LowPAN的应用开发
4.3 传感器驱动程序设计
4.3.1 传感器驱动程序设计一般步骤
4.3.2模拟流量传感器驱动程序设计
第5章线传感器网络中的路由技术
第6章汇聚节点位置的优化布局
第7章无线传感器网络与IEEE802.11b系统的互扰抑制
第8章传感器数据融合和事件检测
第9章无线传感器网络安全防御
第10章移动目标的定位与跟踪
第11章面向物流管理的无线射频识别/无线传感器网络的混合网络
第12章物联网
第13章基于ZigBee的智能家居系统
第14章建筑物消防安全防护：SafetyNET
第15章结论
名词术语

原书前言无线传感器网络( Wireless Sensor Network．WSN)因为低速率、低能耗和短程连接网络的特性，能以前所未有的规模和分辨率来监视和控制物理世界，越来越成为大规模跟踪和监控应用的解决方案。大量可采样、处理和传输信息到外部系统(如卫星网络或因特网( Intemet))的小型、无线传感器的配置应用，开启了许多崭新的应用领域。WSN的潜在应用包括工业控制和监测、智能家居和消费电子、安全和军事传感、资产跟踪和供应链管理、智能农业和健康监测等。美国麻省理工学院( Massachusetts Institute of Technology，MIT)将WSN界定为改变世界的十大新兴技术之一。物联网( Internet of Things，IoT)，在技术上得到WSN和其他相关技术的支持，2009年中国已将其列入国家经济发展战略新兴产业之一。WSN的研究主要集中在能耗、路由、容错、数据采集和操作系统，特别侧重于收集和汇总与汇聚节点（又称为WSN网关）相关联的特定网络的数据。一些关于单一或多种应用的异构传感器网络的连接的研究已经开展起来。文献记载最多的主要是可扩展性问题、可靠性、安全性、覆盖范围和大规模配置的相关研究。 本书专注于基于ZigBee的WSN的设计和应用研究，给出了我们过去几年研究和开发工作的第一手资料。本书的一个原则目标是全面覆盖大学课程的相关主题。 本书是我指导的9位博士研究生的研究成果和一些公共资助项目研究成果的总结。 本书的一个显著特点是，呈现给读者足够的技术细节，让他们能够实际重复实现我们的研究工作而不是仅仅理解背后的原理。我希望这是一个对于工业设计及大学教学和学术研究有价值的参考书。我相信广泛的目标受众是本书具有吸引力的原因之一，因为大部分目前非常有限的已经出版的无线传感器网络书籍主要用于学术研究或作为教材，阐述的是基本概念和原理，较少提供实际设计过程的指导。本书的独特之处就在于同时提供了无线通信原理和实际的WSN设计流程，以促使读者能够利用在本书中学到的技术做新的开发，并应用到他们自己的研究或工业项目中。 本书由3个部分组成，共计15章：第1部分（第1、2章）提供了WSN的原理；第2部分（第3-9章）专注于提供各种设计问题的解决方案；第3部分中的第10 N12章探讨WSN在室内位置跟踪、物流管理及物联网的应用技术，紧接下来的第13、14章提供了智能家居系统和建筑物消防安全防护的真实应用实例，第15章是本书结论。 目标受众本书既可作为教科书也可以作为参考书使用。本书的主要目标读者是在校大学生，书中引用的材料已经作为无线传感器网络理学硕士的教学讲义多次使用，学生的反馈也包含其中。本书的目标读者还包括相关领域的研究和开发团队，既包括来自学术界的学者，也包括科研院所与产业开发的研究者。本书也适用任何有兴趣深入了解WSN领域，但却一直无法找到现实生活中的无线传感器网络设计资料的读者。 致谢很多人已经直接或间接参与了本书内容的编撰工作。第3-l2章根据我以前学生的博士论文编撰而成，他们是姚方博士、卢欣博士、Hesham Abusaimeh博士、杨燕宁博士、Khusvinder Gill博士、Tareq Alhmiedat博士、杨焕甲博士和徐冉博士，以及近期完成博士学位论文的博士研究生Md Zaid Ahmad先生。我以前指导的访问学者夏伯楷教授、秦元庆博士及付贵增先生，我以前的研究助理Donato Salvatore先生，以及在读的博士研究生何薇薇女士和Hakan Koyuncu先生也参与到了本书的编撰工作。我非常感谢他们的辛勤工作和合作。我还要向来自con-sortiums SafetyNET( DCSI、Sure Technology、Jennic、Arqjva和ASFP)、In- deedNET(Advantica、SureTechnology、EMHA)和iNET项目(IDC)的工业合作伙伴们；向我的学术合作者浙江工业大学的王万良教授，华中科技大学的周纯杰教授，中国石油大学的田学民教授、夏伯楷教授，辽宁石油化工大学的李平教授，北京理工大学的陈杰教授和清华大学的袁宏勇教授，英国德比( Derby)大学的吴敏宏教授，表示真挚的谢意。 有太多需要感谢的人，包括TSB项目监测官员Guy Hirson(SafetyNET)先生和Mike Patterson (IndeedNET)先生，他们对我们的研究给出了建设性的指导意见；还有我在英国拉夫堡大学计算机科学系的同事们，感谢他们的热情和敬业的协助。 我还要感谢我的同事Roger Knott博士和Charlotte Cross (Springer-Verlag)女士对本书的校对，以及前博士研究生徐冉博士为本书所做的图形设计。 最后，我衷心感谢技术战略委员会通过技术项目( TP/J3521A，TP/3/PIT/6/I/16993)、碳联合信托公司、欧洲区域发展基金的运输iNET项目、EPSRC的通过数字创新的能源转化需求项目( TEDDI)下的能源项目(EP/1000267/1)、中国自然科学基金的重大国际合作项目( 61120106010)，以及清华大学主持的青年教师和研究人员合作交流Santander项目对我工作的资金支持。 杨双华教授2013年7月