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传感网原理与技术


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李士宁 等编著
978-7-111-45968-2
39.00
254
2014年05月16日

计算机 > 计算机网络

1795
简体中文
16

教材
物联网工程专业规划教材








勘误:本书51页第四段首句“如图2-41所示,”有误,请删除该文字,对造成的阅读障碍请广大读者原谅。
传感网原理与技术
李士宁 等编著
传感网是涉及多学科交叉的热点领域,它极大扩展了人们的知识获取能力,能够提供真实、有效、直接的信息,是移动互联网、物联网不可或缺的组成部分。传感网在国防、医疗、环境监测、城市管理、工农业生产等领域有着广泛的应用前景。
本书特点:
内容源自深厚的研究和实践基础。本书作者具有丰富的传感网研究和应用经验,主持过多项传感网相关的国家级重点项目和省部级项目。本书的内容基于作者的研究和工程实践经验,既有理论系统性和前沿性,又有实用性,是一本理论和实践融合极佳的教材。
教材内容体系科学合理。本书在内容安排上,充分考虑到传感网的初学者,特别是物联网工程专业学生学习传感网知识的需求,从传感网的各层协议、传感网的数据管理、传感网的关键技术到传感器网络的应用案例,层层深入,为学习者呈现出清晰的知识架构和学习路线。
叙述严谨,实例丰富。本书行文严谨,对概念、理论的介绍力求精准。同时,书中提供了技术的应用场景和案例,使读者不仅“知其然”,更“知其所以然”,在掌握传感网知识的基础上具备根据实际情况进行开发和应用的能力。
教辅资源齐备。作者在教学建议中为使用本书开设传感网课程的不同类型高校提供了课时、教学内容、实践教学方面的指导;每章后都给出了习题、进一步阅读的参考,帮助学生巩固所学,并不断拓展知识面;书中给出了实验项目和课程实验教学指导,有助于教师开展实践教学;本书还为教师提供PPT、习题答案等资源,方便教师教学。

前:
传感网是物联网的重要组成部分,具有明显的多学科交叉特征。从事计算机、通信、自动控制等不同专业的研究人员均可从不同角度切入该领域,从不同技术层面开展相关研究工作。本书融入了作者多年来在传感网领域的科研、教学经验,依据物联网工程专业的教学要求安排内容,系统介绍了传感网的基本概念、基本理论和关键技术,并给出了典型应用案例,既有深厚的理论基础,又体现了工程实践方面的成果。

后:
李士宁
西北工业大学计算机学院教授,博士生导师,计算机系统与微电子系主任,物联网工程专业负责人,陕西省传感网与智能控制工程技术研究中心副主任,中国计算机学会传感器网络专委会委员。曾在电信科学研究院从事无线与移动通信技术研究10余年,主持开发了多种无线通信系统。主要研究方向是无线传感器网络、移动计算。主持国家科技支撑计划、863计划、国防预研、省重大专项等项目,目前主要从事无线传感器网络技术在精细农业中的应用研究。

  勘误:本书51页第四段首句“如图2-41所示,”有误,请删除该文字,对造成的阅读障碍请广大读者原谅。
物联网被称为继计算机、互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮。2012年,国务院将以物联网为代表的新一代信息技术列为重点培育和发展的战略性新兴产业。2013年,教育部将“物联网工程”专业(专业代码:080905)列入了计算机类专业。
  “物联网工程”是一个新兴专业,这决定了专业建设没有成熟的、体系化的经验可以借鉴,专业建设极具探索性。为探讨并解决这些问题,在教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导分委员会(以下简称计算机教指委)的指导下,成立了“物联网工程专业教学研究专家组”(以下简称专家组),开始体系化地推进物联网工程专业建设和教学研讨工作,制定了《高等学校物联网工程专业发展战略研究报告暨专业规范(试行)》(以下简称“规范”),由机械工业出版社出版。规范定义了该专业核心课程的教学大纲及涵盖的知识单元。
  “传感网原理与技术”是物联网工程专业的核心课程,本书按照“规范”的精神编写,便于在教学中与其他核心课程衔接。传感器网络(以下简称传感网)具有明显的多学科交叉特征,因此,原来从事计算机、通信、自动控制等专业领域研究的工作者纷纷从不同角度切入该领域,从不同技术层面开展传感网的研究工作。国内外研究者投入了大量精力,积极开展传感网标准、技术和应用方面的研究和开发工作。我国把传感网列入长期发展规划之中,特别是2010年远景规划和“十五”计划中已将无线传感网列为重点发展的产业之一。作者所在课题组从2003年开始从事传感网的研究,先后承担了与传感网相关的国家自然科学基金、国家重大专项、物联网专项、国家863计划等多项相关课题,在传感网研究与应用方面有较为深厚的技术积累,其中一项传感网应用成果入选国家“十一五”重大科技成就展。我们希望将传感网理论研究和工程实践方面的研究成果与大家共享,这正是编写此书的初衷。
  本书系统地介绍了传感网的基本概念、基本理论和关键技术。全书共分6章。第1章主要介绍传感网的历史发展、基本概念和体系结构。第2章根据通信协议分层结构阐述了传感网各层协议的设计目标和典型的协议标准,特别对6LoWPAN 标准进行了详细介绍,该标准允许在传感网中传输IPv6数据包。第3章介绍传感网的数据管理技术,特别介绍了加州大学伯克利分校研发的传感网数据管理系统TinyDB。第4章介绍了传感网的关键技术,包括拓扑控制、能量管理、时间同步、节点定位技术等,是传感网的重要内容。第5章以几个典型应用为案例,介绍了传感网应用设计的基本原理,应用开发、部署与维护阶段的关键技术。第6章介绍了适用于传感网的操作系统TinyOS,以几个案例为基础阐述了如何利用TinyOS对传感网的应用进行实验或仿真。各章最后附有参考文献,以供读者进一步学习研究。
  本书是西北工业大学计算机学院传感网课题组共同努力的结果,李志刚、杨丽娜、张羽、马峻岩、裘莹、李君伟、张振海、夏先进、段嘉奇、詹东昀、罗国佳等老师与同学参与了编写,感谢他们对本书付出的辛勤劳动。书中引用了其他同行的研究成果,在此表示感谢。最后要特别感谢机械工业出版社华章公司在组织出版和编辑工作中所给予的支持,感谢他们为本书出版付出的辛勤劳动。
  由于作者水平有限,书中难免存在疏误之处,希望得到广大读者的指正。在吸取大家意见和建议的基础上,我们会不断修正和完善本书内容,为推动传感网基础理论和技术的进步略尽微薄之力。

李士宁
前言
教学建议
第1章 绪论?/1
1.1 传感网的起源与发展?/1
1.2 传感网的体系结构?/3
1.2.1 传感器节点体系结构?/3
1.2.2 传感网的网络结构?/4
1.3 传感网的核心技术?/5
1.4 传感网的主要特点?/7
1.5 传感网的应用?/8
1.5.1 军事应用?/8
1.5.2 环境监测?/10
1.5.3 医疗卫生?/12
1.5.4 智能家居?/12
1.5.5 其他方面?/13
1.6 传感网与物联网的关系?/13
1.7 本章小结与进一步阅读的文献?/14
习题1?/14
参考文献?/14
第2章 传感网通信协议?/16
2.1 物理层的协议设计?/16
2.1.1 IEEE 802.15.4物理层标准?/17
2.1.2 868/915 MHz频段物理层?/18
2.1.3 2.4 GHz物理层描述?/19
2.1.4 各频段通用规范?/20
2.2 MAC层协议?/21
2.2.1 传感网MAC协议设计原则?/21
2.2.2 IEEE 802.15.4 MAC?/21
2.2.3 S-MAC?/22
2.2.4 B-MAC?/24
2.2.5 RI-MAC?/25
2.2.6 实例:TinyOS MAC层协议分析?/26
2.3 路由协议?/29
2.3.1 路由协议简介?/29
2.3.2 分发协议?/30
2.3.3 汇聚协议?/32
2.4 传输层?/42
2.4.1 传输层的挑战?/43
2.4.2 可靠多段传输协议(RMST)?/44
2.4.3 慢存入快取出协议(PSFQ)?/45
2.4.4 拥塞检测和避免协议(CODA)?/48
2.4.5 可靠的事件传输协议(ESRT)?/50
2.5 6LoWPAN标准?/52
2.5.1 6LoWPAN简介?/52
2.5.2 6LoWPAN协议栈体系结构?/53
2.5.3 6LoWPAN适配层?/54
2.5.4 6LoWPAN路由协议?/55
2.5.5 6LoWPAN传输层?/55
2.6 ZigBee标准?/56
2.7 本章小结与进一步阅读的文献?/58
习题2?/58
参考文献?/59
第3章 传感网数据管理?/60
3.1 概述?/60
3.1.1 传感网数据管理系统的体系结构?/61
3.1.2 传感网数据管理系统的数据模型?/63
3.2 数据管理技术?/64
3.2.1 数据查询?/64
3.2.2 数据索引?/68
3.2.3 网络数据聚合?/72
3.3 实例:TinyDB系统?/77
3.3.1 TinyDB系统简介?/77
3.3.2 TinyDB的系统结构?/78
3.3.3 TinyDB系统组成?/78
3.3.4 查询语言?/80
3.3.5 TinyDB系统仿真?/80
3.4 本章小结与进一步阅读的文献?/84
习题3?/85
参考文献?/85
第4章 传感网关键技术?/87
4.1 命名与寻址?/87
4.1.1 基本原理?/87
4.1.2 地址管理?/88
4.1.3 地址分配?/89
4.1.4 基于内容和地理位置寻址?/90
4.2 拓扑控制?/90
4.2.1 概述?/91
4.2.2 功率控制?/92
4.2.3 层次拓扑?/96
4.3 能量管理?/101
4.3.1 概述?/101
4.3.2 能耗优化策略?/102
4.4 时间同步?/107
4.4.1 概述?/108
4.4.2 事件同步?/113
4.4.3 局部同步?/115
4.4.4 全网同步?/118
4.5 节点定位?/121
4.5.1 概述?/121
4.5.2 节点位置的基本计算方法?/124
4.5.3 测距定位?/125
4.5.4 非测距定位?/132
4.6 本章小结与进一步阅读的文献?/136
习题4?/139
参考文献?/140
第5章 传感网应用?/144
5.1 概述?/144
5.2?传感网应用设计基本原理?/144
5.2.1?设计因素?/145
5.2.2 架构设计?/146
5.2.3 硬件设计?/147
5.2.4 软件设计?/150
5.3 应用开发、部署与维护技术?/150
5.3.1 开发技术?/151
5.3.2 部署技术?/156
5.3.3 维护技术?/156
5.4 环境监测类案例:精准农业应用?/158
5.4.1 概述?/158
5.4.2 系统架构?/158
5.4.3 软硬件介绍?/159
5.5 事件检测类案例:反狙击系统?/162
5.5.1 概述?/162
5.5.2 系统架构?/163
5.5.3 软硬件介绍?/163
5.6 目标追踪类案例:警戒网?/165
5.6.1 概述?/165
5.6.2 系统架构?/166
5.6.3 软硬件介绍?/166
5.7 案例分析:金门大桥震动监测?/168
5.7.1 应用需求?/168
5.7.2 系统架构?/168
5.7.3 硬件设计?/169
5.7.4 软件设计?/171
5.8 光纤传感技术?/173
5.8.1 光纤传感器?/173
5.8.2 光纤传感系统组成?/174
5.8.3 光纤传感技术的应用?/175
5.9 本章小结与进一步阅读的文献?/175
习题5?/176
参考文献?/177
第6章 基于TinyOS的传感网应用开发?/180
6.1?典型的无线传感网开发套件?/180
6.1.1 MICA系列节点?/180
6.1.2 MICA系列处理器/射频板?/183
6.1.3 MICA系列传感器板?/185
6.1.4 编程调试接口板?/186
6.1.5 国内外其他典型的无线传感网节点?/187
6.2 nesC语言基础?/188
6.2.1 简介?/188
6.2.2 术语?/190
6.2.3 接口(interface)?/192
6.2.4 组件(component)?/194
6.2.5 模块(module)?/197
6.2.6 配件(configuration)?/202
6.2.7 应用程序样例?/207
6.3 TinyOS操作系统?/210
6.3.1 组件模型?/211
6.3.2 事件驱动的并发执行模型?/211
6.3.3 通信模型?/212
6.4 TinyOS开发环境搭建?/214
6.4.1 创建Ubuntu虚拟机?/215
6.4.2 安装Java编译运行环境?/216
6.4.3 安装必备工具?/217
6.4.4 下载并编译安装nesC编译器?/217
6.4.5 下载并安装TinyOS?/218
6.4.6 下载并安装AVR交叉编译工具链?/218
6.4.7 测试TinyOS开发环境?/218
6.5 简单无线传输?/221
6.5.1 BlinkToRadio依赖的其他组件?/222
6.5.2 BlinkToRadio的执行过程?/224
6.5.3 内存所有权?/226
6.6 简单数据分发?/227
6.6.1 数据分发依赖的组件?/227
6.6.2 数据分发例程?/228
6.7 简单数据汇聚?/230
6.7.1 数据汇聚依赖的组件?/231
6.7.2 数据汇聚例程?/232
6.8 TinyOS仿真平台——TOSSIM?/235
6.8.1 TOSSIM简介?/236
6.8.2 仿真库的编译?/236
6.8.3 仿真脚本的编写?/236
6.8.4 仿真例子?/238
6.8.5 高级功能简介?/240
6.9 本章小结与进一步阅读的文献?/241
习题6?/241
参考文献?/242
附录 《传感网原理与技术》实践教学大纲?/243
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