《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程簡介

PAGE1PAGE7《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程簡介課程編號(hào)：07044007課程名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)/WirelessSensorNetworks學(xué)分：3.5學(xué)時(shí)：56（實(shí)驗(yàn)：24）適用專業(yè)：物聯(lián)網(wǎng)工程建議修讀學(xué)期：6開課單位：物聯(lián)網(wǎng)工程系先修課程：《物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論》、《傳感器原理》、《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A》等考核方式與成績評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)：筆試閉卷教材與主要參考書目：《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理及應(yīng)用》，許毅，21世紀(jì)高等學(xué)校規(guī)劃教材，清華大學(xué)出版社，2015。內(nèi)容概述：中文：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及無線傳感器平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軍事和生活應(yīng)用、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)影響等多方面知識(shí)。本課程以采用講授和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，注重培養(yǎng)學(xué)生對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議、鏈路層差錯(cuò)控制、網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議、傳輸層協(xié)議和應(yīng)用層中定時(shí)同步、拓?fù)涔芾淼牧私夂驼J(rèn)識(shí)，為學(xué)生今后從事物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)工作或深入研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)講授使學(xué)生了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、定位、管理及應(yīng)用等知識(shí)，使學(xué)生樹立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)概念，能夠從系統(tǒng)的角度全局性的認(rèn)識(shí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并有能力根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同設(shè)計(jì)出相應(yīng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型。英文：WirelesssensornetworkreferstoknowledgeintheareasofWirelessSensorPlatform,NetworkArchitectureandmilitaryandcivilusageanddesignofWirelesssensornetwork.Thiscoursecontainsin-classlecturesandlabexperiments.Thecourseisdesignedtohelpstudentsearnacomprehensiveunderstandingofthephysicallayerprotocols,thelinklayererrorcontrol,thenetworklayerroutingprotocols,thetransportlayerprotocolsandtimingsynchronizationandtopologycontrolintheapplicationlayer.ItfurtherhelpsstudentstobuildasolidfoundationforfurtherstudyinInternetofThingsrelatedwork.Fundamentalknowledge,networkprotocols,location,managementandapplicationsinwirelesssensornetworksarelecturedinthelayeredstructure.Studentswiththeaboveknowledgefromthiscourseshouldunderstandthesystemconceptsofwirelesssensornetworksanddesignwirelesssensornetworkmodelsaccordingtotheapplicationenvironment.《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》教學(xué)大綱課程編號(hào)：07044007課程名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)/WirelessSensorNetworks開課學(xué)期：6學(xué)分:3.5學(xué)分/學(xué)時(shí)：3.5/56（理論學(xué)時(shí)：32，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：24）適用專業(yè)/開課對象：物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)/三年級(jí)本科生先修/后修課程：《物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論》、《傳感器原理》、《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)A》/《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合設(shè)計(jì)》開課單位：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程系一、課程性質(zhì)、目的與任務(wù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和傳遞等任務(wù)的重要基礎(chǔ)支撐，《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》課程作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的核心專業(yè)課程之一，旨在向?qū)W生介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí)，通過系統(tǒng)知識(shí)的分層剖析及啟發(fā)式教學(xué)，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)重要組成的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。本課程的授課對象是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的三年級(jí)本科生。課程主要介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信與組網(wǎng)技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的支撐技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂婆c覆蓋技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)環(huán)境，以及ZigBee協(xié)議棧原理。本課程采用講授和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，注重培養(yǎng)學(xué)生對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議、介質(zhì)訪問控制、網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議、傳輸層協(xié)議和應(yīng)用層中時(shí)間同步、定位、拓?fù)涔芾淼戎R(shí)的了解和認(rèn)識(shí)，使學(xué)生掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與開發(fā)的基本技術(shù)，為學(xué)生今后從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)開發(fā)工作打下良好的基礎(chǔ)。本課程重點(diǎn)支持以下畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)：（3）掌握扎實(shí)的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)基本理論，具有從事物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)創(chuàng)新和工程管理必須的相關(guān)知識(shí)。體現(xiàn)在掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)中各分層結(jié)構(gòu)的組成和功能，能夠根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇相應(yīng)的算法和協(xié)議，滿足系統(tǒng)需求，達(dá)到應(yīng)用要求。（4）熟悉無線通信、組網(wǎng)、傳感器、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)及相應(yīng)的新技術(shù)和新裝備。體現(xiàn)在針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)的幾個(gè)相關(guān)專題中。在課堂基礎(chǔ)知識(shí)的了解和掌握的基礎(chǔ)上，能夠運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)工具檢索和查詢資料，對比基礎(chǔ)算法、協(xié)議和工具，指出優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。（5）具有物聯(lián)網(wǎng)工程問題的分析、設(shè)計(jì)和原型驗(yàn)證能力，能夠在物聯(lián)網(wǎng)工程過程中，正確分析處理工程結(jié)構(gòu)、傳感器選型、組網(wǎng)技術(shù)、軟件編制等問題，降低工程的復(fù)雜度和開發(fā)成本。在理論學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐等方面具有追求創(chuàng)新的態(tài)度和意識(shí)。體現(xiàn)在課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中。以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)、IEEE802.15.4協(xié)議和ZigBee協(xié)議的學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)、了解和驗(yàn)證協(xié)議棧以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)工作原理和數(shù)據(jù)通信原理，并以原型系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖灾髟O(shè)計(jì)。（6）熟練掌握一項(xiàng)開發(fā)工具，能夠開發(fā)一個(gè)具體的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，比如智能家居、高爐溫度控制與報(bào)警、生活環(huán)境監(jiān)控預(yù)報(bào)警系統(tǒng)等。體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中，通過在IAR軟件開發(fā)平臺(tái)上以CC2530射頻模塊為硬件，使用ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)針對各種應(yīng)用需求的操作。（9）具有一定的組織管理能力、表達(dá)和溝通能力、獨(dú)立工作和團(tuán)隊(duì)合作能力。體現(xiàn)在分組學(xué)習(xí)過程中。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)專題的課程研究報(bào)告撰寫，小組成員分工進(jìn)行資料收集、學(xué)習(xí)、討論、整合及報(bào)告撰寫。通過分組實(shí)驗(yàn)，小組成員協(xié)作進(jìn)行代碼修改、節(jié)點(diǎn)代碼下載、系統(tǒng)運(yùn)行等任務(wù)。二、教學(xué)內(nèi)容、基本要求及學(xué)時(shí)分配1．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概論（4學(xué)時(shí)）了解無線傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以及協(xié)議棧，了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用；理解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)影響因素；掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。重點(diǎn)支持畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)（3），（4），（5）。2．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層（2學(xué)時(shí)）了解物理層技術(shù)、射頻無線通信概述、信道編碼、調(diào)制和物理層標(biāo)準(zhǔn)；理解無線信道效應(yīng)。重點(diǎn)支持畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)（3）。3、介質(zhì)訪問控制（4學(xué)時(shí)）了解MAC層的挑戰(zhàn)；理解基于競爭的介質(zhì)訪問、預(yù)留的介質(zhì)訪問和混合的介質(zhì)訪問；掌握CSMA機(jī)制。重點(diǎn)支持畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)（3），（5）。4．網(wǎng)絡(luò)層（4學(xué)時(shí)）了解和掌握以數(shù)據(jù)為中心和等級(jí)化的路由協(xié)議、分層路由協(xié)議、地理路由協(xié)議和基于QoS的路由協(xié)議。重點(diǎn)支持畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)（3），（5），（9）。5．傳輸層（2學(xué)時(shí)）了解傳輸層的挑戰(zhàn)，Event-to-Sink和Sink-to-Sensor傳輸原理，以及RMST、PSFQ、CODA等主要協(xié)議。重點(diǎn)支持畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)（3）。6．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)（12學(xué)時(shí)）了解數(shù)據(jù)融合、能量管理、容錯(cuò)技術(shù)、QoS保證和安全性；理解拓?fù)淇刂坪透采w技術(shù)；掌握時(shí)間同步和節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)。重點(diǎn)支持畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)（3），（4），（9）。7．ZigBee開發(fā)平臺(tái)及協(xié)議棧（4學(xué)時(shí)）了解ZigBee的硬件開發(fā)平臺(tái)特性，掌握ZigBee軟件開發(fā)平臺(tái)的使用和Z-Stack協(xié)議棧的應(yīng)用。重點(diǎn)支持畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)（5），（6），（9）。課程內(nèi)容教學(xué)要求學(xué)時(shí)安排實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)上機(jī)學(xué)時(shí)備注無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述了解無線傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以及協(xié)議棧，了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用；理解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)影響因素；掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。4學(xué)時(shí)講授無線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層了解物理層技術(shù)、射頻無線通信概述、信道編碼、調(diào)制和物理層標(biāo)準(zhǔn)；理解無線信道效應(yīng)。2學(xué)時(shí)講授介質(zhì)訪問控制了解MAC層的挑戰(zhàn)；理解基于競爭的介質(zhì)訪問、預(yù)留的介質(zhì)訪問和混合的介質(zhì)訪問；掌握CSMA機(jī)制。4學(xué)時(shí)講授網(wǎng)絡(luò)層了解和掌握以數(shù)據(jù)為中心和等級(jí)化的路由協(xié)議、分層路由協(xié)議、地理路由協(xié)議和基于QoS的路由協(xié)議。4學(xué)時(shí)講授、專題研究題目布置傳輸層了解傳輸層的挑戰(zhàn)，Event-to-Sink和Sink-to-Sensor傳輸原理，以及RMST、PSFQ、CODA等主要協(xié)議。2學(xué)時(shí)講授無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)了解數(shù)據(jù)融合、能量管理、容錯(cuò)技術(shù)、QoS保證和安全性；理解拓?fù)淇刂坪透采w技術(shù)；掌握時(shí)間同步和節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)。12學(xué)時(shí)講授、專題研究題目布置ZigBee開發(fā)平臺(tái)及協(xié)議棧了解ZigBee的硬件開發(fā)平臺(tái)特性，掌握ZigBee軟件開發(fā)平臺(tái)的使用和Z-Stack協(xié)議棧的應(yīng)用。4學(xué)時(shí)講授和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)列表見下（1）CC2530基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)搭建實(shí)驗(yàn)輸入輸出I/O控制實(shí)驗(yàn)定時(shí)器/計(jì)時(shí)器實(shí)驗(yàn)中斷實(shí)驗(yàn)AD實(shí)驗(yàn)UART串口實(shí)驗(yàn)睡眠定時(shí)器實(shí)驗(yàn)看門狗實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)必做（2）ZigBee基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)精簡OS實(shí)驗(yàn)硬件抽象層HAL實(shí)驗(yàn)（adc&lcd）硬件抽象層HAL實(shí)驗(yàn)（lcd&uart）加入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)簡單綁定實(shí)驗(yàn)組播實(shí)驗(yàn)12學(xué)時(shí)必做（3）WSN多傳感器實(shí)驗(yàn)光照傳感器實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)必做合計(jì)32學(xué)時(shí)24學(xué)時(shí)建議實(shí)驗(yàn)（上機(jī)）項(xiàng)目及學(xué)時(shí)分配實(shí)驗(yàn)（上機(jī)）名稱內(nèi)容學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)類型實(shí)驗(yàn)要求1.軟件平臺(tái)搭建實(shí)驗(yàn)熟悉RF2實(shí)驗(yàn)箱-WSN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和必要軟件。1學(xué)時(shí)驗(yàn)證性必做2.輸入輸出I/O控制實(shí)驗(yàn)了解CC2530的GPIO結(jié)構(gòu)和配置原理。1學(xué)時(shí)驗(yàn)證性必做3.定時(shí)器/計(jì)時(shí)器實(shí)驗(yàn)了解CC2530的定時(shí)器T1和T2的配置和使用。1學(xué)時(shí)驗(yàn)證性必做4.中斷實(shí)驗(yàn)了解CC2530的中斷使用。1學(xué)時(shí)驗(yàn)證性必做5.AD實(shí)驗(yàn)了解CC2530的ADC原理和配置方法。通過ADC采集讀取Joystick按鍵控制LED燈。通過ADC讀取片內(nèi)的溫度傳感器值并通過串口發(fā)送。1學(xué)時(shí)驗(yàn)證性必做6.UART串口實(shí)驗(yàn)了解CC2530的串口結(jié)構(gòu)和配置原理。通過程序控制CC2530的串口收發(fā)數(shù)據(jù)。1學(xué)時(shí)驗(yàn)證性必做7.睡眠定時(shí)器實(shí)驗(yàn)了解CC2530的電源管理和低功耗模式。通過程序控制CC2530進(jìn)入低功耗模式和中斷喚醒及定時(shí)器喚醒。1學(xué)時(shí)驗(yàn)證性必做8.看門狗實(shí)驗(yàn)了解CC2530的看門狗定時(shí)器使用和配置原理。通過程序開啟CC2530的看門狗定時(shí)器，程序中實(shí)現(xiàn)喂狗操作。1學(xué)時(shí)驗(yàn)證性必做9.精簡OS實(shí)驗(yàn)初始化操作系統(tǒng)，了解OS的運(yùn)行機(jī)制和原理。2學(xué)時(shí)驗(yàn)證性必做10.硬件抽象層HAL實(shí)驗(yàn)（adc&lcd）了解如何在Z-Stack中調(diào)用HAL驅(qū)動(dòng)硬件。2學(xué)時(shí)驗(yàn)證性必做11.硬件抽象層HAL實(shí)驗(yàn)（lcd&uart）了解如何在Z-Stack中調(diào)用HAL驅(qū)動(dòng)UART。2學(xué)時(shí)驗(yàn)證性必做12.加入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)Z-Stack的網(wǎng)絡(luò)組建原理。了解如何在Z-Stack中啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和路由器，終端設(shè)備等。2學(xué)時(shí)驗(yàn)證性必做13.簡單綁定實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)Z-Stack的加入和綁定原理。了解如何在Z-Stack中調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)綁定和解除按鍵。2學(xué)時(shí)驗(yàn)證性必做14.組播實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)Z-Stack的建立組和加入組的方法。以組播的形式通信。2學(xué)時(shí)驗(yàn)證性必做15.光照傳感器實(shí)驗(yàn)了解光照采集的原理。學(xué)習(xí)CDS光照傳感器從而掌握光照傳感器的原理。掌握“傳感器節(jié)點(diǎn)板”模塊的原理和使用方法。4學(xué)時(shí)綜合性必做四、教學(xué)方法與教學(xué)手段1.教學(xué)方法：課堂以授課為主，難、重點(diǎn)講解與多媒體演示相結(jié)合；在重視課堂講授的同時(shí)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力及實(shí)踐能力。在課堂教學(xué)中采用啟發(fā)式、討論式、參與式等教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，使課堂教學(xué)效果提高，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)教學(xué)相長。2.教學(xué)手段：利用現(xiàn)代手段提高課堂教學(xué)水平,采取講練結(jié)合,結(jié)合答疑、作業(yè)批改，理論與實(shí)驗(yàn) 結(jié)合的方式，利用多媒體等現(xiàn)代教學(xué)手段，提高教學(xué)質(zhì)量和效果。五、考核方式與成績評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)本課程采用平時(shí)成績+期末閉卷考試方式進(jìn)行考核，成績采用百分制登記。平時(shí)成績占課程考核成績的30%，平時(shí)成績考核采用考