下载文档原格式
《无线传感器网络设计与应用》课程标准课程名称：无线传感器网络设计与应用总学时：60学分：4开课单位：电气信息工程学院课程类别：专业拓展课授课方式：教、学、做一体化适用专业：电子信息工程技术专业、应用电子技术专业一、课程性质《无线传感器网络设计与应用》是电子信息工程技术专业、应用电子技术专业的一门专业拓展课。
二、课程设计思路《无线传感器网络设计与应用》课程采用“基础理论——项目化实践”的组织结构组织课程教学内容。
首先，通过基本理论的教学，使同学们了解无线传感器网络的发展历程、特征、关键技术以及应用方向。
其次，通过师生共同完成一系列完整项目的形式开展教学活动。
教师边示范，边讲解，边指导，学生边学、边做、边实践。
实现在“教中学”，在“学中做”，在“做中学”，教、学、做合一。
使学生在项目实施过程中收获知识，提高技能，掌握方法，感受实际工作过程。
三、课程基本目标本课程培养目标分为方法能力、专业能力和社会能力：1、方法能力（1）掌握搜集、整理、应用“无线传感器网络”相关学习资源的方法；（2）掌握无线传感器网络应用系统功能需求分析、系统设计、软硬件联合调试的方法；2、专业能力（1）了解无线传感器网络体系结构、路由协议、MAC协议、拓扑控制、定位技术、时间同步、安全技术、协议标准；（2）掌握IAR Embedded Workbench软件的使用；（3）掌握以TI CC2530 SoC芯片为CPU的应用系统硬件电路设计；（4）掌握TI CC2530 SoC芯片祼机软件开发；（5）掌握基于CC2530硬件平台和IAR软件平台的Zigbee Zstack协议栈应用开发。
3、社会能力（1）具有良好的职业道德和社会责任感、工作责任心，能主动参与到工作中；（2）具有团队协作精神，能主动与人合作、交流和协商；（3）具有群体意识和劳动组织能力。
（4）具有诚实守信的品质，树立环保、节能和安全意识。
四、先修课程《无线传感器网络设计与应用》课程的先修课程有《程序设计基础》、《传感器的选择与应用》、《单片机应用设计与制作》。
第一章无线传感网概述1.无线传感器网络的概念：无线传感器网路是一种由多个无线传感器节点和几个汇聚节点构成的网络，能够实时的检测、感知和采集节点部署区域的环境或感兴趣的的感知对象的各种信息，并对这些信息进行处理后一无线的方式发送出去。
2.WSN的特点及优势1）WSN与Ad hoc共有的特征：自组织；分布式；节点平等；安全性差2）WSN特有的特征：计算能力不高；能量供应不可代替；节点变化性强；大规模网络3.无线传感器网络架构：1）协议：物理层，数据链路层，网络层，传输层，应用层物理层：负责载波频率产生、信号的调制解调等工作，提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术。
数据链路层：（1）媒体访问控制。
（2）差错控制。
网络层：负责路由发现和维护，是无线传感器网络的重要因素。
传输层：负责将传感器网络的数据提供给外部网络，也就是负责网络中节点间和节点与外部网络之间的通信。
应用层：主要由一系列应用软件构成，主要负责监测任务。
这一层主要解决三个问题：传感器管理协议、任务分配和数据广播管理协议，以及传感器查询和数据传播管理协议。
2）管理平台：（1）能量管理平台（2）移动管理平台（3）任务管理平台（1）管理传感器节点如何使用资源，在各个协议层都需要考虑节省能量。
（2）检测传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。
（3）在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。
4.无线传感器网络所面临的挑战：低能耗，实时性，低成本，安全和抗干扰，协作第二章无线传感网物理层设计1.WSN物理层频率的选择：一般选用工业，科学和医疗频段。
ISM（医疗）频段的主要优点是无需注册的公用频段、具有大范围可选频段、没有特定标准、灵活使用。
欧洲使用433MHZ，美国使用915MHZ频段2.WSN结构采用的是无线射频通信第三章数据链路层1.MAC协议分类：1）按节点的接入方式：侦听（间断侦听：DEANAdeng），唤醒（低功耗前导载波侦听MAC协议），调度（主要使用在广播中）2）按信道占用数划分：单信道（主要采用），双信道，多信道3）信道分配方式：竞争型（S-MAC，T-MAC,Sift），分配型（SMACS，TRAMA），混合型（ZMAC），跨层型2.分配型MAC协议采用TDMA,CDMA,SDMA,FDMA等技术3.数据链路层的关键问题：能量效率问题，可扩展性，公平性，信道共享，网络性能的优化4.记忆竞争的S-MAC协议，具有以下特点：（1）周期性的侦听和睡眠（2）使用虚拟载波侦听和物理载波侦听进行冲突避免（3）自适应侦听（4）将长消息分成子段进行消息传递5.基于竞争的T-MAC协议：为了改进S-MAC协议不能根据网络负载调整自己的调度周期的缺点，T-MAC协议根据一种自适应占空比的原理，通过动态地调整侦听与睡眠时间的比值，从而实现节省能耗的目的。
第一章习题1、什么是无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)？大量的静止或移动的传感器节点，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地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。
2、传感器网络节点使用的限制因素有哪些？①电池能量有限：需要电池提供能量的模块：传感器模块、处理器模块、通信模块。
②通信能力有限：E = k × dn (K—系数、 d—距离、 n—3，4）③计算和存储能力有限：传感器节点是一种微型嵌入式设备，价格低、功耗小。
因此，限制处理器计算能力弱，存储能量小。
3、分析传感器网络节点消耗电源能量的特征。
无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。
4、无线网络分类。
5、工业现场总线的含义及其类型。
含义：应用在生产现场和微机化测量控制设备之间，实现双向串行多节点数字通信的系统。
总线类型：CAN 、Lonworks、Profibus、 HART、FF等。
6、传感器节点组成。
传感器模块：信息采集、数据转换处理器模块：控制、数据处理无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据电源模块：提供能量第二章习题1、无线传感器网络的拓扑结构有哪几种？按照节点功能及结构层次，无线传感器网络拓扑结构分为：①平面网络结构②分层网络结构③混合网络结构④Mesh网络结构2、Mesh结构的无线传感器网络的特点是什么？有哪些具体应用？特点：节点分布规则；节点功能相同；节点之间都存在多跳路径。
应用：人员和车辆安全监控系统。
第三章习题1、目前无线传感器网络的通信传输介质有哪些类型？无线通信介质：无线电波、微波、红外线等。
2、无线网络通信系统为什么要进行调制和解调？调制有哪些方法？原因：由于基带信号频率低，信号发射天线尺寸会很大；方法：频分复用。
模拟调制: AM、 FM、 PM。
第一章概述1.无线传感器的概念：一种由大量的微型传感器节点组成的面向任务的无线自组织网络系统。
2.与传统的无线自组织网络（特征）类似：自组织性、分布式控制、拓扑动态性；区别：网络规模大、节点能力受限、节点可靠性差、以数据为中心、多对一传输模式、冗余度高、面向任务。
3.开发用的硬件平台——嵌入式个人计算机：PDA；专用传感器节点：Berkeley Motes （广泛）、UCLA Medusa、MIT uAMP；片上系统节点：Smart Dust、BWRC PicoNode4.软件平台：TinyOS（最早）、nesC、TinyGALS、Mote等5.设计目标：体积小、成本低、功耗低、自组织、可扩展、自适应、可靠、安全、（带宽）资源利用率高、服务质量高。
第二章体系结构1.节点组成（4）：感知、处理、通信、电池模块2.汇聚节点的作用：（1）向传感器节点发送查询消息或命令（2）作为联接外部网络的网关3.多跳网络分为——平面结构：所有传感器节点地位相同、互为中继；分层结构：按簇组织，簇成员将数据发给簇头，簇头发给汇聚节点；好处：（1）降低通信能耗（2）平衡节点间的负载，并提高可拓展性（3）在簇头进行数据融合，减少数据发送量，提高能亮效率4.协议栈——应用层：负责提供各种无线传感器网络应用，包括查询发送、节点定位、时间同步、网络安全；传输层：负责节点间端到端的可靠、透明传输，包括拥塞控制和差错控制；网络层：为传感器节点向汇聚节点发数据提供路由；数据链路层：数据量的复用、数据帧的创建与检测、媒体接入、差错校验，提供点到点或多点的可靠传输，其中主要的是媒体访问控制（MAC）和差错控制（前向纠错FEC、自动重传请求ARQ）；物理层：将数据链路层形成的数据流转换成适合在传输媒体上传送的信号，并进行收发。
5.设计准则：可扩展、可互通、抗毁、可靠、安全、能量高效性。
第三章 MAC协议（数据链路层）1.作用：决定局部范围内无线信道的使用方式，用来在传感器节点之间分配信道频谱资源，建立数据传输所需的基础通信链路2.特点：尽量节省节点能量、可扩展性、公平性（均衡节点能量消耗）、传输效率高。
《无线通信原理及应用》课后习题第1章无线传感器网络概述1、无线传感器网络的定义？2、传感器节点结构及其各部分功能？3、无线自主网的定义？4、传感网与无线自主网的主要区别？5、传感器网络的特点？6、传感器网络的应用主要包括那些方面？7、传感器网络的关键技术包括那些？第2章路由协议1、传统路由协议主要功能？2、无线传感器网络路由协议与传统路由协议有什么不同点？3、无线传感器网络的路由协议的特点？4、传感器网络路由机制的要求有哪些？5、根据传感器网络的不同应用敏感度不同，可将传感器网络的路由协议分为：6、能量路由策略主要有哪几种？7、能量多路径路由的基本思想？8、能量多路径路由的基本过程？9、定向扩散路由的基本思想？10、定向扩散路由机制的基本过程？11、谣传路由的基本思想？12、GEAR路由的基本过程？13、传感器网络有三种存储监测数据的主要方式？14、GEM路由的基本思想？15、虚拟极坐标建立过程的步骤？16、边界定位的地理路由的基本思想？17、一个信标节点确定边界节点的过程？18、目前，研究人员提出的可靠路由协议主要从两个方面考虑？19、基于不想交路径的多路径路由机制的基本思想？20、ReInForM路由的基本过程？21、SPEED协议的基本过程？22、SPEED协议主要由几部分组成？第3章MAC协议1、在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑哪几个方面？2、在无线传感器网络中，人们经过大量实验和理论分析，总结出可能造成网络能量浪费的主要原因包括哪几方面？3、传感器网络的MAC协议分哪三类？4、基于竞争的MAC协议的基本思想？5、IEEE 802.11MAC协议有哪两种访问控制方式？6、S-MAC协议工作机制？7、流量自适应侦听机制的基本思想？8、Sift协议的设计目的？9、Sift协议的核心思想？10、Sift协议的工作原理？第4章拓扑控制1、网络的拓扑结构控制与优化有着十分重要的意义，主要表现在以下几个方面？2、传感器网络中的拓扑控制按照研究方向可以分为哪两类？3、拓扑结构的常见算法有哪些？4、基于节点度算法的核心思想？5、基于邻近图的算法的作用？6、什么是LEACH算法？7、LEACH算法的实现过程？8、GAF算法的基本思想是什么？9、GAF算法的执行过程10、TopDisc算法的基本思想是什么？11、STEM-B (STEM-BEACON)算法的基本思想是什么？12、ASCENT算法执行分哪几个阶段？第5章IEEE 802.15.4标准1、IEEE 802. 15. 4标准的实现目标？2、IEEE 802. 15. 4标准定义的LR-WPAN网络具有哪些特点？3、IEEE 802. 15. 4网络根据应用的需要可以哪些网络结构。
第一章一、填空题：1．传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户（观察者）。
2．传感器网络的基本功能：协作式的感知、数据采集、数据处理_、发布感知信息_。
3．无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信。
4．1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。
5．2006年10月，在中国北京，中国计算机学会传感器网络专委会正式成立，标志着中国WSN技术研究开始进入一个新的历史阶段。
6．网络中间件完成无线传感器网络接入服务、网络生成服务、网络自愈合服务、网络连通等。
7．无线传感器网络的核心关键技术主要包括：组网模式、拓扑控制、媒体访问控制和链路控制、路由、数据转发及跨层设计、QoS保障和可靠性设计、移动控制模型。
8．无线传感器网络的关键支撑技术主要包括：网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定信技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术等。
9．无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络。
10．传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块、和能量供应模块四部分组成。
二、简答题1．请简述无线传感器网络的定义。
答：无线传感器网络可以定义为：无线传感器网络就是部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统，其目的是协作感知、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。
2．无线传感器网络具有哪些特点？答：无线传感器网络具有许多其鲜明的特点：(1) 电源能量有限传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。
(2) 通信能量有限传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米。
(3) 传感器接点的能量、计算能力和存储能力有限(能量、计算存储低、关键在有效简单的路由协议)。
(4) 网络规模大，分布广传感器网络中的节点分布密集，数量巨大。
