理 論 篇 第1章 無線傳感器網絡概述 2 1.1 無線傳感器網絡簡介 3 1.1.1 無線通信技術的主要概念 3 1.1.2 無線傳感器網絡的產生和發展 6 1.1.3 無線傳感器網絡的定義 7 1.2 傳感器與無線傳感器網絡 7 1.2.1 傳感器 7 1.2.2 傳感器與無線傳感器網絡的關系 8 1.3 物聯網與無線傳感器網絡 8 1.3.1 物聯網 9 1.3.2 物聯網與無線傳感器網絡的關系 10 1.4 無線傳感器網絡體系結構 10 1.4.1 網絡結構 10 1.4.2 節點結構 11 1.4.3 節點限制 12 1.4.4 無線傳感器網絡協議棧 13 1.4.5 無線傳感器網絡體系結構設計 14 1.5 無線傳感器網絡的特點 16 1.5.1 與現有無線網絡的區別 16 1.5.2 無線傳感器網絡的特點 17 1.6 無線傳感器網絡操作系統 19 1.6.1 現有的操作系統 19 1.6.2 TinyOS技術特點 21 1.6.3 TinyOS體系結構 21 1.7 無線傳感器網絡相關技術 22 1.7.1 Zigbee技術 22 1.7.2 RFID技術 23 1.7.3 蜂窩移動通信與WiFi技術 23 1.7.4 低功耗廣域網技術 24 1.8 無線傳感器網絡應用 24 本章小結 26 本章練習 27 第2章 物理層 28 2.1 概述 29 2.2 頻率分配 29 2.3 通信信道 30 2.3.1 自由空間信道 30 2.3.2 多徑信道 31 2.3.3 加性噪聲信道 32 2.3.4 實際環境信道 32 2.4 調制與解調 33 2.4.1 模擬調制 33 2.4.2 數字調制 34 2.4.3 UWB通信技術 36 2.4.4 擴頻通信 37 2.5 物理層設計 38 2.5.1 相關概念 38 2.5.2 幀結構 39 2.5.3 物理層功能 39 2.5.4 成本及功耗 42 2.6 非理想特性 42 2.6.1 來源 42 2.6.2 影響 44 2.7 射頻前端分析 46 2.7.1 射頻前端功耗 46 2.7.2 低功耗設計 47 本章小結 47 本章練習 48 第3章 MAC層協議 49 3.1 概述 50 3.1.1 功能概述 50 3.1.2 幀結構 51 3.1.3 分類 55 3.2 競爭型MAC協議 55 3.2.1 SMAC協議 55 3.2.2 TMAC協議 57 3.2.3 PMAC協議 60 3.3 分配型MAC協議 61 3.3.1 SMACS協議 61 3.3.2 TRAMA協議 63 3.3.3 DMAC協議 64 3.4 混合型MAC協議 66 3.4.1 ZMAC協議概述 66 3.4.2 基本思想 67 3.4.3 算法描述 67 3.4.4 關鍵技術 67 3.4.5 特點 69 3.5 MAC層與跨層設計 69 3.5.1 跨層設計的提出 69 3.5.2 AIMRP協議 72 本章小結 73 本章練習 74 第4章 路由層協議 75 4.1 概述 76 4.1.1 功能和特點 76 4.1.2 關鍵技術 76 4.1.3 分類 77 4.1.4 發展 79 4.2 以數據為中心的路由協議 80 4.2.1 SPIN協議 80 4.2.2 DD協議 83 4.3 分層結構的路由協議 85 4.3.1 LEACH協議 85 4.3.2 PEGASIS協議 86 4.3.3 TTDD協議 87 4.3.4 TEEN與APTEEN協議 90 4.4 地理位置信息路由協議 91 4.4.1 GPSR協議 91 4.4.2 GAF協議 93 4.4.3 LAR協議 95 4.4.4 GEAR協議 97 4.5 可靠路由協議SPEED 98 4.5.1 基本思想 98 4.5.2 關鍵技術 99 4.6 按需路由協議 100 4.6.1 DSDV協議 101 4.6.2 DSR協議 101 4.6.3 AODV協議 103 本章小結 104 本章練習 105 第5章 服務支撐技術 106 5.1 時間同步技術 107 5.1.1 概述 107 5.1.2 方法 107 5.1.3 協議 108 5.1.4 應用 110 5.2 數據融合技術 111 5.2.1 概念 111 5.2.2 策略 111 5.2.3 作用 114 5.3 定位技術 115 5.3.1 概述 115 5.3.2 基于測距的定位 115 5.3.3 無須測距的定位 118 5.3.4 定位系統 119 5.3.5 應用領域 120 5.4 網絡安全技術 121 5.4.1 概述 121 5.4.2 安全協議 121 5.4.3 密鑰分配管理 122 5.4.4 安全支撐 124 5.5 容錯設計技術 124 5.5.1 概述 124 5.5.2 故障模型 125 5.5.3 檢測和診斷 126 5.5.4 故障修復 128 5.5.5 可靠性分析 129 5.6 服務質量保證 131 5.6.1 概述 131 5.6.2 節點的QoS 132 5.6.3 網絡層的QoS 133 5.6.4 用戶感知的QoS 133 本章小結 134 本章練習 135 第6章 Zigbee網絡技術 136 6.1 Zigbee技術概述 137 6.1.1 定義 137 6.1.2 特點 137 6.1.3 協議架構 138 6.2 應用系統組成 138 6.2.1 常見的Zigbee芯片 138 6.2.2 常見的Zigbee協議棧 140 6.2.3 應用系統組成 141 6.3 網絡拓撲和協議棧結構 142 6.3.1 拓撲結構 143 6.3.2 協議棧體系結構 144 6.4 應用簡介 146 本章小結 147 本章練習 147 第7章 RFID技術 148 7.1 RFID技術原理 149 7.1.1 組成 149 7.1.2 分類 149 7.1.3 工作原理 150 7.2 RFID標準 153 7.2.1 ISO標準 153 7.2.2 EPC Global標準 155 7.2.3 Ubiquitous ID標準 156 7.3 RFID系統原理 158 7.3.1 低頻RFID系統原理 158 7.3.2 高頻RFID系統原理 159 7.3.3 超高頻RFID系統原理 161 7.4 RFID組網技術 162 7.4.1 讀寫器網絡部署特點 162 7.4.2 Zigbee與RFID組網 163 7.5 RFID技術應用 164 7.6 NFC技術 165 7.6.1 NFC概述 165 7.6.2 NFC技術特點 166 7.6.3 NFC技術原理 167 7.6.4 NFC工作模式 169 7.6.5 NFC技術應用 170 本章小結 175 本章練習 175 第8章 移動通信 176 8.1 概述 177 8.1.1 移動通信的概念 177 8.1.2 移動通信的發展 177 8.1.3 移動通信的系統組成 178 8.1.4 移動通信的系統分類 179 8.2 GSM移動通信 180 8.2.1 概述 180 8.2.2 網絡結構 180 8.2.3 無線接口 182 8.3 GPRS技術 182 8.3.1 概述 182 8.3.2 網絡架構 184 8.3.3 傳輸平面和信令平面 186 8.3.4 TCP/IP協議 187 8.4 第三代移動通信 189 8.4.1 概述 190 8.4.2 WCDMA系統 190 8.4.3 CDMA2000系統 192 8.4.4 TD-SCDMA系統 192 8.5 4G 193 8.5.1 4G技術的特點 193 8.5.2 4G系統網絡結構 193 8.5.3 4G關鍵技術 194 8.6 5G 195 8.6.1 5G技術的特點 195 8.6.2 5G關鍵能力和技術場景 196 8.6.3 5G關鍵技術 197 8.7 LiFi技術 198 8.7.1 LiFi技術的工作原理 199 8.7.2 LiFi技術的特點 199 8.7.3 LiFi技術的應用 200 8.8 移動通信技術的應用 201 本章小結 202 本章練習 203 第9章 WiFi和藍牙技術 204 9.1 WiFi技術 205 9.1.1 概述 205 9.1.2 IEEE 802.11 WLAN標準 205 9.1.3 協議架構 207 9.1.4 組網方式 208 9.1.5 WiFi技術的應用 210 9.2 藍牙技術 211 9.2.1 概述 211 9.2.2 技術特點 212 9.2.3 系統結構 214 9.2.4 組網方式 214 9.2.5 藍牙技術的應用 216 本章小結 218 本章練習 218 第10章 低功耗廣域網技術 219 10.1 低功耗廣域網技術簡介 220 10.2 LoRa技術 221 10.2.1 LoRa技術要點 221 10.2.2 LoRa網絡架構 221 10.2.3 LoRa技術優勢 222 10.2.4 LoRa技術應用 223 10.3 SigFox技術 224 10.3.1 SigFox技術要點 225 10.3.2 SigFox網絡架構 225 10.3.3 SigFox技術優勢 226 10.3.4 SigFox技術應用 226 10.4 NB-IoT技術 227 10.4.1 NB-IoT技術要點 227 10.4.2 NB-IoT網絡架構 228 10.4.3 NB-IoT技術優勢 228 10.4.4 NB-IoT技術應用 229 本章小結 231 本章練習 231 第11章 網關技術 232 11.1 概述 233 11.2 網關的分類 233 11.2.1 協議網關 233 11.2.2 應用網關 234 11.2.3 安全網關 235 11.3 網關的特點與功能 235 11.3.1 網關的特點 235 11.3.2 網關的功能 235 11.4 無線傳感器網絡網關示例 236 11.4.1 網關開發板 236 11.4.2 CC2530模塊 237 11.4.3 網關協議轉換 237 本章小結 238 本章練習 238 實 踐 篇 實踐1 MAC層協議 240 實踐 認知MAC幀的一般格式 240 實踐2 路由層協議 255 實踐2.1 路由認知實驗 255 實踐2.2 基于Zigbee的Z-AODV 路由協議實驗 258 實踐3 Zigbee網絡技術 261 實踐3.1 Zigbee網絡技術基礎實驗 261 實踐3.2 Zigbee環境溫度監測應用實驗 266 實踐4 RFID技術 270 實踐 RFID的公交/地鐵乘車卡消費系統 270 實踐5 移動通信 281 實踐5.1 GPRS系統認知實驗 281 實踐5.2 GPRS AT命令集實驗 283 實踐6 網關技術 293 實踐6.1 網關軟硬件的設置 293 實踐6.2 無線傳感器網絡網關綜合實驗 300