课程概述

本课程是物联网工程专业的专业基础课程，也可作为电子信息类专业的选修课。通过本课程的学习，培养学生的创新意识，使学生了解无线传感器网络的最新发展和最新技术动态，使他们具备分析问题、解决问题、构建无线传感器网络的能力，为后续项目开发奠定坚实基础。

证书要求

平时成绩×20% +实验（实践）成绩×20%+期末考试成绩×60%。

预备知识

1. 单片机及嵌入式系统原理；

2. C语言；

3. 计算机网络；

4. 无线通信或通信原理。


授课大纲

第一章 无线传感器网络及传感器简介

主要内容：（1）无线传感器网络结构，包括：无线传感器网络的定义、产生的背景、设计挑战因素，并举例讲解无线传感器网络的应用范畴，如：无线传感器网络在结构安全监测、交通控制、医疗保健、精细农业、火山活动监测、地下采矿安全等领域中的应用；（2）无线传感器网络的传感器节点架构，包括：无线传感器节点硬件设计架构、传感子系统、处理器子系统、通信接口、原型机示例；（3）无线传感器网络的传感器节点所用软件操作系统特性，包括：操作系统的功能需求、分离关注点、系统开销、可移植性、动态重编程，并简要介绍典型的无线传感器网络操作系统TinyOS。

1.1 无线传感器网络结构

1.2 传感器节点架构

1.3 传感器操作系统特性及TinyOS系统原型

第二章  无线传感器网络物理层

主要内容：（1）无线传感器网络物理层基本组成部分，包括：发射机、传输信道、接收机，并讲解数字通信系统的组成结构；（2）信源编码，包括：信源编码的目的、基本方法、输入输出关系，并举例讲解信源编码器的效率的计算方法；（3）信道编码，包括：信道容量公式、信道类型、信道的信息传输数学表达；（4）调制，包括：常用调制类型的基本原理、调制效率；（5）无线信道信号传播，包括：无线传感器网络常用的无线波段、加性高斯白噪声信道模型、发送端功率与接收端功率的关系及影响因素、传输损耗的计算。

2.1 无线传感器网络物理层的信源编码

2.2 无线信道信号传播

第三章  无线传感器网络媒质接入层

主要内容：（1）无线传感器网络媒质接入层基本概念和分类等；（2）无线网络媒质接入层基础协议：CSMA、IEEE 802.11及Zigbee；（3）无线传感器网络媒质接入层协议（MAC协议）设计目标；（4）LEACH协议；（5）S-MAC协议；（6）Z-MAC协议。

3.1 MAC协议概述

3.2 CSMA技术基本原理

3.3 IEEE 802.11技术基本原理

3.4 Zigbee技术基本原理

3.5 无线传感器网络MAC协议设计目标

3.6 LEACH协议工作原理

3.7 S-MAC协议工作原理

3.8 Z-MAC协议工作原理

第四章 无线传感器网络网络层

主要内容：（1）网络层功能概述；（2）网络层路由协议的分类及路由评价指标；（3）洪泛和闲聊机制，以及基于协商的传感网信息传播协议（SPIN）；（4）主动式路由协议的基本思想及目的序列距离矢量（DSDV）协议；（5）按需路由协议的基本思想及自组网络按需距离矢量（AODV）协议；（6）基于服务质量（QoS）的路由基本思想及实时通信服务路由（SPEED）协议。

4.1 路由模型与路由协议分类

4.2 路由协议性能度量指标

4.3 洪泛与SPIN路由协议

4.4 DSDV路由协议

4.5 AODV路由协议

4.6 SPEED路由协议

第五章 无线传感器网络能量管理

主要内容：（1）无线传感器网络能量管理的基本思想；（2）局部能量管理，包括：处理器子系统、通信子系统、总线、存储器、电源等子系统的能量管理；（3）动态电源管理方法，包括：动态操作模式、动态调度、任务调度；（4）动态电源管理概念架构。

第六章 无线传感器网络时间同步

主要内容：（1）无线传感器网络时钟与同步问题概述、必要性及挑战因素；（2）同步消息和通信延时的不确定性；（3）无线传感器网络时间同步协议概述、基于全球时间源（GPS）的参考广播机制、基于树的轻量级同步（LTS）协议；（4）传感器网络的时间同步协议（TPSN）。

6.1 时钟偏移与同步问题

6.2 时间同步的必要性与挑战

6.3 同步消息

6.4 LTS同步协议

6.5 TPSN同步协议

第七章 无线传感器网络节点定位

主要内容：（1）无线传感器网络中的定位问题概述、测距技术和基于距离的定位方法，以及基于GPS的定位；（2）不需要测距的定位算法基本思想及Ad Hoc定位系统（APS）；（3）事件驱动定位及灯塔定位法。

7.1 常用测距技术

7.2 三角测量法与三边测量法基本原理

7.3 Ad Hoc定位系统基本原理

7.4 灯塔定位法

第八章  无线传感器网络安全问题及编程实现

主要内容：（1）网络安全基本原理，包括：CIA安全模型、身份认证、密码学；（2）无线传感器网络中的安全挑战，包括：资源限制、分布式控制、传感器节点位置不确定性、无线通信易出错性；（3）无线传感器网络中的安全攻击方式，包括：拒绝服务、路由攻击、传输层攻击、数据汇聚攻击、隐私攻击；（4）安全协议和机制，包括：密钥管理、对称密钥和公钥加密、Zigbee协议的安全机制；（5）无线传感器网络编程的特点；（6）以节点为中心的编程方法；（7）无线传感器网络仿真器。

8.1 CIA安全模型及WSN安全问题概述

8.2 以节点为中心的编程与网络仿真器


参考资料

1. 《无线传感器网络基础：原理与实践》，美 胡飞，曹小军等著，牛晓光 等译，机械工业出版社，2015年1月 

2. 《Fundamentals of Wireless Sensor Networks: Theory and Practice》，Waltenegus Dargie, Christian Poellabauer，Wiley, 2014.8(International Edition) / 2010.9 

3. 《物联网与无线传感网络》， 刘伟荣  电子工业出版社，2013年1月