1、1高纲 1541江苏省高等教育自学考试大纲12573 无线传感网技术南京信息工程大学编江苏省高等教育自学考试委员会办公室2 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
2、、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
3、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
4、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。 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3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（）：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
5、求，进行正确的表述和选择。领会（）：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（）：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（）：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。 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
6、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
7、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。4四、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
8、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
9、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。5二、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
10、。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
11、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4.1.4 WSN 的 MAC 协议设计策略4.2 WSN 的 MAC 协议分类64.3 MAC 协议分析比较4.3.1 MAC 协议分析
12、4.3.2 MAC 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
13、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
14、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7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。3. 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；Ad hoc 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
15、点在于理解拓扑模型和 LEACH 类算法的设计过程和优缺点。第六章 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 W
16、SN 定位系统和算法6.4.1 Active Badge 定位系统6.4.2 Active Office6.4.3 Cricket 定位系统6.4.4 APIT6.4.5 AHLos6.4.6 SPA 相对定位86.4.7 APS6.5 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
17、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：Active Badge 定位系统；Active Office；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
18、。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。第七章 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97.2 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
19、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；Ad hoc 网络设计算法； CLUSTERPOW。应用：采用簇结构的
20、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。第八章 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 IEEE 802.15.4 标准概述，掌握 IEEE 802.15.4 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9.1.1 IEEE 802.15.4 标准概述9.1.2 IEEE 802.15.4 网络简介
21、9.2 IEEE 802.15.4 协议9.2.1 工业无线通信协议9.2.2 IEEE 802.15.4 网络协议栈9.3 ZigBee 协议标准109.3.1 ZigBee 是什么9.3.2 ZigBee 标准概要9.3.3 ZigBee 技术优势9.3.4 ZigBee 协议栈9.3.5 ZigBee 协议的消息格式及帧格式9.3.6 ZigBee 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：IEEE 802.15.4 标准概述；IEEE 802.15.4 拓扑结构；IEEE 802.15.4 拓扑形成过程。2. IEEE 802.15.4 协议识记：IEE
22、E802.11 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； IEEE 802.15.4 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 IEEE 802.15.4 标准和 ZigBee 协议标准，难点在于理解IEEE 802.15.4 网络协议栈的物理层、MAC 子层。第十章 ZigBee 硬件平台一
23、、学习目的与要求通过本章学习，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 IEEE 802.15.4 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。二、课程内容10.1 ZigBee 无线 SoC 片上系统 CC2430/CC2431 概述10.2 CC2430/CC2431 芯片主要特点10.3 CC2430/CC2431 芯片功能结构10.4 SoC 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10.5 CC2410/CC2431 主要外部设备10.5.1 I/O 端口10.5.2 DMA 控制器
