30451 無線傳感器網絡

高綱1353江蘇省高等教育自學考試大綱30451 無線傳感器網絡南京理工大學編江蘇省高等教育自學考試委員會辦公室

Ⅰ 課程性質與課程目標一、課程性質和特點《無線傳感器網絡》是江蘇省高等教育自學考試電子工程專業的必修課，是為了培養和檢驗自學應考者的通信工程、信息工程基本知識和基本技能而設置的一門專業課程。無線傳感器網絡是集傳感器技術、微電機技術、現代網絡和無線通信技術于一體的綜合信息處理平臺，具有廣泛的應用前景，是計算機信息領域最活躍的研究熱點之一。通過本課程的學習，要求學生掌握無線傳感器網絡的體系結構和網絡管理技術，著重掌握無線傳感器網絡的通信協議，了解無線傳感器網絡的節點定位、目標跟蹤和時間同步等幾大支撐技術，為在基于無線傳感器網絡的系統開發和應用中，深入利用關鍵技術，設計優質的應用系統打下基礎。二、課程目標本課程主要講授傳感器網絡的基本概念、基本原理與基本方法，并介紹國內外的最新技術發展和當前的研究熱點。課程設置的目標是：1.通過本課程讓學生了解無線傳感器網絡的體系結構和網絡管理技術。2.掌握無線傳感器網絡中的物理層協議、MAC協議、路由協議、拓撲控制協議以及無線網絡協議IEEE802.15.4等通信協議。3.了解無線傳感器網絡的節點定位、目標跟蹤和時間同步等幾大支撐技術。4.掌握基于無線傳感器網絡的智能應用的基本設計方法，掌握其軟硬件開發平臺和仿真環境的使用。三、與相關課程的聯系與區別本課程的先修課程為《通信原理》、《計算機網絡技術》Ⅱ 考核目標用學科化的語言對三個或四個認知層次予以表述。以《物理（工）》課程為例：本大綱在考核目標中，按照識記、領會、簡單應用和綜合應用四個層次規定其應達到的能力層次要求。四個能力層次是遞升的關系，后者必須建立在前者的基礎上。各能力層次的含義是：識記（Ⅰ）：要求考生能夠識別和記憶本課程中有關物理概念及規律的主要內容（如定義、定理、定律、表達式、公式、原理、重要結論、方法及特征、特點等），并能夠根據考核的不同要求，做正確的表述、選擇和判斷。領會（Ⅱ）：要求考生能夠領悟和理解本課程中有關物理概念及規律的內涵及外延，理解物理概念、物理規律的確切含義，物理規律的適用條件，能夠鑒別關于概念和規律的似是而非的說法；理解相關知識的區別和聯系，并能根據考核的不同要求對物理問題進行邏輯推理和論證，做出正確的判斷、解釋和說明。簡單應用（Ⅲ）：要求考生能夠根據已知的知識和物理事實、條件，對物理問題進行邏輯推理和論證，得出正確的結論或做出正確的判斷，并能把推理過程正確地表達出來。還可運用本課程中的少量知識點，利用簡單的數學方法分析和解決一般應用問題，如簡單的計算、繪圖和分析等。綜合應用（Ⅳ）：要求考生能夠面對具體、實際的物理情境發現問題，并能探究解決問題的方法，建立合理的物理模型，根據具體問題列出物理量之間的關系式，進行推導和求解，必要時會用簡單的微積分和矢量方法解決問題，并根據結果得出物理結論，如分析、計算、繪圖和論證等。Ⅲ 課程內容與考核要求第一章　概述一、學習目的與要求了解傳感器網絡的基本體系結構及應用系統構架，掌握傳感器網絡的特征及組網特點，分辨其與其他現有無線網絡的區別，了解傳感器網絡在現在各領域的應用，了解傳感器網絡的發展過程。二、課程內容本章主要介紹了傳感器網絡的體系結構，傳感器網的特征，傳感器網在各領域的應用以及傳感器網絡的發展歷史。三、考核知識點與考核要求1. 傳感器網絡的體系結構識記：1）無線傳感器網絡的標準定義；2）無線網絡的分類；3）無線傳感器網絡的宏觀系統構架；4）傳感器網絡結點的6個功能模塊及其主要功能；5）運行網絡的5層協議及其各自功能；6）傳感器網絡終端結點的結構；7）傳感器網絡的2種結構，平面結構和分級結構。領會：1）傳感器網絡結點體系的三個組成部分；2）傳感器網絡通信協議的分層結構。應用：1）無線傳感器網絡的系統構架圖例；2）傳感器網絡結點功能模塊圖例；3）傳感器網絡協議分層的圖例結構；4）傳感器網絡終端結點結構；5）無線傳感器網絡結點體系組成示意圖。2. 傳感器網絡的特征識記：1）傳感器網絡與現有無線網絡和現場總線的區別；2）傳感器結點的3個限制條件。領會：1）無線傳感器網絡的6大組網特點。應用：1）無線通信能量消耗與通信距離的計算應用。3. 傳感器網絡的應用及發展歷史識記：1）了解傳感器網絡在各方面的應用2）無線傳感器網絡發展的3個階段；3）我國傳感器網絡的發展情況。四、本章重點、難點重點：無線傳感器網絡的定義；無線傳感器網絡的結構；傳感器結點的限制條件。難點：無線傳感器網絡的系統構架；無線傳感器網絡組網特點。第二章　　微型傳感器的基本知識一、學習目的與要求使電子科學與技術專業學生在傳感技術方面具有較廣的知識，了解工程檢測中常用傳感器的結構、工作原理、特性、應用及當代傳感器的發展方向。使學生掌握傳感器靜態、動態的數學模型的推導以及系統的分析方法，并結合實際應用例，培養和鍛煉學生的實際能力。課程在內容上應盡量聯系實際，在講解上著重物理概念的闡述，講清結構、原理、特性，不進行復雜的數學推導，必要時直接引用公式。力求做到重點突出，由淺入深，便于學生理解、掌握和選用。在應用方面介紹相關典型物理量測量的例子，使學生對傳感器有一個實用的概念。對于更深入的問題，學生可參閱相關參考資料 。教學應以課堂講授為主，為使學生在較少的學時內獲取更多的信息，教學中應輔之以多媒體、測試儀器、測試裝置等實物。二、課程內容主要的內容有傳感器的定義，傳感器的功能與意義。掌握傳感器一的組成。各種常用傳感器的結構、原理、特性及應用；工程檢測中常用的測量電路及工作原理。三、考核知識點與考核要求1. 傳感器概述識記：1）傳感器的定義；2）傳感器的組成結構；3）傳感器的分類；應用：1）傳感器采集接口框圖示例。2. 常見傳感器介紹識記：1）各傳感器的工作原理。3. 傳感器的特性和選型識記：1）傳感器的9種基本特性及其各自定義計算公式；2）傳感器選型的6個原則。應用：1）傳感器靈敏度、重復性、漂移、精度、遲滯的計算應用。4. 微型傳感器識記：1）了解磁阻傳感器的探測原理。領會：1）微型傳感器在車輛探測方面的應用。綜合應用：1）磁阻傳感器用于車輛探測中消磁電路的設計、漂移問題的分析以及探測的基本流程。四、本章重點、難點重點：了解什么是傳感器，傳感器的組成和各部分功能；傳感器的分類；常用傳感器的類型與工作原理；集成傳感器和智能傳感器各自特點；傳感器的9種特性；傳感器選型的6個原則；傳感器的漂移特性。難點：磁阻傳感器探測運動車輛的原理；傳感器的9種特性；傳感器選型的6個原則。第三章　　傳感器網絡的通信與組網技術一、學習目的與要求掌握物理層協議的基本概念，掌握無線信道和通信的基礎知識，了解WSN中物理層。掌握無線MAC協議基礎知識，掌握低占空比協議和喚醒概念，掌握基于競爭的CSMA協議，掌握基于時刻表的協議的基本概念，了解S-MAC協議，掌握IEEE 802.11MAC協議。掌握網絡層的基礎知識，掌握典型路由協議：定向擴散路由。二、課程內容傳感器網絡的通信與組網技術簡介，物理層協議簡介，無線信道和通信基礎知識，WSN中物理層。無線MAC協議基礎知識，低占空比協議和喚醒概念，基于競爭的協議，基于時刻表的協議，IEEE 802.11MAC協議。網絡層的基礎知識，典型路由協議。三、考核知識點與考核要求1、物理層識記：1）物理層的基本概念；2）OSI參考模型中設立物理層的目的；3）物理層的3個功能；4）通信所用的互連設備，數據終端設備的概念；5）物理層的四個主要技術。領會：1）物理接口的四個特性；2）物理層三個設計重點問題。應用：1）傳感器網絡物理層幀結構。2、MAC協議識記：1）MAC協議的定義及作用；2）設計MAC層協議的三個問題；2）MAC協議的分類；3）帶沖突避免的載波偵聽多路訪問（CSMA/CA）協議概念。領會：1）MAC協議兩種訪問控制方式的工作原理；2）MAC協議的退避機制和退避時間的計算；3）802.11 MAC協議的應答和預留機制；4）S-MAC協議的4種主要機制。應用：1）CSMA/CA的訪問機制；2）MAC協議退避機制示例。3、路由協議識記：1）路由協議的兩個功能；2）路由協議的主要任務；3）無線網絡路由協議的4個特點以及對應的設計要求；4）路由協議的分類領會：1）定向擴散路由工作機制；2）定向擴散路由機制的三個階段。應用：1）定向擴散路由工作機制的示例與分析。四、本章重點、難點重點：掌握IEEE 802.11MAC協議與S-MAC協議、掌握傳感器網絡分組傳輸路由協議與定向擴散路由IEEE 802.11MAC協議、S-MAC協議、定向擴散路由。難點：S-MAC協議、定向擴散路由第四章 傳感器網絡的支撐技術一、學習目的與要求掌握命名和尋址的基本概念，一般性了解WSN中的地址和名稱管理，MAC地址的分配，局部唯一地址的分布式分配，基于內容的和基于地理的尋址。了解時間同步的基本概念，基于收發同步的協議，基于收收同步的協議。掌握定位和定點的概念，了解定位的可能途徑，以及最小二乘法的數學知識單跳和多跳環境下的定位。數據融合的概念及作用，數據融合的主要方法。傳感器網絡的能量管理。安全機制的概念，安全設計的分析。二、課程內容命名和尋址的基本概念，WSN中的地址和名稱管理，MAC地址的分配，局部唯一地址的分布式分配，基于內容的和基于地理的尋址。時間同步的基本概念，基于收發同步的協議，基于收收同步的協議。定位和定點的概念，可能的途徑，最小二乘法的數學知識單跳和多跳環境下的定位。數據融合的概念及作用，數據融合的主要方法。傳感器網絡的能量管理。安全機制的概念，安全設計的分析。三、考核知識點與考核要求1、時間同步機制識記：1）傳感器網絡時間同步的概念；2）同步機制的意義和作用；3）時間同步協議的4個特點。4）RBS、Ting/Mini-Sync、TPSN三種時間同步機制的基本思想領會：1）TPSN協議的操作過程，主要包括的兩個階段；2）TPSN協議中相鄰結點的時間偏差，傳播時延的計算。應用：1）時間同步在車輛測速技術中的應用。2、定位技術識記：1）傳感器網絡中定位的含義；2）定位方法的分類；3）傳感器網絡的幾個基本術語；4）定位性能的評價指標；5）定位系統的典型應用。領會：1）網絡平均定位誤差的計算公式；2）無需測距的定位技術的質心算法；3）DV-Hop算法。應用：1）多變定位方法，最小均方估計MMSE的方法原理；2）Min-max定位方法；3）ToA和TDoA的測距原理的過程及不同之處；綜合應用：1）基于測距的定位技術到達時間差、到達角的計算；2）基于測距的定位技術測距方法：接收信號強度和無線信號傳輸距離之間的理論公式及推導；3、數據融合識記：1）數據融合的定義及其三個要點；2）數據融合的主要內容；3）數據融合的四點主要作用；4）在傳感器網絡中采用數據融合技術的三點優點；5）數據融合技術的分類。領會：1）數據融合與應用層數據語義之間的關系；2）數據融合的8種方法；3）應用層的數據融合。應用：1）綜合平均法的計算應用。4、能量管理識記：1）能量管理的概念；2）電源節能的2種方法。5、安全機制識記：1）傳感器網絡兩個安全方面的需求；2）傳感器網絡安全問題與傳統網絡的6點不同；3）SPIN協議的實現問題：加密算法的選擇、消息認證算法的選擇、密鑰生成算法、隨機數發生器。領會：1）傳感器網絡在協議棧各層次的安全設計分析；2）安全框架協議：SPINS，網絡安全加密協議SNEP和μTESLA協議。應用：1）自適應濾波的負荷預測機制；2）RC5-CTR算法的加密過程；3）CBC-MAC認證算法的實現過程。四、本章重點、難點重點：同步機制、定位和數據融合算法、能量管理方法、安全協議。難點：TPSN同步協議、無需測距的定位算法、SPINS協議。第五章　　傳感器網絡的應用開發基礎一、學習目的與要求了解傳感器網絡的仿真平臺，TOSSIM平臺的仿真和調試，掌握OMNeT++模擬特點，MATLAB、OPNET、NS的仿真步驟；了解傳感器網絡的工程測試床Motelab和SensoNet；網絡結點的模塊化設計要求和要解決的問題；掌握嵌入式操作系統的概念及特點，了解Mote View、SNAMP開發軟件。二、課程內容傳感器網絡的仿真平臺，TOSSIM平臺的仿真和調試，OMNeT++模擬特點，MATLAB、OPNET、NS的仿真步驟；傳感器網絡的工程測試床Motelab和SensoNet；網絡結點的模塊化設計要求和要解決的問題；操作系統的設計要求，嵌入式操作系統的概念及特點，TinyOS操作系統的安裝和創建；傳感器網絡軟件開發的特點和要求，了解Mote View、SNAMP開發軟件。三、考核知識點與考核要求1、仿真平臺和工程測試床識記：1）計算機網絡的3種研究與設計方法；2）網絡仿真技術的特點；3）OMNeT++仿真軟件基本知識；4）了解Motelab和SensoNet工程測試床。領會：1）TOSSIM體系結構，仿真模擬過程；2）MATLAB、OPNET、NS仿真軟件的建模方式，仿真步驟。應用：1）網絡仿真的軟件體系結構框圖；2）gdb調試程序代碼命令。2、網絡節點的硬件開發識記：1）設計網絡硬件結點需要考慮的5個問題；2）傳感器結點5大模塊設計，各模塊設計需要考慮的問題；領會：1）Mica系列結點開發；應用：1）MTS300CA傳感器板的磁阻傳感器電路設計框圖。3、操作系統和軟件開發識記：1）操作系統、嵌入式系統、嵌入式操作系統的基本概念；2）傳感器網絡軟件開發的5大特點，軟件系統的分層結構；3）結點應用框架的組件；4）傳感器網絡軟件編程的3種常見模式；5）后臺管理軟件的組成框圖。領會：1）TinyOS操作系統的安裝，特點，基于TinyOS的應用程序結構、運行機理、編譯連接過程。應用：1）Blink程序的結構；2）Main配件和TimerC配件的結構框圖和實現細節代碼；3）BlinkM模塊功能及代碼；4）網絡應用框架的組件結構。四、本章重點、難點重點：傳感器網絡的仿真平臺，OMNeT++模擬特點，MATLAB、OPNET、NS的仿真步驟；傳感器網絡的工程測試床Motelab和SensoNet；操作系統的設計要求，嵌入式操作系統的概念及特點，TinyOS操作系統的安裝和創建；了解Mote View、SNAMP開發軟件。難點：掌握TOSSIM平臺的仿真和調試；掌握網絡結點的模塊化設計要求和要解決的問題；傳感器網絡軟件開發的特點和要求。第六章 傳感器網絡協議的技術標準一、學習目的與要求了解傳感器網絡已有的技術標準，分布式測控系統的結構；掌握IEEE 802.15.4通信協議的概念，以及其物理層、MAC層技術構架；理解ZigBee協議棧的組成，ZigBee的技術特點；掌握ZigBee網絡層提供的兩種服務，以及其設計開發過程。二、課程內容傳感器網絡已有的技術標準，分布式測控系統的結構，IEEE 1451系列標準的發展歷程和發展動向；IEEE 802.15.4通信協議的概念，以及其物理層、MAC層技術構架；ZigBee協議棧的組成，ZigBee的技術特點，其網絡層提供的兩種服務，以及其設計開發過程。三、考核知識點與考核要求1、IEEE 1451系列標準識記：1）制定IEEE 1451標準的背景及目的；2）IEEE 1451.1標準的智能變送器模型；3）IEEE 1451定義的內容；應用：1）分布式測控系統的結構示例；2）IEEE 1451標準的組成結構。2、IEEE 802.15.4標準識記：1）IEEE 802.15.4標準的內容；2）IEEE 802.15.4標準物理層主要負責的6個任務；3）物理層數據服務接入點原語；4）MAC層的7個主要任務；5）MAC層提供的2種服務；6）MAC層的通用幀結構。應用：1）IEEE 802.15.4標準的物理層參考模型；2）IEEE 802.15.4標準的MAC層組件接口模型及物理層幀結構；3）命令幀和關鍵幀的發送流程圖；4）數據型數據幀、返回型數據幀的組成。3、ZigBee協議標準識記：1）ZigBee協議標準的特點及內容；2）ZigBee協議標準構架，每層的組成及作用；3）ZigBee協議的9個技術特點；4）ZigBee協議標準網絡層規范，幀結構；5）ZigBee協議棧的分類。四、本章重點、難點重點：了解傳感器網絡已有的技術標準，分布式測控系統的結構；理解ZigBee協議棧的組成，ZigBee的技術特點；難點：掌握IEEE 802.15.4通信協議的概念，以及其物理層、MAC層技術構架；掌握ZigBee網絡層提供的兩種服務，以及其設計開發過程。第七章 傳感器網絡技術的軍事應用本章不作要求第八章 無線傳感器網絡實驗本章不作要求Ⅳ 關于大綱的說明與考核實施要求一、自學考試大綱的目的和作用（共性部分）課程自學考試大綱是根據專業自學考試計劃的要求，結合自學考試的特點而確定。其目的是對個人自學、社會助學和課程考試命題進行指導和規定。課程自學考試大綱明確了課程學習的內容以及深廣度，規定了課程自學考試的范圍和標準。因此，它是編寫自學考試教材和輔導書的依據，是社會助學組織進行自學輔導的依據，是自學者學習教材、掌握課程內容知識范圍和程度的依據，也是進行自學考試命題的依據。二、課程自學考試大綱與教材的關系（共性部分）課程自學考試大綱是進行學習和考核的依據，教材是學習掌握課程知識的基本內容與范圍，教材的內容是大綱所規定的課程知識和內容的擴展與發揮。課程內容在教材中可以體現一定的深度或難度，但在大綱中對考核的要求一定要適當。大綱與教材所體現的課程內容應基本一致；大綱里面的課程內容和考核知識點，教材里一般也要有。反過來教材里有的內容，大綱里就不一定體現。（注：如果教材是推薦選用的，其中有的內容與大綱要求不一致的地方，應以大綱規定為準。）三、關于自學教材《無線傳感器網絡簡明教程》，崔遜學、左從菊編著，清華大學出版社，2009年。附錄 題型舉例一、選擇題如：協議同時具有按需路由、表路由的特點。A. DSR B. OSPF C. DSDV D. AODV二、填空題如：為了減少能量消耗，結點要盡量處于狀態。三、名詞解釋如：S-mac四、簡答題如：簡述路由選擇的主要功能。五、問答題或論述題如：無線通信的能量與距離的關系是什么？它反映出傳感網數據傳輸的特點有哪些？