刘伟荣，中科院自动化所控制科学与控制工程专业博士。现为中南大学计算机学院教授，主要研究领域为物联网、人工智能、网络安全、云计算、5G车联网域。获湖南省教学成果奖一等奖1项，湖南省自然科学二等奖1项，主持和参加国家自然科学基金、省部级项目十余项，授权发明专利7项、受理发明专利8项、拥有软件著作权12项，出版《物联网和无线传感器网络》专著一部，发表SCI、EI收录论文70余篇。代表性学术成果发表在IEEE Trans. on Vehicular Technology (TVT)、IEEE Trans. on Neural Networks and Learning Systems (TNNLS)、IEEE Trans. on Service Computing (TSC)、IEEE Trans. on Industry Application (TIA)等国际顶级期刊和国际通信会议(IEEE ICC)、全球通信会议(IEEE Globecom)、美国控制会议(ACC)、国际自动控制联合会世界大会(IFAC World Congress)、电力电子国际会议和展览(IEEE APEC)、能源转换和展览国际会议(IEEE ECCE)等会议。

本书是依托中南大学国家级特色专业（物联网工程）的建设，结合国内物联网工程专业的教学情况编写的。本书主要介绍物联网中核心技术之一的无线传感器网络（WSN）的知识，首先在简要介绍WSN的基础上，详细叙述WSN的物理层、数据链路层和网络层的设计要点及路由协议；然后介绍WSN中的主要技术，如通信标准、时间同步技术、节点定位技术、服务质量保障和网络管理，并给出WSN的仿真技术；接着介绍WSN中硬件开发、操作系统和软件开发的内容：最后给出WSN的应用案例。 本书可作为普通高等学校物联网工程专业的教材，也可供从事物联网及其相关行业的人士阅读。 本书配有教学用的PPT课件，读者可登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）免费注册后下载。

第1章　无线传感器网络概述 （1）
1．1　无线传感器网络介绍 （1）
1．1．1　无线传感器网络的概念 （1）
1．1．2　无线传感器网络的特点及优势 （2）
1．1．3　无线传感器网络的应用 （4）
1．2　无线传感器网络的体系结构 （6）
1．2．1　传感器的节点结构 （6）
1．2．2　无线传感器网络架构 （7）
1．3　无线传感器网络研究及发展现状 （9）
1．4　无线传感器网络所面临的挑战 （10）
1．5　本章小结 （11）
参考文献 （12）
第2章　无线传感器网络物理层设计 （13）
2．1　无线传感器网络物理层概述 （13）
2．2　无线传感器网络物理层研究现状及发展 （14）
2．3　无线传感器网络物理层关键技术 （15）
2．3．1　编码调制方式的选择 （15）
2．3．2　频率的选择 （16）
2．4　物理层调制/解调方式与编码方式 （17）
2．4．1　M-ary调制机制 （17）
2．4．2　差分脉冲位置调制机制 （18）
2．4．3　自适应编码位置调制机制 （18）
2．5　无线传感器网络物理层设计 （19）
2．5．1　频率分配 （19）
2．5．2　通信信道 （20）
2．6　本章小结 （24）
参考文献 （24）
第3章　无线传感器网络的数据链路层设计 （27）
3．1　无线传感器网络数据链路层概述 （27）
3．2　无线传感器网络数据链路层研究现状与发展 （27）
3．2．1　无线传感器网络MAC协议的分类 （27）
3．2．2　无线传感器网络MAC协议需要解决的问题 （28）
3．3　无线传感器网络数据链路层的关键问题 （29）
3．4　无线传感器网络的MAC协议 （30）
3．4．1　基于竞争的MAC协议 （30）
3．4．2　基于分配的MAC协议 （37）
3．4．3　混合型MAC协议 （44）
3．4．4　跨层MAC协议 （47）
3．5　本章小结 （50）
参考文献 （50）
第4章　无线传感器网络的网络层 （53）
4．1　无线传感器网络网络层概述 （53）
4．2　无线传感器网络网络层研究现状和发展 （54）
4．3　无线传感器网络网络层关键问题 （56）
4．4　无线传感器网络路由协议 （58）
4．4．1　基于数据的路由协议 （58）
4．4．2　基于集群结构的路由协议 （62）
4．4．3　基于地理位置信息的路由协议 （65）
4．5　本章小结 （69）
参考文献 （69）
第5章　无线传感器网络传输层协议 （71）
5．1　无线传感器网络传输层协议概述 （71）
5．2　无线传感器网络传输层研究现状和发展 （73）
5．2．1　无线传感器网络传输层关键问题 （74）
5．2．2　无线传感器网络传输层协议分析 （75）
5．3　无线传感器网格体系 （83）
5．3．1　无线传感器网络网格体系结构 （83）
5．3．2　MPAS设计 （84）
5．4　本章小结 （86）
参考文献 （87）
第6章　通信标准 （89）
6．1　IEEE 802．15．4标准 （89）
6．1．1　IEEE 802．15．4协议简介 （89）
6．1．2　IEEE 802．15．4协议栈 （90）
6．2　ZigBee标准 （96）
6．2．1　网络层规范 （96）
6．2．2　应用层规范简介 （98）
6．3　无线局域网技术 （98）
6．3．1　无线局域网概述 （98）
6．3．2　网络拓扑结构 （99）
6．3．3　IEEE 802．11协议栈 （100）
6．4　蓝牙技术 （103）
6．4．1　蓝牙核心协议 （103）
6．4．2　蓝牙优势 （104）
6．5　UWB技术 （105）
6．5．1　UWB协议模型 （105）
6．5．2　UWB优势 （106）
6．6　本章小结 （107）
参考文献 （108）
第7章　时间同步技术 （109）
7．1　时间同步技术概述 （109）
7．2　时间同步技术研究现状与发展 （110）
7．3　时间同步技术关键问题 （112）
7．4　传统时间同步技术 （114）
7．4．1　DMTS同步 （114）
7．4．2　RBS同步 （115）
7．4．3　TPSN同步 （116）
7．4．4　FTSP同步 （117）
7．4．5　传统协议比较 （118）
7．5　新型时间同步技术 （120）
7．5．1　协作同步 （121）
7．5．2　萤火虫同步 （122）
7．6　本章小结 （124）
参考文献 （124）
第8章　无线传感器网络节点定位技术 （127）
8．1　节点定位技术概述 （127）
8．2　节点定位技术研究现状与发展 （129）
8．3　节点定位技术关键问题 （129）
8．4　基于测距的定位技术 （130）
8．4．1　三边定位 （131）
8．4．2　角度定位 （134）
8．4．3　测距定位算法性能比较分析 （135）
8．5　基于非测距定位技术 （136）
8．5．1　基本原理 （136）
8．5．2　典型算法 （137）
8．5．3　几种非测距的定位技术性能分析 （140）
8．6　协作定位技术 （141）
8．6．1　刚性图理论概述 （141）
8．6．2　协作体的定义 （142）
8．6．3　协作定义原理 （144）
8．7　本章小结 （145）
参考文献 （145）
第9章　容错设计技术 （147）
9．1　无线传感器网络容错技术概述 （147）
9．2　容错设计模型 （148）
9．3　无线传感器网络可靠性分析 （150）
9．3．1　网络层可靠性 （150）
9．3．2　传输层可靠性 （150）
9．4　无线传感器网络故障检测与诊断 （151）
9．4．1　基于空间相关性的故障诊断 （152）
9．4．2　基于贝叶斯信任网络的故障诊断 （153）
9．5　无线传感器网络的自恢复策略 （154）
9．5．1　基于连接的故障修复 （154）
9．5．2　基于覆盖的故障修复 （155）
9．6　本章小结 （155）
参考文献 （155）
第10章　无线传感器网络的能量收集 （157）
10．1　无线传感器网络能量收集概述 （157）
10．1．1　带有能量收集功能的无线传感器网络节点结构 （157）
10．1．2　能量收集功能的无线传感器网络产品与应用 （157）
10．2　无线传感器网络的能量收集转换技术 （159）
10．2．1　光能的收集转换技术 （159）
10．2．2　风能的收集转换技术 （160）
10．2．3　生物能与化学能的收集转换技术 （161）
10．2．4　动能的收集转换技术 （162）
10．2．5　电磁能量的收集转换技术 （162）
10．2．6　热能的收集转换技术 （163）
10．3　无线传感器网络的无线充电技术 （163）
10．3．1　无线传感器网络的充电电路设计 （163）
10．3．2　无线充电传感器网络的网络设计 （166）
10．4　无线传感器网络的感知与能量收集的一体化 （169）
10．4．1　动能的感知与能量收集一体化 （169）
10．4．2　热能的感知与能量收集一体化 （170）
10．4．3　光能的感知与能量收集一体化 （171）
10．4．4　射频能量的感知与能量收集一体化 （172）
10．5　无线传感器网络能量收集下的协议与应用设计 （172）
10．5．1　无线传感器网络能量收集的MAC协议设计 （173）
10．5．2　能量收集无线传感器网络的路由协议设计 （174）
10．5．3　无线传感器网络的无线充电与移动数据收集的联合设计 （175）
10．6　无线传感器网络能量收集的技术展望 （176）
10．6．1　无线传感器网络能量收集下的程序运行管理 （176）
10．6．2　无线传感器网络能量收集下的通信优化 （177）
10．6．3　无线传感器网络的集成设计 （177）
参考文献 （178）
第11章　服务质量保证 （181）
11．1　无线传感器网络服务质量概述 （181）
11．2　无线传感器网络服务质量研究现状与发展 （182）
11．3　无线传感器网络QoS关键问题 （185）
11．4　感知QoS保证 （186）
11．4．1　感知QoS概述 （186）
11．4．2　感知模型 （187）
11．4．3　典型的无线传感器网络覆盖控制算法与协议 （188）
11．4．4　亟待解决的问题 （194）
11．5　传输QoS保证 （194）
11．5．1　可靠数据传输 （195）
11．5．2　拥塞控制 （196）
11．6　本章小结　 （197）
参考文献 （197）
第12章　网络管理 （201）
12．1　网络管理概述 （201）
12．1．1　网络管理的概念 （201）
12．1．2　网络管理的体系结构 （202）
12．2　网络管理研究现状与发展 （204）
12．2．1　SNMP的网络管理架构 （204）
12．2．2　网络管理新技术 （205）
12．3　网络管理关键问题 （207）
12．4　典型网络管理系统 （209）
12．4．1　集中式网络管理系统 （209）
12．4．2　层次式网络管理系统 （211）
12．4．3　分布式网络管理系统 （212）
12．5　本章小结　 （214）
参考文献 （215）
第13章　无线传感器网络的仿真技术 （217）
13．1　网络仿真概述 （217）
13．2　无线传感器网络仿真研究现状与发展 （218）
13．3　常用的仿真软件 （219）
13．3．1　OPNET （219）
13．3．2　NS2 （221）
13．3．3　TOSSIM （222）
13．4　仿真软件比较 （224）
13．5　本章小结　 （225）
参考文献 （225）
第14章　无线传感器网络的硬件开发 （227）
14．1　无线传感器网络硬件开发概述 （227）
14．2　无线传感器网络硬件开发研究现状与发展 （228）
14．3　传感器节点的设计 （230）
14．3．1　核心处理模块设计 （230）
14．3．2　能量模块设计 （232）
14．4　本章小结 （232）
参考文献 （232）
第15章　无线传感器网络的操作系统 （235）
15．1　无线传感器网络操作系统概述 （235）
15．2　TinyOS操作系统 （236）
15．2．1　概述 （236）
15．2．2　TinyOS的系统架构 （237）
15．2．3　TinyOS编译机制 （238）
15．2．4　TinyOS启动机制 （238）
15．2．5　TinyOS任务调度机制 （240）
15．2．6　TinyOS的并发性 （242）
15．2．7　TinyOS的能量管理机制 （243）
15．2．8　通信机制 （246）
15．3　MANTIS OS操作系统 （249）
15．3．1　MANTIS OS的系统架构 （249）
15．3．2　应用程序设计 （250）
15．4　SOS操作系统 （253）
15．5　操作系统比较分析 （257）
15．6　本章小结 （257）
参考文献 （257）
第16章　无线传感器网络的软件开发 （259）
16．1　无线传感器网络软件开发概述 （259）
16．1．1　软件开发特点和设计要求 （259）
16．1．2　软件开发的内容 （260）
16．1．3　无线传感器网络软件开发的主要技术挑战 （261）
16．2　主要开发环境 （262）
16．2．1　nesC语言结构 （262）
16．2．2　nesC应用程序的分析 （263）
16．2．3　nesC程序的仿真 （265）
16．3　无线传感器网络中间件设计 （266）
16．4　本章小结 （269）
参考文献 （269）
第17章　无线传感器网络应用 （271）
17．1　概述 （271）
17．2　无线传感器网络的应用场景 （272）
17．3　无线传感器网络应用技术 （274）
17．3．1　静态部署 （275）
17．3．2　动态部署 （276）
17．4　无线传感器网络应用实例分析 （277）
17．4．1　用于矿井环境监测的无线传感器网络 （278）
17．4．2　山体滑坡案例 （282）
17．5　本章小结 （288）
参考文献 （288）
第18章　基于Z-Stack协议栈的无线传感器网络应用开发 （291）
18．1　Z-Stack协议栈概述 （291）
18．1．1　Z-Stack产品特性与安装 （291）
18．1．2　支持Z-Stack的硬件和SDK （293）
18．1．3　Z-Stack3．0的新特性 （293）
18．2　Z-Stack协议栈配置 （295）
18．2．1　Z-Stack协议的设备类型 （295）
18．2．2　Z-Stack协议栈地址与路由 （295）
18．2．3　Z-Stack协议栈配置选项 （298）
18．3　Z-Stack协议栈的运行流程 （299）
18．3．1　Z-Stack的OSAL运行机理 （299）
18．3．2　Z-Stack的消息队列和任务调度 （301）
18．3．3　Z-Stack的应用编程接口 （301）
18．4　Z-Stack协议栈的集成开发环境IAR （302）
18．4．1　工程的创建与编辑 （302）
18．4．2　工程的编译与下载调试 （303）
18．5　Z-Stack协议栈开发示例 （305）
18．5．1　最简单的Z-Stack程序 （305）
18．5．2　基于Z-Stack协议栈的滑坡检测系统 （308）
18．6　本章小结 （311）
参考文献 （311）