前言

物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、因特網(wǎng)之后信息技術(shù)的第三次革命浪潮，是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，而物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)則是教育部為該產(chǎn)業(yè)發(fā)展特別設(shè)立的新專(zhuān)業(yè)。無(wú)線傳感網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)核心課程，在培養(yǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)技能和課程體系建設(shè)中起著重要作用，我們總結(jié)出近年來(lái)課程建設(shè)和教學(xué)過(guò)程中的體會(huì)、經(jīng)驗(yàn)，以開(kāi)發(fā) 平臺(tái)的視角完成教材內(nèi)容的編寫(xiě)工作。本書(shū)的目的是系統(tǒng)介紹無(wú)線傳感網(wǎng)的基本概念、發(fā)展歷程、基本原理和核心技術(shù)，以及學(xué)術(shù)界和工業(yè)界流行的TinyOS開(kāi)發(fā)平臺(tái)，給學(xué)生較為整體的課程知識(shí)，以實(shí)踐為導(dǎo)向激發(fā)其專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)興趣。

形而上者謂之道，形而下者謂之器。本書(shū)在闡述無(wú)線傳感網(wǎng)理論知識(shí)的同時(shí)，融入實(shí)踐的視角組織文字，力求深入淺出。另一方面，在具體介紹無(wú)線傳感網(wǎng)實(shí)踐開(kāi)發(fā)時(shí)，又力爭(zhēng)抽象出工作原理，以原理指導(dǎo)應(yīng)用開(kāi)發(fā)。因此，本教材道器有效融合，既有工作原理的深入分析，也有應(yīng)用開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)實(shí)踐，點(diǎn)面結(jié)合； 通過(guò)核心技術(shù) 開(kāi)發(fā)實(shí)踐將相關(guān)章節(jié)有效聯(lián)系起來(lái)，系統(tǒng)性較強(qiáng)。在上述寫(xiě)作方針的指導(dǎo)下，全書(shū)共分10章，其章節(jié)內(nèi)容組織如圖1所示。

第1章為概述，介紹無(wú)線傳感網(wǎng)的發(fā)展概況、場(chǎng)景應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)，并簡(jiǎn)要闡述無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)硬件、微操作系統(tǒng)平臺(tái)、節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。

第2章為無(wú)線傳感網(wǎng)的組織結(jié)構(gòu)，介紹無(wú)線傳感網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)、協(xié)議棧、核心技術(shù)、物理層基本概念，并通過(guò)具體應(yīng)用實(shí)例，描述無(wú)線傳感網(wǎng)應(yīng)用的程序框架，拋出學(xué)習(xí)問(wèn)題。

第3章為無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議，主要包括無(wú)線廣播信道、基于競(jìng)爭(zhēng)的介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議和混合介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議，詳細(xì)闡述IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)要介紹其他類(lèi)型的無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議。

第4章為無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議，主要包括無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議的特點(diǎn)、路由協(xié)議設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題，詳細(xì)闡述無(wú)線傳感網(wǎng)分層路由協(xié)議、平面路由協(xié)議的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)分析工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。

第5章為無(wú)線傳感網(wǎng)同步技術(shù)，包括無(wú)線傳感網(wǎng)時(shí)間同步的必要性、同步技術(shù)分類(lèi)、時(shí)間同步模型，詳細(xì)闡述無(wú)線傳感網(wǎng)經(jīng)典的時(shí)間同步機(jī)制。

第6章為無(wú)線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)感知與融合技術(shù)，主要包括典型傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件、數(shù)據(jù)采集板和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，模擬量采集

圖1本書(shū)章節(jié)內(nèi)容框架結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)換的工作原理和組織結(jié)構(gòu)，并以一個(gè)實(shí)例介紹無(wú)線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)感知、采集的系統(tǒng)組成和程序?qū)崿F(xiàn)。

第7章為無(wú)線傳感網(wǎng)其他核心技術(shù)，包括節(jié)點(diǎn)的能量管理機(jī)制、拓?fù)淇刂萍夹g(shù)、節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全控制。

第8章為微操作系統(tǒng)TinyOS，主要包括TinyOS的體系結(jié)構(gòu)、內(nèi)核調(diào)度機(jī)制，重點(diǎn)探討任務(wù)、事件和任務(wù)調(diào)度模型； 深入分析TinyOS及其應(yīng)用程序的啟動(dòng)過(guò)程、TinyOS的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)、TinyOS的資源管理。

第9章為NesC程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，包括NesC語(yǔ)言的特點(diǎn)、組成，重點(diǎn)討論接口、組件、配置和模塊等概念； 深入分析NesC程序的運(yùn)行模型、NesC語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)。

第10章為無(wú)線傳感網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)，以兩個(gè)實(shí)例詳細(xì)介紹無(wú)線傳感網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，包括基于節(jié)點(diǎn)RSSI的位置識(shí)別、基于樹(shù)狀路由的無(wú)線傳感網(wǎng)多跳數(shù)據(jù)傳輸。

課時(shí)安排上，考慮到各個(gè)學(xué)校有各自的側(cè)重點(diǎn)，不同物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)辦學(xué)依托的學(xué)科不一樣，因此辦學(xué)特色也不盡相同，這些特色將決定該門(mén)課程內(nèi)容講授范圍不盡相同，建議大致課時(shí)為45～75。對(duì)于同一本教材，由于教學(xué)定位不同、教學(xué)對(duì)象不同，教學(xué)內(nèi)容也會(huì)有所不同，針對(duì)不同院校，為便于使用，我們建議的教學(xué)內(nèi)容如表1所示，這些內(nèi)容可根據(jù)實(shí)際情況做一定調(diào)整。

表1教學(xué)內(nèi)容建議

教學(xué)對(duì)象

章節(jié)內(nèi)容

普通高校物聯(lián)網(wǎng)工

程

本科專(zhuān)業(yè)

普通高校其他信息

技術(shù)類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)

職業(yè)技術(shù)類(lèi)

第1章概述

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第2章無(wú)線傳感網(wǎng)的組織結(jié)構(gòu)

2.1～2.2

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2.3

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2.4～2.5

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第3章無(wú)線傳感網(wǎng)MAC協(xié)議

3.1～3.2

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▲

3.3

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3.4

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▲

3.5

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第4章無(wú)線傳感網(wǎng)路由協(xié)議

4.1～4.2

▲

▲

▲

4.3～4.4

▲○

○

4.5

▲

▲

▲

4.6

▲

▲

第5章無(wú)線傳感網(wǎng)同步技術(shù)

5.1

▲

▲

▲

5.2

▲

5.3

▲○

▲○

▲○

5.4

▲

第6章無(wú)線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)感知與融合技術(shù)

6.1

▲○

▲○

▲

6.2

▲

▲

▲

6.3

▲

○

6.4

▲

▲

▲

第7章無(wú)線傳感網(wǎng)其他核心技術(shù)

7.1～7.2

○

7.3

▲

7.4

○

○

○

第8章微操作系統(tǒng)TinyOS

8.1～8.4

▲

▲

▲

8.5

○

第9章NesC程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

▲

▲

▲

第10章無(wú)線傳感網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)

10.1

10.2

▲○

▲○

▲

○

注：▲表示必講，○表示內(nèi)部可選。

本書(shū)由無(wú)線傳感網(wǎng)課程組的老師合作編寫(xiě)。熊書(shū)明負(fù)責(zé)制訂了全書(shū)的大綱、內(nèi)容安排和寫(xiě)作風(fēng)格，負(fù)責(zé)編寫(xiě)了第2~4章和第8章； 第1章由熊書(shū)明、辛燕與趙俊杰合寫(xiě)完成； 辛燕負(fù)責(zé)完成第5章和第6章的編寫(xiě)工作； 趙俊杰負(fù)責(zé)完成第7章和第9章的編寫(xiě)工作； 包松負(fù)責(zé)完成第10章的編寫(xiě)工作。熊書(shū)明負(fù)責(zé)完成了全書(shū)的統(tǒng)稿、組織和審校工作； 研究生郝偉強(qiáng)完成了本書(shū)大量插圖的繪制工作，胡永娣、王謙、蘇遠(yuǎn)、王文駿參與了書(shū)稿的材料收集工作，感謝他們?yōu)楸緯?shū)付出的辛勤勞動(dòng)。在此衷心感謝王良民教授，本教材的撰寫(xiě)來(lái)自他對(duì)我們國(guó)家專(zhuān)業(yè)綜合改革試點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)建設(shè)安排，最初是他把我?guī)нM(jìn)了傳感網(wǎng)研究與物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)，這本教材的章節(jié)安排以及內(nèi)容設(shè)計(jì)多數(shù)來(lái)自和他商談?dòng)懻撝蝎@得的啟發(fā)，也是他的鼓勵(lì)和鞭策讓我最終負(fù)責(zé)完成了這本教材的編寫(xiě)。作者所在課題組從2007年開(kāi)始研究無(wú)線傳感網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)，先后承擔(dān)了與此有關(guān)的國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家統(tǒng)計(jì)局重點(diǎn)項(xiàng)目等多項(xiàng)課題，在無(wú)線傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用方面積累了較深厚的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，編寫(xiě)過(guò)程得到江蘇大學(xué)重點(diǎn)教材建設(shè)項(xiàng)目的支持，在此表示感謝！本教材的相關(guān)實(shí)驗(yàn)例程來(lái)自兼容TinyOS 2.x的韓伯開(kāi)發(fā)套件，并根據(jù)需要做了適當(dāng)調(diào)整，同時(shí)，教材編寫(xiě)的一些靈感來(lái)自無(wú)錫泛太公司實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)積累，也參考了眾多優(yōu)秀教材的編寫(xiě)，在此一并衷心感謝。

由于作者水平有限，書(shū)中難免存在錯(cuò)誤和不妥之處，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正，在汲取大家建議和意見(jiàn)的基礎(chǔ)上，我們會(huì)不斷修正、完善本書(shū)內(nèi)容，聯(lián)系電子郵箱地址： 37939881@qq.com。專(zhuān)業(yè)建設(shè)任重道遠(yuǎn)，希望本書(shū)的出版能為物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)等的發(fā)展盡一份綿薄之力。

熊書(shū)明

2017年10月

于玉帶河畔