本书是《无线传感器网络》（郭晓玲编著，中国铁道出版社出版）的配套实验教程，共
九章，每一章都在实验项目前对所涉及的理论知识做简要的介绍，方便读者理解本章的实验
项目。全书精心设计了17个无线传感器网络开发和应用的实验项目，内容包括详细的实验
目的、实验原理、实验设备、实验步骤、实验相关知识和扩展实验。本书还提供了内容丰富
的配套资源，包括实验环境、参考文档和实验源程序等相关资料。
本书充分体现了理论与实践相结合的思想，既有基础知识的介绍，又突出实践教学的特
点，能够帮助学生快速、全面地掌握传感器网络开发的基本技能。
本书适合作为高等院校电子信息类、电气类和自动化类专业的学习用书，也可作为从事
相关领域研究人员和工程技术人员的参考书。

传感器网络技术集传感器、嵌入式计算、无线通信和分布式信息处理等技术于一体，
在军事侦测、环境监测、工业控制、农业种植、交通管理、医疗监护和智能家居等领域
有着广泛的应用和广阔的发展前景，被认为是 21 世纪最重要的技术之一。
本书根据当前高等学校传感器网络教学的实际需求，结合最新的传感器网络技术编
写而成。首先介绍了相关开发环境的建立，立足当前国内外厂商的主流芯片及实现方案，
以传感器网络的体系结构为主线，精心设计了 17 个实验，给出了详细的实验原理分析和
实验过程，并提供了实验环境、参考文档和实验源程序等相关资料，在有限的篇幅内展
示了更多的实验。全书共 9 章，每一章都在实验项目前对所涉及的理论知识做简要的介
绍，方便读者理解本章的实验项目。
传感器网络具有很强的实践性，要想熟练掌握传感器网络技术，实验操作是非常重
要的环节。通过对本书的学习，可以使读者在较短的时间内，深入理解传感器网络的概
念、体系结构及关键技术，也可加深读者对传感器网络协议及其实现的原理和方法等内
容的理解。本书也为传感器网络的应用从实验室走向工程应用提供参考。
本书从初学者的角度出发，按照主教材《无线传感器网络》的章节结构，遵循理论
与实践相结合的思想，既有基础知识的介绍，又突出实践教学的特点，能够帮助读者快
速、全面地掌握传感器网络开发的基本技能。
本书由河北北方学院郭晓玲编著，李玲主审。本书凝聚了编者多年的实践教学经验，
是 2017 年教育部产学合作协同育人项目“201701046023 传感器网络”的研究成果之一。
在编写过程中，武仁杰老师提出了许多宝贵的意见，并指导完成了部分内容的编写，在
此表示衷心的感谢！本书在编著过程中参考了大量的书籍和相关资料，并从网络中获取
了许多最新内容，在此向所有作者表示衷心的感谢；中国铁道出版社对本书的出版给予
了大力支持，在此一并表示感谢。
由于本书涉及的软硬件平台较多、实验开发工作量大、知识结构跨度大，同时限于
编者水平，书中难免存在疏漏和不足之处，敬请广大读者批评、指正。
编 者
2018 年 10 月

第 1 章 无线传感器网络概述与 ZigBee 组网实验 ........................................................................ 1
1.1 无线传感器网络概述....................................................................................................................... 1
1.1.1 无线传感器网络的概念与特点 .......................................................................................... 1
1.1.2 无线传感器网络的体系结构 .............................................................................................. 2
1.1.3 无线传感器网络的协议栈 .................................................................................................. 3
1.2 开发环境部署 .................................................................................................................................. 4
1.2.1 IAR 开发环境安装 .............................................................................................................. 4
1.2.2 ZigBee 仿真器驱动安装 ................................................................................................... 10
1.2.3 Z-Stack 协议栈安装 .......................................................................................................... 13
1.2.4 USB 转串口驱动安装 ....................................................................................................... 16
1.2.5 协议分析软件 Packet Sniffer 的安装................................................................................ 23
1.2.6 串口调试助手.................................................................................................................... 26
1.3 ZigBee 网络温湿度数据传输实验 ............................................................................................... 27
1.3.1 实验目的............................................................................................................................ 27
1.3.2 实验原理............................................................................................................................ 27
1.3.3 实验设备............................................................................................................................ 29
1.3.4 实验步骤............................................................................................................................ 29
1.3.5 实验分析............................................................................................................................ 32
1.3.6 实验相关知识.................................................................................................................... 32
1.3.7 扩展实验............................................................................................................................ 33
1.4 ZigBee 网络无线点灯控制实验 .................................................................................................... 33
1.4.1 实验目的............................................................................................................................ 33
1.4.2 实验原理............................................................................................................................ 33
1.4.3 实验设备............................................................................................................................ 35
1.4.4 实验步骤............................................................................................................................ 35
1.4.5 实验分析............................................................................................................................ 37
1.4.6 实验相关知识.................................................................................................................... 38
1.4.7 扩展实验............................................................................................................................ 39 II 
第 2 章 物理层及数据链路层与 ZigBee 通信实验 ...................................................................... 40
2.1 物理层概述 .................................................................................................................................... 40
2.2 数据链路层概述 ............................................................................................................................ 41
2.3 ZigBee 无线传感器网络广播通信实验 ........................................................................................ 42
2.3.1 实验目的............................................................................................................................ 42
2.3.2 实验原理............................................................................................................................ 42
2.3.3 实验设备............................................................................................................................ 44
2.3.4 实验步骤............................................................................................................................ 44
2.3.5 实验相关知识.................................................................................................................... 48
2.3.6 扩展实验............................................................................................................................ 49
2.4 ZigBee 无线传感器网络组播通信实验 ........................................................................................ 50
2.4.1 实验目的............................................................................................................................ 50
2.4.2 实验原理............................................................................................................................ 50
2.4.3 实验设备............................................................................................................................ 51
2.4.4 实验步骤............................................................................................................................ 51
2.4.5 扩展实验............................................................................................................................ 55
2.5 CC2530 节点发射功率与 RSSI 的关系实验 ................................................................................ 56
2.5.1 实验目的............................................................................................................................ 56
2.5.2 实验原理............................................................................................................................ 57
2.5.3 实验设备............................................................................................................................ 59
2.5.4 实验步骤............................................................................................................................ 59
2.5.5 实验分析............................................................................................................................ 62
2.5.6 实验相关知识.................................................................................................................... 62
2.5.7 扩展实验............................................................................................................................ 63
第 3 章 网络层与路由协议实验 ......................................................................................................... 65
3.1 网络层与路由协议概述................................................................................................................. 65
3.2 LEACH 算法仿真实验 .................................................................................................................. 67
3.2.1 实验目的............................................................................................................................ 67
3.2.2 实验原理............................................................................................................................ 67
3.2.3 实验设备............................................................................................................................ 69
3.2.4 实验步骤............................................................................................................................ 69
3.2.5 实验相关知识.................................................................................................................... 74
3.2.6 扩展实验............................................................................................................................ 76
3.3 PEGASIS 算法仿真实验 ............................................................................................................... 77
3.3.1 实验目的............................................................................................................................ 77
3.3.2 实验原理............................................................................................................................ 77 III 
3.3.3 实验设备............................................................................................................................ 79
3.3.4 实验步骤............................................................................................................................ 79
3.3.5 实验相关知识.................................................................................................................... 83
3.3.6 扩展实验............................................................................................................................ 86
第 4 章 无线通信技术及其基础实验 ................................................................................................ 87
4.1 无线通信技术概述......................................................................................................................... 87
4.1.1 ZigBee 通信技术 ............................................................................................................... 87
4.1.2 RFID 通信技术.................................................................................................................. 87
4.1.3 NB-IoT 通信技术 .............................................................................................................. 89
4.2 ZigBee 网络协议分析实验............................................................................................................ 89
4.2.1 实验目的............................................................................................................................ 90
4.2.2 实验原理............................................................................................................................ 90
4.2.3 实验设备............................................................................................................................ 92
4.2.4 实验步骤............................................................................................................................ 92
4.2.5 实验分析............................................................................................................................ 96
4.2.6 实验相关知识.................................................................................................................... 97
4.2.7 扩展实验............................................................................................................................ 97
4.3 RFID 标签读写程序设计实验....................................................................................................... 99
4.3.1 实验目的............................................................................................................................ 99
4.3.2 实验原理............................................................................................................................ 99
4.3.3 实验设备............................................................................................................................ 99
4.3.4 实验步骤............................................................................................................................ 99
4.3.5 实验相关知识.................................................................................................................. 119
4.3.6 扩展实验.......................................................................................................................... 127
4.4 NB-IOT 基础实验......................................................................................................................... 128
4.4.1 实验目的.......................................................................................................................... 128
4.4.2 实验原理.......................................................................................................................... 128
4.4.3 实验设备.......................................................................................................................... 128
4.4.4 实验步骤.......................................................................................................................... 128
4.4.5 实验的相关知识.............................................................................................................. 138
第 5 章 操作系统与 Z-Stack 协议栈基础实验 ............................................................................ 140
5.1 无线传感器网络操作系统概述................................................................................................... 140
5.2 Z-Stack 协议栈基础实验 ............................................................................................................. 141
5.2.1 实验目的.......................................................................................................................... 141
5.2.2 实验原理.......................................................................................................................... 141
5.2.3 实验设备.......................................................................................................................... 141 IV 
5.2.4 实验步骤.......................................................................................................................... 141
5.2.5 实验相关知识.................................................................................................................. 147
5.2.6 扩展实验.......................................................................................................................... 149
第 6 章 拓扑控制与 ZigBee 网络拓扑实验.................................................................................. 150
6.1 拓扑控制概述 .............................................................................................................................. 150
6.2 ZigBee 自组织网络实验.............................................................................................................. 151
6.2.1 实验目的.......................................................................................................................... 151
6.2.2 实验原理.......................................................................................................................... 151
6.2.3 实验设备.......................................................................................................................... 152
6.2.4 实验步骤.......................................................................................................................... 152
6.2.5 实验相关知识.................................................................................................................. 156
6.2.6 扩展实验.......................................................................................................................... 158
6.3 组建星状和树状结构的 ZigBee 网络实验 ................................................................................. 158
6.3.1 实验目的.......................................................................................................................... 158
6.3.2 实验原理.......................................................................................................................... 159
6.3.3 实验设备.......................................................................................................................... 160
6.3.4 实验步骤.......................................................................................................................... 160
6.3.5 实验相关知识.................................................................................................................. 165
6.3.6 扩展实验.......................................................................................................................... 169
第 7 章 节点定位与定位算法仿真实验.......................................................................................... 170
7.1 节点定位概述 .............................................................................................................................. 170
7.2 质心定位算法仿真实验............................................................................................................... 172
7.2.1 实验目的.......................................................................................................................... 172
7.2.2 实验原理.......................................................................................................................... 172
7.2.3 实验设备.......................................................................................................................... 173
7.2.4 实验步骤.......................................................................................................................... 173
7.2.5 实验相关知识.................................................................................................................. 179
7.2.6 扩展实验.......................................................................................................................... 180
7.3 DV-HOP 定位算法仿真实验 ........................................................................................................ 180
7.3.1 实验目的.......................................................................................................................... 181
7.3.2 实验原理.......................................................................................................................... 181
7.3.3 实验设备.......................................................................................................................... 183
7.3.4 实验步骤.......................................................................................................................... 183
7.3.5 实验相关知识.................................................................................................................. 187
7.3.6 扩展实验.......................................................................................................................... 188 V 
第 8 章 时间同步与 TPSN 仿真实验 ............................................................................................. 189
8.1 时间同步概述 .............................................................................................................................. 189
8.2 时间同步算法 TPSN 仿真实验 ................................................................................................... 191
8.2.1 实验目的.......................................................................................................................... 192
8.2.2 实验原理.......................................................................................................................... 192
8.2.3 实验设备.......................................................................................................................... 193
8.2.4 实验步骤.......................................................................................................................... 193
8.2.5 实验相关知识.................................................................................................................. 196
8.2.6 扩展实验.......................................................................................................................... 198
第 9 章 安全机制与 ZigBee 网络的 AES 数据加密实验 ........................................................ 199
9.1 无线传感器网络安全机制概述................................................................................................... 199
9.2 ZigBee 网络的 AES 数据加密实验............................................................................................. 202
9.2.1 实验目的.......................................................................................................................... 202
9.2.2 实验原理.......................................................................................................................... 203
9.2.3 实验设备.......................................................................................................................... 203
9.2.4 实验步骤.......................................................................................................................... 203
9.2.5 实验分析.......................................................................................................................... 207
9.2.6 实验相关知识.................................................................................................................. 207
9.2.7 扩展实验.......................................................................................................................... 208
参考文献...................................................................................................................................................... 20

郭晓玲，女，讲师。2011年东北大学硕士毕业，2011年至今，在河北北方学院信息科学与工程学院任教。2017年主持河北北方学院高等教育教学改革课题JG201759（1000元）；主持2017年教育部产学合作项目立项（3万元）；主持2016年张家口市科技局项目；河北北方学院2017第二届“互联网”大学生创新创业大赛优秀指导教师；河北北方学院第二届“互联网”大学生创新创业大赛指导的“e检票”获一等奖。