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传感器网络技术手册

前言

本手册旨在系统介绍传感器网络的核心技术、协议及实际应用。全书内容涵盖从基础理论到实际应用的全方位知识，力求理论与实践相结合，为传感器网络的设计与开发提供有价值的参考。

扩展福利

本书为学生及相关领域的从业者提供丰富的课后练习与拓展资料，旨在激发读者的学习兴趣，助力实践能力的提升。

第一章：传感器网络概述

1. 无线网络的分类

无线网络主要可分为两大类：基础设施网络与无基础设施网络（即移动Ad hoc网络、无线传感器网络）。

2. 无线传感器网络的定义

无线传感器网络是一种自组织、多跳的无线网络，由大量静止或移动的传感器结点组成。其主要功能是通过协作感知、处理并传输网络覆盖区域内的监测信息。

3. 无线传感器网络与现代信息技术的关系

传感器技术、感官计算机技术与大脑通信技术构成了无线传感器网络与现代信息技术的三大支柱。

4. 无线传感器网络的系统架构

从用户角度来看，无线传感器网络的宏观架构通常包括以下组成部分：传感器结点、汇聚结点、管理结点。汇聚结点有时也称为网关结点或信宿结点。

5. 传感器网络的三个基本要素

传感器、感知对象与用户是传感器网络的三大基本要素。传感器负责感知目标的物理特征，感知对象是被测量的实际物体，用户则是最终的信息接收者。

6. 传感器网络结点的功能模块组成

传感器网络结点的功能模块包括传感模块、计算模块、通信模块、存储模块、电源模块及嵌入式软件系统。传感模块负责探测目标的物理特征，计算模块处理数据与系统管理，通信模块负责网络管理与信息传输，存储模块存放程序与数据，电源模块负责结点的供电。

7. 传感器网络协议分层的含义

传感器网络协议分层的主要目的是实现网络的高效管理与数据的有序传输。协议分为物理层、数据链路层、网络层、传输层及应用层。

8. 传感器网络结点的使用限制因素

传感器网络结点的使用受到体积、价格、电源供给、通信距离等多方面的限制。

9. 无线传感器网络结点的体系结构

网络通信协议包括传统的Internet网络中的TCP/IP协议体系，网络管理平台负责拓扑控制、服务质量管理、能量管理等功能，应用支撑平台则为终端用户提供具体的应用服务支持。

10. 传感器网络通信协议的分层结构

物理层负责信号的编码、调制与解调，数据链路层负责媒体接入与差错控制，网络层负责路由发现与维护，传输层负责数据流的传输控制，应用层负责任务调度与数据分发。

第二章：微型传感器的基本知识

1. 传感器的组成结构

传感器由敏感元件、转换元件及基本转换电路组成。敏感元件负责感知目标的物理特征，转换元件将感知信号转换为适于传输的电信号，基本转换电路负责对获得的微弱电信号进行放大与调制。

2. 传感器的分类方法

传感器可按物理量的类型、检测介质的性质、检测场景的特点等进行分类。常见的分类方法包括按检测物理量分类、按检测介质分类、按检测场景分类等。

第三章：传感器网络的通信与组网技术

1. 无线通信介质的类型

无线传感器网络的通信介质主要包括电磁波与声波两种类型。

2. 无线通信的调制与解调

无线通信需要进行调制与解调过程，以确保信号的有效传输。常用的调制方法包括幅度调制、频率调制与相位调制。

3. 传感器网络的无线通信频段

传感器网络的无线通信主要选择以下频段：433-464MHz、902-928MHz、2.4-2.5GHz及ISM波段。

4. MAC协议的基本思想

MAC协议通过一组规则与过程实现信道的公平共享。在无线传感器网络中，MAC协议主要负责信道接入控制，避免数据冲突。

5. MAC协议的分类方法

MAC协议可按信道使用方式分类为分布式控制与集中控制，按信道类型分类为单信道与多信道，按接入方式分类为固定分配与随机访问。

6. 路由协议的主要功能

路由协议的主要功能是寻找源节点与目的结点之间的优化路径，并将数据沿着优化路径正确转发。

7. 无线传感器网络的路由协议特点

无线传感器网络的路由协议具有能量优先、基于局部拓扑信息、以数据为中心等特点。

第四章：传感器网络的支撑技术

1. 时间同步机制的作用

时间同步机制在传感器网络中具有协作监测与节能两个重要作用。

2. 常见的时间同步机制

常见的传感器网络时间同步机制包括RBS同步协议、TinyMini-sync与TPSN等。

3. TPSM时间同步协议的设计过程

TPSM时间同步协议的设计过程分为两个阶段：第一阶段是生成层次结构，第二阶段是实现所有树节点的时间同步。

4. 定位技术的含义

传感器网络定位技术的含义是指通过特定方法为传感器结点提供位置信息。

5. 定位相关概念术语

包括锚点、测距、连接度、到达时间差、接收信号强度指示、视距关系等。

6. 数据融合技术的作用

数据融合技术通过多传感器数据的整合，提升监测信息的准确性与可靠性。

7. 动态电源管理的工作原理

动态电源管理通过动态调整模块的供电状态，实现节能减负。

8. 传感器网络的安全性需求

传感器网络的安全性需求包括结点的安全保证、被动抵御入侵能力与主动反击入侵能力。

第五章：传感器网络协议的技术标准

1. IEEE 1451标准的目的是什么

IEEE 1451标准旨在为传感器网络提供一套开源、兼容的通信协议，支持多种传感器类型与网络架构。

2. IEEE 802.15.4标准概述

IEEE 802.15.4标准是无线传感器网络通信协议中物理层与MAC层的具体体现，主要用于低速率、低功耗的短距离通信。

3. IEEE 802.15.4标准的设计目标

IEEE 802.15.4标准的设计目标是为个人操作空间内的无线通信设备提供通信协议支持。

4. IEEE 802.15.4标准定义的低速无线个域网特点

低速无线个域网支持多种传输速率、多种网络拓扑结构、多种地址格式及多种网络管理功能。

5. IEEE 802.15.4标准规定的物理层任务

包括激活与取消无线收发器、信道能量检测、链路质量指示等。

6. IEEE 802.15.4协议物理层帧结构

物理层帧结构包括帧头、同步位、数据帧、帧尾等组成部分。

7. IEEE 802.15.4协议MAC层帧结构

MAC层帧结构包括帧头、MAC负载、帧尾等组成部分，负责实现信道的有效管理与数据的有序传输。

8. MAC层的通用帧结构

MAC层帧结构由帧头、MAC负载、帧尾三部分组成，主要负责物理层的访问控制。

9. ZigBee协议的定义

ZigBee技术是一种面向自动化与无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。

10. ZigBee协议框架

ZigBee协议框架由物理层、数据链路层、网络层、应用汇聚层、应用层组成，支持星形、网状、簇树形等多种拓扑结构。

11. ZigBee协议的技术特点

包括低数据传输速率、低功耗、灵活的工作频段、高容错性、低成本等。

12. ZigBee网络系统软件设计过程

包括建立Profile、初始化、编写应用层代码等步骤。

13. ZigBee物理设备的类型

包括功能简化型设备、功能完备型设备，其特点包括小型化、低功耗、低成本等。

14. ZigBee网络层规范

网络层提供网络数据服务与网络管理服务，支持多种网络拓扑结构。

15. ZigBee网络系统软件设计过程

包括建立Profile、初始化、编写应用层代码等步骤。

经常混淆的概念

• 无线传感器网络：一类自组织、多跳的无线网络，由大量传感器结点组成。
• 模块：传感器网络结点的功能组成部分。
• 器件或装置：传感器的定义。
• 协议：传感器网络的通信规则与管理机制。
• 元件：传感器的组成部分。

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