无线传感器网络 教学大纲

第页无线传感器网络一、课程说明课程编号：090284Z10课程名称：无线传感器网络/WirelessSensorNetworks课程类别：专业教育课程学时/学分：48/3先修课程：计算机程序设计基础，计算机网络，近距离无线通信技术，传感检测技术适用专业：物联网工程，计算机科学与技术，信息安全，通信工程，电子信息，自动化教材：何云，《物联网与无线传感器网络》（第二版），电子工业出版社，2017年教学参考书：[1]李晓维，《无线传感器网络技术》，北京理工大学出版社，2007年[2]孙利民，李建中，陈渝，朱红松，《无线传感器网络》，清华大学出版社，2005年[3]IanF.Akyildiz，MehmetCanVuran。WirelessSensorNetworks。WileyPublisher，2010年二、课程设置的目的意义无线传感器网络是物联网工程及相关信息专业的一门重要的专业课，无线传感器网络技术建立在无线通信技术、嵌入式系统、传感与检测技术和计算机网络等技术的交叉融合上并具有自身的特点，是构造物物互联网络的核心技术，其应用范围非常广阔。如何利用通信模块、传感模块、嵌入式处理单元和其他如标识、定位或同步模块设计无线传感器网络节点是物联网工程、计算机科学与技术和电子信息等相关专业的学生所必需掌握的基本技能；能够根据实际应用需求使用无线传感器网络的基本原理和设计方法部署结构灵活的无线传感器网络并进行数据的组织和融合也是物联网工程、计算机科学与技术和电子信息等相关专业的学生所必需具备的专门知识；关于节点的感知、节能、数据的传输效率和可靠性保障、数据的访问和安全等机制也是物联网工程及相关信息专业所必需具备的理论基础。三、课程的基本要求知识：本课程主要讲述无线传感器网络的基本知识、基础理论和应用开放技术，要求学生逐步掌握无线传感器网络的功能、特性、体系结构、功能部件、通信协议和应用支持等方法与技术，从而掌握无线传感器网络技术应用开发的分析设计方法和基本技能，并适当了解无线传感器网络的一些高层应用专题，如无线传感器网络的网络编码、冗余设计、安全设计、数据融合、数据挖掘和普适计算等。能力：设计合适的无线传感器网络的架构；能比较熟练地使用嵌入系统开发技术、通信模块和传感模块搭建无线传感器节点并进行测试维护；初步掌握面向无线传感器网络的应用程序开发的一般过程，了解各种典型无线传感器网络的开发环境和应用程序设计方法。能够熟悉的应用节点编程开发工具开发针对无线传感器网络的应用。素质：通过课堂教学、编程示范、实践实训等环节，培养无线传感器网络设计开发的工程观念；加深理解和把握信息技术在新一代网络中的应用和发展。在实训中树立工程职业道德，提高职业规范，加强团队合作能力和交流沟通能力，具有能够进行物联网应用开发和理论设计的高端人才素质。四、教学内容、重点难点及教学设计章节教学内容总学时学时分配教学重点教学难点教学方案设计（含教学方法、教学手段）讲课(含研讨)实践第一章无线传感器网络的概念，特点、应用、发展和体系结构22无线传感器网络的体系结构无线传感器网络的特点课堂教学，应用历史和现代的无线传感器网络实例说明课程的重要意义和相关内容第二章无线传感器网络的物理层设计22无线传感器网络物理层关键技术无线传感器网络物理层调制解调和编码技术课堂教学，回顾先修课程有关无线通信的基本知识，并指出无线传感器网络物理层设计的特点。3.13,2,3.3,3.4节无线传感器网络的链路层设计特点，竞争型MAC协议22无线传感器网络竞争型MAC协议MAC协议的竞争机制课堂教学，结合有线网络MAC层的设计，将其作为无线传感器网络MAC层的对比，说明其特殊要求3.4节无线传感器网络的分配性和混合型MAC协议22无线传感器网络竞争型MAC协议MAC协议的分配机制课堂教学，用实例说明分配性和混合型MAC协议应用的范围和在无线传感器网络中的作用4.14,2,4.3节无线传感器网络的网络层设计特点和关键问题22无线传感器网络的网络层设计特点无线传感器网络的网络层关键问题课堂教学，事前给出有关网络层的若干问题，对学生进行分组，自主查找这些问题的相关答案并找出与教学内容联系4.4节无线传感器网络的基于数据的路由协议22无线传感器网络数据路由协议的转发机制无线传感器网络数据路由协议的路由选择课堂教学，回顾Internet的路由协议，指出Internet路由协议在无线传感器网络的发展和改进。4.4节无线传感器网络的基于集群和地理位置信息的路由协议22无线传感器网络的基于集群的路由协议无线传感器网络的基于地理位置路由协议课堂教学，事前给出若干集群和地理位置协议的问题，对学生进行小组，自主查找相关问题答案并讨论第5章无线传感器网络的传输层协议22无线传感器网络传输层协议分析无线传感器网络传输层关键问题课堂教学，结合有线网络的传输层协议，说明无线传感器网络传输层协议的特殊要求。6.1,6.2节IEEE802.15.4协议与ZigBee协议22IEEE802.15.4协议机制ZigBee协议开发课堂教学，给出具体的ZigBee协议的开发套件，分析具体的程序实例6.3,6.4,6.5节无线局域网技术，蓝牙技术，UWB技术22IEEE802.1l协议栈UWB协议模型课堂教学，结合目前的常见应用说明各种可用于无线传感器网络的通信技术和联网技术7.1,7.2,7.3节无线传感器网络的时间同步技术分析22无线传感器网络时间同步的作用无线传感器网络的时间同步的关键问题课堂教学，由无线传感器网络的应用设计实例出发，引出时间同步的关键作用，并指出核心问题7.4,7.5节无线传感器网络时间同步的传统技术和新型技术22无线传感器网络时间同步的传统技术根据数据传输延迟提高同步精度课堂教学，提前给出有关时间同步的若干技术，学生分组查询这些技术的细节，并完成调研报告在课堂上汇报8.1,8.2,8.3节无线传感器网络节点定位技术分析22无线传感器网络节点定位的作用无线传感器网络节点定位的关键问题课堂教学，由无线传感器网络的应用设计实例出发，引出时间同步的关键作用，并指出核心问题8.4,8.5,8.6节无线传感器网络基于测距，不基于测距与协同定位技术22基于测距的定位技术基于非测距的定位技术课堂教学，事先给出若干测距的问题，对学生进行小组，自主查找相关问题答案并讨论9.1,9.2,9.3节无线传感器网络的容错技术与可靠性分析22无线传感器网络的容错技术无线传感器网络的可靠性分析课堂教学，从无线传感器网络的应用实例出发，引出无线传感器网络容错技术的重要性，并指出容错设计原则。9.4,9.5,9.6节无线传感器网络故障检测、诊断与自恢复技术22无线传感器网络故障检测、诊断技术无线传感器网络自恢复技术课堂教学，回顾有线网络的故障检测和自恢复技术，说明这些技术在无线传感器网络中的发展。第十章无线传感器网络的服务质量保证22无线传感器网络服务质量指标无线传感器网络服务质量保证技术课堂教学，回顾Internet常用的QOS指标，并从实际的应用实例出发说明这些QOS指标在无线传感器网络中所起的不同作用第十一章无线传感器网络的网络管理22无线传感器网络管理架构无线传感器网络管理关键技术课堂教学，提前给出有关网络关系的若干技术，学生分组查询这些技术的细节，并完成调研报告在课堂上汇报实验一无线传感器网络节点的基本控制22熟悉程序开发环境通过定时器对节点进行控制机房上机，结合试验箱实例程序讲解，首先对工作环境进行，熟悉并让学生进行上机编程实践实验二无线传感器网络与微机的通信22了解串口通信协议编程实现节点串口通信机房上机，结合试验箱实例程序讲解，说明串口通信在开发板载程序的重要作用，并让学生进行上机编程联通节点和电脑实验三无线传感器网络数据感知的控制22了解传感类型和传感接口编程对感知频率进行控制机房上机，结合试验箱实例程序讲解，熟悉各种传感器类型和接口，让学生进行上机编程实践，能够得到传感数据实验四无线传感器网络的跳频通信22了解节点的通信频段编程选择信道，自适应通信机房上机，结合试验箱实例程序讲解，；了解无线传感器网络使用的通信频段，并让学生进行上机编程实践进行频段切换实验五无线传感器网络的ZigBee协议开发22了解ZigBee协议栈构成实现ZigBee的组网和绑定机房上机，结合试验箱实例程序讲解，了解ZigBee协议栈，并让学生进行上机编程实现基于ZigBee的节点通信实验六无线传感器网络的网关设计22了解无线传感器网关结构编程实现Andriod系统控制网络节点机房上机，结合试验箱实例程序讲解，讲无线传感器网关结构，并让学生进行上机编程实现网关节点的控制程序合计483612注：实践包括实验、上机等五、实践教学内容和基本要求实验名称实验内容学时基本要求无线传感器网络节点的基本控制熟悉无线传感器网络节点的程序开发环境，能够对硬件资源如按键、闪灯、定时器和看门狗进行编程。2学生能够熟悉基本的无线传感器网络开发环境并对板载资源进行程序开发无线传感器网络与微机的通信了解节点与微机通信的串口通信协议，了解节点和微机串口通信的参数设置方法。2能够编程实现节点与微机之间的串口通信，节点通过无线信道和串口与微机进行通信。无线传感器网络数据感知的控制了解无线传感器网络节点传感数据的类型和各种传感接口，比如温度、湿度、红外、气体和继电器的数据获取和设置方法。2能够对节点编程采集各种感知数据，显示数据接收的RSSI值，并对感知频率进行控制。无线传感器网络的跳频通信了解无线传感器节点使用ISM的频段划分和频段扫描和数据传输方法。2能够对节点编程扫描信道，发现通信的节点，并能够更改信道参数实现节点之间的频段自适应通信。无线传感器网络的ZigBee协议开发了解无线传感器网络ZigBee的协议栈构成和组网方法，了解ZigBee对象的参数设置和组网参数的设置方法2能够编程实现ZigBee的组网和对象绑定。无线传感器网络的网关设计了解无线传感器的网关结构和参数设置方法，了解Android系统的编程开发工具和开发方法2编程实现通过Andriod客户端控制无线传感器网络节点的组网和数据发送。六、考核方式及成绩评定教学过程中采取讲授、讨论、编程示范、分组讨论、调研报告、上机实践的方式进行，注重过程考核，考核方式包括：笔试、作业、调研报告、讨论、报告、互动提问，上机测试等；各个考核所占比例：讨论占5%，调研报告占5%，平时随堂提问和作业考核占10%，期中考试占10%，期末考试占50%。上机测试占20%。考核方式考核内容成绩比例（%）备注课堂讨论，学生PPT汇报无线传感器网络的应用和发展5