30451 无线传感器网络

 
 
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。
领会（Ⅱ）：要求考生能够领悟和理解本课程中有关物理概念及规律的内涵及外延，理解物理概念、物理规律的确切含义，物理规律的适用条件，能够鉴别关于概念和规律的似是而非的说法；理解相关知识的区别和联系，并能根据考核的不同要求对物理问题进行逻辑推理和论证，做出正确的判断、解释和说明。
简单应用（Ⅲ）：要求考生能够根据已知的知识和物理事实、条件，对物理问题进行逻辑推理和论证，得出正确的结论或做出正确的判断，并能把推理过程正确地表达出来。还可运用本课程中的少量知识点，利用简单的数学方法分析和解决一般应用问题，如简单的计算、绘图和分析等。
综合应用（Ⅳ）：要求考生能够面对具体、实际的物理情境发现问题，并能探究解决问题的方法，建立合理的物理模型，根据具体问题列出物理量之间的关系式，进行推导和求解，必要时会用简单的微积分和矢量方法解决问题，并根据结果得出物理结论，如分析、计算、绘图和论证等。
 
Ⅲ  课程内容与考核要求
第一章　概述
一、学习目的与要求
了解传感器网络的基本体系结构及应用系统构架，掌握传感器网络的特征及组网特点，分辨其与其他现有无线网络的区别，了解传感器网络在现在各领域的应用，了解传感器网络的发展过程。
 
二、课程内容
本章主要介绍了传感器网络的体系结构，传感器网的特征，传感器网在各领域的应用以及传感器网络的发展历史。
 
三、考核知识点与考核要求
      1. 传感器网络的体系结构
         识记：1）无线传感器网络的标准定义；
               2）无线网络的分类；
3）无线传感器网络的宏观系统构架；
4）传感器网络结点的6个功能模块及其主要功能；
5）运行网络的5层协议及其各自功能；
6）传感器网络终端结点的结构；
7）传感器网络的2种结构，平面结构和分级结构。
         领会：1）传感器网络结点体系的三个组成部分；
               2）传感器网络通信协议的分层结构。
         应用：1）无线传感器网络的系统构架图例；
               2）传感器网络结点功能模块图例；
               3）传感器网络协议分层的图例结构；
               4）传感器网络终端结点结构；
               5）无线传感器网络结点体系组成示意图。
  
      2. 传感器网络的特征
         识记：1）传感器网络与现有无线网络和现场总线的区别；
               2）传感器结点的3个限制条件。
         领会：1）无线传感器网络的6大组网特点。
         应用：1）无线通信能量消耗与通信距离的计算应用。
 
      3. 传感器网络的应用及发展历史
         识记：1）了解传感器网络在各方面的应用
               2）无线传感器网络发展的3个阶段；
               3）我国传感器网络的发展情况。
 
四、本章重点、难点
   重点：无线传感器网络的定义；无线传感器网络的结构；传感器结点的限制条件。
   难点：无线传感器网络的系统构架；无线传感器网络组网特点。
 
第二章　　微型传感器的基本知识
一、学习目的与要求
使电子科学与技术专业学生在传感技术方面具有较广的知识，了解工程检测中常用传感器的结构、工作原理、特性、应用及当代传感器的发展方向。使学生掌握传感器静态、动态的数学模型的推导以及系统的分析方法，并结合实际应用例，培养和锻炼学生的实际能力。
课程在内容上应尽量联系实际，在讲解上着重物理概念的阐述，讲清结构、原理、特性，不进行复杂的数学推导，必要时直接引用公式。力求做到重点突出，由浅入深，便于学生理解、掌握和选用。
 在应用方面介绍相关典型物理量测量的例子，使学生对传感器有一个实用的概念。对于更深入的问题，学生可参阅相关参考资料 。教学应以课堂讲授为主，为使学生在较少的学时内获取更多的信息，教学中应辅之以多媒体、测试仪器、测试装置等实物。
 
二、课程内容
主要的内容有传感器的定义，传感器的功能与意义。掌握传感器一的组成。各种常用传感器的结构、原理、特性及应用；工程检测中常用的测量电路及工作原理。
 
三、考核知识点与考核要求
1. 传感器概述
   识记：1）传感器的定义；
         2）传感器的组成结构；
         3）传感器的分类；
   应用：1）传感器采集接口框图示例。
2. 常见传感器介绍
   识记：1）各传感器的工作原理。
3. 传感器的特性和选型
   识记：1）传感器的9种基本特性及其各自定义计算公式；
         2）传感器选型的6个原则。
   应用：1）传感器灵敏度、重复性、漂移、精度、迟滞的计算应用。
4. 微型传感器
   识记：1）了解磁阻传感器的探测原理。
   领会：1）微型传感器在车辆探测方面的应用。
   综合应用：1）磁阻传感器用于车辆探测中消磁电路的设计、漂移问题的分析以及探测的基本流程。
 
四、本章重点、难点
重点：了解什么是传感器，传感器的组成和各部分功能；传感器的分类；常用传感器的类型与工作原理；集成传感器和智能传感器各自特点；传感器的9种特性；传感器选型的6个原则；传感器的漂移特性。 
难点：磁阻传感器探测运动车辆的原理；传感器的9种特性；传感器选型的6个原则。
 
第三章　　传感器网络的通信与组网技术
一、学习目的与要求
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，了解WSN中物理层。掌握无线MAC协议基础知识，掌握低占空比协议和唤醒概念，掌握基于竞争的CSMA协议，掌握基于时刻表的协议的基本概念，了解S-MAC协议，掌握IEEE 802.11 MAC协议。掌握网络层的基础知识，掌握典型路由协议：定向扩散路由。
 
二、课程内容
传感器网络的通信与组网技术简介，物理层协议简介，无线信道和通信基础知识，WSN中物理层。无线MAC协议基础知识，低占空比协议和唤醒概念，基于竞争的协议，基于时刻表的协议，IEEE 802.11 MAC协议。网络层的基础知识，典型路由协议。
 
三、考核知识点与考核要求
1、物理层
    识记：1）物理层的基本概念；
          2）OSI参考模型中设立物理层的目的；
          3）物理层的3个功能；
          4）通信所用的互连设备，数据终端设备的概念；
          5）物理层的四个主要技术。
    领会：1）物理接口的四个特性；
          2）物理层三个设计重点问题。
    应用：1）传感器网络物理层帧结构。
2、MAC协议
    识记：1）MAC协议的定义及作用；
          2）设计MAC层协议的三个问题；
          2）MAC协议的分类；
          3）带冲突避免的载波侦听多路访问（CSMA/CA）协议概念。
    领会：1）MAC协议两种访问控制方式的工作原理；
          2）MAC协议的退避机制和退避时间的计算；
          3）802.11 MAC协议的应答和预留机制；
          4）S-MAC协议的4种主要机制。
    应用：1）CSMA/CA的访问机制；
          2）MAC协议退避机制示例。
3、路由协议
    识记：1）路由协议的两个功能；
          2）路由协议的主要任务；
          3）无线网络路由协议的4个特点以及对应的设计要求；
          4）路由协议的分类
    领会：1）定向扩散路由工作机制；
          2）定向扩散路由机制的三个阶段。
    应用：1）定向扩散路由工作机制的示例与分析。
 
四、本章重点、难点
重点：掌握IEEE 802.11MAC协议与S-MAC协议、掌握传感器网络分组传输路由协议与定向扩散路由IEEE 802.11MAC协议、S-MAC协议、定向扩散路由。
难点：S-MAC协议、定向扩散路由
 
第四章  传感器网络的支撑技术
一、学习目的与要求
掌握命名和寻址的基本概念，一般性了解WSN中的地址和名称管理，MAC地址的分配，局部唯一地址的分布式分配，基于内容的和基于地理的寻址。了解时间同步的基本概念，基于收发同步的协议，基于收收同步的协议。掌握定位和定点的概念，了解定位的可能途径，以及最小二乘法的数学知识单跳和多跳环境下的定位。数据融合的概念及作用，数据融合的主要方法。传感器网络的能量管理。安全机制的概念，安全设计的分析。
 
二、课程内容
命名和寻址的基本概念，WSN中的地址和名称管理，MAC地址的分配，局部唯一地址的分布式分配，基于内容的和基于地理的寻址。时间同步的基本概念，基于收发同步的协议，基于收收同步的协议。定位和定点的概念，可能的途径，最小二乘法的数学知识单跳和多跳环境下的定位。数据融合的概念及作用，数据融合的主要方法。传感器网络的能量管理。安全机制的概念，安全设计的分析。
三、考核知识点与考核要求
1、时间同步机制
    识记：1）传感器网络时间同步的概念；
          2）同步机制的意义和作用；
          3）时间同步协议的4个特点。
          4）RBS、Ting/Mini-Sync、TPSN三种时间同步机制的基本思想
    领会：1）TPSN协议的操作过程，主要包括的两个阶段；
          2）TPSN协议中相邻结点的时间偏差，传播时延的计算。
    应用：1）时间同步在车辆测速技术中的应用。
2、定位技术
    识记：1）传感器网络中定位的含义；
          2）定位方法的分类；
          3）传感器网络的几个基本术语；
          4）定位性能的评价指标；
          5）定位系统的典型应用。
    领会：1）网络平均定位误差的计算公式；
          2）无需测距的定位技术的质心算法；
          3）DV-Hop算法。
    应用：1）多变定位方法，最小均方估计MMSE的方法原理；
          2）Min-max定位方法；
          3）ToA和TDoA的测距原理的过程及不同之处；
    综合应用：1）基于测距的定位技术到达时间差、到达角的计算；
              2）基于测距的定位技术测距方法：接收信号强度和无线信号传输距离之间的理论公式及推导；
 
3、数据融合
    识记：1）数据融合的定义及其三个要点；
          2）数据融合的主要内容；
          3）数据融合的四点主要作用；
          4）在传感器网络中采用数据融合技术的三点优点；
          5）数据融合技术的分类。
    领会：1）数据融合与应用层数据语义之间的关系；
          2）数据融合的8种方法；
          3）应用层的数据融合。
    应用：1）综合平均法的计算应用。
4、能量管理
    识记：1）能量管理的概念；
          2）电源节能的2种方法。
5、安全机制
    识记：1）传感器网络两个安全方面的需求；
          2）传感器网络安全问题与传统网络的6点不同；
          3）SPIN协议的实现问题：加密算法的选择、消息认证算法的选择、密钥生成算法、随机数发生器。
    领会：1）传感器网络在协议栈各层次的安全设计分析；
          2）安全框架协议：SPINS，网络安全加密协议SNEP和μTESLA协议。
    应用：1）自适应滤波的负荷预测机制；
          2）RC5-CTR算法的加密过程；
          3）CBC-MAC认证算法的实现过程。
 
四、本章重点、难点
重点：同步机制、定位和数据融合算法、能量管理方法、安全协议。
难点：TPSN同步协议、无需测距的定位算法、SPINS协议。
 
第五章　　传感器网络的应用开发基础
一、学习目的与要求
了解传感器网络的仿真平台，TOSSIM平台的仿真和调试，掌握OMNeT++模拟特点，MATLAB、OPNET、NS的仿真步骤；了解传感器网络的工程测试床Motelab和SensoNet；网络结点的模块化设计要求和要解决的问题；掌握嵌入式操作系统的概念及特点，了解Mote View、SNAMP开发软件。
 
二、课程内容
传感器网络的仿真平台，TOSSIM平台的仿真和调试，OMNeT++模拟特点，MATLAB、OPNET、NS的仿真步骤；传感器网络的工程测试床Motelab和SensoNet；网络结点的模块化设计要求和要解决的问题；操作系统的设计要求，嵌入式操作系统的概念及特点，TinyOS操作系统的安装和创建；传感器网络软件开发的特点和要求，了解Mote View、SNAMP开发软件。
 
三、考核知识点与考核要求
 1、仿真平台和工程测试床
     识记：1）计算机网络的3种研究与设计方法；
           2）网络仿真技术的特点；
           3）OMNeT++仿真软件基本知识；
           4）了解Motelab和SensoNet工程测试床。
     领会：1）TOSSIM体系结构，仿真模拟过程；
           2）MATLAB、OPNET、NS仿真软件的建模方式，仿真步骤。
     应用：1）网络仿真的软件体系结构框图；
           2）gdb调试程序代码命令。
2、网络节点的硬件开发
    识记：1）设计网络硬件结点需要考虑的5个问题；
          2）传感器结点5大模块设计，各模块设计需要考虑的问题；
    领会：1）Mica系列结点开发；
    应用：1）MTS300CA传感器板的磁阻传感器电路设计框图。
3、操作系统和软件开发
    识记：1）操作系统、嵌入式系统、嵌入式操作系统的基本概念；
          2）传感器网络软件开发的5大特点，软件系统的分层结构；
          3）结点应用框架的组件；
          4）传感器网络软件编程的3种常见模式；
          5）后台管理软件的组成框图。
    领会：1）TinyOS操作系统的安装，特点，基于TinyOS的应用程序结构、运行机理、编译连接过程。
    应用：1）Blink程序的结构；
          2）Main配件和TimerC配件的结构框图和实现细节代码；
          3）BlinkM模块功能及代码；
          4）网络应用框架的组件结构。
 
四、本章重点、难点
重点：传感器网络的仿真平台，OMNeT++模拟特点，MATLAB、OPNET、NS的仿真步骤；传感器网络的工程测试床Motelab和SensoNet；操作系统的设计要求，嵌入式操作系统的概念及特点，TinyOS操作系统的安装和创建；了解Mote View、SNAMP开发软件。
难点：掌握TOSSIM平台的仿真和调试；掌握网络结点的模块化设计要求和要解决的问题；传感器网络软件开发的特点和要求。
 
第六章  传感器网络协议的技术标准
一、学习目的与要求
了解传感器网络已有的技术标准，分布式测控系统的结构；掌握IEEE 802.15.4通信协议的概念，以及其物理层、MAC层技术构架；理解ZigBee协议栈的组成，ZigBee的技术特点；掌握ZigBee网络层提供的两种服务，以及其设计开发过程。
 
二、课程内容
 
传感器网络已有的技术标准，分布式测控系统的结构，IEEE 1451系列标准的发展历程和发展动向；IEEE 802.15.4通信协议的概念，以及其物理层、MAC层技术构架；ZigBee协议栈的组成，ZigBee的技术特点，其网络层提供的两种服务，以及其设计开发过程。
 
三、考核知识点与考核要求
1、IEEE 1451系列标准
    识记：1）制定IEEE 1451标准的背景及目的；
          2）IEEE 1451.1标准的智能变送器模型；
          3）IEEE 1451定义的内容；
    应用：1）分布式测控系统的结构示例；
          2）IEEE 1451标准的组成结构。
 
2、IEEE 802.15.4标准
    识记：1）IEEE 802.15.4标准的内容；
          2）IEEE 802.15.4标准物理层主要负责的6个任务；
          3）物理层数据服务接入点原语；
          4）MAC层的7个主要任务；
          5）MAC层提供的2种服务；
          6）MAC层的通用帧结构。
    应用：1）IEEE 802.15.4标准的物理层参考模型；
          2）IEEE 802.15.4标准的MAC层组件接口模型及物理层帧结构；
          3）命令帧和关键帧的发送流程图；
          4）数据型数据帧、返回型数据帧的组成。
 
3、ZigBee协议标准
    识记：1）ZigBee协议标准的特点及内容；
          2）ZigBee协议标准构架，每层的组成及作用；
          3）ZigBee协议的9个技术特点；
          4）ZigBee协议标准网络层规范，帧结构；
          5）ZigBee协议栈的分类。
 
四、本章重点、难点
重点：了解传感器网络已有的技术标准，分布式测控系统的结构；理解ZigBee协议栈的组成，ZigBee的技术特点；
难点：掌握IEEE 802.15.4通信协议的概念，以及其物理层、MAC层技术构架；掌握ZigBee网络层提供的两种服务，以及其设计开发过程。
 
第七章  传感器网络技术的军事应用
 
本章不作要求
 
第八章  无线传感器网络实验
 
本章不作要求
 
 
Ⅳ  关于大纲的说明与考核实施要求
一、自学考试大纲的目的和作用（共性部分）
课程自学考试大纲是根据专业自学考试计划的要求，结合自学考试的特点而确定。其目的是对个人自学、社会助学和课程考试命题进行指导和规定。
课程自学考试大纲明确了课程学习的内容以及深广度，规定了课程自学考试的范围和标准。因此，它是编写自学考试教材和辅导书的依据，是社会助学组织进行自学辅导的依据，是自学者学习教材、掌握课程内容知识范围和程度的依据，也是进行自学考试命题的依据。
二、课程自学考试大纲与教材的关系（共性部分）
课程自学考试大纲是进行学习和考核的依据，教材是学习掌握课程知识的基本内容与范围，教材的内容是大纲所规定的课程知识和内容的扩展与发挥。课程内容在教材中可以体现一定的深度或难度，但在大纲中对考核的要求一定要适当。
大纲与教材所体现的课程内容应基本一致；大纲里面的课程内容和考核知识点，教材里一般也要有。反过来教材里有的内容，大纲里就不一定体现。（注：如果教材是推荐选用的，其中有的内容与大纲要求不一致的地方，应以大纲规定为准。）
三、关于自学教材
《无线传感器网络简明教程》，崔逊学、左从菊编著，清华大学出版社，2009年。
 
附录  题型举例
一、   选择题
如：          协议同时具有按需路由、表路由的特点。
  A. DSR    B. OSPF    C. DSDV    D. AODV
二、 填空题
如：为了减少能量消耗，结点要尽量处于         状态。
三、 名词解释
如：S-mac
四、 简答题
如：简述路由选择的主要功能。
五、 问答题或论述题
如：无线通信的能量与距离的关系是什么？它反映出传感网数据传输的特点有哪些？