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前言

无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是由部署在监测区域内的传感器节点,以无线自组织方式构成多跳无线网络,节点间协同地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息。无线传感器网络终端节点的通信距离一般只有几十米,所采集的数据信息通过其他节点以逐跳的方式传输到汇聚节点。物联网是指通过各种信息传感设备,实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息,实现了物与物、物与人、所有的物品与网络的连接。物联网的核心和基础是在互联网基础上的延伸和扩展,并进行物与物的信息交换和通信。无线传感器网络无疑作为物联网的重要组成部分,实现了感知数据的采集、处理和传输功能,它的出现直接推动了物联网的发展。无线传感器网络的基本思想最初起源于20世纪70年代的军事领域。随着微电子、计算和无线通信等技术的进步,实现了在低功耗、多功能、微小体积的传感器节点上集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络节点具有自治能力,能够自主组网,不需要布线,而且节点的低功耗和微型化,能够部署在越来越多的应用场景,可安装在工控设备、运输车辆、历史建筑、林木等之上,甚至可植入到人或其他动物的体内,而伴随着互联网和3G/4G网络的广泛应用,更是能实现无处不在的感知,极大地丰富了人类的感知能力和范围。作为信息时代的一项变革性的技术,无线传感器网络真正实现了“无处不在的计算”理念。无线传感器网络作为信息技术领域中一个全新的发展方向,同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果,已经引起了学术界和工业界的广泛关注,相关的研究和应用不断深入。目前在拓扑控制、路由、感知覆盖、时间同步、安全等方面已经产生了一大批成果,并涉及信息论、控制、图论、人工智能等方面的理论。无线传感器网络以其独有的特点和优点使其应用越来越广泛,对于经济和生活的很多领域都具有重大的影响和革命性的作用。 无线传感器网络目前正处于蓬勃发展的阶段,已经成为继计算机、互联网与移动通信网之后信息产业新一轮竞争中的制高点,对人们的社会生活和产业变革带来巨大的影响。美国《商业周刊》将无线传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一,《技术评论》杂志也将其列为未来改变世界的十大新兴技术之首。我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》中,将无线传感器网络列入重大专项、优先发展主题、前沿领域,它也是国家重大专项“新一代宽带无线移动通信网”中的一个重要研究方向,同时国家重点基础研究发展计划(973计划)也将无线传感器网络列为其重要研究内容。中国政府近年来大力开展智慧城市建设,无线传感器网络通过遍布城市各个角落的智能传感器感知城市的交通流量、空气质量、噪声等,并根据感知结果来优化交通流量调度、治理雾霾天气等。可以说,无线传感器网络为智慧城市建设提供了基础支撑。〖〗〖〗无线传感器网络有越来越多的应用,很多应用都需要进行大规模的部署,以达到高覆盖、高精确感知等目的。如森林火灾监测等,需要部署成千上万的节点来完成监测任务。然而,与小规模应用相比,大规模应用中除了节点数量上的区别外,还会产生能量供应受限、节点管理困难、感知数据流不均衡等一系列问题。因此,在大规模应用时,无线传感器网络及节点显著呈现出应用性、资源受限性、异构性、动态性等特征,导致网络在可扩展性、可靠性、自治性等方面还存在很多挑战。传感器网络涉及多学科交叉的研究领域,应用的多样性和复杂性也决定了有非常多的问题需要解决,非常多的关键技术需要深入研究。不同的问题之间,不同的关键技术之间,常常相互作用,相互影响,需要协同研究。这些研究挑战多归结于无线传感器网络在能效、无线通信质量、计算能力等方面的限制,因此,在系统设计时应该针对这些限制给出方案,如通信协议应该足够轻量化,能耗应该足够少,以适应微型传感器节点在计算和通信等方面的限制。现在已经有大量的文献涉及无线传感器网络的各个方面。而本书各章节是由在无线传感器网络领域具有十多年研究和应用经验的团队撰写,旨在对无线传感器领域的基本概念、挑战、问题、发展趋势、模型和工具提供全面的介绍,展现了学术界和工业界应用的高端水准和应用现状。因此,这本书中展现了无线传感器网络中大量问题的最深入思考、最典型的解决方案和最新的技术进展。本书比较系统地介绍了无线传感器网络的基础理论、支撑技术和若干应用。全书从结构上可以分为三个部分:第一部分(第1~5章)讨论无线传感器网络的基础知识,第二部分(第6~9章)关注网络支撑技术,第三部分(第10~15章)介绍覆盖、定位、时间同步、安全、实用组网协议、仿真和测试等高级主题。 第1章介绍了无线传感器网络的基本概念、典型应用、主要特征、挑战及关键技术,并讨论了相关的标准化工作,还与其他类型的网络进行了对比分析。第2章分析了节点硬件的设计需求,介绍了节点的结构和外部接口及设计技术,并探讨了通用、专用、高性能、网关这四类节点的设计特点。第3章分析了无线传感器网络操作系统的设计要求,以及常用的调度、内存分配、重编程等设计技术,并讨论了TinyOS和Contiki的实现特点。第4章分析了无线传感器网络的协议体系结构特点,讨论了几种典型的协议结构,还探讨了无线传感器网络的跨层设计概念,以及全IP化、网络管理等方面的内容。第5章介绍了无线传感器网络相关的无线通信技术,包括基本概念、频谱、媒介、无线信道、调制解调、扩频、多路复用和多路接入等。第6章介绍了无线传感器网络中拓扑控制的基本概念,以及功率控制、睡眠调度和分簇这三类拓扑控制技术、代表性的算法和协议、拓扑控制技术的发展方向和最新进展。第7章讨论了无线传感器网络MAC协议设计的特点和所面临的挑战,并分类介绍了竞争型、分配型、混合型的MAC协议,以及各类协议的优点和缺点。第8章论述了无线传感器网络自身特点对路由协议设计的影响,描述了多种典型的路由协议,并分析了实用化的路由协议。第9章具体阐述了无线传感器网络对传输控制协议的设计挑战,并介绍了拥塞控制机制和可靠传输机制的关键技术和一些经典协议。第10章描述了无线传感器网络系统中应用较为广泛的标准化协议,包括IEEE 802.15.4、ZigBee、蓝牙,WirelessHART、ISA100、WIAPA、6LowPAN等。第11章介绍了无线传感器网络中覆盖技术的基本概念、主要研究挑战,并分析了点覆盖、区域覆盖和栅栏覆盖三类覆盖问题的经典算法和协议,以及一些新的研究方向。第12章介绍了无线传感器节点中时间同步的概念、主要研究挑战,并分析了几种代表性的时钟同步协议,以及一些新的研究方向。第13章展示了无线传感器网络中定位技术的基础知识和基本算法,以及主要研究挑战,并分析了几类定位算法的基本原理和典型实例,以及一些新的研究方向。第14章从无线传感器网络的系统研发、原型搭建、运行维护和产品商用四个阶段,分别介绍了模拟仿真、系统验证、在线监测和协议测试等技术和工具。第15章分析了无线传感器网络的主要威胁、安全需求、安全体系,还讨论了密钥管理、身份认证与访问控制、安全定位、入侵检测、容侵与容错、安全路由等安全技术。本书主要有以下特点:(1) 基础与前沿相结合。本书注重无线传感器网络的基本概念、基本原理、基本架构、基本协议、典型应用,以及节点硬件构成、典型节点开发平台、操作系统,力求展示出无线传感器网络重要和基础的内容,适合于初学者对无线传感器网络有清楚的认识和理解。书中还在拓扑控制、路由、传输控制等专题中深入地阐述了主要的技术路线及当前的研究成果。(2) 理论与实践相结合。由于无线传感器网络具有多学科高度交叉的特点,涉及的理论问题多、难度大,书中在阐述各类协议和算法的同时,也结合应用分析了目前在无线传感器网络系统中应用较为广泛的标准化协议,如IEEE 802.15.4、ZigBee、蓝牙、WirelessHART、ISA 100、WIAPA、6LowPAN。为使读者对传感器网络仿真与测试技术有一定的理解,书中还专门介绍了无线传感器网络研究和应用中用来进行模拟仿真、系统验证、在线监测和协议测试的产品工具。(3) 系统性与新颖性相结合。本书涉及无线传感器网络的各个方面,注重内容的系统性,以无线传感器网络的技术体系为叙述框架,从无线传感器网络的基础知识、基本架构开始,层层深入展开论述了各种关键支撑技术,以及建立在基本架构与关键技术之上的应用技术和开发技术,内容全面,体系完整。本书还紧跟无线传感器网络的学科和技术发展动态,将最近出现的新技术、新手段和新工具融入内容体系,使读者能够了解无线传感器网络的最新技术和应用。本书由孙利民组织编写,与每章作者深入讨论并进行了最后的修改。张书钦在后期做了大量的整理和修改工作。本书第1、2、4章由孙利民编写,第3、5、10章由张书钦编写,第6、11章由杨红编写,第7、12章由李志编写,第8、9章由李立群编写,第13章由陈永乐编写,第14章由赵忠华编写,第15章由徐静和段美姣合作编写。在本书的编写过程中,得到了许多老师、同学和同事的关心、帮助和指正,在此谨表谢意。特别感谢刘伟、孙玉研、齐庆磊、王小山、易峰等博士提供了诸多材料以及宝贵意见,还要感谢张俊宝博士做了大量审校工作。本书可作为高等院校物联网工程专业,以及计算机类、通信类、信息类、电子类专业的高年级本科生、研究生教材和教学参考用书,也可供从事相关行业的工程技术人员与研究人员参考。相比其他无线传感器网络书籍,本书的一个重要优点是受众广泛,针对了研究、开发、应用维护等方面的人员。本书得到了国家自然科学基金委联合基金重点项目(No.U1766215)和北京市科学技术委员会项目(No.Z161100002616032)的资助,在此表示感谢。由于时间仓促和撰写水平有限,本书的错误和不足在所难免,敬请广大读者批评指正。

编者〖〗2018年3月

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