无线传感网技术.docx

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无线传感网技术

12573无线传感网技术

南京信息工程大学编

Ⅰ课程性质与课程目标

一、课程性质和特点《无线传感网技术》课程是江苏省高等教育自学考试物联网专业（本科段）的必修课，是为培养和检验考生掌握物联网技术基本知识和基本技能而设置的一门专业基础课程。

本课程是物联网工程专业的主干课程。

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。

本课程内容主要包含无线传感器网络的体系结构和网络管理技术，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，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，TinyOS实践开发技术等。

因此，它是一门理论联系实际、工程性较强的课程。

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。

希望通过本课程的学习，加深对无线传感器网络的理解，为进一步研究和从事无线传感器网络应用开发和工程实践工作提供良好的基础和参考。

二、课程目标作为物联网工程专业的基础课，要求学生了解当今信息化社会发展的基础上，掌握传感网技术的发展和应用，了解传感网的关键技术，为以后物联网的工程实践打下基础。

本课程的目的是使学生掌握物联网技术的定义和基本原理及应用，了解物联网技术的发展，了解物联网的关键技术和方法。

课程设置的目标是鼓励考生：

1．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；

2．掌握无线传感器网络的节点定位、时间同步和网络安全等几大支撑技术；

3．熟悉无线传感器网络的系统开发和应用，掌握NesC语言和TinyOS操作系统，掌握TinyOS平台的实际操作。

三、与相关课程的联系与区别《无线传感网技术》是江苏省高等教育自学考试物联网工程专业（本科段）必修的专业课程，与物联网工程专业的许多其他课程有着密切的关系。

《数据通信与网络》、《传感器原理及应用》是本课程的基础。

四、课程的重点和难点本课程的重点是掌握无线传感网技术的体系结构以及通信协议，以及在工程应用中采取的典型技术方法，难点是理解无线传感网定位技术、时间同步和网络安全的典型算法。

Ⅱ考核目标

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传感网的相关名词、概念、知识的含义，并能够根据考核的不同要求，进行正确的表述和选择。

领会（Ⅱ）：

要求考生能够领悟和理解本课程中有关传感网的概念、理论和方法技巧的内涵及外延，理解相关传感网知识的区别和联系，并能根据考核的不同要求对相关传感网知识进行论证，做出正确的解释和说明。

简单应用（Ⅲ）：

要求考生能够根据已知的传感网技术的一个知识点，分析和解决有关的传感网理论问题和实际问题，并得出正确的结论。

综合应用（Ⅳ）：

要求考生能够根据已知的传感网知识的多个知识点，分析和解决有关的传感网理论问题和实际问题，并得出解决问题的综合方案。

Ⅲ课程内容与考核要求

第一章无线传感器网络简介

一、学习目的与要求通过本章学习，要求了解短距离无线网络概述，理解无线传感器网络发展历程；掌握无线传感器网络的特征，掌握传感器网络的关键技术；熟悉无线传感器网络的应用。

二、课程内容

1.1短距离无线网络概述1.2无线传感器网络发展历程1.3无线传感器网络的特征

1.4传感器网络的关键技术1.5无线传感器网络的应用

三、考核知识点与考核要求

1.短距离无线网络概述

识记：

短距离无线通信的特点；常用短距离无线通信技术基本概念。

2.无线传感器网络发展历程识记：

ALOHA协议；PRNET系统；Amateur分组无线网络。

领会：

无线局域网；无线个域网；无线自组织网络。

3.无线传感器网络的特征

识记：

传感器网络的特点；传感器节点的限制。

4.传感器网络的关键技术

识记：

网络拓扑控制；网络协议；网络安全；数据融合；数据管理；无线通信技术；领会：

时间同步；定位技术；嵌入式操作系统；应用层技术。

5.无线传感器网络的应用识记：

环境监测；建筑物质量监控；其他方面的应用。

应用：

军事应用；智能家居；医疗护理。

四、本章重点、难点首先，了解短距离无线网络概述。

其次，了解无线传感器网络发展历程。

再次，掌握无线传感器网络的特征和关键技术。

最后，理解无线传感器网络的应用。

本章难点在于领会传感器网络的特点和节点的限制。

第二章无线传感器网络体系结构

一、学习目的与要求通过本章学习，要求了解无线传感器网络体系结构概述，理解无线传感器网络体系结构；掌握物理体系结构，掌握软件体系结构；熟悉网络的协议栈和通信体系结构。

二、课程内容

2.1体系结构概述2.2无线传感器网络体系结构2.2.1无线传感器网络物理体系结构

2.2.2无线传感器网络软件体系结构2.2.3无线传感器网络的协议栈

2.2.4无线传感器网络通信体系结构

三、考核知识点与考核要求

1.体系结构概述

识记：

无线传感网系统描述；传感节点能力；目标类型。

领会：

多跳对等通信方式；传感网体系结构；观测节点身份。

2.物理体系结构识记：

无线传感网系统架构；汇聚节点；管理节点。

领会：

传感器节点功能模块。

3.软件体系结构识记：

应用系统架构；软件体系层次。

领会：

无线传感器网络中间件。

4.网络协议栈及通信体系结构领会：

无线传感器网络协议栈层次及平台。

应用：

无线传感器网络各层次功能。

四、本章重点、难点

本章重点是掌握无线传感器网络体系结构，难点在于理解无线传感器网络各层次功能。

第三章路由协议

一、学习目的与要求通过本章学习，要求掌握路由协议基本概念和分类，理解并掌握无线传感器网络典型路由协议，了解常见路由协议综合性能。

二、课程内容

3.1概述3.2路由协议分类3.3典型路由协议分析3.3.1平面路由协议3.3.2层次路由协议3.3.3协议综合比较三、考核知识点与考核要求

1.路由协议概述识记：

路由协议基本概念；路由协议固有特点。

领会：

路由协议新的问题和挑战；路由协议设计要求。

2.路由协议分类识记：

路由协议标准；路由协议类型。

领会：

平面路由协议；层次路由协议；基于地址路由协议。

3.平面路由协议分析识记：

Rumor协议；EAR协议；HREECN协议；SMECN协议；GEM协议。

领会：

Flooding/Gossiping协议；DD路由协议；SPIN路由协议；SAR路由协议。

4.层次路由协议分析识记：

层次结构基本概念；层级机制优点；层级机制优点缺点；PEGASI协议；TEEN协议；SOP协议。

领会：

LEACH协议基本思想；GAF协议；GEAR协议；SPAN协议。

应用：

LEACH协议簇头选择算法；改进型LEACH算法过程；

四、本章重点、难点

本章重点学习内容在于掌握典型路由协议分类及主要思想，难点在于理解LEACH算法的过程和改进LEACH的主要思想。

第四章MAC协议

一、学习目的与要求

通过本章学习，要求了解MAC协议研究现状和趋势，理解影响WSN的MAC协议因素；掌握MAC协议特点，掌握WSN的MAC协议设计策略；熟悉典型的无线传感器网络MAC协议，了解MAC协议发展趋势。

二、课程内容

4.1概述4.1.1研究现状和趋势4.1.2影响WSN的MAC协议因素4.1.3协议特点4.1.4WSN的MAC协议设计策略4.2WSN的MAC协议分类4.3MAC协议分析比较4.3.1MAC协议分析4.3.2MAC协议的比较4.4小结

三、考核知识点与考核要求1.MAC协议概述识记：

研究现状和趋势；MAC协议分类。

领会：

影响WSN的MAC协议因素；MAC协议特点。

2.MAC协议分析比较

识记：

C-TDMA协议；SMACS/EAR协议；LPL协议；LMAC协议。

领会：

S-MAC协议；T-MAC协议；P-MAC协议；Z-MAC协议。

应用：

典型MAC协议的特征比较；3.MAC协议研究策略和发展趋势

识记：

节能研究策略；跨层优化设计；应用特点和业务模式；能量有效性和其他性能指标的权衡；安全问题。

四、本章重点、难点

本章重点学习内容在于掌握典型MAC协议分类及主要思想，难点在于理解IEEE802.11协议基础上的S-MAC协议，T-MAC协议TA时隙概念和P-MAC协议二进制字符串功能。

第五章拓扑控制

一、学习目的与要求通过本章学习，要求了解拓扑控制概述，理解拓扑控制设计目标与研究现状；掌握典型拓扑模型与拓扑控制算法，理解典型拓扑算法之间的性能比较。

二、课程内容

5.1概述5.2拓扑控制设计目标与研究现状5.2.1拓扑控制的设计目标5.2.2拓扑控制的研究现状5.3拓扑模型与拓扑控制算法5.3.1拓扑模型5.3.2拓扑控制算法5.4小结三、考核知识点与考核要求

1.拓扑控制概述识记：

拓扑控制的重要性；拓扑控制的发展和研究方向；静态、动态节点概念；可控部署、不可控部署概念。

2.拓扑控制设计目标与研究现状领会：

拓扑控制要考虑的设计目标和相关概念；功率控制型拓扑研究方向；睡眠调度型拓扑研究方向。

.拓扑模型识记：

单位圆图；准规则单位圆图。

领会：

Gabriel图；相关邻近图；最小生成树；SAR路由协议。

4.拓扑控制算法识记：

概率分析法；计算几何法；采用支配集的层次型网络。

领会：

基于引导信号的功率控制；Adhoc网络设计算法；CLUSTERPOW。

应用：

采用簇结构的层次性结构算法；启发类算法STEM/ASCENT；

四、本章重点、难点本章重点学习内容在于掌握典型拓扑控制算法分类及主要思想，难点在于理解拓扑模型和LEACH类算法的设计过程和优缺点。

第6章WSN定位技术

一、学习目的与要求通过本章学习，要求了解WSN定位技术概述，理解定位基本概念和评价指标；掌握典型测距方法，掌握常用的定位计算方法；理解典型WSN定位系统和算法，了解定位算法设计的注意问题。

二、课程内容6.1定位技术简介6.1.1基本概念和评价指标6.1.2定位算法的分类6.2测距方法6.2.1接收信号强度指示法6.2.2到达时间法6.2.3到达时间差法6.2.4到达角法6.3常用的定位计算方法6.3.1三边定位与求解6.3.2三角定位与求解6.3.3极大似然估计法6.4典型WSN定位系统和算法6.4.1ActiveBadge定位系统6.4.2ActiveOffice6.4.3Cricket定位系统6.4.4APIT6.4.5AHLos6.4.6SPA相对定位6.4.7APS6.5定位算法设计的注意问题6.5.1典型定位系统和算法比较6.5.2定位算法设计的注意问题6.6小结

三、考核知识点与考核要求

1.定位技术简介识记：

WSN定位意义；WSN定位基本概念；WSN定位评价指标。

领会：

WSN定位的基本术语；测距类与非测距类；基于锚节点和非基于锚节点；递增式和并发式；集中式计算和分布式计算；绝对定位和相对定位。

2.测距方法

识记：

到达角法领会：

接收信号强度指示法；到达时间法；到达时间差法。

应用：

TOA与TDOA的比较。

3.常用的定位计算方法识记：

三角定位与求解。

领会：

三边定位法与求解；极大似然估计法。

应用：

结合TOA/TDOA/RSSI，利用常用定位方法求解目标坐标。

4.典型WSN定位系统和算法

识记：

ActiveBadge定位系统；ActiveOffice；SPA相对定位。

领会：

APIT近似三角形内点测试法；DV-HOP定位算法；DV-distance定位算法。

应用：

AHLos类多边定位算法的应用；DV-HOP定位算法应用。

5.定位算法设计的注意问题领会：

典型定位系统和算法比较。

四、本章重点、难点本章重点学习内容在于掌握典型WSN定位的基本概念和算法分类，以及常用测距方法和典型定位系统和算法，难点在于掌握测距类TOA、TDOA和RSSI方法的过程和应用。

第7章时间同步

一、学习目的与要求通过本章学习，要求了解时间同步概述，理解消息传递过程分解；掌握典型时间同步算法，理解典型时间同步算法的比较分析。

二、课程内容7.1时间同步概述7.1.1消息传递过程分解7.1.2算法设计的影响因素7.1.3算法的性能指标7.2时间同步算法7.2.1经典时间同步算法7.2.2基于前同步思想的同步算法

7.2.3基于后同步思想的时间同步协议7.3算法比较分析7.4小结

三、考核知识点与考核要求

1.时间同步概述识记：

时间同步意义和作用；算法设计的影响因素。

领会：

消息传递过程分解；算法的性能指标。

2.时间同步算法识记：

Tiny-Sync算法；Mini-Sync算法；LTS算法；FTSP算法。

领会：

RBS算法；TPSN算法；DMTS算法；后同步思想。

应用：

TPSN、RBS和DMTS算法优缺点与适用环境。

3.研究趋势领会：

WSN时间同步算法未来研究方向。

4.拓扑控制算法识记：

概率分析法；计算几何法；采用支配集的层次型网络。

领会：

基于引导信号的功率控制；Adhoc网络设计算法；CLUSTERPOW。

应用：

采用簇结构的层次性结构算法；启发类算法STEM/ASCENT；

四、本章重点、难点本章重点学习内容在于掌握典型拓扑控制算法分类及主要思想，难点在于理解拓扑模型和LEACH类算法的设计过程和优缺点。

第8章安全技术（不作考核要求）

第九章协议标准

一、学习目的与要求通过本章学习，要求了解IEEE802.15.4标准概述，掌握IEEE802.15.4网络协议栈，掌握ZigBee协议标准；理解ZigBee技术优势，理解ZigBee协议的消息格式及帧格式。

二、课程内容9.1标准概述与网络简介9.1.1IEEE802.15.4标准概述9.1.2IEEE802.15.4网络简介9.2IEEE802.15.4协议9.2.1工业无线通信协议9.2.2IEEE802.15.4网络协议栈

9.3ZigBee协议标准9.3.1ZigBee是什么9.3.2ZigBee标准概要9.3.3ZigBee技术优势

9.3.4ZigBee协议栈9.3.5ZigBee协议的消息格式及帧格式9.3.6ZigBee网络拓扑9.4小结三、考核知识点与考核要求1.标准概述与网络简介识记：

IEEE802.15.4标准概述；IEEE802.15.4拓扑结构；IEEE802.15.4拓扑形成过程。

2.IEEE802.15.4协议识记：

IEEE802.11标准；IEEE802.15.1标准；IEEE802.15.4标准。

领会：

IEEE802.15.4a中采用的关键技术；IEEE802.15.4网络协议栈。

3.ZigBee协议标准识记：

ZigBee标准概要：

ZigBee技术优势；ZigBee消息格式及帧格式。

领会：

ZigBee协议栈；ZigBee网络拓扑。

应用：

ZigBee与其他无线网络标准的比较

四、本章重点、难点本章重点学习内容在于掌握IEEE802.15.4标准和ZigBee协议标准，难点在于理解IEEE802.15.4网络协议栈的物理层、MAC子层。

第9章ZigBee硬件平台

1、学习目的与要求

2、通过本章学习，要求了解CC2430/CC2431芯片主要特点和功能结构，理解无线CC2430之8051的CPU，理解CC2410/CC2431主要外部设备；掌握IEEE802.15.4调制方式；了解CC2430/CC2431所涉及的无线通信技术，熟悉CC2431无线定位引擎介绍。

3、二、课程内容10.1ZigBee无线SoC片上系统CC2430/CC2431概述10.2CC2430/CC2431芯片主要特点10.3CC2430/CC2431芯片功能结构10.4SoC无线CC2430之8051的CPU介绍10.4.1简介10.4.2存储器10.4.3特殊功能寄存器10.5CC2410/CC2431主要外部设备10.5.1I/O端口10.5.2DMA控制器10.6无线模块10.6.1IEEE802.15.4调制方式10.6.2接收模式10.6.3发送测试模式10.7CC2430/CC2431所涉及的无线通信技术10.7.1清除信道评估CCA10.7.2无线直接频谱技术DSSS10.7.3载波侦听多点接入/避免冲撞CSMA/CA三、考核知识点与考核要求1.CC2430/CC2431概述

识记：

芯片发展过程；芯片主要特点；芯片功能结构。

2.CC2430/CC2431芯片计算模块

识记：

CC2430芯片CPU概要；CC2430芯片存储器；CC2430/CC2431芯片I/O端口；CC2430/CC2431芯片DMA。

领会：

CC2430芯片特殊功能寄存器。

3.CC2430/CC2431芯片无线模块识记：

无线模块主要参数；接收模块；发送测试模块；清除信道评CCA。

领会：

IEEE802.15.4调制方式；无线直接频谱技术DSSS；载波侦听多点接入/避免冲撞CSMA/CA。

应用：

CSMA/CA算法过程及应用。

4、本章重点、难点本章重点学习内容在于掌握CC2430/CC2431芯片计算模块和无线模块，难点在于理解CC2430芯片特殊功能寄存器和CSMA/CA算法。

第十一章CC2430开发环境IAR（不作考核要求）

第十二章开发实践—环境监测（不作考核要求）

第十三章开发技术—JENNIC（不作考核要求）

第十四章软件平台（不作考核要求）

第十五章基于ZigBee协议栈进行开发（不作考核要求）

第十六章NesC语言

1、学习目的与要求

通过本章学习，要求了解nesC语言概述、组成、基本特点、编译技术和程序开发平台，理解接口、组件、模块和配件的基本概念，掌握nesC语言程序结构；掌握常用nesC示例代码。

二、课程内容16.1nesC语言简介16.1.1nesC语言概述16.1.2nesC语言组成

16.1.3nesC语言基本特点16.1.4nesC编译技术16.1.5nesC程序开发平台16.2语法与术语16.2.1变化16.2.2语法16.2.3术语16.3接口16.4组件16.4.1组件概述16.4.2组件语法与说明

16.4.3模块及其组成16.4.4配件及其组成16.4.5属性声明16.5模块16.5.1说明16.5.2调用命令和事件信号16.5.3任务16.5.4原子陈述16.6结构16.6.1包含组件16.6.2配线

16.6.3隐含连接16.6.4配线语义16.8应用程序16.7.1装载C文件X16.7.2装载组件K16.7.3载入接口类型I

三、考核知识点与考核要求1.nesC语言简介识记：

nesC语言概述；nesC语言组成；nesC语言基本特点；nesC编译技术；nesC程序开发平台。

2.nesC语法及结构件

识记：

nesC关键字；nesC术语。

领会：

接口的概念和功能；组件语法与说明；模块的概念和功能；配件的概念和功能。

应用：

nesC函数调用与任务推送的应用。

3.nesC程序结构识记：

包含组件；配线规则；隐含连接；配线语义。

领会：

TinyOS应用程序结构。

本章重点、难点本章重点学习内容在于掌握nesC语法及结构件，难点在于理解nesC程序结构中的配线规则、配线语义等。

第十七章TinyOS操作系统

1、学习目的与要求通过本章学习，要求了解TinyOS简介，了解TinyOS框架结构与特点，理解TinyOS组件基本概念；了解TinyOS的系统模型；掌握TinyOS通信模型；理解TinyOS事件驱动机制、调度策略，TinyOS任务调度机制；掌握TinyOS应用示例Blink、数据收集应用程序。

二、课程内容17.1TinyOS简介17.2TinyOS框架结构与特点17.2.1总体结构17.2.2基于组件的程序模型17.2.3组件化分层架构17.2.4操作系统特点概述17.3TinyOS组件17.3.1组件说明与实现17.3.2并发模型17.3.3TinyOS组件模型17.3.4应用示例——组件组合与无线通信17.4TinyOS的系统模型17.4.1TinyOS的系统模型17.4.2TinyOSIDE设计与实现机制17.5TinyOS通信模型17.5.1主动消息概述17.5.2基于主动消息的通信模型17.5.3主动消息的设计与实现17.5.4主动通信的缓存管理机制17.5.5主动消息的显式确认消息机制17.6TinyOS事件驱动机制、调度策略17.6.1事件驱动机制17.6.2调度策略17.6.3TinyOS并发模型与执行模块17.6.4用事件驱动方式从传感器读取数据17.7TinyOS任务调度机制17.7.1调度机制概述17.7.2中断处理17.7.3任务队列17.7.4调度策略与能量管理机制17.7.5TinyOS调度模型的特点17.7.6TinyOS的调度机制不足17.7.7示例——用于处理应用数据的任务17.10TinyOS应用示例17.10.1应用程序示例：

Blink17.10.2应用程序示例：

数据收集应用程序三、考核知识点与考核要求

1.TinyOS基础

识记：

TinyOS定义；TinyOS发展过程；TinyOS特点；TinyOS框架结构。

领会：

TinyOS中轻量级线程实现；主动消息机制；硬件抽象层；并发模型；TinyOS组件类型。

应用：

组件组合与无线通信2.TinyOS模型识记：

TinyOS的系统模型；主动消息的设计与实现；主动通信的缓存管理机制；主动消息的显式确认消息机制。

领会：

基于ActiveMessage的TinyOS通信类型。

3.TinyOS策略

识记：

事件驱动机制；调度策略；并发模型与执行模块；TinyOS任务调度概述；中断处理；任务队列。

领会：

调度模型的特点；调度机制不足。

应用：

用事件驱动方式从传感器读取数据。

4.TinyOS应用示例领会：

Blink配置；Blink模块；编译Blink应用程序；SenseLightTo