无线传感器网络：体系结构与协议

第1章　无线传感器网络概述 1

1.1 应用和目标 1

1.1.1　工业控制与监测 2

1.1.2 家庭自动化与消费电子 5

1.1.3 传感器在安全与军事上的应用 7

1.1.4　物资跟踪和供应链管理 8

1.1.5　智能农业与环境感知 9

1.1.6　健康监测 11

1.2 网络性能指标 12

1.2.1 低功耗 12

1.2.2 低成本 13

1.2.4 网络类型 14

1.2.3　世界范围通用性 14

1.2.5 安全性 15

1.2.6　数据吞吐量 17

1.2.7　消息延迟 17

1.2.8　机动性 18

1.3　本书的贡献 18

1.4　本书内容的组织 19

参考文献 19

第2章　无线传感器网络的发展 23

2.1 早期无线网 23

2.2 无线数据网 32

2.2.1　ALOHA系统 32

2.2.3 业余分组无线电网络 33

2.2.2 PRNET系统 33

2.2.4 无线局域网（WLAN） 35

2.2.5 无线个域网（WPAN） 35

2.3 无线传感器及相关网络 37

2.3.1　无线综合网络传感器（Wireless Integrated Network Sensor:WINS） 37

2.3.2　PicoRadio 38

2.3.3　μAMPS 38

2.3.4　Terminodes、MANET及其他移动ad hoc网络 39

2.3.5　水声网络和深空网络 39

2.4 结论 40

参考文献 40

3.1 引言 46

第3章　物理层 46

3.2　物理层实例 47

3.2.1　蓝牙 47

3.2.2　IEEE 802.11b 48

3.2.3　无线传感器网络 49

3.3　一种实用的无线传感器网络物理层设计 50

3.3.1 成本 51

3.3.2 功率 54

3.4　仿真及结果 59

3.4.1 仿真 59

3.4.2 结果 61

3.5 结论 66

参考文献 67

第4章　数据链路层 71

4.1 引言 71

4.2 介质访问控制技术 73

4.2.1 ALOHA 73

4.2.2 载波侦听多路访问协议（CSMA） 74

4.2.3 轮询（Polling） 76

4.2.4 无线传感器网络的信道访问控制技术 79

4.3 仲裁设备（MD） 80

4.3.1　MD协议 80

4.3.2 分布式仲裁设备协议 83

4.3.4 信道访问 87

4.3.3 “紧急”模式 87

4.4 系统分析与仿真 89

4.4.1 占空比 89

4.4.2 延迟 90

4.5 结论 92

参考文献 93

第5章　网络层 96

5.1 引言 96

5.2 一些网络设计的例子 96

5.2.1 结构 97

5.2.2 路由 99

5.3 基于簇树结构的无线传感器网络设计 104

5.3.1 网络设计 104

5.3.2 网络关联 107

5.3.3 网络维护 109

5.3.4 路由 111

5.4 仿真 113

5.5 结果 117

5.5.1 吞吐量（消息到达DD的累积百分比与时间的关系） 117

5.5.2 吞吐量（消息到达DD的累积百分比与节点所在层次间的关系） 118

5.5.3 消息平均传输时间 118

5.5.4 消息的平均延迟与节点层次间的关系 118

5.5.5 包冲突与时间的关系 120

5.5.6 占空比 120

5.5.7 占空比与节点层次的关系 121

5.5.8 消息延迟与MD周期的关系 122

5.5.9 最大网络吞吐量与MD周期的关系 123

5.5.10　最大网络吞吐量与节点密度的关系 123

5.6 结论 124

参考文献 125

第6章　具体实现中的有关问题 129

6.1 引言 129

6.2 系统分解方案的确定 130

6.3 换能器接口 142

6.3.1　集成传感器 142

6.3.2 外部接口 144

6.4 时基准确度和平均功耗 147

6.5 结论 152

参考文献 153

第7章　功率管理 154

7.1 引言 154

7.2 电源 155

7.2.1 电力网 156

7.2.2 电池 157

7.2.3 能量收集 169

7.3 负载 182

7.3.1 模拟电路的功率消耗 183

7.3.2 数字逻辑电路的功耗 186

7.3.3 其他负载上的功耗 194

7.4.1 电压转换器的类型 197

7.4 电压转换器和稳压器 197

7.4.2 电压转换的策略 204

7.5 功率管理策略 208

7.6 结论 210

参考文献 210

第8章　天线和射频性能的定义 216

8.1 引言 216

8.2 天线 216

8.2.1 天线特性 216

8.2.2　效率和天线放置 218

8.2.3 带宽 224

8.2.4 天线设计选择 225

8.3.1 定义和测量 227

8.3 射频性能定义及测量 227

8.3.2 生产问题 237

8.4 结论 241

参考文献 241

第9章　电磁兼容 243

9.1 引言 243

9.2 电磁兼容问题 243

9.3 自扰例子 244

9.4 电磁兼容问题物理分析 247

9.4.1 宽带频谱 248

9.4.2 窄带频谱 256

9.4.3 接收机中的“受害”电路 258

9.4.4 问题的范围 260

9.4.5 耦合机制 261

9.4.6 避免耦合问题 270

9.5 正确布局的原则 281

9.5.1 没有接地 281

9.5.2 只有返回电流 281

9.6 布局过程 282

9.6.1　原理图完成后布线开始前需查找的问题 282

9.6.2 兼顾电磁兼容的布局设计过程 288

9.7 检测和纠正技术 290

9.7.1 “木桶”原理 291

9.7.2 替换法 291

9.7.3 控制特定MCU功能的软件 291

9.7.6 与芯片设计者的沟通 292

9.7.4 物理隔离 292

9.7.5　屏蔽的谬论 292

9.7.7 仿真 293

9.8 结论 293

参考文献 294

第10章　静电放电 296

10.1 引言 296

10.2 问题分析 296

10.2.1 实例 296

10.2.2 故障模式 298

10.3 静电放电的物理特性 300

10.3.1 摩擦起电效应 300

10.3.2 空气击穿 301

10.3.3 电荷的重新分布 302

10.4 静电放电对集成电路的影响 303

10.5 建模和测试标准 305

10.5.1 双指数脉冲模型 305

10.5.2 人体模型、机器模型和充电设备模型 305

10.5.3 ESD标准的详细要求 307

10.5.4 性能标准 308

10.6 最小化静电放电问题的产品设计 308

10.6.1 阻止静电放电进出外壳 308

10.6.2 如果无法避免静电进入，应合理设计静电放电的路径 311

10.6.3 集成电路的静电防护 314

10.6.4 一旦发生静电放电，使其影响最小化 318

10.7 结论 321

参考文献 321

第11章　无线传感器网络协议 324

11.1 引言 324

11.2　IEEE 802.15.4低速率无线个域网标准 324

11.3 ZigBee联盟 329

11.4 IEEE 1451.5智能无线传感器接口标准 330

参考文献 331

第12章　总结和未来发展机遇展望 333

12.1 总结 333

12.2 未来的发展机遇 337

参考文献 340

附录A　信号处理工作室（SPW） 341

附录B　WinneuRFon 342

B.1 引言 342

B.2 研究背景 342

B.3 系统需求 343

B.4 软件所支持的特性 345

B.5 当前的情况以及完成的工作 345

B.6 仿真方法和其他潜在功能 348

B.7 将来工作的几点建议 350

B.8 小结 351

附录C 无线传感器网络收发器集成电路示例 352

词汇表 357