本书内容丰富、语言简练，理论叙述深入浅出。它基本涵盖了无线传感器网络领域所有知识点的最新研究进展并提供了详尽的参考文献，包括硬件设计、媒体接入控制、路由策略、传输协议、操作系统、中间件、数据管理、定位、同步、安全、执行器/水下/视频传感器网络、能量控制、传感器模拟和新兴的研究。另外，本书还提供了丰富的课后练习题和思考题，详细的个案研究，以及实际传感器网络的设计案例。

本书附赠的配套光盘提供了丰富的包括练习和实验材料解决方案在内的教学资源，阐述了设计和需要解决现实世界传感器网络系统应用开发面临挑战与优化问题的实施步骤，使用者可以根据学习过程中的具体需求选用。

随着信息技术和应用需求的发展，无线传感器网络已成为研究热点，并广泛应用于工业、医疗、交通、环境等领域。相比于传统的网络技术，无线传感器网络具有许多优势，但后者在网络结构的设计、模型与算法等方面存在很多极具挑战性的问题。
本书由两位优秀的科学家编写，他们的研究获得过美国国家科学基金会（NSF）、IBM和思科公司的资助。本书面向无线传感器网络领域的初学者，介绍无线传感器网络这一新兴领域的相关知识，内容涵盖无线传感器网络的关键技术、标准以及典型的应用等主题。
本书以简洁、通俗易懂的语言阐述复杂的概念和过程，将硬件设计、介质访问控制、路由方案、传输协议、操作系统支持、中间件、数据管理、本地化、同步、安全、能量控制、执行器/水下/视频传感器网络及相关前沿研究的知识展现在读者面前。书中还提供了大量的练习题、案例研究以及实际的无线传感器网络设计案例，方便读者学习。

本书特点
全面、系统地介绍了无线传感器网络的基础理论、标准和典型应用。
引入大量案例，生动阐述解决真实世界挑战和优化问题的设计和实现步骤。
每章包括丰富的练习题、实际的案例和延伸阅读，以及大量的参考文献，便于读者学以致用并深入探索。

作者简介
胡飞（Fei Hu） 目前任阿拉巴马大学电子与计算工程学院副教授。1999年于同济大学获得博士（信号处理）学位，并在2002年获得美国克拉克森大学博士（电子与计算机工程）学位。研究领域包括传感器网络、无线网络、网络安全及其在生物医疗领域的应用，其研究先后获得了美国国家科学基金会、思科、Sprint等项目的资助。
曹小军（XiaoJun Cao） 目前任佐治亚州立大学计算机科学学院副教授。他本科毕业于清华大学，在中国科学院获得硕士学位后，于2004年获得纽约州立大学布法罗分校计算机科学与工程博士学位。他的研究领域包括光纤通信网络、无线光通信网络、移动自组织网络、无线传感器网络等通信网络的模型建立、性能分析以及协议/算法设计等方面，获得了2006年度美国国家科学基金会杰出青年教授奖（NSF CAREER Award），其研究先后获得美国国家科学基金会、IBM公司和思科大学研究计划等项目的资助。

在当今信息爆炸的时代，无线传感器网络（WSN）已成为研究热点之一。科学与机械工程方面的最新进展为建立低能耗、低成本的无线传感器网络提供了有利条件。无线传感器网络为日益增加的应用需求提供了足够的发展空间与有效的解决方案，例如基础设施的保护与安全维护、管理与监控、健康护理、环境监测、食品安全与智慧能源等。相比于传统的网络技术，无线传感器网络具有许多优势，但后者在网络结构的设计、模型与算法等方面也存在很多极具挑战性的问题。无线传感器网络在设计中存在很多限制，例如有限的能耗、带宽、存储空间和计算能力，节点的高失效率与消息丢失率，不利的通信环境与独特的应用要求。目前为止，在学术与工业领域已有很多关于无线传感器网络的研究。
最近，出版了一些传感器网络领域方面的书籍，但大多数并不适合当作教材，因为其覆盖的领域有限或者编辑并不得当。本书则尝试综合讨论传感器网络中的主要技术、标准、主要问题和最新发展。它基本覆盖了此领域读者所需的所有主题，包括硬件设计、介质访问控制、路由协议、传输协议、操作系统，中间件、数据管理定位、时间同步、安全、执行器/水下/视频传感器网络、能量控制和传感器网络模拟等。
本书通过列举生动有趣的无线传感器网络应用实例，使复杂的概念变得简单易懂。另外，本书设计了丰富的课后练习、作业与详实的应用案例，帮助读者理解书中内容，并能够将自己的知识应用到无线传感器网络的设计中或者解决现实生活中的问题。本书还包括一些实际的传感器网络设计，比如医疗健康护理系统。
目标阅读人群
作为教材，本书适合计算机工程、电子工程或者计算机科学、物联网工程等相关专业的高年级本科生和低年级研究生使用。对于想全面了解无线传感器网络技术的传感器网络设计者、研究者和工程师来说，这是一本优秀的参考书。另外，本书也适用于政府部门工作人员，他们可以通过学习此书，利用无线传感器网络保障国土安全。
本书内容
第1章绪论（无线传感器网络概述、基本的网络概念）
计算机工程知识第2章硬件——传感器节点的体系结构与设计（具有微型控制器和无线通信模块的微型传感器节点）
网络协议栈
第3章MAC层 (相邻节点无线传输)
第4章路由层 (建立源节点与目的节点间的最优通信路径)
第5章传输层 (丢包恢复，拥塞控制)
计算机科学知识
第6章操作系统 (TinyOS等)
第7章中间件 (向应用开发程序人员隐藏网络细节)
第8章传感器数据管理
高级无线传感器
网络技术
第9章定位 (也称为定标，非常重要)
第10章时钟同步 (修正传感器节点时钟漂移带来的误差)
第11章安全 (无线传感器网络面临的攻击及相应安全机制)
(续)
特殊传感器网络
第12章无线执行器与传感器网络（具有移动执行器）
第13章水下传感器网络（通信采用声波而非射频）
第14章视频传感器网络
其他技术
第15章能量模型与低功耗设计
第16章无线传感器网络模拟器
应用案例分析
第17章无线传感器网络应用案例：医疗健康护理系统
第18章无线传感器网络应用案例：灯光控制
教学建议
本书可以用于学时为一个学期（15周）的“无线传感器网络”课程教材，下表给出了本书中不同教学单元的时间分配建议。教师可以根据学生的反馈与学习的实际情况调整教学计划。

时间长度教学内容章节
2周无线传感器网络概况、传感器节点硬件（对于计算机科学专业本科生，本内容可以缩减）第1章与第2章
2周MAC层（至少讲授两个MAC方案，重点为“能量节省”设计）第3章
25周路由层（讲授主动式/反应式路由协议，重点为可扩展性设计）第4章
15周传输层（讲授可靠的端到端传输和拥塞控制两部分内容）第5章
1周操作系统；中间件（对于计算机科学专业本科生，可用两周时间讲授本部分）第6章与第7章
1周传感器数据管理（对于计算机科学专业本科生，可用两周时间讲授本部分）第8章
1周传感器节点定位、时间同步（对于博士/硕士研究生，可用2~3周时间深入讲授本部分）第9章与第10章
1周无线传感器网络安全（讲授μTESLA、EG、qComposite等经典认证、密钥管理协议）第11章
15周特殊传感器网络（着重讲授水下无线传感器网络）第12章到第14章
05周能量模型；无线传感器网络模拟器第15章与第16章
1周典型应用案例学习第17章与第18章
总计：15周对于每一章，教师应讲授相关数学模型、协议原理与设计实例。可以将一些教学内容作为课后阅读作业
提示：教师应留一些课堂实验的时间。
对于时长为10周的“无线传感器网络”课程，本书中各教学单元的时间分配建议如下表所示。

时间长度教学内容章节
15周无线传感器网络概况、传感器节点硬件第1章与第2章
1周MAC层（重点讲授“能量节省”设计）第3章
15周路由层（讲授主动式/反应式路由协议，重点为可扩展性设计）第4章
1周传输层（讲授可靠的端到端传输和拥塞控制两部分内容）第5章
05周操作系统；中间件（对于计算机科学专业本科生，可用15周时间讲授本部分）第6章与第7章
(续)
时间长度教学内容章节
05周传感器数据管理（对于计算机科学专业本科生，可用15周时间讲授本部分）第8章
1周传感器节点定位、时间同步（对于博士/硕士研究生，可用2~3周时间深入讲授本部分）第9章与第10章
05周无线传感器网络安全（讲授μTESLA、EG、qComposite等经典认证、密钥管理协议）第11章
1周特殊传感器网络（着重讲授水下无线传感器网络）第12章至第14章
05周能量模型、无线传感器网络第15章与第16章
1周典型应用案例学习第17章与第18章
总计：10周对于每一章，教师应讲授相关数学模型、协议原理与设计实例。可以将一些教学内容作为课后阅读作业
对于计算机工程专业的学生，第2章的内容（传感器节点硬件设计）很重要，需要较多的时间进行系统学习。而计算机科学专业的学生需要细致地学习第6章至第8章内容（传感器网络操作系统和数据管理）。
还有一些章节，例如第8章~第10章（传感器网络定位、同步、安全），可以作为博士/硕士研究生的学期考试课题（也就是说，要求学生更深入地研究此课题，然后基于他们的研究提交一份研究报告）。第17章与第18章的内容可以作为大学高年级学生的研究项目。
在课堂教学过程中，不建议对本书涉及的无线传感器网络知识点以综述的形式进行讲解。教师应选择适当的典型设计案例，对案例涉及的相关概念进行详细阐述。例如，当讲授介质访问（MAC）层时，教师应至少详细介绍一种典型的MAC协议（例如SMAC协议）。
数学理论对于无线传感器网络设计尤其重要。因此，学生应仔细学习各章节中出现的一些经典数学模型。博士/硕士研究生更应着重学习这些模型。
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致谢
作为本书的主编，Xiaojun Cao博士编写了本书1/5的内容，Fei Hu博士编写了4/5的内容。我们对在此书的筹备与编写过程中给予帮助的人们表示真诚的感谢。阿拉巴马大学电子与计算机工程学院的学生帮助校对了本书的部分图表与数学公式，他们也协助编辑了本书的部分内容。感谢Rahul Mallampati帮助我们修订本书内容，编辑部分图表，并用微软Word规范了此书格式。还要感谢Barnali Chakrabarty和Auerbach出版集团的工作人员，在写作过程中他们提供了长期的支持与帮助。
最后要声明一点，本书的大部分内容与其中的概念都基于目前已有的研究成果，因为篇幅有限,这里我们不能将其一一列出。我们尤其要感谢那些在无线传感器网络领域发表与出版了优秀论文与书籍的作者们。
声明
本书出版的目的是以教科书的形式为学生和工程师介绍无线传感器网络设计的概念与发展现状。需要说明的是,本书并不致力于介绍先进的创新和研究理念。尽管我们尽力利用本书中提到的参考文献，但书中难免存在一些缺点和错误。我们真诚地感谢本书中引用的无线传感器网络领域文献的作者。希望读者在发现本书中的错误时能与我们联系。Fei Hu的电子邮箱为fei.hu@ieee.org，Matt Cao 的邮箱为cao@cs.gsu.edu。我们将会在再版中修改和完善书中相关内容。

电子与电气工程

随着信息技术和应用需求的发展，无线传感器网络已成为研究热点，并广泛应用于工业、医疗、交通、环境等领域。相比于传统的网络技术，无线传感器网络具有许多优势，但后者在网络结构的设计、模型与算法等方面存在很多极具挑战性的问题。
本书由两位优秀的科学家编写，他们的研究获得过美国NSF、IBM和Cisco公司的资助，本书面向无线传感器网络领域的初学者，介绍无线传感器网络这一新兴领域的相关知识，内容涵盖无线传感器网络的关键技术、标准以及典型的应用等主题。
本书以简洁、通俗易懂的语言阐述复杂的概念和过程，将硬件设计、介质访问控制、路由方案、传输协议、操作系统支持、中间件、数据管理、本地化、同步、安全、能量控制、执行器/水下/视频传感器网络及相关前沿研究的知识展现在读者面前。书中还提供了大量的练习题、案例研究以及实际的无线传感器网络设计案例，方便读者学习。
本书特色：
? 全面、系统地介绍了无线传感器网络的基础理论、标准和典型应用。
? 引入大量案例，生动阐述解决真实世界挑战和优化问题的设计和实现步骤。
? 每章包括丰富的练习题、实际的案例和延伸阅读，以及大量的参考文献，便于读者学以致用并深入探索。
作者简介：
Fei Hu：目前任阿拉巴马大学电子与计算工程学院副教授。1999年于中国同济大学获得博士（信号处理）学位，并在2002年获得美国克拉克森大学获得博士（电子与计算机工程）学位。研究领域包括传感器网络、无线网络、网络安全及其在生物医疗领域的应用，其研究先后获得了美国国家科学基金委员会、思科、Sprint等项目的资助。
Xiaojun Cao：目前任乔治亚州立大学计算机科学学院副教授。他本科毕业于清华大学（北京），在中国科学院获得硕士学位后，于2004年获得纽约州立大学布法罗分校计算机科学与工程博士学位。他的研究领域包括光纤通信网络、无线光通信网络、移动自组织网络、无线传感器网络等通信网络的模型建立、性能分析以及协议/算法设计等方面，获得了2006年度美国国家科学基金会杰出青年教授奖（NSF CAREER Award），其研究先后获得美国国家科学基金委员会、IBM公司和思科大学研究计划等项目的资助。

牛晓光 宫继兵 译：暂无简介

随着无线通信、电子与传感技术的发展，无线传感器网络引起了人们的广泛关注, 它可以把虚拟世界与现实世界以前所未有的规模进行连接，在国家安全、环境监测、交通管理、空间探索、灾难预防等领域具有重大的应用价值。
本书全面、系统地介绍了无线传感器网络在理论和实践方面的基本原理和经典协议、算法以及应用实例。全书共分为18章，基本覆盖了无线传感器网络所有领域，包括硬件设计、介质访问控制、路由协议、传输协议、操作系统、中间件、数据管理定位、时间同步、安全、执行器/水下/视频传感器网络、能量控制和传感器网络仿真等，介绍了各领域所面临的主要技术挑战和最新研究成果。本书通过列举生动有趣的应用实例，使复杂的概念变得简单易懂，为解决无线传感器网络应用系统中面临的实际问题在架构、协议、建模、分析和解决方案等方面提供了有效的指导。在每章结尾，给出了大量的实际问题和练习，帮助读者们全面理解及掌握相关内容。
本书材料权威丰富，体系结构完整，内容新颖翔实，知识系统全面，行文通俗易懂，兼备知识性、系统性、可读性、实用性和指导性，是一本难得的高层次的教科书。本书既适合作为高等学校物联网工程、计算机、通信等信息技术类专业研究生教材或本科生课程参考书，也适合作为从事相关的研究或开发工作的专业技术人员的高级参考资料。
本书翻译工作由武汉大学计算机学院牛晓光和燕山大学信息科学与工程学院宫继兵合作完成，牛晓光负责前言、第2章至第5章、第11章、第15章至第18章及附录等其他部分，宫继兵负责第1章、第6章至第10章、第12章至第14章。牛晓光负责了初校统稿和最后的审校定稿。感谢机械工业出版社朱劼在书稿翻译过程中的悉心指导和全力支持，感谢武汉大学计算机学院的魏川博和陈曦同学参与协助翻译和清样审校。
限于译者水平，难免有错误和不当之处，敬请读者见谅并给我们提出宝贵意见。
译者
2014年12月于武汉大学

译者序
前言
第一部分基础知识
第1章绪论
11基础知识
12介质访问控制层
13路由
14其他通信问题
15传感器定位
16时钟同步
17电源管理
18特殊的无线传感器网络
181无线多媒体传感器网络
182水下声学无线传感器网络
19无线传感器网络的应用
问题与练习
第二部分工程设计
第2章硬件——传感器节点的体系结构与设计
21传感器节点的模块
211传感器
212微处理器
213存储器
214无线通信模块
215电源
216外围模块支持
22综合设计
23Mica节点设计
24定制节点——Spec
25COTS微尘系统
26Telos节点
27CargoNet
问题与练习
第三部分网络协议栈
第3章无线传感器网络中的介质访问控制技术
31引言
311无线传感器网络中的介质访问控制
312无线传感器网络中MAC设计的挑战性
32IEEE80211标准概述
321点协调功能
322分布式协调功能
33MAC协议的分类
331基于竞争的MAC协议
332基于调度的MAC协议
333混合型与事件驱动的MAC协议
34总结
问题与练习
第4章无线传感器网络的路由技术
41引言
411资源受限
412容错性
413数据报告与融合
414节点部署
415可扩展性和覆盖度
416网络动态性和异构性
42本章的组织结构
43无线传感器网络路由协议的分类
431主动式路由协议和反应式路由协议
432平面路由协议和分层路由协议
44以数据为中心的路由协议
441洪泛和闲聊
442SPIN:基于信息协商的传感器网络路由协议
443DD:定向扩散路由
45分层路由协议
451LEACH:低功耗自适应按簇分层路由协议
452TEEN:阈值敏感的能量高效传感器网络路由协议
46基于位置信息的路由协议
47多径QoS路由
471多径路由
472多径QoS路由协议
48小结
问题与练习
第5章无线传感器网络传输层技术
51引言
52PSFQ
521为什么TCP协议不适用于传感器网络
522基本工作原理
523协议描述
53ESRT:事件到汇聚节点的可靠传输协议
531可靠传输问题
532归一化事件可靠性与报告速率之间的关系
533拥塞检测
54E2SRT：事件到汇聚节点的增强可靠传输协议
55CODA：传感器网络中的拥塞检测与避免
551开环逐跳反压
552拥塞检测
553基于采样的信道监听
56STCP：无线传感器网络的传输控制协议
561STCP中的数据传输序列
562STCP分组的格式
563连续数据流
564事件触发数据流
565可靠性
566拥塞检测与避免
567以数据为中心的应用
57GARUDA：实现有效可靠的下行通信
571无线传感器网络中下行数据可靠性面临的挑战
572GARUDA基本设计
573GARUDA 架构
问题与练习
第四部分计算机科学原理
第6章传感器节点的操作系统
61TinyOS
611概述
612组件模型
613执行模块与并发性
614主动消息
615实现状况
616主要特性
617低功率优化
62LATinyOS：无线传感器网络中的一种局部性感知的操作系统
621改变定时器以支持时间和空间局部性
622多级任务调度器
623LATinyOS系统的代码结构
63SOS
631模块
632动态内存
64RETOS: 弹性可扩展多线程操作系统
641应用代码检查
642多线程系统
643可加载内核模块
问题与练习
第7章无线传感器网络中的中间件设计
71引言
72无线传感器网络中间件参考模型
73中间件实例：Agilla
74用于获取数据的中间件实例：Mires
75数据存储实例：DSWare
76无线传感器网络运行时支持实例：Mate
77QoS支持实例：MiLAN
问题与练习
第8章传感器数据管理
81传感器数据清理
811背景
812通用模型
813降低不确定性
82TinyDB：应用于传感器网络的可获取的查询处理系统
821数据模型
822基本语言特点
823基于事件查询
824TinyDB定义的其他查询
825基于能量的查询优化
826TinyDB策略一览
83数据聚合：独立于应用的数据聚合(AIDA)
84传感器数据存储：层次化数据存储结构(TSAR)
85多分辨率数据处理
问题与练习
第五部分高级话题
第9章传感器定位
91引言
92定位的基本要素
921接收信号强度指示
922到达时间
923到达时间差
924到达角度
925三角测量
926三边测量
927多边定位
93使用移动机器人进行传感器定位
94多维标度节点定位
941经典多维标度
942迭代多维标度
95无线传感器网络中的定位
951蒙特卡洛方法
952算法（1）
953算法（2）
96无GPS环境中的移动无线传感器网络的节点定位方法
97高精度低功耗的无线传感器网络定位系统
98LOCALE：稀疏移动传感器网络的协同定位估计
981协同位置估计
982LOCALE中的定位
983局部定位阶段
984转换阶段
985更新阶段
99无线传感器网络定位的安全
991SeRLoc
992信标套件
993攻击容忍的节点定位
994稳健统计方法
问题与练习
第10章无线传感器网络中的时间同步技术
101引言
102一般网络（非无线传感器网络）中的时间同步
1021远程时钟读取
1022偏移时延估计方法
103无线传感器网络中的时钟同步
104同步性能的评估
1041精度
1042协议开销
1043收敛时间
1044能效
1045可扩展性
1046鲁棒性
105无线传感器网络同步协议的例子
1051参考广播同步
1052时间扩散同步协议
1053概率时钟同步
问题与练习
第11章无线传感器网络安全与隐私
111引言
1111一般攻击类型
1112物理节点攻击
1113针对无线传感器网络通信议栈的攻击
112攻击与对策示例：虫洞攻击
113无线传感器网络安全示例：基于Blom模型的方法
114广播认证:基于时间的高效的容忍丢包的流认证协议μTESLA
115面向传感器节点的实用安全机制
1151TinySec
1152MiniSec：一种面向无线传感器网络的安全通信架构
116案例：无线传感器网络中的安全时间同步
问题与练习
第六部分特殊无线传感器网络
第12章无线传感器和执行器网络
121引言
122传感器-执行器协同问题
1221网络和能量模型
1222ILP算法
1223传感器-执行器协同工作：分布式协议
1224DEPR概述
123层次化传感器-执行器协同工作机制
1231层次化WSAN协同工作架构
1232“传感器-传感器”协同工作层次——使用聚类
1233“传感器-执行器”协同工作层次
1234“执行器-执行器”协同工作层次问题与练习
第13章水下传感器网络
131引言
1311水下无线传感器网络应用
1312水下无线传感器网络与陆上无线传感器网络的区别
1313网络拓扑
1314声频信号传输
1315水下传感器
132水下无线传感器网络协议栈
1321物理层
1322数据链路层
1323网络层(路由层)
1324传输层
133介质访问控制设计实例
134路由设计实例：基于矢量的转发协议
135硬件原型设计
1351硬件设计
1352软件设计
1353系统测试
问题与练习
第14章视频传感器网络
141引言
142Panoptes
1421视频捕捉
1422视频压缩
1423数据过滤
1424数据缓存
143Cyclops
144视频传感器网络定标
1441确定重叠的程度
1442估计koverlap值
145SensEye
问题与练习
第七部分其他主题
第15章无线传感器网络能量模型
151基本WSN能量模型
152基于仿真的能量模型
153能量感知路由
问题与练习
第16章传感器网络仿真器
161GloMoSim
162SensorSim
163TOSSIM
164PowerTOSSIM
1641PowerTOSSIM的结构
1642组件装配
1643CPU能耗分析
1644PowerState模块
1645分析工具
问题与练习
第八部分案例研究
第17章案例研究1：远程医疗服务
171引言
172远程心电图传感器网络的硬件设计
173可靠的MASN通信协议
1731增强的基于聚类的MASN数据传输
1732MASN的路由性能
174MASN的软件设计
175RFID和可穿戴传感器的集成
问题与练习
第18章案例研究2：灯光控制181引言
182Illumimote系统的传感器
183系统结构
184校准
185系统评估
问题与练习
参考文献
索引