无线传感器网络技术与应用.pdf

21 世 纪 通 信 网 络 技 术 丛 书 网络通信与工程应用系列 无线传感器网络技术与应用 陈林星 编著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书介绍无线传感器网络技术，主要包括三个部分的内容：无线传感器网络概述，包括基本概念、发展历史、主要技术、网络设计主要影响因素；无线传感器网络技术，包括 MAC、路由、拥塞控制与可靠传输、数据融合、安全、定位、同步、中间件方面的技术；无线传感器网络应用与编程，包括应用设计原理、网络编程、分层编程技术、融合应用编程体系架构。本书内容丰富、新颖，概念清楚，层次结构合理、明晰，涵盖了当前国际上无线传感器网络的主要研究成果及内容，可帮助读者尽快全面了解和掌握无线传感器网络技术。本书可供从事无线传感器网络的科研人员、工程技术人员、院校师生，以及所有对此感兴趣的人士阅读和参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 无线传感器网络技术与应用陈林星编著.北京：电子工业出版社，2009.3（21 世纪通信网络技术丛书网络通信与工程应用系列）ISBN 978-7-121-08409-6 I.无 .陈 .无线电通信传感器 .TP212 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2009）第 030090 号 责任编辑：王春宁 特约编辑：刘 涛 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：25.75 字数：640 千字 印 次：2009 年 3 月第 1 次印刷 印 数：3 500 册 定价：69.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。出 版 说 明 通信网络技术是当今发展最快、应用最广和最前沿的通信领域之一。通信技术发展到今天，已经不是传统意义上的充满神秘色彩的深奥技术了，它已经与日常的应用密不可分。可以说，网络的出现，使通信技术得以有了广阔的用武之地。正是由于有了固定电话网、移动通信网和Internet，使通信技术的应用在这些平台上有了用武之地，渗透到了我们日常生活的方方面面。为了促进和推动我国通信产业的发展，电子工业出版社通信分社特策划了一套21 世纪通信网络技术丛书。这套丛书根据不同的层面,又细分为三个系列：、和。是从移动通信技术（3G 技术）的应用现状与发展情况出发，全面介绍当今移动通信领域涉及的关键技术与热点技术，例如，软件无线电；移动 IP 技术；移动数据通信；WCDMA；TD-SCDMA；cdma2000 移动通信系统网络规划与优化；智能天线技术；认知无线电技术；WiMAX，WiFi，ZigBee 宽带无线接入技术；UWB 技术；UMTS技术；Ad Hoc 技术等。是以 3GPP 中 LTE 标准的关键技术在无线、宽带、高速、资源的有效管理和利用，以及在 B3G/4G 无线通信领域的应用为主。LTE 作为 3G 技术的一个重要的长期演进计划，代表了国际无线通信领域的最新发展需求和解决方案，例如：基于 OFDM 的上、下行（HSxPA）的多址接入技术、随机接入技术、多天线 MIMO 技术、多链路自适应技术、多播技术、功率控制技术、宽带无线网络的安全性、可移动性、可管理性；高效信源与信道编码和调制 MQAM 技术等。是以技术为先导，以构建网络的体系结构、标准、协议为目标所开展的对现代无线、移动、宽带通信网络的规划与优化，以及结合工程应用的方向所提出来的。例如，无线网状网、WLAN、无线传感器网络、B3G/4G 通信网工程设计与优化、卫星移动通信网、三网融合技术、网络新安全技术与策略、RFID 应用网络、下一代基于 SIP的统一通信、光网络与光通信等。本套丛书依托各高等院校在通信领域从事科研、教学、工程、管理的具有丰富的理论与实践经验的专家、教授；各研究院所的研究员；国内有一定规模和研发实力的科技公司的研发人员，以及国外知名研究实验室的专家、学者等组成编写和翻译队伍，力求实现内容的先进性、实用性和系统性；力求内容组织循序渐进、深入浅出、理论阐述概念清晰、层次分明、经典实例源于实践；力求很强的可读性和可操作性。本套丛书的主要读者对象是广大从事通信网络技术工作的各科研院所和公司的广大工程技术人员；各高等院校的专业教师和研究生；刚走上工作岗位的大学毕业生；以及与此相关的其他学科的技术人员。本套丛书从 2008 年上半年开始将陆续推出，希望广大读者能关注它，多对本套丛书提出宝贵意见与建议，欢迎通过电子邮箱 进行探讨、交流和指正，以便今后为广大读者奉献更多、更好的优秀通信技术类图书。电子工业出版社 通信分社 前 言 传感器技术、低功率电子学以及低功率 RF 设计技术的发展和进步使人们已经能够开发微型、能够通过无线网络相互连接、相对价廉的低功率传感器，这种传感器也叫做微型传感器（Microsensor）。无线传感器网络（WSN）技术能够革新很多场合下的信息采集和处理，代表提取环境数据、各种环境可靠监视（包括监视、机器故障诊断、化学/生物检测等）的一种新方式。大规模无线传感器网络由数千个、甚至数万个微型传感器组成，各个微型传感器分散在一个巨大场中，用来获取纹理细密的高精度感知数据。微型传感器通常依靠电池供电，相互之间进行无线通信。无线传感器网络可以布置在恶劣、苛刻、复杂、甚至敌方的物理环境中（比如遥远地理区域或者有毒的城市地点、自然灾害区、战场敌方区、战场火力打击区等），也可以布置在人不易接近的环境中（比如大工厂、飞机内部、机器内部，甚至人体内部等）进行低成本地维护感知或者监视感知，更可以布置在人易于接近的环境中（比如人体表面各个部位、房间各个角落）进行各种状态监视。无线传感器网络可以对大量感知信息（比如地震数据、声学数据、高分辨率图像等）进行分布式处理，提高感知数据的精确性。传感器组成网络后，能够累积感知数据，从而提供对环境的一个丰富的、多维的了解。此外，网络化传感器能够重点关注网络中其他传感器指出的关键事件（比如入侵者进入某个建筑物）。网络化传感器在面对各个传感器失效时也仍然能够继续发挥准确的作用。例如，假如网络中的一些传感器丢失某些关键信息，那么其他传感器就可以给这些传感器补充丢失的信息。可以想象未来一组传感器节点构成 Ad Hoc 分布式处理网络，产生易于访问和高质量的有关真实世界的信息。每个传感器节点在网络中自动工作，不需要中央控制中心；每个传感器节点根据其承担的任务、当前拥有的信息以及所了解的计算资源、通信资源、能量资源、存储资源来做出决策。与孤立的各个传感器比较，网络化传感器有可能精确性更高，系统更加强壮和复杂。无线传感器网络深入我们生活的每个环节、渗透社会的每个角落，有利帮助人类提高认识物理世界的深度、广度、精确性、及时性，加强和密切人类与物理世界的联系，大力提高人类对物理环境的远端监视和控制能力，所以无线传感器网络应用前景非常广阔。无线传感器网络设计面临许多技术挑战，比如能量高效网络协议、网络拓扑控制、信号与信息的联合处理、任务分配、信息查询、安全、中间件、网络编程等，其中最重要的挑战是三个关键资源的高效综合利用：能量，无线传感器节点主要依靠电池供电，电池不方便替换或者重复充电，且大多数情形下不可能替换或者重复充电，而且目前的电池供电能力也非常有限；通信带宽，无线传感器网络的通信带宽相对于有线网络而言是非常有限的，一般只有几百千比特每秒；计算能力，由于节能非常关键，所以一般情况下不会给传感器节点配置功能强大的微型处理器，而是采用低功耗、计算能力有限的微型处理器，因而不能运行复杂的网络协议。无线传感器网络技术是一门跨学科的综合性网络系统技术，除了涉及最基本的通信、计 算机语言、编程知识和技术外，还涉及传感器网络所有应用领域的一些专门知识（比如医学、地震学、土壤学、农学等），这些特殊应用领域的专门知识对于设计高性能传感器网络应用是非常重要的。本书系统地介绍了无线传感器网络技术，包括三个部分的内容：无线传感器网络概述、无线传感器网络技术、无线传感器网络应用与编程。其目的是为无线传感器网络设计者、研究人员、院校师生以及所有对此感兴趣的人士等全面、系统地理解和掌握无线传感器网络技术提供一些帮助。本书的编写安排如下：第一部分“无线传感器网络概述”：包括 1 章（第 1 章）。介绍无线传感器网络的发展历史，阐述基本概念，分析无线传感器网络的主要技术及其网络设计影响因素，简单介绍了当前流行的传感器节点平台。第二部分“无线传感器网络技术”：包括 11 章，其中 WSN 的 MAC 技术 3 章（第 2、3、4 章），WSN 路由技术 3 章（第 5、6、7 章），WSN 可靠传输技术 2 章（第 8、9 章），WSN数据融合技术 1 章（第 10 章），WSN 安全技术 1 章（第 11 章），WSN 中间件技术 1 章（第12 章）。各章安排如下：第 2 章是无线传感器网络竞争类 MAC 协议，详细描述了三个典型的 WSN 竞争类 MAC协议：传感器媒介访问控制协议（S-MAC）、超时 MAC 协议（T-MAC）、伯克利媒介访问控制协议（B-MAC）。第 3 章是无线传感器网络分配类 MAC 协议，详细描述三个典型的 WSN 分配类协议：流量自适应媒介访问协议（TRAMA）、分布式随机时隙安排协议（DRAND）、功率高效与时延意识媒介访问协议（PEDAMACS）。第 4 章是无线传感器网络混合类 MAC 协议，详细描述 WSN 时间同步技术和两个典型的 WSN 混合类 MAC 协议：斑马-MAC 协议（Z-MAC）、漏斗-MAC 协议。第 5 章是无线传感器网络数据中心路由协议，详细描述了两个典型的 WSN 数据中心路由协议：协商式传感器信息分发协议（SPIN）、定向扩散。第 6 章是无线传感器网络分层路由协议，详细描述了两个典型的 WSN 分层路由协议：低能量自适应分群分层协议（LEACH）、两层数据分发协议（TTDD）。第 7 章是无线传感器网络地理位置路由协议，详细描述了 WSN 定位技术以及两个典型的 WSN 地理位置路由协议：贪婪地理路由算法、位置辅助泛洪协议（LAF）。第 8 章是无线传感器网络端到端可靠传输协议，详细描述了 WSN 拥塞检测与预防技术（CODA）和两个典型的 WSN 端到端可靠传输协议：事件到中心节点的可靠传输协议（ESRT）、基于多电台虚拟中心节点的过载流量管理协议（SIPHON）。第 9 章是无线传感器网络逐跳可靠传输协议，详细描述了 WSN 合成拥塞控制技术（FUSION）和两个典型的 WSN 逐跳可靠传输协议：慢分发快提取可靠传输协议（PSFQ）、下行数据可靠交付可扩展体系结构（GARUDA）。第 10 章是无线传感器网络数据融合协议，详细描述了树状结构累积技术、不受应用约束的自适应数据累积技术（AIDA）、无结构累积技术（DAA+DW）与半结构累积技术（ToD）。第 11 章是无线传感器网络安全，详细分析了 WSN 安全面临的障碍、WSN 安全要求，剖析 WSN 中的各种安全攻击，详细描述 SPINS 安全解决方案、LEAP+安全解决方案。第 12 章是无线传感器网络中间件协议，分析了 WSN 中间件设计面临的挑战和困难，及其功能要求，详细介绍 ZebraNet 系统中的中间件系统（Impala）、无线传感器信息网络化体 系结构与应用中间件体系结构（SINA），其间介绍了 SINA 在车辆跟踪中的应用。第三部分“无线传感器网络应用及编程”：包括 1 章（第 13 章）。概括了 WSN 在军事、环境、医疗卫生、家庭以及其他商业领域的应用；介绍了 WSN 应用设计原理；阐述了 WSN网络编程问题，包括编程抽象、编程模型，比如 Kairos