本书是关于
无线通信模块
设计与物联网应用开发的一本专著。全书共分两篇12章，涵盖了
无线通信模块及物联网领域的多个方面。
基础篇由9章组成，主要内容有：无线通信模块和物联网的基本概念，体系结构，软、硬件平台系统组成，物联网中无线通信模块的应用开发环境，无线通信模块应用的软件开发和接口指令，以及无线通信模块在物联网中的应用实例等。进阶篇由3章组成，主要内容有：无线通信模块的高级开发——通过嵌入式脚本开发高性能且低成本的物联网应用等。为使读者能够快速地对无线通信模块及其在物联网的
技术应用有一个全面、系统的认识，本书从宏观上和顶层分别介绍无线通信模块与物联网技术。读者不仅可以从技术
理论上对用于物联网的无线通信有较全面的了解，而且可以根据应用实例对物联网技术有更直观的认识。
本书可供从事无线通信领域物联网应用开发的科技人员阅读和参考，也可以作为高等院校电气信息类专业中物联网技术课程的
教材或教学参考书，或作为物联网技术的
培训教材。对于具有一定信息网络基础知识，并希望进一步提高技术水平的读者，无疑也是一本理想的参考读物。
读者对象：预期读者主要为从事无线通信模块软硬件设计以及物联网应用开发的工程技术人员以及大专院校相关专业的本科生、研究生。
本书较为全面地介绍了无线传感器网络的关键技术，特别是无线传感器网络协议的设计及传感器网络数据融合等领域的核心技术，重点研究了无线传感器网络的路由协议、数据融合算法及水下路由通信算法。全书共分为10章，以全新的视野、翔实的
资料，深刻阐述了无线传感器网络领域的一些新问题、解决问题的方案和工程应用开发的设计方法。书中大部分内容是作者近年来在本领域的研究成果，并提供了详细的参考文献。本书共分为三部分：
第一部分是传感器网络基础内容，主要包括第1章，介绍传感器网络的体系结构、与其关系密切的无线短距离通信
标准等。
第二部分是传感器网络协议及传感器网络通信算法研究，包括第2～8章，介绍具有能量效率的通信协议、具有QoS机制的通信协议、水下通信协议及数据融合技术等内容。
第三部分是传感器网络相关技术及其应用，包括第9、10章，介绍物联网、云
计算及超宽带技术等，同时列举了一些较为典型的应用。
读者对象：通信与信息系统、计算机科学与技术、网络工程等专业的大学本科高年级学生和研究生以及广大对传感器网络技术感兴趣的工程技术人员。
前 言
无线传感器网络是当今国内外备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究领域。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时
监测和采集网络分布区域内各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标的检测与跟踪，有着广阔的应用前景。过去的几十年计算机技术的发展给人类生活带来了深刻的变革，它的发展增强了人类处理信息的能力，相当于扩展了人类的脑力活动。无线传感器网络技术的产生将彻底改变人类自古以来仅仅靠自身的触觉、视觉、嗅觉来感知信息的现状，极大地提高人类获取信息的准确性和灵敏度。作为信息时代的一项变革性的技术，无线传感器网络可以使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量翔实、可靠的信息，真正实现“无处不在的计算”理念。无线传感器网络是信息技术的前沿和交叉领域，目前正处于起步阶段，将成为继计算机、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。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10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。可以预言，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。
本书编者经过近5年对无线传感器网络的学习和研究，积累了一定的成果，为本书的出版奠定了扎实的基础。我们首先从无线传感器网络的工作原理出发，通过吸收国内外大学和研究所的研究成果，对无线传感器网络的通信进行了研究，提出自己的看法和思路；接着从通信协议中的节能方面进行了研究，取得一定的研究成果，随着无线传感器网络应用的深入，多媒体传感器应运而生，因此研究适合于多媒体传感器网络环境的QoS通信协议势在必行；最后我们研究了水下传感器网络通信协议，并收到了一定的效果。随着不断地研究开发积累，通过对无线传感器网络的理论研究和技术实践经验总结，构成了本书全部的内容。根据当前国家有关部门对自组织网络及无线传感器网络技术和应用的密切关注程度，以及国家未来15年中长期科技发展战略部署和国家重点基础研究发展计划纲要的主题，本书划分为无线传感器网络概述等10章。
无线传感器网络的概述部分剖析了无线传感器网络的特点，重点介绍当前主流无线传感器网络
通信技术和典型应用。无线传感器网络关键技术部分涉及网络系统基本网络协议的讨论，还介绍了形成系统网络应用所需要的能量管理机制、QoS保证技术、数据融合技术、定位技术管理机制。无线传感器网络仿真与原型开发部分以实际系统的仿真过程为实例，让读者与无线传感器网络进行亲密接触，构建一个切实可行的、属于自己的原型系统和设计平台。
本书由尚凤军编著，苏畅博士、刘小明等多次参与有关本书的技术讨论，提供无线传感器网络的相关资料。另外，感谢重庆邮电大学计算机科学与技术学院对出版本书工作的支持。同时，参与本书编写的人员还有雷阳、任东海、王寅、刘小明。另外，在本书编写过程中，引用了部分作者的相关文献
材料，在此一并表示感谢。第9、10章参考和引用了许多站点上的内容，在此对被引用的站点表示感谢，它们是千家网站点、物联网时代站点、
中国网格计算站点、上海市
无线电管理局站点、中国物联网站点等；同时，被引用的内容版权归站点或作者所有。
同时，本书的出版得到了重庆邮电大学出版基金资助，重庆市自然科学基金资助（CSTC，
2009BB2081），第39批“教育部留学回国人员科研启动基金”资助，重庆市教委科学技术研究项目资助。
由于水平有限，加之编写时间仓促，书中疏漏之处在所难免，欢迎广大读者和同行批评指正。无线传感器网络正处在飞速发展的阶段，我们愿在吸取大家意见和建议的基础上，不断修改和完善书中有关内容，为推动无线传感器网络应用领域的发展与进步尽微薄之力。
为充分展现本书编写特色，帮助读者深刻理解本书的编写意图与内涵，进一步提高对本书教学的使用效率，我们建立本书使用
指导联络方式，欢迎读者将图书使用过程中的问题与各种探讨、建议反馈给我们，本书编者将竭诚为您服务。我们的联系方式是E-mail:
shangfj@cqupt.edu.cn.。
编 者
目 录
第1章 无线传感器网络概述 1
1.1 引言 1
1.2 无线传感器网络介绍 3
1.2.1 无线传感器网络体系结构 3
1.2.2 无线传感器网络的特点和关键技术 5
1.2.3 无线传感器网络的应用 5
1.3 无线传感器网络路由算法 7
1.3.1 无线传感器网络路由算法研究的主要思路 7
1.3.2 无线传感器网络路由算法的分类 9
1.3.3 无线传感器网络QoS路由算法研究的基本思想 11
1.3.4 无线传感器网络QoS路由算法研究的分类 12
1.3.5 平面路由的主流算法 16
1.3.6 分簇路由的主流算法 16
1.4 ZigBee技术 21
1.4.1 ZigBee技术的特点 21
1.4.2 ZigBee协议框架 23
1.4.3 ZigBee的网络拓扑结构 24
1.5 无线传感器安全研究 25
1.5.1 无线传感器网络的安全需求 25
1.5.2 无线传感器网络安全的研究进展 28
1.5.3 无线传感器网络安全的研究方向 31
1.6 水下传感器网络 32
1.7 无线传感器网络定位 34
1.7.1 存在的问题 34
1.7.2 性能
评价 34
1.7.3 基于测距的定位方法 35
1.7.4 非测距定位算法 37
1.7.5 移动节点定位 39
参考文献 40
第2章 无线传感器网络的分布式能量有效非均匀成簇算法 48
2.1 引言 48
2.2 相关研究工作 48
2.2.1 单跳成簇算法 49
2.2.2 多跳成簇算法 49
2.3 DEEUC成簇路由算法 50
2.3.1 网络模型 51
2.3.2 DEEUC成簇算法 52
2.3.3 候选簇头的产生 53
2.3.4 估计平均能量 53
2.3.5 最终簇头的产生 54
2.3.6 平衡簇头区节点能量 55
2.3.7 算法
分析 57
2.4 仿真和分析 59
2.5 结论及下一步工作 63
参考文献 64
第3章 无线传感器网络分簇多跳能量均衡路由算法 67
3.1 无线传输能量模型 67
3.2 无线传感器网络路由策略研究 68
3.2.1 平面路由 68
3.2.2 单跳分簇路由算法研究 69
3.2.3 多跳层次路由算法研究 72
3.3 LEACH-L算法 72
3.3.1 LEACH-L的改进思路 72
3.3.2 LEACH-L算法模型 73
3.3.3 LEACH-L描述 77
3.4 LEACH-L的分析 79
3.5 实验仿真 80
3.5.1 评价参数 80
3.5.2 仿真环境 80
3.5.3 仿真结果 81
3.6 总结及未来的工作 88
3.6.1 总结 88
3.6.2 未来的工作 89
参考文献 89
第4章 基于生成树的无线传感器网络分簇通信协议 91
4.1 引言 91
4.2 无线传输能量模型 92
4.3 基于时间延迟机制的分簇算法（CHTD） 93
4.3.1 CHTD的改进思路 93
4.3.2 CHTD簇头的产生 94
4.3.3 CHTD簇头数目的确定 95
4.3.4 CHTD最优簇半径 96
4.3.5 CHTD描述 97
4.3.6 CHTD的特性 99
4.4 CHTD簇数据传输研究 100
4.4.1 引言 100
4.4.2 改进的CHTD算法（CHTD-M） 100
4.4.3 CHTD-M的分析 103
4.5 仿真分析 103
4.5.1 生命周期 104
4.5.2 接收数据包量 106
4.5.3 能量消耗 107
4.5.4 负载均衡 108
4.6 总结及未来的工作 111
4.6.1 总结 111
4.6.2 未来的工作 112
参考文献 112
第5章 基于自适应蚁群系统的传感器网络QoS路由算法 114
5.1 引言 114
5.2 蚁群算法 114
5.3 APAS算法的信息素自适应机制 118
5.4 APAS算法的挥发系数自适应机制 124
5.5 APAS算法的QoS改进参数 130
5.6 APAS算法的信息素分发机制 133
5.7 APAS算法的定向广播机制 136
5.8 仿真实验及结果分析 138
5.8.1 仿真环境 138
5.8.2 仿真结果及分析 140
5.9 总结及未来的工作 145
5.9.1 总结 145
5.9.2 未来的工作 146
参考文献 146
第6章 无线传感器网络簇头选择算法 148
6.1 引言 148
6.2 LEACH NEW算法 148
6.2.1 网络模型 148
6.2.2 LEACH NEW簇头选择机制 150
6.2.3 簇的生成 150
6.2.4 簇头间多跳路径的建立 151
6.3 仿真实现 151
6.4 结论及未来的工作 152
参考文献 153
第7章 水下无线传感网络中基于向量的低延迟转发协议 154
7.1 引言 154
7.2 相关工作 155
7.3 网络模型 157
7.3.1 问题的
数学描述 157
7.3.2 网络模型 157
7.4 基于向量的低延迟转发协议 158
7.4.1 基于向量转发协议的分析 158
7.4.2 基于向量的低延迟转发算法 159
7.5 仿真实验 160
7.5.1 仿真环境 160
7.5.2 仿真分析 161
7.6 总结 162
参考文献 162
第8章 无线传感器网络数据融合算法研究 165
8.1 引言 165
8.2 节能路由算法 165
8.2.1 平面式路由算法 166
8.2.2 层状式路由算法 167
8.3 数据融合模型 169
8.3.1 数据融合系统 169
8.3.2 LEACH簇头选择算法 170
8.3.3 簇内融合路径 172
8.3.4 环境设定和能耗公式 174
8.4 数据融合仿真 175
8.4.1 仿真分析 175
8.4.2 仿真结果分析 179
8.5 结论 181
参考文献 182
第9章 无线传感器网络相关技术 184
9.1 超宽带技术 184
9.1.1 系统结构的实现比较简单 186
9.1.2 空间传输容量大 186
9.1.3 多径分辨能力强 186
9.1.4 安全性高 187
9.1.5 定位精确 187
9.2 物联网技术 188
9.2.1 物联网原理 189
9.2.2 物联网的背景与前景 190
9.3 云计算技术 192
9.3.1 SaaS软件即服务 196
9.3.2 公用/效用计算 196
9.3.3 云计算领域的Web服务 197
9.4 认知
无线电技术 197
9.4.1 传统的Ad-hoc方式中无线传感器网络的不足 198
9.4.2 在ZigBee无线传感器网络中的应用 198
参考文献 199
第10章 无线传感器网络应用 202
10.1 军事应用 205
10.2 农业应用 206
10.3 环保监测 208
10.4 建筑应用 210
10.5 医疗监护 212
10.6 工业应用 213
10.6.1 工业安全 213
10.6.2 先进
制造 214
10.6.3 交通控制管理 214
10.6.4 仓储物流管理 215
10.7 空间、海洋探索 216
10.8 智能家居应用 217
参考文献 218
