《无线传感器网络》课程教学大纲.docx

无线传感器网络教学大纲一、课程基本信息课程名称无线传感器网络Wireless Sensor Networks课程编码CST421711025开课院部计算机科学与技术学院课程团队硬件技术基础课程教学团队学分2.5课内学时44讲授32实验12上机0实践0课外学时44适用专业物联网工程授课语言中文先修课程程序设计（C/C+）、计算机网络原理、单片机原理与技术、传感器原理及检测技术课程简介（必修）本课程是“物联网工程”专业学生的一门核心专业基础课。本课程主要讲解作为多学科交叉的无线传感器网络的学科背景、最新研究 成果，包括无线传感器网络的体系结构、节点平台、通信协议、支撑技术等。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 构及应用，着重掌握无线传感器网络中典型的通信协议，熟悉无线传感器网络中的节点定位、时间同步、拓扑管理三大支撑技术，为在无 线传感器网络的系统开发和应用中，深入利用通信组网协议和关键支撑技术，设计与实现高效的无线传感器网络应用系统打1、基础。本课程具有跨学科强、理论性强、前沿性和实践性强等特点。因此，本课程除了采用传统的理论授课、实践训练等方式之外，还通过 文献阅读开展讨论交流，目的是增强学生关注信息技术的研究热点和前沿领域的意识，使学生对无线传感器网络的理论、技术和应用有充 分的理解和认识。This course is a core specialized basic course for students majoring in Internet of things. This course focuses on the multidisciplinary background, the latest research results, including the architecture, the sensor platform, communication protocols, key technologies, and the design of application system for wireless sensor networks. Itrequires students to master the architecture and the application of wireless sensor networks, especially the typical networking protocols. It also requires students to be familiar with the key technologies of wireless sensor networks, including localization techniques, time synchronization technologies and topology management technique . It forms the foundation for student to design and implement high efficient WSN application system through the knowledge and key technologies learned in this course.The course has strong interdisciplinary, theoretical, pioneering and practical characteristics. In order to enhance the students, consciousness of tracking the research hotspot and new frontier, the course requires students to discuss and communicate through literature reading besides adopting the traditional theoretical teaching and practice training.负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标0BE毕业要求指标点任务自选1Ml目标1 ：掌握无线传感器网络的基本概念、典型的组网通信协议及关键支撑技术。能综合运用无线传 感器网络的相关概念与基础知识，针对具体无线传感器网络应用问题设计与实现数据采集、传输及 应用功能。是3.22M2目标2 ：能综合运用无线传感器网络相关知识，权衡相关因素和指标，论证解决方案有效性，综合得 到无线传感器网络应用复杂工程问题的有效结论。是2.43M3目标3 ：熟悉无线传感器网络应用领域，能够针对无线传感器网络应用领域复杂工程问题，结合用户 需求，确定无线传感器网络应用系统的总体设计目标。是3. 14M4目标4 ：能够根据无线传感器网络中组网通信协议及关键技术的性能与适用范围，选择和使用恰当的 技术、资源和工具，对无线传感器网络领域的复杂工程问题进行分析、设计与实现。是5.2三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课 程目标课内 学时教学方式课外 学时课外坏节1第一章第一章概述本章重点难点：无线传感器网络的概念解释，传感器节点平台 具有的3种功能，IEEE802. 15.4标准和2181k6标准，无线传 感器网络的结构及协议栈。标准体系的实质就是知识产权，是 打包出售知识产权的高级方式，传感器网络标准体系中包含大 量的技术专利，标准关系着国家安全和根本利益。在本章节中 通过在标准，专利和知识产权的讲解中引入思政元素，激发学 生的爱国情怀。/ /21. 11.1 WSN的发展历 史WSN的发展历史，WSN的概念解释。Ml0.5讲授0. 5自学31.21.2传感器节点平 台传感器节点的功能、结构，低端传感器节点、高端传感器节 点，传感器，WSN的标准化工作，WSN软件。Ml1讲授1自学41.31.3 WSN的体系结WSN的体系结构，WSN的协议栈。Ml0.5讲授0.5自学构及协议栈5第二章第二章WSN应用本章重点难点：WSN中的典型应用案例。以新冠肺炎疫情为案 例，说明无线传感器网络在医疗健康领域的应用，并在案例中 引入思政教育元素，比较中国和国外应对疫情的态度，强化爱 国主义和理想信念教育，加强正能量宣传和引导。/62. 12. 1 WSN中的典型 应用案例军事应用，环境监测应用，健康医疗，智能家居，工业应用。M2, M32讲授2作业7第三章第三章WSN设计 影响因素本章重点难点：硬件约束，能耗，传输介质。/83. 13.1硬件约束、能 耗与传输介质WSN节点的结构和组成、WSN节点设计影响因素，感知能耗、处 理能耗、通信能耗，无线传输介质M2, M30.5讲授0.5自学93.23.2容错性、可扩 展性、生产成本与 拓扑维护容错性，可扩展性，生产成本，预部署和部署阶段、后期部署 阶段、额外节点的重新部署阶段。M2, M30.5讲授0.5自学10第四章第四章物理层重点：RF无线通信的基本原理，无线信道效应，物理层标准。 难点：影响无线通信质量的因素。/114. 14.1 RF通信技术射频通信，光通信，声通信，磁感应通信；信道编码，调制技 术。Ml, M21.5讲授1.5自学124.24.2无线信道效应衰减，多径效应，信道误码率，信道模型。Ml, M21讲授1作业134.34. 3物理层标准标准,现有的收发机。Ml, M20.5讲授0.5自学14第五章第五章介质访问 控制协议重点：介质访问控制的功能，CSMA/CA的工作原理，混合型。 难点：无线传感网中介质访问控制面临的挑战，竞争型介质访 问机制，预留型介质访问机制/155. 15.1无线局域网MAC协议面临的挑战，无线局域网的组成，无线局域网中的特 殊问题，无线局域网的MAC协议，定性评价。Ml, M21讲授1自学165.25.2 WSN 中的 MAC 协议竞争型MAC协议，预留型MAC协议，混合型MAC协议，定性评 价。Ml, M23讲授3自学17第八早第六章网络层重点：网络层的功能，以数据为中心的平面路由协议，分层路 由协议。难点：无线传感网中路由选择面临的挑战，基于地理 位置信息的路由协议。/186. 16.1路由面临的挑 战网络路由的基本概念，互联网中路由的工作机制及考虑的问 题，无线传感器网络中路由面临的挑战。Ml, M21讲授1自学196.26. 2WSN中的路由协议以数据为中心的平面路由协议，分层路由协议，基于地理位置 信息的路由协议，定性评价。Ml, M23讲授3作业20第7章第7章传输层重点：传输层的主要功能、可靠性的定义，ESRT协议，GARUDA 协议。难点：传输层面临的挑战，传感网中不同应用卜可靠性 的理解。/217. 17.1传输协议概述传输协议的基本概念，传感网传输层的主要功能，传感网传输 协议面临的挑战。Ml, M21讲授1自学227.27.2 WSN中的传输 协议可靠性感知的传输协议，拥塞感知的传输协议，混合型的传输 协议，定性评价。Ml, M22讲授2作业23第八章第八章时间同步 技术重点：无线传感器网络中时间同步面临的挑战，网络时间同步 协议，TPSN同步协议，RBS时间同步协议。难点：无线传感器 网络中时间同步面临的挑战，消息传输延时的组成。/248. 18.1网络时间同步 协议同步与时间同步概念，NTP协议，消息传输延时分解，WSN中实 现时间同步协议面临的挑战。Ml, M21讲授1自学258.28.2 WSN中的时间 同步协议TPSN协议，RBS协议，ACS协议，TDP协议，RDP协议，其他时 间同步协议，定性评价。Ml, M22讲授2作业26第九章第九章定位技术重点：无线传感器网络中定位面临的挑战、测距技术，三种基 于测距的定位方法，距离无关的定位方法。难点：AoA测距技 术，基于RSSI的测距技术。/279. 19. 1定位基本知识定位的基本知识，WSN定位面临的挑战，计算节点位置的三种 方法。Ml, M21讲授1自学289.29.2 WSN中的定位基于测距的定位协议，距离无关的定位协议，定性评价。Ml, M22讲授2作业算法29第十章第十章拓扑控制重点：影响无线传感器网络拓扑结构的因素，功率控制，活动 节点调度和分簇机制。难点：干扰感知的功率控制机制。/3010. 110. 1概述网络的拓扑结构，部署策略，影响无线传感器网络拓扑结构的 因素，无线传感器网络中的拓扑控制机制。Ml, M21讲授1自学3110.210.2 WSN中的拓 扑控制机制功率控制，活动节点调度，分簇机制，定性评价。Ml, M22讲授2作业32分组报 告分组报告将学生分组，每个组在指定的范围内选取各自感兴趣的论文进 行阅读，并撰写论文阅读报告（技术报告），并在最后2次课上 做专题报告并讨论。Ml, M24讨论，翻 转课堂4作业33实验1实验1 ：点到点和 多跳通信实验1 .端节点给协调器发送消息，实现点对点数据传输。终端节点 通过路由器加入网络，然后发送点播消息给协调器，观察这个 数据被先发送给路由器，再由路由器发送消息给协调器的过 程，实现多跳数据传输的功能。2 .利用协议分析仪抓取数据包并分析数据。3 ,通过配置不同的网络ID号，通信信道和发射功率的大小等 参数，观察不同配置参数对单跳通信的影响。M44实验4查阅参考 文献，实 验报告34实验2实验2 ：广播、组 播通信实验1 .使用1个协调器，2个路由器，分成两个组：编写代码实现 以下功能。验证协调器“成员模式”和“非成员模式”时的实 验结果：1）协调器在组1、2,路由器A同时处十两个组，路 由器B处于组2； 2）协调器在组1,路由器A同时处于两个 组，路由器B处于组2。2 .用协议分析仪抓取数据包，分别观察并分析“成员模式”和 “非成员模式”的数据传输情况，并画出流程图进行说明。M44实验4查阅参考 文献，实 验报告35实验3实验3 ：联动控制 综合应用实验1 .温湿度、电机联动控制：如果协调器接收到的是来自温湿 度传感器的数据，即给电机发送控制命令；电机接收命令并进 行处理，根据温度值对电机进行控制。2 .光照强度、LED_PWM联动控制：如果协调器接收到的是来自M44实验4查阅参考 文献，实 验报告光照传感器的数据，即给LED_PWM发送控制命令；LED_PWM根 据接收到的不同的光照强度，发送命令控制PWM模块中LED的 亮度显示O四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1平时作业1 .每讲完一个专题，让学生阅读一篇与专题相关的论文，并撰写论文阅读报告，平均4-6次作业。2 .成绩采用白分制，根据阅读报告撰写是否规范、对论文理解是否准确、是否按时上交、是否独立完成评分。3 .考核学生通过文献调研了解国内外研究现状，分析无线传感器网络领域的复杂工程问题的可行方案的能力。15%2实验1 .本课程12个学时实验，共3次实验。2 .成绩采用百分制，根据实验完成情况评分。3 .考核学生对无线传感器网络的组网通信过程及应用的掌握能力，综合运用所学知识设计并实现简单无线传感器网络应 用的能力。针对无线传感网络中的具体应用问题，能够根据用户需求确定设计目标，从技术角度优选解决方案获得有效 结论。15%3分组报告1 .本课程要求每4-5位同学一组，根据自己的兴趣在指定的会议上查阅相关文献，并做PPT在课堂上做技术报告，同时 提交文献阅读报告。2 .根据文献阅读报告的撰写规范、论文要点掌握、课堂报告及PPT内容情况进行评分。10%4期末考试1 .闭卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分10。分。2 .主要考核学生对无线传感器网络基本知识的掌握能力，综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力，题型主要有选 择题、填空题、问答与计算题、综合设计题等。60%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1Ml平时作业40%A-按时提交作业，对论文解决的问题、解决方案及效果理解无误，文献报告撰写规范。B-按时提交作业，对论文解决的问题、解决方案及效果理解存在少量错误，文献报告撰写基本规范。C-按时提交作业，对论文解决的问题、解决方案及效果理解存在一定错误，文献报告撰写不规范。D-不按时提交作业，或对论文理解存在大量错误。2Ml分组报告10%A-按时提交报告资料、文献总结报告撰写规范、PPT内容清晰、报告时思路清楚、对论文理解准确、组内 成员任务分工合理清楚。B-按时提交报告资料、文献总结报告撰写基本规范、PPT内容比较清晰、报告时思路比较清楚、对论文理 解基本准确、组内成员任务分工基本合理清楚。C-未按时提交报告资料或文献总结报告撰写不规范、PPT内容不清晰、报告时思路不清楚、对论文理解不 准确、组内成员任务分工不合理清楚。3Ml期末考试50%（见试卷评分标准）4M2分组报告30%A-按时提交报告资料、文献总结报告撰写规范、PPT内容清晰、报告时思路清楚、对论文理解准确、组内 成员任务分工合理清楚。B-按时提交报告资料、文献总结报告撰写基本规范、PPT内容比较清晰、报告时思路比较清楚、对论文理 解基本准确、组内成员任务分工基本合理清楚。C-未按时提交报告资料或文献总结报告撰写不规范、PPT内容不清晰、报告时思路不清楚、对论文理解不 准确、组内成员任务分，不合理清楚。5M2实验30%A-按时提交实验报告，实验方案设计合理，实验程序正确，实验过程熟练，实验结论无误，实验报告规 范。B-按时提交实验报告，实验方案设计合理，实验程序正确，实验过程基本熟练，实验结论无误，实验报告 基本规范。c-按时提交实验报告，实验方案设计不是很合理，实验程序有少量错误，实验过桂不太熟练，不能全部完 成实验，实验报告不太规范。D-发生安全事故，或不能按时提交实验报告，实验方案设计不是很合理，实验过程不熟练，不能独立完成 实验，实验报告不规范。6M2期末考试40%（见试卷评分标准）7M3实验70%A-按时提交实验报告，实验方案设计合理，实验程序正确，实验过程熟练，实验结论无误，实验报告规 范。B-按时提交实验报告，实验方案设计合理，实验程序正确，实验过程基本熟练，实验结论无误，实验报告 基本规范。c-按时提交实验报告，实验方案设计不是很合理，实验程序有少量错误，实验过程不太熟练，不能全部完 成实验，实验报告不太规范。D-发生安全事故，或不能按时提交实验报告，实验方案设计不是很合理，实验过程不熟练，不能独立完成 实验，实验报告不规范。8M3期末考试30%（见各年度试卷评分标准）9M4实验100%A-按时提交实验报告，实验方案设计合理，实验程序正确，实验过程熟练，实验结论无误，实验报告规 范。B-按时提交实验报告，实验方案设计合理，实验程序正确，实验过程基本熟练，实验结论无误，实验报告 基本规范。c-按时提交实验报告，实验方案设计不是很合理，实验程序有少量错误，实验过程不太熟练，不能全部完 成实验，实验报告不太规范。D-发生安全事故，或不能按时提交实验报告，实验方案设计不是很合理，实验过程不熟练，不能独立完成 实验，实验报告不规范。评分等级说明：A, B, C, D, E=90-100, 80-89, 70-80, 60-70, 0-60; A, B, C, D = 90-100, 75-90, 60-75, 0-60; A, B, C=90-100, 75-90, 0-75; A, B = 80-100, 0-80六、教材与参考资料序号教学参考资料明细1图书1无线传感器网络，Ian F. Akyildiz Mehmet Can Vuran编，徐平平，刘昊，褚宏云等译，电子工业出版社，2013, ISBN:9787121191602. （* 主教材）2图书1无线传感器网络：理论及应用，孙利民，张书钦，李志，杨红 等著，清华大学出版社，2018, ISBN:9787302499947.七、实验项目信息序号项目名称实验室名称门牌号组人数学时实验类别要求实验类型上机1实验1 ：点到点和多跳通信实验无线传感器网络实验室基础实验楼B521304专业基础必做设计性否2实验2 ：广播、组播通信实验无线传感器网络实验室基础实验楼B521304专业基础必做设计性否3实验3 ：联动控制综合应用实验无线传感器网络实验室基础实验楼B521304专业基础必做综合性否