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第1篇 无线传感器网络概述3

第1章 无线传感器网络简介3

1.1短距离无线网络概述3

1.1.1短距离无线通信的特点3

1.1.2常用短距离无线通信技术的介绍3

1.2无线传感器网络发展历程7

1.2.1无线数据网络7

1.2.2无线自组织网络10

1.2.3无线传感器网络10

1.3无线传感器网络的特征11

1.3.1传感器网络的特点11

1.3.2传感器节点的限制13

1.4传感器网络的关键技术13

1.5无线传感器网络的应用18

1.6无线传感器网络仿真平台20

1.6.1 NS-2仿真平台21

1.6.2 OPNET仿真平台23

1.6.3 GloMoSim仿真平台24

1.6.4 TOSSIM的系统结构及仿真方法25

1.6.5 PowerTOSSIM26

1.7无线传感器网络开发平台28

1.8小结32

参考文献32

第2篇 无线传感器网络原理37

第2章 无线传感器网络体系结构37

2.1体系结构概述37

2.2无线传感器网络体系结构38

2.2.1无线传感器网络物理体系结构38

2.2.2无线传感器网络软件体系结构39

2.2.3无线传感器网络的协议栈41

2.2.4无线传感器网络通信体系结构41

2.3小结43

参考文献43

第3章 路由协议45

3.1概述45

3.2路由协议分类46

3.3典型路由协议分析48

3.3.1平面路由协议48

3.3.2层次路由协议52

3.3.3协议综合比较56

3.4小结56

参考文献57

第4章MAC协议60

4.1概述60

4.1.1研究现状和趋势60

4.1.2影响WSN的MAC协议因素60

4.1.3协议特点63

4.1.4 WSN的MAC协议设计策略64

4.2 WSN的MAC协议分类64

4.3 MAC协议分析比较65

4.3.1 MAC协议分析65

4.3.2 MAC协议的比较73

4.4小结75

参考文献76

第5章 拓扑控制79

5.1概述79

5.2拓扑控制设计目标与研究现状80

5.2.1拓扑控制的设计目标80

5.2.2拓扑控制的研究现状81

5.3拓扑模型与拓扑控制算法85

5.3.1拓扑模型85

5.3.2拓扑控制算法86

5.4小结93

参考文献95

第6章WSN定位技术101

6.1定位技术简介101

6.1.1基本概念和评价指标101

6.1.2定位算法的分类104

6.2测距方法106

6.2.1接收信号强度指示法106

6.2.2到达时间法107

6.2.3到达时间差法108

6.2.4到达角法108

6.3常用的定位计算方法109

6.3.1三边定位与求解109

6.3.2三角定位与求解109

6.3.3极大似然估计法110

6.4典型WSN定位系统和算法110

6.4.1 Active Badge定位系统111

6.4.2 Active Office111

6.4.3 Cricket定位系统111

6.4.4 APIT111

6.4.5 AHLos112

6.4.6 SPA相对定位113

6.4.7凸规划114

6.4.8 APS114

6.4.9 Cooperative Ranging和Two-Phase Positioning115

6.4.10 Generic Localized Algorithms116

6.4.11 MDS-MAP117

6.5定位算法设计的注意问题117

6.5.1典型定位系统和算法比较117

6.5.2定位算法设计的注意问题120

6.6小结121

参考文献121

第7章 时间同步125

7.1时间同步概述125

7.1.1消息传递过程分解125

7.1.2算法设计的影响因素125

7.1.3算法的性能指标126

7.2时间同步算法127

7.2.1经典时间同步算法127

7.2.2基于前同步思想的同步算法131

7.2.3基于后同步思想的时间同步协议133

7.3算法比较分析133

7.4小结135

参考文献136

第8章 安全技术137

8.1无线传感器网络安全基本理论137

8.1.1无线传感器网络安全的限制因素137

8.1.2系统假设138

8.1.3无线传感器网络的安全问题分析138

8.1.4无线传感器网络安全要求143

8.2无线传感器网络的安全技术研究144

8.2.1无线传感器网络密码技术145

8.2.2密钥确立和管理145

8.2.3无线传感器网络的路由安全146

8.2.4数据融合安全147

8.3无线传感器网络安全协议148

8.3.1符号148

8.3.2密钥管理148

8.3.3 SNEP：数据加密、认证、完整性和实时性150

8.4操作系统安全技术151

8.4.1无线传感器网络运行的操作系统151

8.4.2链路层加密方案Ⅰ （TinySec）—— TinyOS的安全保护措施152

8.4.3链路层加密方案 Ⅱ（SenSec）—— TinySec的改进154

8.5无线传感器网络安全的研究进展156

8.5.1密钥管理156

8.5.2身份认证157

8.5.3攻防技术158

8.6小结159

参考文献159

第9章 协议标准163

9.1标准概述与网络简介163

9.1.1 IEEE 802.15.4标准概述163

9.1.2 IEEE 802.15.4网络简介164

9.2 IEEE 802.15.4协议166

9.2.1工业无线通信协议166

9.2.2 IEEE 802.15.4网络协议栈170

9.3 ZigBee协议标准179

9.3.1 ZigBee是什么179

9.3.2 ZigBee标准概要179

9.3.3 ZigBee技术优势179

9.3.4 ZigBee协议栈180

9.3.5 ZigBee协议的消息格式及帧格式182

9.3.6 ZigBee网络拓扑184

9.4小结186

参考文献186

第3篇ZigBee实践开发技术——CC2430189

第10章ZigBee硬件平台189

10.1 ZigBee无线SoC片上系统CC2430/CC2431概述189

10.2 CC2430/CC2431芯片主要特点190

10.3 CC2430/CC2431芯片功能结构192

10.4 SoC无线CC2430之8051的CPU介绍194

10.4.1简介194

10.4.2存储器195

10.4.3特殊功能寄存器197

10.5 CC2410/CC2431主要外部设备199

10.5.1 I/O端口199

10.5.2 DMA控制器201

10.5.3 AES（高级加密标准）协处理器204

10.6无线模块207

10.6.1 IEEE 802.15.4调制方式209

10.6.2接收模式209

10.6.3发送测试模式210

10.6.4 CSMA-CA/选通处理器211

10.7 CC2430/CC2431所涉及的无线通信技术214

10.7.1清除信道评估CCA214

10.7.2无线直接频谱技术DSSS215

10.7.3载波侦听多点接入/避免冲撞CSMA/CA218

10.8 CC2431无线定位引擎介绍219

10.9基于CC2430/CC2431的ZigBee硬件平台220

10.9.1扩展表演板硬件描述220

10.9.2进入演示222

第11章CC2430开发环境IAR224

11.1软件安装224

11.2 ZigBee精简协议224

11.3软件设置及程序下载225

11.4软件使用实例226

11.4.1创建一个工作区窗口226

11.4.2建立一个新工程226

11.4.3添加文件或新建程序文件227

11.4.4设置工程选项228

11.4.5编译和链接231

11.4.6调试232

11.5取片内温度实例237

第12章 开发实践——环境监测239

12.1系统总体方案239

12.2 ZigBee芯片选择240

12.3系统硬件研制242

12.3.1射频传输模块242

12.3.2采集节点底板模块243

12.3.3 Coordinator节点底板模块245

12.4系统试验平台搭建246

12.4.1集成开发环境及调试器247

12.4.2系统联调与实现247

12.5小结252

参考文献253

第4篇ZigBee实践开发技术——JENNIC257

第13章 硬件平台257

13.1概述257

13.2硬件平台介绍257

13.2.1 GAINSJ开发板257

13.2.2 JN5121 SoC芯片258

13.2.3 JN5139 SoC芯片261

13.2.4 JN5121模块263

13.2.5 JN5139模块265

第14章 软件平台268

14.1软件介绍268

14.2软件安装268

14.3软件使用说明269

14.3.1打开工程文件269

14.3.2编译程序270

14.3.3烧写程序270

14.3.4新建工程272

14.4实验平台功能演示273

14.4.1基本功能介绍273

14.4.2开发案例介绍273

14.5可视化工具软件iSnamp-J276

14.5.1简介276

14.5.2特性276

第15章 开发实践——基于ZigBee协议栈进行开发284

15.1协议栈架构简介284

15.1.1新的概念简介284

15.1.2节点的类型简要解释286

15.1.3网络拓扑形式286

15.1.4地址模式287

15.2 ZigBee协议栈的开发接口API288

15.2.1应用的初始化函数290

15.2.2应用程序调用协议栈的函数290

15.2.3协议栈调用应用程序的函数292

15.3应用框架接口函数295

15.4 ZigBee Device Profile API300

15.5外围部件的操作304

15.5.1如何实现定时休眠唤醒304

15.5.2如何使用SPI接口305

15.5.3如何使用UART305

15.5.4如何使用GPIO306

参考文献307

第5篇TinyOS实践开发技术311

第16章nesC语言311

16.1 nesC语言简介311

16.1.1 nesC语言概述311

16.1.2 nesC语言组成311

16.1.3 nesC语言基本特点313

16.1.4 nesC编译技术314

16.1.5 nesC程序开发平台314

16.2语法与术语315

16.2.1变化315

16.2.2语法315

16.2.3术语318

16.3接口319

16.4组件320

16.4.1组件概述320

16.4.2组件语法与说明322

16.4.3模块及其组成325

16.4.4配件及其组成326

16.4.5属性声明328

16.5模块328

16.5.1说明329

16.5.2调用命令和事件信号330

16.5.3任务331

16.5.4原子陈述331

16.6结构332

16.6.1包含组件332

16.6.2配线332

16.6.3隐含连接334

16.6.4配线语义334

16.7 nesC协作337

16.8应用程序337

16.8.1装载C文件X338

16.8.2装载组件K338

16.8.3载入接口类型I339

16.9多样性339

16.9.1没有自变量的函数的C声明339

16.9.2注释339

16.9.3属性339

16.9.4编译-时间常量函数341

参考文献341

第17章TinyOS操作系统342

17.1 TinyOS简介342

17.2 TinyOS框架结构与特点344

17.2.1总体结构344

17.2.2基于组件的程序模型345

17.2.3组件化分层架构345

17.2.4操作系统特点概述347

17.3 TinyOS组件352

17.3.1组件说明与实现352

17.3.2并发模型352

17.3.3 TinyOS组件模型353

17.3.4应用示例——组件组合与无线通信357

17.4 TinyOS的系统模型363

17.4.1 TinyOS的系统模型363

17.4.2 TinyOS IDE设计与实现机制364

17.5 TinyOS通信模型366

17.5.1主动消息概述366

17.5.2基于主动消息的通信模型368

17.5.3主动消息的设计与实现368

17.5.4主动通信的缓存管理机制369

17.5.5主动消息的显式确认消息机制369

17.6 TinyOS事件驱动机制、调度策略369

17.6.1事件驱动机制369

17.6.2调度策略371

17.6.3 TinyOS并发模型与执行模块371

17.6.4用事件驱动方式从传感器读取数据373

17.7 TinyOS任务调度机制377

17.7.1调度机制概述377

17.7.2中断处理378

17.7.3任务队列379

17.7.4调度策略与能量管理机制379

17.7.5 TinyOS调度模型的特点380

17.7.6 TinyOS的调度机制不足381

17.7.7示例——用于处理应用数据的任务381

17.8 TinyOS硬软件实现382

17.8.1系统的硬件实现382

17.8.2系统的软件实现386

17.8.3 TinyOS支持多种不同设备386

17.8.4系统及硬件验证387

17.9 TinyOS协议栈389

17.10 TinyOS应用示例391

17.10.1应用程序示例：Blink391

17.10.2应用程序示例：数据收集应用程序398

17.11 TinyOS的安装400

17.11.1在Windows平台下下载和安装TinyOS自动安装程序401

17.11.2手动安装403

第18章TinyOS示例404

18.1 TinyOS示例——用事件驱动方式从传感器读取数据404

18.1.1 SenseM.nc模块404

18.1.2 Sense.nc配置406

18.1.3定时器与参数化接口407

18.1.4运行Sense应用程序408

18.2 Crossbow-OEM设计套件与网络操作408

18.2.1 Crossbow-OEM设计套件408

18.2.2 Crossbow-OEM网络操作409

18.2.3使用MoteView客户端程序查看无线传感器网络数据411

18.3传感器节点配置413

18.3.1 MoteConfig413

18.3.2安装414

18.3.3启动MoteConfig415

18.3.4本地程序烧写415

18.3.5远程/OTAP418

18.4 MoteView操作示例423

18.4.1简介423

18.4.2安装425

18.4.3快速启动应用426