《无线传感网络技术与应用》教学大纲.docx

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1、无线传感网络技术与应用教学大纲1. 课程基本信息课程归口：嵌入式技术与应用等课程代码： 学 时 数：90学分：5先修课程：C 语言程序设计、单片机应用技术、电子电路分析与实践等后续课程：物联网应用开发、毕业设计等2. 课程地位与任务(1) 课程在课程体系中的地位根据嵌入式技术与应用专业的电子信息技术领域职业岗位（群）的任职要求设置了该门课程， 该课程是专业必修课程。(2) 课程的基本任务本课程采用“教、学、做”一体化教学模式，项目为导向、任务驱动等教学方法，旨在培养学生的 ZigBee 技术应用、蓝牙 4.0 应用、GPRS 应用、WIFI 应用、电路分析、测试、制作、调试能力及创新意识，为学

2、生职业能力培养和职业素养养成起主要支撑或明显促进作用，为物联网应用开发、毕业设计等后续课程和今后的工作奠定了基础。3. 课程目标（1） 能力目标A1.能正确安装与使用 IAR、SmartRF Flash Programmer、Z-Stack 等软件； A2.能熟练使用 CC2530 的基本组件；A3.能实现开关量、模拟量、逻辑量三种传感器的信号采集功能； A4.能实现基于 Basic RF 的无线采集与网络组建功能；A5.能熟练实现 ZigBee 无线网络的点对点通信、串口通信、串口透传、绑定等； A6.能获取网络拓扑结构、ZigBee 无线网络的传感器数据采集与远程监控；A7.能熟练开发基于

3、 BLE 协议栈的主从机连接、串口透传、手机与蓝牙通信等项目； A8.能熟练使用 AT 指令来控制 GPRS 无线通信模块；A9.能实现 WIFI 无线通信功能。（2） 知识目标K1. 了解 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 等典型短距离无线通信网络技术及其应用领域； K2.了解 IAR、SmartRF Flash Programmer 等软件的菜单功能；K3.掌握 CC2530 单片机的 GPIO、中断、定时器、串口、ADC 等基本组件的原理；K4.掌握 Basic RF Layer 工作机制、开关量、模拟量、逻辑量三种传感器的工作原理； K5.掌握 Z-Stack 协议栈结构、BLE 协议栈

4、的基本概念；K6.掌握 Z-Stack 协议栈的网络管理；K7.掌握基于 BLE 协议栈的串口通信、主从机连接与数据传输等所需的知识； K8.掌握拨打与接听电话、短信的读取与发送、GPRS 通信等 AT 指令；K9.了解 WIFI 无线通信应用的相关知识。（3） 素质目标Q1.具有良好的职业道德、规范操作意识； Q2.具备良好的团队合作精神；Q3.具备良好的组织协调能力； Q4.具有求真务实的工作作风； Q5.具有开拓创新的学习精神；Q6.具有良好的语言文字表达能力。4教学内容与学时分配为使学生掌握软件技术专业能力所需的知识与技能，本课程以ZigBee 技术为主，以蓝牙4.0、GPRS、WIF

5、I 等典型的短距离无线通信技术为辅，并结合温湿度传感器、可燃性气体传感器等传感器组成无线传感网络。包括认识无线传感网络、CC2530 基本组件应用、Basic RF 无线通信应用、zigbee 协议栈应用与组网、蓝牙 4.0 无线通信应用、GPRS 无线通信应用、WIFI 无线通信应用等 7 个由简到繁的实训项目。本课程内容与学时分配见表 1，表 2。表 1课程内容与学时分配表序号1教学内容认识无线传感网络教学场所实训室参考学时42CC2530 基本组件应用实训室123Basic RF 无线通信应用实训室244zigbee 协议栈应用与组网实训室245蓝牙 4.0 无线通信应用实训室126GP

6、RS 无线通信应用实训室67WIFI 无线通信应用实训室8表 2课程内容介绍项目一认识无线传感网络建议学时4 课时本章在实现点亮一个 LED 灯的任务过程中详细介绍如何搭建ZigBee 开发环境，并将任务实施过程需要用到的 NEWLab 实训平台进行了介绍， 还对无线传感网络技术介绍及 ZigBee 无线传感网络通信标准进行了相关描述，从而使读者更好的认识无线传感网络。目标熟悉 NEWLab 实训平台和相关传感器模块；了解 Wi-Fi、蓝牙、 ZigBee 等典型短距离无线通信网络技术及其应用领域； 了解 ZigBee 无线传感网络通信标准；了解 IAR、SmartRF Flash Progr

7、ammer 等软件的菜单功能； 掌握使用 IAR 软件新建、配置工程等步骤。实训项目任务 1搭建 ZigBee 开发环境难点重点备注项目二CC2530 基本组件应用建议学时介绍12 课时本章从 CC2530 单片机的“裸机”应用出发，帮助读者充分掌握CC2530 单片机的 GPIO 、中断、定时器、串口、 ADC 等基本组件的原理，并借助 NEWLab 平台，将CC2530 基本组件的知识点和技能点融入到若干个训练任务之中，让读者熟练应用CC2530 的基本组件，为进一步学习 BasicRF 和 ZigBee 协议栈做好铺垫。 掌握 CC2530 单片机基本概念、内部结构、外部引脚及功能； 掌

8、握 CC2530 单片机 I/O 的外设、 GIPO 、输入、输出等功能配置； 掌握 CC2530 单片机中断的使能、响应与处理、优先级等环节的工作原理；目标 掌握 CC2530 单片机定时器的三种定时模式、中断方式的工作原理； 掌握 CC2530 单片机串口通信引脚配置，发送与接收的工作原理； 掌握 CC2530 单片机 ADC 单次转换，理解转换数据的二进制补码结构。实训项目任务 1任务 2控制 LED 交替闪烁按键中断控制LED 亮灭难点重点备注任务 3任务 4定时器 1 控制LED 闪烁串口通信应用任务 5片内温度测量项目三BasicRF 无线通信应用建议学时24 课时本章主要介绍 B

9、asic RF Layer 工作机制，以及光敏、气体、红外、声音、温湿度等传感器工作原理，并将各种传感器组成Basic RF 无线传感网络。通过点对点的无线介绍通信、传感器采集等任务的实施， 帮助读者更好地掌握和理解基于Basic RF 的模拟量、开关量和逻辑量传感器无线通信应用，以及在一个项目中建立多个设备的配置方法和编程技巧。目标实训项目任务 1 了解 Basic RF Layer 工作机制； 熟悉无线发送和接收函数； 理解发送地址和接收地址、 PAN_ID、RF_CHANNEL 等概念； 了解 basic RF 、board 、common 等驱动文件的作用； 理解串口读写函数； 掌握

10、ADC、中断等函数； 掌握开关量、模拟量、逻辑量三种传感器的工作原理。难点重点备注无线开关 LED 灯任务 2无线串口通信任务 3模拟量传感器采集任务 4开关量传感器采集任务 5逻辑量传感器采集任务 6基于 BasicRF 的无线传感网络应用项目四ZigBee 协议栈应用与组网建议学时24 课时本章通过 6 个由简到繁的训练任务，深入浅出地介绍 ZigBee 协议栈的结构、OSAL 操作系统、网络管理等内容。采用理论与实践相结合的方式，让读者灵活掌握ZigBee介绍协议栈的点对点通信、串口透传、无线绑定、网络拓扑结构获取等方法，逐步能组建ZigBee 无线传感器网络，实现无线传感器数据采集、远

11、程监控等功能。 掌握 Z-Stack 协议栈的结构、基本概念； 掌握协调器、路由器、终端节点的基本概念； 掌握 Z-Stack 协议栈实时操作系统，理解 OSAL 运行机理、任务调试、 API 函数等；目标掌握 Z-Stack 协议栈的串口、中断等接口函数； 掌握单播、组播和广播基本原理与基本概念； 掌握 Z-Stack 协议栈的 LED 和 KEY 驱动函数的工作原理； 掌握 Z-Stack 协议栈的绑定工作原理； 了解 Z-Stack 协议栈的网络地址分配机制，掌握Z-Stack 协议栈的网络管理。实训项目任务 1任务 2任务 3任务 4任务 5任务 6基于 Z-Stack 的点对点通信基

12、于 Z-Stack 的串口通信基于 Z-Stack 的串口透传基于绑定的无线开关系统ZigBee 无线传感网络拓扑结构获取ZigBee 无线传感器网络监控系统设计难点重点备注项目五蓝牙 4.0 无线通信应用建议学时介绍12 课时本章通过 5 个由简到繁的训练任务，深入浅出地介绍蓝牙4.0、BLE 协议栈，以及主从机建立连接、数据传输等内容。采用理论与实践相结合的方式，让读者灵活掌 握基于 BLE 协议栈的串口通信、 主从机连接与数据传输、 手机与蓝牙模块通信等任务所需要的知识点和技能点，熟练应用BLE 协议栈中的 GAP 和 GATT 两个基本配置文件、BTool 工具，以及 SimpleBL

13、EPeripheral 和 SimpleBLECentral 两个工程。 掌握 BLE 协议栈的结构、基本概念； 理解从机与主机之间建立连接的流程； 掌握 Peripheral_ProcessEvent 、Central_ProcessEvent 事件处理函数； 掌握节点设备和集中器设备启动过程，理解SBP_START_DEVICE_EVT 事件；目标 理解 BLE 协议栈中的 GAP 和 GATT 两个基本配置文件； 掌握主机与从机数据传输的流程，理解主从数据发送与接收过程； 掌握特征值、句柄、 UUID 、GATT 服务等概念和作用； 理解特征值属性、通知机制，以及掌握特征值的相关函数与初

14、始化。实训项目难点重点备注任务 1任务 2基于 BLE 协议栈的串口通信主从机建立连接与数据传输任务 3任务 4基于 BLE 协议栈的无线点灯基于 BLE 协议栈的串口透传任务 5智能手机与蓝牙模块的通信项目六GPRS 无线通信应用建议学时6 课时G510 是 FIBOCOM 推出的一款 850/900/1800/1900MHz 四频段 GPRS（General Packet Radio Service ）无线通信模块，其超小的体积、超低的功耗、超强的EMC 和ESD 性能，拥有内置协议栈和双串口， 为用户提供完美的语音通话功能和高速的GPRS介绍数据传输速度。本章基于 G510 介绍使用 A

15、T 指令来控制 GPRS 无线通信模块。读者通过学习本章的内容，能够通过 AT 指令实现拨打与接听电话、短信的读取与发送、GPRS 通信等功能。 掌握基本 AT 指令； 掌握拨打与接听电话； 掌握短信读取与发送；目标了解 GPRS 模块的种类； 掌握 Socket 连接原理； 掌握串口发送与接收原理。实训项目任务 1任务 2拨打与接听电话 短信的读取与发送难点重点备注任务 3GPRS 通信项目七建议学时WIFI 无线通信应用8 课时Newlab 的 Wifi 模块采用的是 AR6302 无线芯片，通过 SDIO 接口进行数据通信。ARM 核心模块，利用 wifi 模块，可以实现无线通信功能，即

16、具备无线网卡功能。读介绍者通过学习本章的内容，能够实现通过WIFI 无线控制风扇和电灯的工作，能够实现通过 WIFI 无线获取温度和红外传感器信息。 了解 WIFI 无线控制方式； 理解 WIFI 无线控制命令数据格式；目标了解 IP 地址的基本知识； 掌握 Socket 的工作原理。实训项目难点重点备注任务 1WIFI 连接 NEWLab 服务器任务 2任务 3WIFI 控制风扇启动和停止WIFI 控制电灯亮和灭任务 4WIFI 获取红外传感器的状态任务 5WIFI 获取温度传感器的温度值5. 考核方式本课程考核采取形成性考核和终结性考核两种方式进行，两部分的分数比例为：课程考核成绩 = 形成性考核成绩（40%）+ 终结性考核成绩（60%），其中形成性考核选择平时考勤成绩（40%）和子项目成绩（60%）。终结性考核采取笔试+实务考试考核方式。6. 参考教材（1） 杨黎.基于 C 语言的单片机应用技术与 Proteus 仿真.湖南：中南大学出版社，2012（2） 欧阳骏等.蓝牙 4.0BLE 开发完全手册. 北京：化学工业出版社，2014 年（3） 王小强等.ZigBee 无线传感器网络设计与实现. 北京：化学工业出版社，2012 年（4） 姜仲等. ZigBee 技术与实训教程基于 CC2530 的无线传感网技术.北京：清华大学， 2014 年