12573 無線傳感器網技術（高綱1837）

高綱1837江蘇省高等教育自學考試大綱12573無線傳感網技術南京信息工程大學編（2020年）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、課程性質和特點本課程是針對物聯網工程專業開設的專業必修課，#是為從事科學研究、理論研究、工程實踐提供基本知識儲備和基本訓練的基礎理論性課程。無線傳感器網是近年來發展最為活躍的技術之一，它與通信技術和計算機技術共同構成新一代信息技術的三大支柱，被認為是對21世紀會產生巨大影響力的技術之一。無線傳感網技術也是涉及多學科高度交叉的、知識高度集成的前沿熱點研究領域。課程具有典型的跨學科特點，涉及網絡、通信、電子、自動化、計算機等不同領域的相關技術，包括納米與微電子技術、新型微型傳感器技術、微機電系統MEMS技術、片上系統SoC技術、移動互聯網MI技術、微功耗嵌入式技術、大數據處理等。#通過對無線傳感網體系結構和應用等內容的介紹，課程旨在闡述無線傳感器網絡的基本原理。課程的主要任務是讓學生加深對無線傳感器網絡的理解,為未來從事有關無線傳感網絡及物聯網的應用開發打下基礎。本課程的另一個任務是#一方面培養學生對本學科理論研究的興趣，讓學生能夠對基于無線傳感網的物聯網應用關鍵技術有進一步的理解，并獲得更多實踐的體會。最后，本課程的學習目的還包括加深物聯網工程專業的學生對本專業基本理論的理解及#科學解決本專業相關問題的能力。通過本課程的學習，學生可以了解無線傳感器網絡的基本組成、關鍵技術、體系結構、應用領域、發展趨勢、研究熱點等相關知識，掌握無線傳感網絡的拓撲控制、覆蓋控制、路由協議、節點定義、操作系統、安全策略、遠程傳輸等方面的技術，學會利用特定的操作系統進行無線傳感網絡的科學研究和在特定的協議棧上進行基于ZigBee芯片的各種無線傳感網絡應用開發。二、課程目標本課程主要培養學生學習和掌握傳感網基本原理和思想、發展歷程、發展趨勢、核心內容、典型應用和應用熱點。同時，培養學生基本的工程、科研思路、綜合運用理論知識的能力與實踐動手的能力，培養學生對無線網絡領域的進一步學習、研究的興趣，培養學生嚴謹的治學、研究、工作作風，為今后的再學習、研究或工作打下良好的基礎。作為物聯網工程專業的專業主干課，本課程要求學生掌握無線傳感器網絡領域的關鍵技術和應用。針對當前物聯網工程應用的需要，以物聯網感知層為主要學習內容，領會無線傳感器網絡各個研究領域的技術和應用。掌握基本概念和理論，熟悉無線傳感器網絡發展與應用，領會無線傳感器網絡的主要特點與關鍵技術；掌握ZigBee、6LoWPAN、藍牙、WiFi等短距離無線通信技術與標準，領會無線傳感器網絡拓撲控制技術、覆蓋技術、節點定位技術，掌握無線傳感器網絡中的重要路由協議，熟悉無線傳感器網絡操作系統，了解無線傳感器網絡安全策略，無線傳感器網絡遠程傳輸技術；領會無線傳感器網絡應用設計原則及設計方案。通過以下內容的學習，使學生既能夠掌握無線傳感器網絡的基本概念和工作原理等基礎知識，又能夠了解前沿技術和熱點研究內容。具體目標主要包括：（1）熟悉無線傳感器網絡的體系結構和網絡管理技術；（2）掌握ZigBee、6LoWPAN、藍牙、WiFi等短距離無線通信技術與標準；（3）掌握無線傳感器網絡中的物理層協議、MAC協議以及無線網絡協議IEEE802.15.4等通信協議；（4）了解無線傳感器網絡的節點定位技術；（5）領會無線傳感器網絡拓撲控制技術、覆蓋技術；（6）熟練掌握無線傳感器網絡中的重要路由協議；（7）掌握典型的無線傳感器網絡操作系統；（8）了解無線傳感器網絡安全策略；（9）熟悉無線傳感器網絡遠程傳輸技術；（10）領會無線傳感器網絡應用設計原則及設計方案。三、與相關課程的聯系與區別《無線傳感器網技術》是江蘇省高等教育自學考試物聯網工程專業（本科段）必修的專業課程，與物聯網工程專業的許多其他課程有著密切的關系。《物聯網工程導論》、《數據通信基礎》、《傳感器技術與應用》、《寬帶IP網絡》、《物聯網信息安全技術》等課程是本課程的基礎。四、課程的重點和難點本課程內容較多，專業知識繁復，各種理論技術之間的所屬關系不容易把握，因此需要首先理清課程章節內容之間的關系。從總體看，課程分為以下六大部分，第一部分是課程概述，第二部分是體系結構，第三部分是物理層和鏈路層協議，第四部分是尋址、同步和定位協議，第五部分是網絡層和路由協議，第六部分是無線傳感網的構建和應用實現。本課程的重點之一是短距離無線通信技術，包括ZigBee，6LoWPAN、藍牙、WiFi、RFID等短距離無線通信技術與標準。本課程的重點之二是無線傳感器網絡中的物理層協議、MAC協議以及無線網絡協議IEEE802.15.4等通信協議，包括拓撲控制、覆蓋控制、節點定位等，涉及到基本結構、原理、模型、算法等。本課程的重點之三是無線傳感器網絡中的重要路由協議。包括無線傳感網路由設計的原則、路由協議分類，以數據為中心的平面路由，基于查詢的路由、基于能量感知的路由、基于地理位置的路由、基于分簇的路由、基于QoS的路由，熟悉不同分類路由策略的思路和優缺點，應用情況等。本課程的重點之四是典型無線傳感網絡操作系統，包括TinyOS操作系統，SOS操作系統和Z-Stack架構。尤其是TinyOS操作系統需要重點掌握，對Z-Stack和TinyOS之間的關系和應用情況要有清晰的認識。本課程的難點是物理層、MAC層和網絡層關鍵技術，包括無線傳感網絡拓撲控制、覆蓋控制、節點定位和路由協議。對拓撲結構及典型的拓撲控制策略，節點部署方式和覆蓋分類，典型的覆蓋控制算法，無線傳感網定位原理、定位方法分類、技術指標及典型的定位方法，無線傳感網絡路由協議中，以數據為中心的平面路由，基于能量感知的路由，基于地理位置的路由，基于分簇的路由都是課程難點，對其基本思路和工作過程要重點把握。Ⅱ 考核目標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。四個能力層次是遞進關系，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無線傳感網技術的相關名詞、概念、知識的含義，并能夠根據考核的不同要求，進行正確的表述和選擇。領會（Ⅱ）：要求考生能夠領悟和理解本課程中有關無線傳感網的概念、理論和方法技巧的內涵及外延，能夠鑒別關于概念和特性的似是而非的說法，理解無線傳感網相關知識的區別和聯系，能根據考核的不同要求對無線傳感網技術相關知識進行論證，做出正確的解釋和說明。此外；并能根據考核的不同要求分析各種不同領域或背景下所使用的感知傳輸和處理技術。簡單應用（Ⅲ）：要求考生能夠根據已知的無線傳感網的一個應用需求或應用背景，提出可以采用的感知、傳輸、處理技術，比如短距離無線通信技術、遠程傳輸技術、定位技術、拓撲控制技術、網絡覆蓋控制技術、路由技術、安全策略等。能夠分析和解決有關無線傳感網技術理論問題和實際問題，并得出正確的結論。綜合應用（Ⅳ）：要求考生能夠根據已知的無線傳感網技術多個知識點，分析和解決有關的無線傳感網理論問題和實際問題，并得出解決問題的綜合方案。對無線傳感網的相關應用具有一定的分析和設計能力，在相關產品的組成結構、功能特點及數據感知、傳輸、處理技術方面具有一些基本的見解。Ⅲ 課程內容與考核要求第一章 緒論一、學習目的與要求通過本章學習，要求了解無線網絡以及無線傳感網絡的基本知識，理解無線傳感器網絡的發展脈絡及其與其他交叉學科的關系，掌握無線傳感網絡的關鍵技術和應用領域，了解無線傳感網與物聯網的區別和聯系，理解無線傳感網絡的典型應用及其原理。二、課程內容（考試內容）1.1無線傳感網絡概述1.1.1無線網絡及其分類1.1.2基本概念1.1.3節點類型1.1.4感知節點功能單元1.1.5 體系結構1.2無線傳感網絡的發展與應用1.2.1發展歷程與方向1.2.2典型應用舉例1.3無線傳感網絡的主要特點與關鍵技術1.3.1主要特點1.3.2關鍵技術1.4無線傳感網與物聯網1.4.1物聯網概述1.4.2無線傳感網與物聯網三、考核知識點與考核要求識記：無線傳感網絡概述，包括無線網絡及其分類、基本概念、節點類型、感知節點功能單元，體系結構；物聯網概述，無線傳感網與物聯網。領會：無線傳感網絡的發展，包括發展歷程與方向；無線傳感網絡的主要特點與關鍵技術。簡單應用：無線傳感網絡的典型應用。四、本章關鍵問題重點：無線傳感網的基本概念；無線傳感網各個組成部分及其原理；無線傳感網體系結構；無線傳感網的典型應用舉例，要求能夠對這些應用案例進行分析，掌握其構成，工作原理和工作過程。第二章短距離無線通信技術與標準一、學習目的與要求通過本章學習，要求了解當前比較流行的各種短距離無線通信技術與標準，掌握這些技術和標準的基本原理、關鍵技術和實現方法，了解和掌握不同短距離無線通信技術與標準各自的適用領域以及發展趨勢等方面的內容。二、課程內容（考試內容）2.1ZigBee2.1.1 ZigBee的性能特點2.1.2 ZigBee的體系結構2.1.3 ZigBee的工作過程2.2 6LoWPAN2.2.1 6LoWPAN的基本特點2.2.2 6LoWPAN的體系結構2.2.3 6LoWPAN的主要功能2.2.4 6LoWPAN的幀格式2.3 藍牙2.3.1 藍牙的性能特點2.3.2 藍牙的體系結構2.3.3 藍牙的功能單元2.3.4 藍牙的通信過程2.4 Wi-Fi2.4.1 Wi-Fi的性能特點2.4.2 Wi-Fi的主要技術2.4.3 Wi-Fi的功能單元2.4.4 Wi-Fi的拓撲結構2.5 其他短距離無線通信技術與標準2.5.1 ISA100.11a2.5.2 WirelessHART2.5.3 WIA-PA2.5.4 Z-Wave2.5.5 RFID2.5.6 NFC2.5.7 UWB三、考核知識點與考核要求識記：各類短距離無線通信技術的基本知識，性能特點和體系結構，包括ZigBee、6LoWPAN、藍牙、Wi-Fi、ISA100.11a、WirelessHART、WIA-PA、Z-Wave、RFID、NFC、UWB領會：ZigBee的工作過程，6LoWPAN的主要功能和幀格式，藍牙的功能單元和通信過程，Wi-Fi的功能單元和拓撲結構，RFID的工作原理、組成單元和未來發展趨勢，其他短距離無線通信技術。四、本章關鍵問題重點：各類短距離無線通信技術的基本知識，性能特點和體系結構，ZigBee的工作過程，藍牙的功能單元和通信過程，Wi-Fi的功能單元和拓撲結構，RFID的工作原理。第三章無線傳感網絡拓撲控制一、學習目的與要求通過本章學習，要求了解無線傳感網絡拓撲控制的任務和目標，了解無線傳感網絡拓撲結構形式，掌握各種拓撲控制方法。二、課程內容（考試內容）3.1拓撲控制的主要任務和目標3.2 無線傳感網絡拓撲結構形式3.2.1 平面網絡結構3.2.2 層次網絡結構3.2.3 混合網絡結構3.2.4 Mesh網絡結構3.3 基于能量均衡的拓撲結構3.3.1 基于統一功率分配的控制方法3.3.2 基于節點度數的控制方法3.3.3 基于鄰近圖的拓撲控制3.4 基于分簇的拓撲控制3.4.1 LEACH算法3.4.2 HEED算法3.4.3 TopDisc算法3.4.4 GAF算法3.4.5 ASCENT算法三、考核知識點與考核要求識記：無線傳感網絡拓撲結構形式，包括平面網絡結構、層次網絡結構、混合網絡結構、Mesh網絡結構。領會：拓撲控制的主要任務和目標；基于能量均衡的拓撲結構，包括基于統一功率分配的控制方法、基于節點度數的控制方法、基于鄰近圖的拓撲控制、基于鄰近圖的拓撲控制；基于分簇的拓撲控制，包括LEACH算法、HEED算法、TopDisc算法、GAF算法、ASCENT算法。各類算法的基本原理以及主要的工作流程。四、本章關鍵問題重點：四種無線傳感網絡拓撲結構形式，基于分簇的拓撲控制方法中的LEACH算法。第四章 無線傳感網絡覆蓋控制一、學習目的與要求覆蓋控制技術是關乎無線傳感網絡監測效能的另外一個支撐性和基礎性的技術。無線傳感網絡要想對指定區域進行全面的監測，必須研究覆蓋控制。首先要使網絡中的感知節點對被監測區域進行有效覆蓋，不要形成覆蓋盲區或死區，造成部分區域的監測無法進行。另外一個方面要研究了解被監測區域及目標的分布情況，對傳感器節點的部署進行規劃，保證網絡對被監測區域的全覆蓋或者滿足要求概率的覆蓋，無線傳感網絡中融入高效的覆蓋控制后，不但可以在更大范圍內更精確地對目標進行探測、跟蹤，還可以顯著節約網絡的能量消耗，延長網絡的生存時間。通過本章學習，要求掌握無線傳感網絡覆蓋控制的概念、評價指標、節點部署方式和感知模型等知識，了解主要的覆蓋控制類型，進而掌握幾種典型的覆蓋控制算法及其實現。二、課程內容（考試內容）4.1覆蓋控制的主要內容4.2 覆蓋控制的概念和指標4.2.1 基本概念4.2.2 算法的評價指標4.3 節點部署方式和感知模型4.3.1 節點部署方式4.4 覆蓋分類4.5 典型的覆蓋控制算法4.5.1 基于網格的覆蓋控制4.5.2 基于圓周的覆蓋控制4.5.3 基于連通傳感器的覆蓋控制4.5.4 基于輪換活躍/休眠的覆蓋控制三、考核知識點與考核要求識記：覆蓋控制的概念和算法的評價指標。領會：覆蓋控制的主要內容，節點部署方式，覆蓋分類。簡單應用：典型的覆蓋控制算法，包括基于網格的覆蓋控制、基于圓周的覆蓋控制、基于連通傳感器的覆蓋控制、基于輪換活躍/休眠的覆蓋控制。四、本章關鍵問題重點：覆蓋控制的概念和算法的評價指標，覆蓋控制的主要內容，節點部署方式。第五章 無線傳感網絡節點定位一、學習目的與要求無線傳感網絡中節點感知工作的基礎是能夠對其進行定位。無線傳感網絡中的節點定位主要是指對位置信息未知的移動節點或者靜止節點進行一個相對位置或者絕對位置的標定與獲知，基本方法是根據少數已知位置的節點，按照某種算法計算出自身位置信息的過程。確定節點的位置在無線傳感網絡中有兩層含義，一層是確定自己在系統中的位置信息，另外一層就是確定目標在系統中的位置信息。根據這兩層含義，本章的節點定位分為兩種，一種是節點自身定位，一種是目標定位。通過本章學習，要求掌握無線傳感網絡應用中節點定位的基本概念和原理，掌握當前節點定位的幾種常用實現方法。二、課程內容（考試內容）5.1概述5.2 定位原理與基本術語5.3 方法分類5.4 技術指標5.5 基于測距的定位方法5.5.1 測距階段5.5.2 定位階段5.6 與距離無關的定位方法5.6.1 質心定位5.6.2 DV-Hop定位5.6.3 Amorphous定位5.6.4 APIT定位5.6.5 凸規劃定位5.6.5 MAP定位三、考核知識點與考核要求識記：定位原理與基本術語，節點定位計算指標。領會：無線傳感網絡節點定位的概念，特性，定位方法分類。簡單應用：基于測距的定位方法，包括測距階段、定位階段；與距離無關的定位方法，包括質心定位、DV-Hop定位、Amorphous定位、APIT定位、凸規劃定位、MAP定位。四、本章關鍵問題重點：定位原理與基本術語，節點定位計算指標。第六章 無線傳感網絡路由協議一、學習目的與要求在無線傳感網技術的研究和應用中，路由協議占有很重要的位置，因為它直接決定了整個網絡運行效率的高低和執行性能的優劣。因此，本章在課程中占有重要地位，需要重點把握。路由協議的作用就是尋找一條或者多條滿足一定條件的、從源節點到目的節點的路徑，將數據分組沿著尋找的路徑轉發。因此路由協議的功能主要有兩個方面：一方面是尋找滿足條件的從源節點到目的節點的優化路徑；另外一方面就是將數據分組沿著優化路徑正確轉發。考慮到無線傳感網絡中節點的電源續航能力、數據處理能力、數據存儲能力以及通信帶寬都極為有限，而且無線傳感網絡通常由大量密集的傳感節點構成，決定了無線傳感網絡協議棧各層的設計都必須以能源有效性為首要的設計要素，包括路由協議。通過本章學習，要求理解無線傳感網絡路由的基本設計原則，掌握常用的幾種路由協議及其適用領域。二、課程內容（考試內容）6.1路由設計原則6.2 路由協議分類6.3 以數據為中心的平面路由6.3.1 Flooding路由6.3.2 Gossiping路由6.3.3 SPIN路由6.4 基于查詢的路由6.4.1 DD路由6.4.2 Rumor謠傳路由6.5 基于能量感知的路由6.5.1 EA路由6.5.2 MPEA路由6.5.3 能量感知路由的改進6.6 基于地理位置的路由6.6.1 GPSR路由6.6.2 GAF路由6.6.3 GEAR路由6.6.4 GEM路由6.7 基于分簇的路由6.7.1 LEACH路由6.7.2 TEEN路由6.7.3 PEGASIS路由6.7.4 TTDD路由6.8 基于QoS路由6.8.1 SAR路由6.8.2 SPEED路由三、考核知識點與考核要求領會：路由設計原則，路由協議分類；簡單應用：以數據為中心的平面路由，包括Flooding路由、Gossiping路由、SPIN路由；基于查詢的路由，包括DD路由和Rumor謠傳路由；基于能量感知的路由，包括EA路由和MPEA路由、能量感知路由的改進；基于地理位置的路由，包括GPSR路由、GAF路由、GEAR路由、GEM路由；基于分簇的路由，包括LEACH路由、TEEN路由、 PEGASIS路由、TTDD路由；基于QoS路由，包括SAR路由、SPEED路由。以上各類路由的路由策略、基本原理、工作過程及優缺點。四、本章關鍵問題重點：本章的重點是各類路由協議的基本策略，工作原理及優缺點。重點之一是以數據為中心的路由，重點二是基于地理位置的路由，重點三是基于能量感知的路由，重點四是基于QoS的路由，重點五是基于分簇的路由中的Leach協議。第七章 無線傳感網絡操作系統一、學習目的與要求隨著無線傳感網絡的深入研究與發展，越來越多的應用需要無線傳感網絡操作系統支持。一方面在硬件上直接設計應用程序會使得面向無線傳感網絡的應用開發難度加大，應用開發時硬件無法直接像傳統操作系統那樣提供豐富的服務，而且軟件的可重用性比較差，編程時無法繼承已有的軟件成果，降低了開發效率，延長了開發時間，增加了開發成本。另一方面將現有的嵌入式操作系統直接用于無線傳感網絡也不合適，因為其面向嵌入式領域更復雜的應用，功能也更復雜，很難在無線傳感網特殊的硬件配置上高效運行。目前有很多適合無線傳感網絡的操作系統出現，有的才有單獨的編程語言開發，有的直接用C語言開發。通過本章學習，要求了解TinyOS、Contiki、MantisOS、SOS等幾種典型無線傳感網絡操作系統的思想和用法，理解采用操作系統思想設計的Z-Stack協議棧的基本原理和工作流程，為無線傳感網絡的節點設計和部署打下基礎。二、課程內容（考試內容）7.1TinyOS操作系統7.1.1 TinyOS的框架結構7.1.2 TinyOS的硬件平臺抽象7.1.3 TinyOS的調度機制7.1.4 nesC語言7.2 Contiki操作系統7.2.1 Contiki的功能特點7.3 MantisOS操作系統7.3.1 MantisOS的體系結構7.3.2 MantisOS的設計舉例7.4 SOS操作系統7.4.1SOS的體系結構7.4.2 SOS的功能特點7.5 Z-Stack7.5.1Z-Stack的體系結構三、考核知識點與考核要求領會：TinyOS操作系統基礎知識，TinyOS的框架結構，TinyOS的硬件平臺抽象，TinyOS的調度機制；Contiki操作系統基礎知識，Contiki的功能特點；MantisOS操作系統基礎知識，MantisOS的體系結構；SOS操作系統基礎知識，SOS的體系結構，SOS的功能特點；Z-Stack基礎知識，Z-Stack的體系結構。簡單應用：nesC語言，MantisOS的設計舉例。四、本章關鍵問題重點：掌握最典型的無線傳感網絡操作系統TinyOS，包括其框架結構、硬件抽象平臺、調度機制。第八章 無線傳感網絡安全策略一、學習目的與要求無線傳感網絡中的安全性是一個不可忽視的問題。在一些商業性以及軍事應用的場合中，采集到的隱私數據、隱私數據的傳輸過程、節點的分布等都不能泄露給無關人員或未得到授權的用戶。無線傳感網絡自身能量、帶寬、處理和存儲能力的限制，使得網絡很容易受到各種安全威脅，給攻擊者提供了一定的便利。通過本章學習，要求了解無線傳感網絡的安全特性、攻擊與威脅來源、密鑰管理、認證管理、安全防護等。二、課程內容（考試內容）8.1無線傳感網絡的安全要求8.1.1 安全現狀分類8.1.2 安全需求8.1.3 安全目標8.2 攻擊類型8.3 安全威脅8.4 安全策略8.4.1 加密算法的選擇8.4.2 密鑰管理8.4.3 安全認證三、考核知識點與考核要求識記：無線傳感網絡的安全要求，包括安全現狀分類、安全需求、安全目標。攻擊類型領會：安全威脅。簡單應用：安全策略，包括加密算法的選擇原則、常見加密算法的基礎知識，密鑰管理方案、安全認證過程及方法。四、本章關鍵問題重點：無線傳感網絡的安全要求、攻擊類型、安全威脅、安全認證過程及方法。第九章 無線傳感網絡遠程傳輸一、學習目的與要求無線傳感網絡工作時，需要通過傳輸網絡將現場傳感器采集的物理量信息傳送到監控中心，監控中心與采集現場數據的傳感器節點距離可能很遠，需要各種遠程傳輸技術支持。通過本章學習，要求了解在現有條件下，有哪些方法可以用于無線傳感網絡數據的遠程傳輸，掌握不同傳輸方法的具體實現和各自的適用領域。二、課程內容（考試內容）9.1網絡傳輸9.1.1 因特網傳輸9.1.2 以太網傳輸9.1.3 無線局域網傳輸9.2 移動通信傳輸9.2.1 移動通信技術9.2.2 移動通信遠程傳輸應用舉例9.3 微波傳輸9.4 衛星傳輸9.4.1 衛星通信簡介9.4.2 北斗衛星數據傳輸9.5 光纖傳輸9.5.1 光纖通信原理9.5.2 光纖通信應用舉例三、考核知識點與考核要求領會：以太網傳輸、移動通信技術、微波傳輸、衛星通信簡介、光纖通信原理。簡單應用：各種遠程傳輸應用及其案例，其結構、基本原理和工作過程，包括因特網傳輸、無線局域網傳輸、移動通信遠程傳輸應用、北斗衛星數據傳輸、光纖通信應用。四、本章關鍵問題重點：以太網傳輸原理，移動通信技術，各種遠程傳輸應用及其案例，結構、基本原理和工作過程。第十章 無線傳感網絡應用設計一、學習目的與要求無線傳感網絡具有很強的應用相關性，在不同的應用要求下需要配套不同的網絡模型、軟件系統和硬件平臺等。通過本章學習，要求掌握在組建和部署無線傳感網絡應用的過程中關于無線傳感網絡系統的硬件設計與軟件開發的一些重要內容，包括功能單元、設計原則等。二、課程內容（考試內容）10.1 無線傳感節點的設計原則10.2 無線傳感節點的功能模塊10.3 無線傳感網絡節點設計方案三、考核知識點與考核要求領會：無線傳感節點的設計原則、無線傳感節點的功能模塊簡單應用：無線傳感網絡節點設計方案。四、本章關鍵問題重點：無線傳感節點的設計原則、無線傳感節點的功能模塊。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。本大綱與教材所體現的課程內容完全一致；大綱里面的課程內容和考核知識點在教材里都可以找到。三、關于自學教材本課程使用教材為：《無線傳感網絡》，楊博雄主編，人民郵電出版社，2015年。四、關于自學要求和自學方法的指導本大綱的課程基本要求是依據專業考試計劃和專業培養目標而確定的。課程基本要求還明確了課程的基本內容，以及對基本內容掌握的程度。基本要求中的知識點構成了課程內容的主體部分。因此，課程基本內容掌握程度、課程考核知識點是高等教育自學考試考核的主要內容。本課程共4學分根據物聯網工程專業（本科段）的要求，以及本課程的特點，考生在進行自學時應注意以下幾點：1．在學習本課程前，應仔細閱讀課程大綱的第一部分，了解課程的性質、地位和任務，熟知課程的基本要求以及與本課程有關的課程的聯系，以便以后的學習能緊緊圍繞課程的基本要求。2．在閱讀某一章教材內容前，考生應先認真閱讀大綱中關于該章的考核知識點、自學要求和考核要求，注意對各知識點的能力層次要求，以便在閱讀教材時做到心中有數，有的放矢。3．閱讀教材時，考生應根據大綱要求，要逐段細讀，逐句推敲，集中精力，吃透每個知識點，對基本概念必須深刻理解，基本原理必須牢固掌握。在閱讀中遇到個別細節問題不清楚，在不影響繼續學習的前提下，可暫時擱置。4．學完教材的每一章內容后，考生應針對考試大綱列出的關鍵問題認真復習，以便進一步理解、消化和鞏固所學知識，增強分析問題、解決問題的能力。五、應考指導1．如何學習很好的計劃和組織是你學習成功的法寶。如果考生正在接受培訓學習，一定要跟緊課程并完成作業。為了在考試中做出滿意的回答，考生必須對所學課程內容有很好的理解，如使用“行動計劃表”來監控你的學習進展。考生閱讀課本時可以做讀書筆記，可以用彩筆來標注需要重點注意的內容，如紅色代表重點、綠色代表需要深入研究的領域、黃色代表可以運用在工作之中。此外，還可以在空白處記錄相關網站與文章。2．如何考試卷面整潔非常重要。書寫工整，段落與間距合理，卷面賞心悅目有助于教師評分，教師只能為他能看懂的內容打分。回答所提出的問題要回答所問的問題，而不是回答你自己樂意回答的問題！避免超過問題的范圍。3．如何處理緊張情緒 正確處理對失敗的懼怕，要正面思考。如果可能，請教已經通過該科目考試的人，問他們一些問題。做深呼吸放松，這有助于使頭腦清醒，緩解緊張情緒。考試前合理膳食，保持旺盛精力，保持冷靜。4．如何克服心理障礙這是一個普遍存在的問題！如果你在考試中出現這種情況，可以試試下列方法：使用“線索”紙條。進入考場之前，將記憶“線索”記在紙條上。但你不能將紙條帶進考場，因此當你閱讀考卷時，一旦有了思路就快速記下。按自己的步調進行答卷。為每個考題或部分合理分配時間，并按此時間安排進行。要做到心理障礙的排除，還可以試著在考試的時候一邊瀏覽試題一邊回顧書本大綱，梳理出一個題目分布的框架，這樣你就會對答題有進一步的把握。六、對社會助學的要求1．社會助學者應根據本大綱規定的考試內容和考核目標，認真鉆研指定教材，明確本課程的特點和學習要求，對考生進行切實有效的輔導，避免考生在自學時可能出現的各種偏向，把握社會助學的正確方向。2．社會助學者應對考生進行學習方法的指導，向考生提倡“認真閱讀教材，刻苦鉆研教材，主動提出問題，依靠自己學懂”的學習方法。3．社會助學者應注意對考生自學能力的培養，使考生逐步學會獨立學習，在自學過程中善于提出問題、分析問題、做出判斷和解決問題。對考生提出的問題，社會助學者應以啟發引導為主。4．社會助學者應努力引導考生將識記、領會、簡單應用和綜合應用聯系起來，將基本知識轉化為識記工作能力，全面培養和提升考生的綜合素質。5．社會助學者應指導考生正確處理重點和一般的關系，幫助考生掌握全部考試內容和考核知識點，切勿孤立地抓重點，將考生引向猜題和押題。七、對考核內容的說明本課程要求考生學習和掌握的知識點內容都作為考核的內容。課程中各章的內容均由若干知識點組成，在自學考試中成為考核知識點。因此，課程自學考試大綱中所規定的考試內容是以分解為考核知識點的方式給出的。由于各知識點在課程中的地位、作用以及知識自身的特點不同，自學考試將對各知識點分別按四個認知（或叫能力）層次確定其考核要求。八、關于考試命題的若干規定1．本課程采用閉卷考試的方法，考試時間的長度為150分鐘。對本課程考試過程中除攜帶必要的答題用的簽字筆和橡皮外，嚴禁攜帶其他與考試無關的工具。2．本大綱各章所規定的基本要求、知識點及知識點下的知識細目，都屬于考核的內容。考試命題既要覆蓋到章，又要避免面面俱到。要注意突出課程的重點、章節重點，加大重點內容的覆蓋度。3、命題不應有超出大綱中考核知識點范圍的題，考核目標不得高于大綱中所規定的相應的最高能力層次要求。命題應著重考核考生對基本概念、基本知識和基本理論是否了解或掌握，對基本方法是否會用或熟練。不應出與基本要求不符的偏題或怪題。4、本課程在試卷中對不同能力層次要求的分數比例大致為：識記占20%，領會占30%，簡單應用占20%，綜合應用占30%。5、要合理安排試題的難易程度，試題的難度可分為：易、較易、較難和難四個等級。每份試卷中不同難度試題的分數比例一般為2:3:3:2。必須注意，試題的難易程度與能力層次有一定的聯系，但二者不是等同的概念，在各個能力層次中都存在著不同難度的試題。6、課程考試命題的主要題型一般有單項選擇題、判斷改錯題、名詞解釋題、簡答題、論述題和案例分析題。在命題工作中必須按照本課程大綱中所規定的題型命制，考試試卷使用的題型可以略少，但不能超出本課程對題型的規定。附錄 題型舉例一、單項選擇題（四個備選答案只有一個正確，將其選出，并填入題內括號中）1、每個超幀的起始為網絡協調器發出的（A）A．信標幀B． 控制幀 C．命令幀 D．請求幀2、拓撲控制研究內容包括能量分配、拓撲生成和（A） A．節點調度 B．路由選擇 C．定位 D．能量優化二、判斷改錯題1、超幀將通信時間劃分為活躍和不活躍兩個部分。（√）2、公鑰密碼體制也稱對稱密碼體制。（×） “對稱”改為“非對稱”三、名詞解釋1、k-連通答：如果至少要去掉k個節點才能使網絡不連通，就稱其為k-連通。2、TOA答：接收信號傳播時間，Time of Arrival，信號在兩個不同節點之間傳播所需的時間。四、簡答題1、簡述拓撲控制的基本策略。答：拓撲控制的基本策略就是在保證一定的網絡連通度和覆蓋度的前提下以延長網絡生命周期為主要目標，兼顧通信干擾、網絡延遲、負載均衡、簡單性、可靠性可擴展性等其他性能，從而形成優化的網絡拓撲結構。2、簡述主要的能量感知路由策略。答：(1) 最大剩余節點能量路由。(2) 最小能耗路由。(3) 最少跳數路由。(4) 最小剩余節點能量路由。五、論述題1、詳述無線傳感網絡覆蓋控制的主要內容。答：(1) 確定傳感器節點布置方法。在多數環境應用中采用確定型傳感器節點部署，在一些惡劣環境中，則采用隨機性傳感器節點部署。(2) 處理好傳感器節點和通信范圍的關系。無線傳感網絡中傳感器節點的感知范圍和通信范圍可能相同,也可能不同。傳感器節點的無線通信模塊的發射功率強，通信范圍就大。應根據傳感器節點的感知范圍和通信范圍情況選用合適的覆蓋方法。當覆蓋方法確定后,適當地調節通信范圍和感知半徑來合理、經濟地使用資源。(3) 必須同時保證覆蓋和連通的質量。無線傳感網絡覆蓋控制技術除了需要擴大網絡覆蓋范圍外，還需要確保網絡覆蓋的能效性和網絡通信連通的有效性。(4) 無線傳感網絡覆蓋控制技術應用的目標通常是最大化網絡工作壽命或最小化節點數量。(5) 根據應用的環境和各種情況，合理經濟地選用恰當的覆蓋控制算法。2、詳述無線傳感器網絡協議體系結構中每層主要負責的功能。答：(1) 物理層：主要為系統提供簡單穩定的信號調制解調和無線收發。(2) 數據鏈路層：主要負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制，協調無線媒介的訪問，盡量減少相鄰節點廣播時的沖突。(3) 網絡層：主要負責路由生成與路由選擇和路由管理。(4) 傳輸層：主要負責數據流的傳輸控制以及與因特網的連接，是保證通信服務質量的重要部分。(5) 應用層：包括一系列基于監測任務的應用層軟件，為不同的應用提供相對統一的高層接口。六、案例分析題1、下圖1所示為北斗衛星系統傳輸水情信息的水情自動測報系統。試分析其技術原理和應用特點。圖1 利用北斗衛星進行水位監測的無線傳感網絡數據傳輸答：系統的測站由傳感器(包括雨量傳感器、水位傳感器等）、遙測終端、北斗衛星終端、電源等組成，由遙測終端作為核心,完成水情信息的采集、存儲并控制北斗衛星終端完成信息的發送和指令的接收。北斗衛星測站終端是在其后端設備的控制指令下發送數據報告的，它在收到后端設備的發送數據報告指令后，直接向衛星發送信息，其信道編碼與調制方式為碼分多址(CDMA)方式，利用冗余編碼方法使得入站數量達到200站/秒，按照水利水文信息傳輸整點報的需求，以10分鐘收集全部站點數據計算，此類用戶理論上可容納12萬測站用戶，所以其信道容量極大。