作者：陈林星
出版社：电子工业出版社
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无线传感器网络技术与应用试读：
前言
传感器技术、低功率电子学以及低功率 RF 设计技术的发展和进步使人们已经能够开发微型、能够通过无线网络相互连接、相对价廉的低功率传感器，这种传感器也叫做微型传感器（Microsensor）。无线传感器网络（WSN）技术能够革新很多场合下的信息采集和处理，代表提取环境数据、各种环境可靠监视（包括监视、机器故障诊断、化学/生物检测等）的一种新方式。大规模无线传感器网络由数千个、甚至数万个微型传感器组成，各个微型传感器分散在一个巨大场中，用来获取纹理细密的高精度感知数据。微型传感器通常依靠电池供电，相互之间进行无线通信。
无线传感器网络可以布置在恶劣、苛刻、复杂、甚至敌方的物理环境中（比如遥远地理区域或者有毒的城市地点、自然灾害区、战场敌方区、战场火力打击区等），也可以布置在人不易接近的环境中（比如大工厂、飞机内部、机器内部，甚至人体内部等）进行低成本地维护感知或者监视感知，更可以布置在人易于接近的环境中（比如人体表面各个部位、房间各个角落）进行各种状态监视。
无线传感器网络可以对大量感知信息（比如地震数据、声学数据、高分辨率图像等）进行分布式处理，提高感知数据的精确性。传感器组成网络后，能够累积感知数据，从而提供对环境的一个丰富的、多维的了解。此外，网络化传感器能够重点关注网络中其他传感器指出的关键事件（比如入侵者进入某个建筑物）。网络化传感器在面对各个传感器失效时也仍然能够继续发挥准确的作用。例如，假如网络中的一些传感器丢失某些关键信息，那么其他传感器就可以给这些传感器补充丢失的信息。
可以想象未来一组传感器节点构成Ad Hoc分布式处理网络，产生易于访问和高质量的有关真实世界的信息。每个传感器节点在网络中自动工作，不需要中央控制中心；每个传感器节点根据其承担的任务、当前拥有的信息以及所了解的计算资源、通信资源、能量资源、存储资源来做出决策。与孤立的各个传感器比较，网络化传感器有可能精确性更高，系统更加强壮和复杂。
无线传感器网络深入我们生活的每个环节、渗透社会的每个角落，有利帮助人类提高认识物理世界的深度、广度、精确性、及时性，加强和密切人类与物理世界的联系，大力提高人类对物理环境的远端监视和控制能力，所以无线传感器网络应用前景非常广阔。
无线传感器网络设计面临许多技术挑战，比如能量高效网络协议、网络拓扑控制、信号与信息的联合处理、任务分配、信息查询、安全、中间件、网络编程等，其中最重要的挑战是三个关键资源的高效综合利用：①能量，无线传感器节点主要依靠电池供电，电池不方便替换或者重复充电，且大多数情形下不可能替换或者重复充电，而且目前的电池供电能力也非常有限；②通信带宽，无线传感器网络的通信带宽相对于有线网络而言是非常有限的，一般只有几百千比特每秒；③计算能力，由于节能非常关键，所以一般情况下不会给传感器节点配置功能强大的微型处理器，而是采用低功耗、计算能力有限的微型处理器，因而不能运行复杂的网络协议。
无线传感器网络技术是一门跨学科的综合性网络系统技术，除了涉及最基本的通信、计算机语言、编程知识和技术外，还涉及传感器网络所有应用领域的一些专门知识（比如医学、地震学、土壤学、农学等），这些特殊应用领域的专门知识对于设计高性能传感器网络应用是非常重要的。
本书系统地介绍了无线传感器网络技术，包括三个部分的内容：无线传感器网络概述、无线传感器网络技术、无线传感器网络应用与编程。其目的是为无线传感器网络设计者、研究人员、院校师生以及所有对此感兴趣的人士等全面、系统地理解和掌握无线传感器网络技术提供一些帮助。本书的编写安排如下：
第一部分“无线传感器网络概述”：包括1章（第1章）。介绍无线传感器网络的发展历史，阐述基本概念，分析无线传感器网络的主要技术及其网络设计影响因素，简单介绍了当前流行的传感器节点平台。
第二部分“无线传感器网络技术”：包括11章，其中WSN的MAC技术3章（第2、3、4章），WSN路由技术3章（第5、6、7章），WSN可靠传输技术2章（第8、9章），WSN数据融合技术1章（第10章），WSN安全技术1章（第11章），WSN中间件技术1章（第12章）。各章安排如下：
第2章是无线传感器网络竞争类MAC协议，详细描述了三个典型的WSN竞争类MAC协议：传感器媒介访问控制协议（S-MAC）、超时MAC协议（T-MAC）、伯克利媒介访问控制协议（B-MAC）。
第3章是无线传感器网络分配类MAC协议，详细描述三个典型的WSN分配类协议：流量自适应媒介访问协议（TRAMA）、分布式随机时隙安排协议（DRAND）、功率高效与时延意识媒介访问协议（PEDAMACS）。
第4章是无线传感器网络混合类MAC协议，详细描述WSN时间同步技术和两个典型的WSN混合类MAC协议：斑马-MAC协议（Z-MAC）、漏斗-MAC协议。
第5章是无线传感器网络数据中心路由协议，详细描述了两个典型的WSN数据中心路由协议：协商式传感器信息分发协议（SPIN）、定向扩散。
第6章是无线传感器网络分层路由协议，详细描述了两个典型的WSN分层路由协议：低能量自适应分群分层协议（LEACH）、两层数据分发协议（TTDD）。
第7章是无线传感器网络地理位置路由协议，详细描述了WSN定位技术以及两个典型的WSN地理位置路由协议：贪婪地理路由算法、位置辅助泛洪协议（LAF）。
第8章是无线传感器网络端到端可靠传输协议，详细描述了WSN拥塞检测与预防技术（CODA）和两个典型的 WSN 端到端可靠传输协议：事件到中心节点的可靠传输协议（ESRT）、基于多电台虚拟中心节点的过载流量管理协议（SIPHON）。
第 9 章是无线传感器网络逐跳可靠传输协议，详细描述了 WSN 合成拥塞控制技术（FUSION）和两个典型的WSN逐跳可靠传输协议：慢分发快提取可靠传输协议（PSFQ）、下行数据可靠交付可扩展体系结构（GARUDA）。
第 10 章是无线传感器网络数据融合协议，详细描述了树状结构累积技术、不受应用约束的自适应数据累积技术（AIDA）、无结构累积技术（DAA+DW）与半结构累积技术（ToD）。
第11章是无线传感器网络安全，详细分析了WSN安全面临的障碍、WSN安全要求，剖析WSN中的各种安全攻击，详细描述SPINS安全解决方案、LEAP+安全解决方案。
第12章是无线传感器网络中间件协议，分析了WSN中间件设计面临的挑战和困难，及其功能要求，详细介绍 ZebraNet 系统中的中间件系统（Impala）、无线传感器信息网络化体系结构与应用中间件体系结构（SINA），其间介绍了SINA在车辆跟踪中的应用。
第三部分“无线传感器网络应用及编程”：包括1章（第13章）。概括了WSN在军事、环境、医疗卫生、家庭以及其他商业领域的应用；介绍了WSN应用设计原理；阐述了WSN网络编程问题，包括编程抽象、编程模型，比如 Kairos 编程模型、微型传感器网络虚拟机（Mate）、采用属性状态机的无线传感器网络编程（OSM）；详细描述了WSN分层编程技术、抽象任务图宏编程架构（ATaG）。
本书的编写参阅了大量的研究文献和资料。在每章最后列出本章的主要参考文献。电子科技大学骆睿老师仔细审阅了本书第2、3、4、7、12章，并提出了许多改进之处。中国电子科技集团公司电子第30研究所高级工程师曾曦审阅了本书第1、5、6、11、13章；刘亮审阅了第10章；马蓉审阅了第8章；张虎审阅了第9章。此外作者还得到了谢青、刘英、陈曦、刘静、马先庆、刘伟、叶国宏、刘萍、李家国、王庆、王婷、曾令长、刘陶惠、罗永秀、曾晖、谢长富、周华等人的帮助。在本书的构思和写作过程中，以及本书的成功出版，作者一直得到了电子工业出版社、尤其是电子工业出版社通信分社王春宁博士的大力支持和帮助。作者在此一并表示由衷的感谢！
由于作者知识有限，本书难免会有缺陷，甚至错误。非常欢迎读者来文指出本书的缺点和错误。联系E-mail：clx-clx-clx＠163.com。前言
关于本丛书
当今世界是化的世界，因为电脑与Internet的普及和其特有的亲和性，无论是国家、大型企业还是个人用户，都能在几乎毫无限制的情况下，成为WWW中的一员。而由于电脑和网络的日益发达，整个世界正在逐渐变得越来越趋向融合。
作为这个日新月异的世界中的一员，您是否有过困惑，有过迷茫，不知自己该何去何从，不知该如何来适应这个社会，如何紧跟世界的潮流呢?抑或您苦于充电无门，想学习而又找不到好的资料呢?《技胜筹》系列丛书是电子工业出版社计算机研发部在充分考虑读者需求的基础上，精选了一批由资深专家编写的经典计算机图书，由飞思科技产品研发中心精心制作而成。本丛书在内容和版式上都有着其他同类图书不可比拟的优点：既符合读者的需求，又有相当的技术权威性，注重技术、技巧与实例的先进性与实用性，从内容上保证了图书的质量，是一套手边不可或缺的指导丛书。《技胜筹》系列丛书精彩的内容和完美的版式相得益彰，相信会给渴求完美的您带来一份惊喜，会让您在化的世界中自由遨游，开拓属于自己的天空。
关于本书
三维动画软件是一门系统的、综合了各个自然科学的应用科学。学习三维动画软件必须扎牢根基，才能在后续的学习中攀登高峰。本书以扎牢三维动画根基为出发点，介绍了如何改造软件界面以提高工作效率，深入地剖析了三维模型的制作技术，并重点讲述了如何在电脑中虚拟出真实物体的光影和质感。本书的重点在于场景的模型设计和材质光影的调整，为将来能够完整地掌握高级的动画制作打下牢固的根基。在本书的最后部分，还就效果图的制作要点做了比较深入的介绍，使学习本书的读者可以轻松地制作出高质量的效果图。
本书分为5篇，共12章，第1章学习准备和第2章基本操作介绍了学习前的准备工作和一些基本操作；第3章至第6章，介绍了基本物体的建立、编辑修改、线条建模及网格建模；第7章和第8章介绍了灯光及材质的运用，第9章是灯光与材质的综合练习；第10章介绍了渲染环境的方法与特效的制作；第11章和第12章介绍了渲染输出和3DS MAX在建筑上的应用。
本书由飞思科技产品研发中心策划并组织编写，刘开和编著。由于本书涉及的内容丰富，加之篇幅、时间所限，书中不足之处，敬请读者批评指正。我们的联系方式：
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飞思科技产品研发中心第1篇 准备
要使系统全面地打好3DS MAX根基，我们得做点学习的准备。同其他工作前的准备不同的是，我们在准备的时候就正式开始了3DS MAX的学习，之所以称之为准备，是因为这一章的学习任务是熟悉和理解MAX的界面，为我们后面能够灵活而流畅地使用MAX打下坚实的基础，就此而言，谓之“准备”。
熟练掌握这一章将使您在今后的工作中能极大地提高自己的制作工作效率和自学能力。请一定要仔细地阅读本章，如果在阅读过程中遇到一些比较难以理解的问题，本章允许您跳过去，并在学习了后续章节后再返回本章。但是，跳过那些内容之前，请对其进行粗略的浏览。第1章 学习准备
在本章中详细地讲述了3DS MAX的界面布置和解释。您至少应该完整地浏览本章，这样才能在后面的学习中顺利地找到各个命令和操作的位置。在本章中，您还能够学习到如何自定义适合您自己的操作界面和快捷键。1.1 熟悉基本界面
运行3DS MAX R5（我们假设读者已经有了3DS MAX R5的软件并能够正常运行），我们将看到如图1-1所示的界面（请使用大于或等于1024×768像素的显示分辨率）。图1-11.1.1 菜单栏
菜单栏如图1-2所示。图1-2
菜单栏里包含了从最简单到最高级的各种操作，如上图所示。没有任何必要一口气介绍完它的功能和使用方法，我们只需要循序渐进地学习它。所以，在这里别去追究各个菜单的意思，我们先把它放在一边，等需要的时候，我们再来一个一个地解释它。1.1.2 主工具栏
主工具栏中集合了大部分常用的工具命令，如图1-3所示。图1-3
由于主工具栏很长，所以这里只放了一部分。主工具栏使我们能更轻松地操作3DS MAX。同菜单栏一样，等需要的时候，我们再来一个一个地解释。
主工具栏可以被拖到视图中央变成浮动的工具栏。浮动工具栏可以修改长宽比例，如图1-4所示。浮动工具栏的好处是使所有的命令集中到一起，所以有时候也叫它工具箱。如果您不小心把它关闭了，请用【Alt+6】快捷键来恢复。图1-41.1.3 控制面板
控制面板是位于屏幕右边的一个大框。由于它包含了6个标签，所以又称之为标签控制面板，如图1-5所示。您可以把控制面板加大成两列或多列，当然，这个功能适合于双屏幕或多屏幕的高级计算机用户，如果在单屏幕上使用它，就会大大减小工作区的面积。图1-5
同样地，可以通过拖动控制面板的右上角把控制面板浮动起来，变成浮动的控制面板。通过右键菜单可以把浮动的控制面板固定（Dock）到屏幕的右边或左边。
控制面板包含了6个标签。每个标签面板各有自己的内容和用法，从左到右分别如下：
创建：从这里可以创建几乎所有原始的物体，包含几何体、线条物体、灯光、摄影机、辅助物体、力学物体、系统物体等。
修改：它可以对几乎任何物体和物体的编辑进行修改。这里集中了MAX的众多精华，换句话说，这里将是艰苦学习的开端。希望读者不要被这句话吓倒，作者只是想引起读者对这个面板的足够重视。
层级：这里可以简单地用于修改物体的局部中心，也可以复杂地用于IK运动，如机械臂运动的设计等。
运动：不用多说，从它的名字我们就会知道，这里将控制物体的运动状态。
显示：它可以帮助您决定如何显示场景中的物体，并加速您的屏幕显示，以免您的场景看起来一团糟，比如隐藏和冻结某些物体。
工具：准确的说法应该是实用工具。它包含了许多工具和计算程序，比如测量物体的物理属性和进行动力学计算等。1.1.4 视图工作区
视图工作区是我们进行3D创作的场所，如图1-6所示。目前，甚至在可预见的将来，直接在三维的空间中进行制作还是不可能的。因为三维的显示器还不能用于如此细致的制作。所以，我们只能利用平面来控制“三维”，也就是计算机模拟的三维。
在平面表示中，物体空间位置的确定必须通过三种方向的位置来确定，几何学把它称之为三视图，即俯视（Top）、主视（Front）和侧视（Left）。在三维制作界，我们按字面说成：顶视、前视和左视。还有相反的底视图、后视图和右视图。这6个视图称为正交视图，因为它们是惟一的由世界坐标轴定义的。图1-6
三视图用于物体的空间定位和空间控制。但要观察立体，必须通过透视视图（Perspective）观察，在透视视图中物体以近大远小的形式显示，如图1-7透视的程度我们将在摄影机中详细学习。
另一个可用于表现物体的空间感觉的视图是轴测图。中学时代，我们就已经知道了什么是轴测图。轴测图能准确地反映一个物体的三维感觉，但不能提供远近的感觉，这不同于我们眼睛观察到的世界。当然，很远地观察一个物体，其效果接近于轴测图。在3DS MAX中，User视图就是轴测图。如图1-8所示。以后，您们会在摄影机中找到一个选项，它可以“拍摄”出轴测图。图1-7图1-8
更改视图的最主要方法是通过快捷键，也可以通过标签（表示视图的文字如Top）的右键快捷菜单来更改，如图1-9所示。以下是各个视图的快捷键。
顶视图Top【T】
前视图Front【F】
左视图Left【L】
右视图Right【R】
底视图Bottom【B】
后视图Back
轴测图User【U】
透视图Perspective【P】
视图有多种对物体的显示方式。您可以把它显示成线框（Wireframe），如图1-10所示，也可以显示成光滑+高亮（Smooth+Highlights）模式，如图1-11所示。图1-9图1-10图1-11
在光滑+高亮模式中，我们看到物体出现了破口而且互相穿透。实际上并没有发生这个错误。但为什么呢?这是显示驱动程序的问题。
第一次运行3DS MAX的时候会出现一个图形驱动程序选择对话框（Graphics Driver Setup）如图1-12所示。它要求您决定显示驱动程序。图1-11显示的效果是因为选择了“Heidi”中的“Software Z buffer”软件驱动模式的结果。该模式适合于任何显卡，但是没有办法直接提供高质量的显示画面。对于动画的高级调整特别是涉及材质变化的调整无能为力。经济许可的情况下，您可以购买一个专业的显卡。图1-12
如果您不是第一次启动MAX，而想改变显示驱动程序，那么可以在3DS MAX 5快捷方式中的命令行中添加“-h”参数，或者打开菜单命令【Customize】→【Preferences】，在出现的对话框中单击Viewports选项卡中的【Choose Driver...】按钮，如图1-13所示。图1-13
OpenGL和Direct3D可以使显卡即时计算物体的外观显示，从而极大地减轻了CPU的负担，而且提供了几近完美的画面质量，大大提高了工作效率。但是，对于最终的渲染计算，显卡起不到任何作用，所有的工作都由CPU完成。显卡只是在三维创作的绘图过程中起作用。普通显卡的OpenGL和Direct3D的功能极不稳定，画面质量不高，会使线框模式绘图速度大大降低，只有专业的显卡才推荐使用这两个驱动程序。而且，很多时候我们的工作都是处于线框模式下的，所以对于还没有开始专业的三维创作的3DS MAX使用者来说，使用普通显卡和Software Z Buffer驱动程序是比较现实的做法。
以下是Software Z Buffer和Open GL的显示比较（普通显卡），如图1-14所示。图1-14
请使用不同的驱动程序，观察3dsmax5\scenes\Effects\CigSmoke.max文件的视图显示，需要注意的是，更改完驱动程序后，需要重新启动3DS MAX软件。1.1.5 视图控制区
在MAX的右下角，有个包含8个按钮的方框。它是控制MAX视图的8个工具。有些工具是弹出式列表工具（右下角带有一个黑色小三角形），在弹出式列表工具中包含了一些其他的工具，如图1-15所示。图1-15Zoom：上下拖拉以缩放一个视图，缩放中心就是鼠标放置的位置。默认快捷键为【Alt+Z】。Zoom All：上下拖拉以缩放所有视图（除摄影机视图外），缩放中心为各视图自己的中心，没有默认的快捷键。Zoom Extents：最合适化一个视图，把一个视图中的所有物体以最合适大小完全显示出来。它还包含一个白色的按钮，其功能是把选中的物体以最合适大小完全显示。默认快捷键为【Alt+Ctrl+Z】。Zoom Extent all：最合适化所有视图。包含一个白色按钮，其功能是最合适化所有视图中的被选中物体。默认快捷键为【Shift+Ctrl+Z】。（Field-of-view）和（Region Zoom）：用于改变透视视角。视角变大，可看到的物体也变多，但同时透视效果也变得剧烈（近的越大，远的越小）。该按钮只在透视图被激活时才出现。没有默认快捷键。在透视图中，用于改变观察点的位置。简单地说，就是您靠近或远离被观察的物体。由于它在其他正交视图中的使用方法一样，所以我们给它一个很容易记忆的词：局部缩放（Region Zoom）。默认快捷键为【Ctrl+W】。Pan：平移一个视图。默认快捷键为【Ctrl+P】。Arc Rotate：旋转一个视图。它可以水平、垂直甚至倾斜旋转一个视图。正交视图不能旋转，一经旋转，就变成User视图。没有默认的快捷键。Min-Max-toggle：最大化一个视图，使某个视图占满视图工作区，以方便观察场景。默认快捷键为【Alt+W】。
注意
请一定记住这些快捷键，在将来的操作中您将大量使用这些功能，可以的话，请为没有默认快捷键的几个控制功能赋予快捷键。1.1.6 Animate动画控制区
动画控制区用于初步产生动画和对动画基本设置进行定义，如图1-16所示。以前版本中的大个的【Animate】按钮，已经变成了【Auto Key】小按纽。当您按下这个按纽，并在不同的动画帧上操作时，操作将被电脑记录成动画。比如：单击【Auto Key】按钮，在该区的文本框中输入20，然后对物体进行操作，电脑便记下第20帧物体的状态，调整帧数到40帧，再操作物体，又被记录。这样电脑便有了从20帧到40帧之间的动态变化。请动手试试。图1-16：如同日常的VCD之类的电器一样，该按钮组用来播放已经产生的动画。Time Configuration：这里控制着动画的许多基本特性。单击此按钮出现 Time Configuration对话框，如图1-17所示，对话框中的每个小方框称之为组。图1-17
Frame Rate（帧速率）组：制作动画最关心的应该是动画将用在哪个方面。帧速率是决定每秒播放多少画面的单位。它包含三个国际标准和一个自定义选项。单位是FPS（帧/秒，Flanme per Second）。
● NTSC：一种制式，全称为“北美电视系统委员会制式”，其标准是每秒播放29.97帧。有时候说成是30帧。
● PAL：逐行倒相制式（欧洲标准），其标准是每秒播放25帧。
● Film：电影格式，每秒播放24帧。
● Custom：自定义，可以在FPS框中自己决定每秒播放多少帧。
Time Display组：时间显示方式。一般使用帧来显示，根据需要而定。
Playback组：回放。决定播放时的快慢。在3DS MAX操作过程中起作用，不影响最终产品。
Animation组：决定动画的起始和总长度。【Re-scale Time】按钮用于拉长或压缩动画。
Key Steps组：当您打开项时，该组控制有效。
轨迹条和轨迹标尺方便我们控制动画。关于什么是关键帧及其动画，我们将在专门讲解动画的书中详细地学习它。当一个带有关键帧动画的物体被选中，在轨迹标尺中可以看到多个醒目的红色点，如图1-18所示。图1-181.1.7 准确绘图与捕捉设置
在三维绘图中，如何做到精确是大家必须关心的事。对于精确绘图来说，3DS MAX在捕捉方面没有Auto CAD系列软件方便，但是它更具灵活性。三维动画软件无需非常精确，只需让肉眼看不出差错即可。所以，3DS MAX并不考虑精确，只考虑某种程度上的准确。千万不要把3DS MAX当成要求精确模型输出的程序，切记！
位置捕捉有（2D捕捉）、（2.5D捕捉）和（3D捕捉）三种。（2D捕捉）只能捕捉和坐标网格相交的位置。（2.5D捕捉）可以捕捉所有位置，但只能把物体画在坐标网格上，就像用在透明玻璃上对着远处的物体描画轮廓一样。（3D捕捉）捕捉任何位置并把物体画在空间被捕捉的位置。
位置捕捉设置：用鼠标右键单击位置捕捉按钮，弹出捕捉设置对话框，如图1-19所示。图1-19角度捕捉：用于旋转的角度控制捕捉。用鼠标右键单击此按钮，弹出捕捉设置对话框。我们可以看到，它的捕捉其实和位置捕捉在同一个地方。在这里还可以设置绝对坐标网格（Home Grid）和用户网格（User Grids），如图1-20所示图1-20百分比捕捉：用于捕捉缩放控制。参数设置同角度捕捉。微调捕捉：用于微调器的捕捉。和其他捕捉不同的是，微调捕捉的设置是在总参数的设置中。如图1-21所示。图1-21
捕捉依赖于场景中的物体和网格。但如果我们想把物体移动或旋转某一个确切的数值，捕捉就会反过来阻碍我们的工作。这时我们需要一个能提供准确变换的空间坐标。
图1-22是绝对坐标（左）和相对坐标（右）控制框。它在不同的
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