无线传感器网络支撑技术第六章

《无线传感器网络》教学大纲Wireless sensor network第一部分大纲说明1. 课程代码：2. 课程性质：专业学位课3. 学时/学分：40/34. 课程目标：无线传感器网络是集传感器技术、微电机技术、现代网络和无线通信技术于一体的综合信息处理平台，具有广泛的应用前景，是计算机信息领域最活跃的研究热点之一。

通过本课程的学习，要求学生掌握无线传感器网络的体系结构和基本设计方法，软硬件开发平台和仿真环境的使用，着重掌握无线传感器网络的通信协议，了解无线传感器网络的节点定位、目标跟踪和时间同步等几大支撑技术，为在基于无线传感器网络的系统开发和应用中，深入利用关键技术，设计优质的应用系统打下良好的基础。

5. 教学方式：课堂讲授、分组实验、分组专题报告与课堂讨论相结合6. 考核方式：考试7. 先修课程：高级语言程序设计、微机原理及接口技术、计算机通信网（一）教材：《无线传感器网络简明教程（第2版）》崔逊学编著清华大学出版社《ZigBee无线传感器网络》钟永峰等编著北京邮电大学出版社（二）教学参考资料：《计算机网络（第6版）》谢希仁编著清华大学出版社《无线传感器网络》孙利民等编著，清华大学出版社《无线传感器网络原理及应用》唐宏编著，人民邮电出版社第二部分教学内容和教学要求第1章概述教学内容：1.1传感器网络的体系结构1.2传感器网络的特征1.3传感器网络的应用领域1.4传感器网络的发展历史教学要求：掌握WSN网络架构；了解无线传感器网络目前的应用状况和将来的应用前景第2章传感器网络的通信与组网技术教学内容：2.1 物理层概述2.2 传感器网络物理层的设计2.3 MAC协议概述2.4 IEEE802.11MAC协议2.5典型MAC协议2.6 路由协议概述2.7 典型路由协议教学要求：掌握物理层协议的基本概念，掌握无线信道和通信的基础知识；掌握无线MAC 协议基础知识，掌握路由协议的基础知识，了解典型的MAC协议和路由协议。

1-2、什么就是无线传感器网络?无线传感器网络就是大量的静止或移动的传感器以自组织与多跳的方式构成的无线网络。

目的就是协作地探测、处理与传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息,并报告给用户。

1-4、图示说明无线传感器网络的系统架构。

1-5、传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别就是什么?(1)传感模块(传感器、数模转换)、计算模块、通信模块、存储模块电源模块与嵌入式软件系统(2)传感模块负责探测目标的物理特征与现象,计算模块负责处理数据与系统管理,存储模块负责存放程序与数据,通信模块负责网络管理信息与探测数据两种信息的发送与接收。

另外,电源模块负责结点供电,结点由嵌入式软件系统支撑,运行网络的五层协议。

1-8、传感器网络的体系结构包括哪些部分?各部分的功能分别就是什么?(1)网络通信协议:类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系。

它由物理层、数据链路层、网络层、传输层与应用层组成。

(2)网络管理平台:主要就是对传感器结点自身的管理与用户对传感器网络的管理。

包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。

(3)应用支撑平台:建立在网络通信协议与网络管理技术的基础之上。

包括一系列基于监测任务的应用层软件,通过应用服务接口与网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。

1-9、传感器网络的结构有哪些类型?分别说明各种网络结构的特征及优缺点。

(1)根据结点数目的多少,传感器网络的结构可以分为平面结构与分级结构。

如果网络的规模较小,一般采用平面结构;如果网络规模很大,则必须采用分级网络结构。

(2)平面结构:特征:平面结构的网络比较简单,所有结点的地位平等,所以又可以称为对等式结构。

优点:源结点与目的结点之间一般存在多条路径,网络负荷由这些路径共同承担。

一般情况下不存在瓶颈,网络比较健壮。

缺点:①影响网络数据的传输速率,甚至造成网络崩溃。

②整个系统宏观上会损耗巨大能量。

无线传感器网络技术与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是一种由大量分布式传感器节点组成的网络系统，能够感知、采集和传输环境中的各种物理量和信息。

它具有自组织、自协调、实时性、低功耗等特点，广泛应用于农业、环境监测、智能家居、工业控制等领域。

本文将详细介绍无线传感器网络技术的原理、组成和应用，并探讨其在不同领域中的具体应用案例。

一、无线传感器网络的原理和组成1. 传感器节点传感器节点是无线传感器网络的基本组成单元，包括传感器、处理器、无线通信模块和电源等组件。

传感器节点负责采集周围环境的物理量，如温度、湿度、光照强度等，然后通过无线通信模块将采集到的数据传输给相邻节点。

2. 网络拓扑无线传感器网络的节点组织形式可以采用不同的拓扑结构，如星型、树状、网状等。

拓扑结构的选择取决于具体应用的需求和网络规模。

例如，星型拓扑适用于小范围的传感器网络，而网状拓扑则适用于大范围的传感器网络。

3. 路由协议路由协议是控制数据包的传输路径的规则和算法，保证数据能够有效地从源节点传输到目标节点。

常用的路由协议有LEACH、TEEN、PEGASIS等。

这些路由协议根据节点的能量消耗、网络拓扑结构和数据传输的延迟等因素进行优化，以实现高效的数据传输。

二、无线传感器网络的应用案例1. 农业领域在农业领域中，无线传感器网络被广泛应用于土壤监测、气象监测和农作物生长监测等方面。

通过部署大量的传感器节点，可以实时地监测土壤的湿度、温度和养分含量，帮助农民合理施肥和灌溉，提高农作物的产量和质量。

2. 环境监测无线传感器网络在环境监测领域发挥着重要作用。

通过将传感器节点部署在城市和工业区域，可以实时监测空气污染物的浓度、水质的污染程度和噪音水平。

这些数据可以提供给相关部门，帮助他们制定环境管理政策和改善环境质量。

3. 智能家居无线传感器网络可以实现智能家居系统的自动化管理。

通过将传感器节点部署在家庭中的各个角落，可以感知家庭的温度、湿度、照明等信息，并根据家庭成员的需求自动调节空调、照明和安防系统。

《物联网技术及应用》课程教学大纲课程名称：物联网技术及应用课程编码：暂不填写学分： 2.0 总学时：32理论学时： 32 实验学时： 0 上机学时： 0 实践学时：0开设实验（上机）项目总数 0 个，其中，必修（0）个，选修（0）个开课单位：物联网工程学院自动化系适用专业：自动化一、课程的性质、目的该课程是物联网学院自动化专业的专业选修课，旨在帮助学生对物联网有一个整体认识，掌握其体系结构和相关技术。

通过对自动识别技术与RFID、传感技术、定位系统、智能信息设备的学习，掌握感知识别层的基本知识；通过对无线宽带网、无限低速网、移动通信网的学习，掌握网络构建层的基本知识；通过对大数据与海量信息存储、数据库系统、物联网中的信息安全与隐私保护的学习，掌握管理服务层的基本知识；通过对智能交通、智能物流、智能建筑等系统的学习，了解物联网技术在多个领域中的应用；最后还应将物联网前沿状况介绍给学生。

在这个过程中强调掌握物联网涉及的基本概念和知识，提高自身对不断变化的物联网的适应能力。

二、课程培养目标1.立德树人通过课程学习了解物联网技术的发展历史以及其应用成果，明确科技进步和科技创新对国民经济的发展、国家军事力量的进步所发挥的作用，引领学生树立为中华民族伟大复兴的中国梦努力奋斗的信念。

通过介绍国家在物联网领域所取得的进步和发展，培养学生的民族自豪感和民族自信心。

通过介绍我国物联网领域的前沿发展，引导学生树立家国情怀、民族精神以及敢为人先、开拓创新、追究卓越的科学精神。

同时要意识到我国在一些领域与国外还存在较大差距，激发学生承担社会责任，以国家富强、民族复兴为己任，努力学习。

2.课程目标通过本课程的学习，学生所具备的素质、掌握的技能、知识和能力如下：课程目标1. 使学生了解一定的物联网相关技术。

掌握低频、高频、超高频和2.4G 有源RFID 读写器的原理及应用；了解低功耗WiFi、ZigBee、Bluetooth 4.0 BLE等多种无线传感网络。

高纲1353江苏省高等教育自学考试大纲30451 无线传感器网络南京理工大学编江苏省高等教育自学考试委员会办公室Ⅰ课程性质与课程目标一、课程性质和特点《无线传感器网络》是江苏省高等教育自学考试电子工程专业的必修课，是为了培养和检验自学应考者的通信工程、信息工程基本知识和基本技能而设置的一门专业课程。

无线传感器网络是集传感器技术、微电机技术、现代网络和无线通信技术于一体的综合信息处理平台，具有广泛的应用前景，是计算机信息领域最活跃的研究热点之一。

通过本课程的学习，要求学生掌握无线传感器网络的体系结构和网络管理技术，着重掌握无线传感器网络的通信协议，了解无线传感器网络的节点定位、目标跟踪和时间同步等几大支撑技术，为在基于无线传感器网络的系统开发和应用中，深入利用关键技术，设计优质的应用系统打下基础。

二、课程目标本课程主要讲授传感器网络的基本概念、基本原理与基本方法，并介绍国内外的最新技术发展和当前的研究热点。

课程设置的目标是：1.通过本课程让学生了解无线传感器网络的体系结构和网络管理技术。

2.掌握无线传感器网络中的物理层协议、MAC协议、路由协议、拓扑控制协议以及无线网络协议IEEE802.15.4等通信协议。

3.了解无线传感器网络的节点定位、目标跟踪和时间同步等几大支撑技术。

4.掌握基于无线传感器网络的智能应用的基本设计方法，掌握其软硬件开发平台和仿真环境的使用。

三、与相关课程的联系与区别本课程的先修课程为《通信原理》、《计算机网络技术》Ⅱ考核目标用学科化的语言对三个或四个认知层次予以表述。

以《物理（工）》课程为例：本大纲在考核目标中，按照识记、领会、简单应用和综合应用四个层次规定其应达到的能力层次要求。

四个能力层次是递升的关系，后者必须建立在前者的基础上。

各能力层次的含义是：识记（Ⅰ）：要求考生能够识别和记忆本课程中有关物理概念及规律的主要内容（如定义、定理、定律、表达式、公式、原理、重要结论、方法及特征、特点等），并能够根据考核的不同要求，做正确的表述、选择和判断。

第一章概述1、什么是无线传感器网络无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。

2、传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成这些组成模块的功能分别是什么（1）传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块、电源模块和嵌入式软件系统（2）传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。

另外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。

3、传感器网络的体系结构包括哪些部分各部分的功能分别是什么（1）网络通信协议：类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系。

它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。

（2）网络管理平台：主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理。

包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。

这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。

（3）应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。

包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。

第二章微型传感器的基本知识1、传感器由哪些部分组成各部分的功能是什么传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。

敏感元件是传感器中能感受或响应被测量的部分。

转换元件是将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的信号（一般指电信号）部分。

基本转换电路可以对获得的微弱电信号进行放大、运算调制等。

另外，基本转换电路工作时必须有辅助电源。

2、集成传感器的特点是什么体积小、重量轻、功能强、性能好。

3、如何进行传感器的正确选型（1）测量对象与环境：分析被测量的特点和传感器的使用条件选择何种原理的传感器。

1-2.什么是无线传感器网络?无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。

目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息,并报告给用户。

1-4.图示说明无线传感器网络的系统架构。

1-5.传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成?这些组成模块的功能分别是什么?(1)传感模块（传感器、数模转换）、计算模块、通信模块、存储模块电源模块和嵌入式软件系统(2)传感模块负责探测目标的物理特征和现象，计算模块负责处理数据和系统管理，存储模块负责存放程序和数据，通信模块负责网络管理信息和探测数据两种信息的发送和接收。

另外，电源模块负责结点供电，结点由嵌入式软件系统支撑，运行网络的五层协议。

1-8.传感器网络的体系结构包括哪些部分?各部分的功能分别是什么?(1)网络通信协议：类似于传统Internet网络中的TCP/IP协议体系。

它由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。

(2)网络管理平台：主要是对传感器结点自身的管理和用户对传感器网络的管理。

包括拓扑控制、服务质量管理、能量管理、安全管理、移动管理、网络管理等。

(3)应用支撑平台：建立在网络通信协议和网络管理技术的基础之上。

包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应用服务接口和网络管理接口来为终端用户提供各种具体应用的支持。

1-9.传感器网络的结构有哪些类型?分别说明各种网络结构的特征及优缺点。

（1）根据结点数目的多少，传感器网络的结构可以分为平面结构和分级结构。

如果网络的规模较小，一般采用平面结构；如果网络规模很大，则必须采用分级网络结构。

（2）平面结构：特征：平面结构的网络比较简单，所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。

优点：源结点和目的结点之间一般存在多条路径，网络负荷由这些路径共同承担。

一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。

缺点：①影响网络数据的传输速率，甚至造成网络崩溃。

②整个系统宏观上会损耗巨大能量。

《无线传感器网络技术与应用》课程教学大纲一、基本信息课程中文名称无线传感器网络技术与应用课程英文名称Wireless sensor network technology and application课程类别通识教育（）大类基础（√）专业核心（）专业方向（）课程性质必修（）任选（√）总学时24（其中理论教学20学时，实验4学时）本课程对毕业要求的贡献培养学生计算思维能力，使学生能够综合应用结构化程序设计的基本方法编写简单应用程序。

二、教学目的与任务无线传感器网络是信息科学领域的一个全新发展方向，是物联网的支撑技术之一。

传感器技术在遥控、监测、传感和智能化等高科技应用领域中发挥着重要作用。

课程主要内容包括：无线传感器网络的网络与通信技术，及以时间同步、定位技术、数据管理、目标跟踪、拓扑控制、覆盖技术、安全技术等为支撑的无线传感器网络技术与应用；无线传感器网络的软硬件设计，新型的人工智能物联网，以及无线传感器网络在智能家居、智能温室系统和远程医疗监护系统中的应用；最后是工程实践指导，且给出了完整的实现细节。

本课程适用于物联网工程、通信工程、计算机应用、人工智能等专业的高年级本科生教材，也可以适用于建筑电气、网络管理等领域的工程技术人员和从事智能物联网等工作的技术人员学习用。

三、教学内容与要求基本教学内容（一）概述 2学时无线传感器网络（WSN）概述，主要内容：WSN的发展历程、基本概念、应用领域、特点、关键技术。

（二）网络与通信技术2学时1、物理层概述、链路特性、物理层设计、低俗物理层、中高速物理层；2、MAC概述、基于竞争的MAC协议、基于时分复用的MAC协议、其它MAC协议；3、路由协议概述、平面路由协议、分簇路由协议、其它路由协议、路由协议自主切换；4、传输协议概述、拥塞控制协议、可靠保证协议；5、ZigBee与IEEE 802.15.4的区分、ZigBee协议框架和特点、网络层规范、应用层规范。

无线传感器网络技术的原理与应用资料无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是一种由大量分散的、具有自主感知、通信和计算能力的传感器节点组成的网络。

这些传感器节点通常通过无线通信方式相互连接，协同工作来获取、处理和传输感知信息。

WSN 自问世以来，得到了广泛的应用和研究。

本文将介绍无线传感器网络技术的原理和应用，并提供相关资料。

一、无线传感器网络技术的原理无线传感器网络技术的原理主要包括传感器节点的工作原理、通信协议和网络拓扑结构。

1. 传感器节点的工作原理传感器节点是无线传感器网络的基本组成单元，它通常由感知模块、处理模块、通信模块和能量模块组成。

感知模块用于感知环境中的物理量或事件，如温度、湿度、光照等；处理模块负责对感知数据进行处理和分析；通信模块用于传输感知数据和接收网络中其他节点的数据；能量模块提供供电功能，常见的供电方式包括电池、太阳能等。

传感器节点通过感知和处理模块的协同工作，将感知数据进行采集和分析，并通过通信模块将数据传输给其他节点或基站。

2. 通信协议无线传感器网络的通信协议是保证节点之间进行有效通信的基础。

常见的通信协议包括路由协议、传输协议和网络协议等。

路由协议用于确定数据在网络中的传输路径，常见的路由协议有LEACH、AODV等；传输协议负责传输数据包，常见的传输协议有TCP、UDP等；网络协议定义了节点之间通信的规则和标准，常见的网络协议有IPv6、6LoWPAN等。

这些协议的设计旨在提高网络的可靠性、稳定性和能耗效率。

3. 网络拓扑结构无线传感器网络的网络拓扑结构决定了节点之间通信的方式和效率。

常见的网络拓扑结构包括星型、树形、网状等。

星型拓扑结构中，所有的传感器节点都直接连接到一个中心节点，中心节点负责接收和处理来自其他节点的数据；树形拓扑结构中，节点之间形成父子关系，数据从根节点通过树状结构向下传输；网状拓扑结构中，节点之间可以直接相互通信，数据传输路径更加灵活。

无线传感器网络技术与应用无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）是由大量被布置在感兴趣区域内的微型传感器节点组成的自组织和协同工作的网络系统。

这些传感器节点能够通过自身之间的无线通信与协作，实现对环境的感知、数据采集、处理与传输，以及对感兴趣事件的监测和响应。

随着无线传感器网络技术的不断发展和应用的广泛推广，它在军事、环境监测、智能交通、智能家居、物联网等诸多领域都展现出了巨大的潜力。

一、无线传感器网络技术的基本原理和组成无线传感器网络技术的核心是传感器节点的设计与实现。

传感器节点一般由传感器、微处理器、无线通信模块和电池等组成。

传感器负责感知环境信息，并将其转化为数字信号；微处理器负责采集、处理和分析传感器数据，并进行本地节点的控制；无线通信模块实现传感器节点之间的数据传输和通信；电池为传感器节点提供能源。

二、无线传感器网络技术的特点1. 自组织和自适应：无线传感器网络具有自组织和自适应的特点。

传感器节点能够根据网络的变化自主地重新组织，形成新的网络拓扑结构，并能够根据环境和任务需求自适应地调整节点的行为与功能。

2. 分布式采集与处理：无线传感器网络中的传感器节点分布在感兴趣区域的各个位置，通过对环境进行多点采集，能够获取更全面、更准确的信息。

同时，节点之间还可以通过数据处理和传输的协作，实现对数据的融合和提炼，降低数据冗余和信息丢失。

3. 节能与延长网络寿命：由于传感器节点一般工作在无线通信和数据处理的模式下，为了延长节点的寿命，需要考虑节能策略。

一方面，可以通过低功耗电子器件、省电的工作模式和能量收集技术来减少能耗；另一方面，还可以通过自适应的能源分配、动态的休眠与唤醒机制来实现能耗的均衡和节约。

三、无线传感器网络技术的应用领域1. 环境监测：无线传感器网络在环境监测领域具有广泛的应用前景。

通过布置在监测区域内的传感器节点，可以对气温、湿度、大气污染物等环境参数进行监测和分析，为环境保护和资源管理提供实时数据和决策支持。