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大学无线传感器网络教案一、教学目标通过本课程，学生将了解到无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）的原理、网络结构、应用场景以及其在物联网中的重要性，同时掌握WSN的网络拓扑结构设计方法和WSN中的包括传输协议、路由协议、网络安全等相关技术。
二、教学内容1. 无线传感器网络概述1.1 什么是无线传感器网络1.2 无线传感器网络的优缺点1.3 无线传感器网络的应用场景2. 无线传感器网络结构2.1 网络拓扑结构设计2.2 网络节点分类2.3 无线传感器节点的构成2.4 无线传感器网络的通信协议3. 无线传感器网络技术3.1 传输协议3.2 路由协议3.3 网络安全三、教学方法本课程采用讲授结合实验的教学方法，通过讲解概念与原理，引导学生进行实验操作，提高学生的自主探究能力。
四、教学过程1. 无线传感器网络概述1.1 无线传感器网络的定义无线传感器网络是一种由分布在空间中的大量微小的传感器节点组成的无线网络，通过传感器节点进行数据采集、处理、传输和网络通信等功能，实现对监测环境的实时感知、辅助决策等目的。
1.2 无线传感器网络的优缺点优点：1）节点数量可灵活扩展；2）维护成本低廉；3）无线通信便利；4）实时感知能力强；5）他适老面多种应用场景。
缺点：1）网络安全容易受到攻击；2）传输距离有限制；3）数据通信存储的能力有限。
1.3 无线传感器网络的应用场景无线传感器网络可用于环境监测、智能交通、智能家居、工业监测等多个领域，随着物联网的发展和普及，其应用场景将不断拓展。
2. 无线传感器网络结构2.1 网络拓扑结构设计无线传感器网络节点之间的拓扑结构分为两种：平面型结构和三维结构。
平面型结构具有灵活性，安装与维护较为方便；三维结构则能够应对更高水平的感知任务。
但这两种结构都需要合理设计。
2.2 网络节点分类无线传感器网络中的节点可以按照不同维度进行分类：硬件节点、软件节点、通信节点等。
无线传感网智能组网设计实验指导书（实验类）实验 1.Zigbee基本通信实验1.1实验目的➢了解实Zigbee的原理及在软件上如何方便使用；➢掌握在Windows CE 6.0下进行UART编程的方法。
1.2实验设备➢硬件：EduKit-IV嵌入式教学实验平台、Mini270核心子板、Zigbee模块、PC 机；➢软件：Windows 2000/NT/XP 以及Windows 平台下的VS2005开发环境。
1.3实验内容➢利用Microsoft Visual Studio 2005编写一个可运行于EduKit-IV型实验箱Windows CE 6.0操作系统上的应用程序；➢学习和掌握EduKit-IV教学实验平台中通过UART与Zigbee模块通信，实现对Zigbee模块的配置和对等网模式下的通信。
1.4实验原理1.4.1Zigbee起源无线网络系统源自美国军方的“电子尘埃(eMote)”技术，是目前国内、外研究的热点技术之一。
该系统基于IEEE802.15.4规范的无线技术，工作在2.4 GHz或868／928 MHz，用于个人区域网和对等网状网络。
ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。
它是一种介于红外无线技术和蓝牙之间的技术提案。
主要用于近距离无线连接。
它依据802.15.4标准。
在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。
这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。
相对于现有的各种无线通信技术，无线ZigBee网络技术将是近距离通信最低功耗和成本的技术。
这一技术目前正向工业、民用方向推广和发展，市场前景广阔。
包括国家863计划等项目都在进行相关的研究工作。
因此，本文介绍的基于ZigBee技术的嵌入式无线网络平台，这一无线网络平台可应用于工业控制、信息家电、安保系统、环境监测、港务运输、煤矿安全、农业自动化和医疗监护设备等许多行业和设备。
《无线传感器网络技术》课程教学大纲一、课程的地位与任务本课程是自动化专业选修的专业基础课，无线传感器网络技术是近几年发展起来的一门交叉性学科，它涉及到通信技术、计算机技术和传感器技术等多种技术领域。
课程教学目的是要求学生掌握无线网络的基本传输技术、无线局域网、无线个人网、ad hoc网、移动网络、传感器网络等网络技术及其基本原理。
通过该课程的学习能够熟悉无线传感网络的基本概念，了解这一技术的前沿和发展趋势，掌握无线传感器网络的结构和分析、设计方法，有助于提高学生分析解决通讯工程中实际问题的能力和培养学生的创新思维能力。
二、课程目标以及与毕业要求的支撑矩阵（1）理解无线传感网络的基本概念，初步掌握无线传感器网络的分析设计方法；（2）掌握与团队中其他成员良好沟通合作能力，能够进行有效沟通和交流，能够通过团队合作完成相关学习任务；表1课程目标与相关毕业要求的对应关系表2 毕业要求与课程对应关系三、课程主要内容与基本要求第一章绪论。
主要内容包括：详细介绍计算机网络的发展历程和无线网络的兴起；全面介绍网络体系结构、协议参考模型和网络相关的标准化组织。
第二章无线传输技术基础。
该部分的内容包括：无线传输媒体、天线和传播方式，直线传输系统中的损伤、移动环境中的衰退、多普勒效应、信号编码技术、扩频技术和差错控制技术。
第三章无线局域网。
该部分的理论主要内容包括：无线局域网的体系结构与服务、无线局域网的协议体系、IEEE 802.11的物理层和媒体访问控制层，以及其他IEEE 802.11标准和Wi-Fi保护接入参考文献。
无线局域网的实践教学和编程实现。
第四章无线个域网。
该部分内容包括：IEEE 802.15.4标准，zigbee技术、蓝牙无线电规范、蓝牙基带规范、蓝牙链路管理器规范、蓝牙逻辑链路控制和自适应协议、蓝牙服务发现协议。
该部分的实践教学内容为多节点无线个域网的组网和实现。
第五章无线城域网。
该部分主要内容包括：无线城域网的概念、802.16协议体系802.16的物理层和MAC层、MAC层的链路自适应机制、802.16系统的QoS架构和移动性，以及WiMAX与其他技术的比较。
课程名称：无线传感器网络课程内容：无线传感器网络专业班级：姓名：学号：任课教师：成绩：无线传感器网络一、无线传感器网络概述无线传感器网络（wireless sensor network,)也即通常所说的WSN，就是由部署在检测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作的感知.采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息.并发送给观察者。
二、传感器，感知对象，观察者构成了传感器网络的三个要素。
三、传感器网络，塑料电子和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产业。
四、WSN背景和发展历程：早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。
随着相关学科的的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。
而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。
五、WSN的网络体系结构：1、网络结构结构入上图所示，传感器网络系统通常包括传感器节点（sensor node），汇聚节点（sink node），和管理节点。
大量传感器节点随机的部署在检测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。
传感其节点检测的数据沿着其它节点逐跳的进行传输，其传输过程可能经过多个节点处理，经过多跳后到达汇集节点，最后通过互联网和卫星达到管理节点，用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布检测任务以及收集检测数据。
2、传感器节点结构：从上图我们可以看到一个典型的传感器节点由传感器模块，处理模块，无线通信模块和能量供应模块四部分组成。
每一个模块的功能如下所示：1)传感其模块负责监视区域内信息的采集和数据转换2)处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据。
无线传感器网络（ZIGBEE）实验指导书(CC2530)(适用于电子、通信等专业)沈阳工学院2012年12月前言本课程主要学习Zigbee无线传感器网络的特点，并且以CC2430为主要控制器介绍Zigbee网络中的编程情况，此芯片采用C语言进行编程，并且已经有了较成熟的发展，学生同学理论学习掌握了芯片的基本理论知识，以及在编程过程的相关寄存器的设置。
为了使学生更好地理解和深刻地把握这些知识，并在此基础上，训练和培养学生的动手能力，设置了五个实验项目，其中包括四个验证性实验，一个综合性实验。
这些实验需要学生了解实验器材，熟悉其使用方法，掌握编程软件的操作方法，并且重点掌握在如何编写程序以及程序中的寄存器的设计。
本实验指导书适用于通信专业，强调实际操作,注重基本仪器地使用方法及动手能力的培养。
目录验证性实验实验一IAR编程软件的使用与简单实例实验二CC2530片内温度与1/3电压的测量实验三CC2530串口发/收数实验实验四点对点无线数据通信实验综合性实验实验五Zigbee协议栈实验实验一IAR编程软件的使用与简单实例(一)实验目的1、熟悉IAR软件的使用方法。
2、掌握编辑、下载、运行程序的方法3、利用IAR软件会编写简单的程序(二)实验设备1、zigbee实验装置1套2、安装有IAR软件的PC机1台3、PC机与zigbee模块通讯电缆1根(三)实验内容一、会使用IAR软件IAR编程软件简介1、IAR软件的启动及建立一个新工程首先安装IAR编程软件。
安装之后，选择图标双击鼠标左键，出现如图1.1。
新建一个工程文件。
新建一个工程选择Empty project默认配置，单击0K弹出保存对话框这个时候我们在桌面上建立一个名为project的文件夹，输入项目的文件名，并将项目也取名为“project”将此文件保存在project文件夹中，会产生一个ewp后缀的文件。
保存工程，弹出保存工程对话框。
输入工程文件名，单击保存退出，系统将产生一个eww为后缀的文件这样，我们就建立了IAR的一个工程文件，接下来，我们对这个工程加入一些特有的配置。
打开工程选项工程选项页面工程选项页面中需要设置很多必要的参数，下面针对CC2530我们一起来配置这些参数。
1. General Options设置在General Options->Target选项中Derivative选择为CC2530，如图所示。
找到Chipcon文件夹选择需要的芯片在General Options->Target选项中Data model选择为Large，如图所示。
在General Options->Target选项中Calling cinvention选择为XDATA，如图所示。
在General Options->Target选项中Stack/heap中的堆栈大小做适当修改，如图所示。
修改堆栈2.C/C++ Compiler设置在C/C++ Compile->Preprocessor选项中有两个很重要的选项，它们分别是Include paths和Defined symbols。
Include paths表示在工程中包含文件的路径，Defined symbols表示在工程中的宏定义。
3.linker设置Linker->Extra Options中是用于包含一些必要的外部选项的，这里定义了各个设备的特殊功能选项，是一个用户自定义选项，在后面的应用中，会根据具体的使用给出使用方法。
库函数添加在Linker->Config中linker command file选择lnk51ew_CC2530.xcl。
4.Debugger设置在Debugger->Setup中Driver项中选择Chipcon。
这个对于整个项目的基本设置就完成了。
现在开始第一个项目开发。
1.新建一个C文件，按图示步骤执行。
新建一个文件保存文件输入文件名，点击保存如果是C文件请务必后缀，否则会以文本文件存档。
创建一个文件组输入文件组名加入文件选择新建的C文件文件已经加入工程中，双击打开文件加入第一个代码，这个代码的意思是将P1口设置为输出，将P1口置0，无线龙模块和开发板中有小灯在P1口上，当执行这个代码的时候，小灯会点亮。
通过“make”编译，也可以通过Rebuild All全部编译，用make只会编译修改过的文件。
编译后只要没有错误就可以使用了，一般警告我们可以放过在编译没有错误后，就可以下载程序了，点击Debug，就下载程序了，下载程序后，软件进入在线仿真模式。
(四)实验步骤1、根据要求编写程序。
2、将编写好的程序下载到模块中。
3、运行与监控程序。
(五)报告要求1、写出使用软件编写程序的方法与步骤。
2、写出小灯自动闪烁的程序。
（六）思考如何将编写好的程序下载到模块中？实验二CC2530片内温度的测量(一)实验目的1、熟悉IAR软件的使用方法。
2、掌握CC2530芯片的内部寄存器CLKCON，SLEEP，PERCFG，U0CSR，U0GCR，U0BAUD，IEN0，U0DUB，ADCCON1, ADCCON3, ADCH, ADCL等的使用。
(二)实验设备1、zigbee实验装置1套2、安装有IAR软件的PC机1台3、PC机与zigbee模块通讯电缆1根(三)实验内容1、掌握内部寄存器的使用CLKCON （时钟控制寄存器）SLEEP （睡眠模式控制寄存器）PERCFG（外设控制寄存器）U0CSR（串口0 控制&状态寄存器）U0GCR （串口0 常规控制寄存器）U0BAUD （串口0 波特率控制寄存器）U0BUF（串口0 收发缓冲器）ADCCON1ADCCON32、实现CC2530芯片测量外部温度的控制。
控制要求：利用CC2530芯片采集外部温度信息，并将数据通过串口上传至上位机进行显示。
(四)实验步骤1、掌握CC2530芯片的内部寄存器的使用，对其寄存器各个位意义进行掌握，并且在程序编写时，根据不同的要求进行设置。
2、根据要求画出程序的流程图。
3、将编写好的程序下载到模块中。
4、仔细观察实验结果。
(五)报告要求1、写出在程序中需要的内部寄存器，并按照要求进行设置。
2、画出CC2530采集外部温度的程序流程图。
3、分析控制程序。
(六)思考1、对程序进行修改，利用此芯片测量1/3AVDD；2、对程序进行修改，利用此芯片测量AVDD；要求：写出内部寄存器的设置，测量函数即可。
实验三CC2530串口发/收数实验(一)实验目的1、熟悉IAR软件的使用方法。
2、掌握CC2530芯片的内部寄存器P1, P1DIR, CLKCONCMD, SLEEPCMD, PERCFG, U0CSR, U0GCR, U0BAUD, IEN0, U0DBUF,等寄存器等的使用。
(二)实验设备1、zigbee实验装置1套2、安装有IAR软件的PC机1台3、PC机与zigbee模块通讯电缆1根(三)实验内容1、掌握内部寄存器的使用CLKCONCMD （时钟控制寄存器）SLEEPCMD （睡眠模式控制寄存器）PERCFG（外设控制寄存器）U0CSR（串口0 控制&状态寄存器）U0GCR （串口0 常规控制寄存器）U0BAUD （串口0 波特率控制寄存器）U0BUF（串口0 收发缓冲器）2、实现CC2530芯片向上位机进行数据发送。
控制要求：从CC2530 上通过串口不断地发送字串“UART0 TX Test”。
实验使用CC2530 的串口1，波特率为57600。
(四)实验步骤1、实验准备：连接实验设备：用扁平电缆连接仿真器和开发板，确认连接可靠以后用USB数据线连接仿真器到PC机。
察看仿真器上电源指示灯和开发板上电源指示灯，若全部点亮证明连接完好，可以开始实验。
2、启动IAR Embedded Wordbench开发环境3、打开工程文件CC2530-13，CC2530-14，CC2530-15，CC2530-16的文件夹中的程序，认真阅读程序，对程序进行理解。
4、编译、下载程序。
5、点击Debug按钮，按F5运行程序，观察并记录结果。
6、停止运行程序。
点击Debug按钮，打开Disassembly窗口，按F11单步执行程序。
观察程序运行情况和LED的状态，并记录结果。
7、将CC2530-13的程序进行修改，根据要求进行程序修改。
8、保存工程，退出IAR集成开发环境。
(五)报告要求1、写出各个试验程序运行后的实验结果2、按照要求对程序进行修改，并将结果在报告上标注出来。
(六)思考写出中断法和查询法的相关函数。
实验四点对点无线数据通信实验(一)实验目的1、熟悉点对点通讯的原理与操作流程。
2、掌握CC2530芯片的内部寄存器等的使用。
3、了解点对点通讯的射频设置。
(二)实验设备1、zigbee实验装置1套2、安装有IAR软件的PC机1台3、PC机与zigbee模块通讯电缆1根(三)实验内容掌握点对点通讯的几个重要函数的使用发送函数basicRfSendPacket()；接收函数basicRfReceive()。
(四)实验步骤1、熟悉点对点通讯的协议。
2、根据要求画出程序的流程图。
3、将编写好的程序下载到模块中。
4、仔细观察实验结果。
(五)报告要求1、简单叙述点对点通讯的过程。
2、画出CC2530点对点通讯的程序流程图。
3、分析控制程序。
4、对结果进行分析。
(六)思考对程序进行修改，将接收的数据发送到上位机进行显示。
要求：画出程序流程图，写出通讯主函数即可。
实验五ZIGBEE协议栈实验(一)实验目的1、熟悉ZIGBEE协议栈的原理与操作流程。
2、掌握协议栈的设备类型与地址的设置。
3、熟悉协议栈的相关函数。
(二)实验设备1、zigbee实验装置1套2、安装有IAR软件的PC机1台3、PC机与zigbee模块通讯电缆1根(三)实验内容1、掌握协议栈的使用2、掌握协议栈的设备类型，包括协调器，路由器，终端节点。
熟悉协议栈中的地址信息，包括网络地址以及物理地址。
3、利用按键控制模块组内的灯闪烁实验。
首先启动一个网络协调器，协调器如果建立网络成功后，会在LCD 上显示该节点为协调者同时显示网络ID 号。
然后打开一个终端节点的电源，此时节点会自动加入网络。
加入网络成功后，节点会显示自己的网络地址和父节点的网络地址。
模块加入网络后会自动加入工作组。
节点跟主机、路由器加入同一工作组后，节点就可以控制主机和路由器的G 灯闪烁了，只需按UP 键，就可以控制路由器和主机的G 灯闪烁。
同样，按路由器的UP 键，也可以控制主机的G 灯闪烁。
主机和路由器也可以随时退出工作组或加入工作组，当主机或路由器在工作组内时，按下RIGHT 键，就可以退出工作组，反之则加入工作组。
