无线传感器网络简明教程 教案全套 崔逊学

教案首页课程名称无线传感器网络课程类型专业核心课程使用教材无线传感器网络简明教程(第3版)出版社：清华大学出版社,2022年（教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会规划教材）学时分配总计：46学时；理论：40学时；实验：6学时；其它：0学时课程教学目的与要求本课程的教学内容涉及无线传感器网络的基本概念、网络结构、网络协议和算法、优化设计理论方法、设计基础和测试技术等，介绍传感器网络的开发、调试与应用。通过本课程的教学，帮助学生了解和熟悉无线传感器网络设计的基本思想，掌握无线传感器网络技术的基本概念和开发流程，提高解决实际问题的能力，培养学生对无线传感器网络及在行业领域应用的学习兴趣，提高学生综合素质，实现知识、能力与素质协调发展，为培养具有较强的创新精神和创新能力的高素质新型人才奠定基础。在思政融入方面，课程叙述时融会贯通传感网技术及应用的科学发展史，使学生明确执着、创新、务实与协作的科学精神；结合当下物联网系统的新工科环境，树立学生高科技发展的紧迫感和责任感。要求学生准备一本专门的作业本，根据授课内容布置相关的习题，期末考试的试题主要依来源于平时的作业题。建议学生们在课后时间里，到图书馆翻阅诸如《传感器世界》、《物联网技术》、《物联网·智慧城市》等专业杂志。通过课后阅读一些科普类的实用型专业期刊，扩大本课程学习内容涉及到的知识面，同时了解相关新技术、新产品、新方案和新应用案例，捕捉最新技术动态、行业应用和市场发展趋势。主要参考书目[1]刘云浩.物联网导论(第4版).北京:科学出版社,2022.[2]谢希仁.计算机网络(第8版).北京：电子工业出版社，2021.[3]汪涛,汪双顶.无线网络技术导论(第3版).北京：清华大学出版社，2018.[4]崔逊学,左从菊,高浩珉.物联网技术案例教程.北京：北京大学出版社，2013备注各章学时安排：第1章(4学时)；第2章(4学时)；第3章(6学时)；第4章(6学时)；第5章(6学时)；第6章(6学时)；第7章(6学时)；第8章(2学时)；第9章(6学时)《无线传感器网络》课程教案(NO：1)授课内容无线传感器网络概述（第一部分）课时安排2学时教学目的要求理解传感器网络的一些基本概念、术语含义；了解目前常见的无线传感器网络的体系结构和关键技术。教学重点难点重点：传感器网络的重要概念和术语。难点：传感器网络的体系结构。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：本课程的有关说明，包括如下内容课程介绍、相关课程、教学方法、教学目标、学习目标、学习建议和选用教材。讲课主要内容：1.1引言1.2传感器网络的体系结构1.2.1传感器网络的应用系统架构1.2.2传感器网络结点的结构1.2.3网络体系结构1.3传感器网络的特征1.3.1与现有无线网络的区别1.3.2与现场总线的区别1.3.3传感器结点的限制条件1.3.4组网特点时间安排：传感器网络的体系结构（1学时）、传感器网络的特征（1学时），结合实例采取讲解式教学，采取图片、实物相结合的方式对比讲解，激发学生的学习兴趣，并由教师进行总结和分析。提问的问题：1、本课程会在实际应用中有什么价值？2、同学们以前无线传感器网络的认识有哪些？3、以前学习的课程中有哪些知识点与传感器网络有关联？举例：1、美国在2001年发生了震惊世界的911事件，如何找到恐怖分子头目拉登成了和平世界的一道难题。由于拉登深藏在阿富汗山区，神出鬼没，极难发现他的踪迹。人们设想如果在拉登经常活动的地区大量投放各种微型探测传感器，采用无线多跳自组网方式，将发现的信息以类似接力赛的方式，传送给远在波斯湾的美国军舰。但是，这种低功率的无线多跳自组网技术，在当时是不成熟的，因而向科技界提出了应用需求，由此引发了无线传感器网络的研究热潮。2、一个典型的早期应用例子是大鸭岛海燕监测。作家高尔基笔下赞扬的海燕，现在已经成为了一种濒临灭绝的鸟类。它们特别惧怕人类的打扰，美国缅因州大鸭岛属于自然保护区，上面居住栖息着很多海燕。2002年英特尔研究人员传感器放置在海燕鸟巢附近，获取海燕生活环境的数据。他们使用的传感器包括光、湿度、气压、红外、图像等，通过无线自组网，将数据经卫星传输到加州的服务器，实现了对敏感野生动物的无人干扰监测。理论讲解课堂提问穿插播放国外无线传感器网络介绍的视频作业/思考题：1、无线网络是如何分类的？2、什么是无线传感器网络？3、无线传感器网络与现代信息技术之间的关系如何？4、图示说明无线传感器网络的系统架构。5、传感器网络的终端探测结点由哪些部分组成？这些组成模块的功能分别是什么？6、简述传感器网络的协议分层含义。7、传感器网络结点的使用限制因素有哪些？教学后记：除了课堂提问，授课教师可以让每位学生准备作业本，从教材每章后面习题中选择若干题目，作为课后作业。课后作业并不难，都可以从教材相关处找到答案。但以布置作业形式，可以让学生加深和巩固课堂知识学习的印象，特别是对于理工科基础薄弱的院校学生。

《无线传感器网络》课程教案(NO：2)授课内容无线传感器网络概述（第二部分）课时安排2学时教学目的要求理解传感器网络的一些基本概念、术语含义；了解目前常见的无线传感器网络的体系结构和关键技术。教学重点难点重点：传感器网络的重要概念和术语。难点：传感器网络的体系结构。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：总结前一次课程学习的内容，提出无线传感器网络应用的价值和意义，从而引出本次课程学习的内容。讲课主要内容：1.4传感器网络的应用领域1.4.1军事领域1.4.2工业领域1.4.3农业领域1.4.4智能交通领域1.4.5家庭与健康领域1.4.6环境保护领域1.4.7其他领域1.5传感器网络的发展简史1.5.1计算设备的演化历史1.5.2无线传感器网络的发展过程1.5.3我国的传感器网络发展情况最后总结本章内容：本章重点介绍了无线传感器网络的基本概念、体系结构、典型特征、应用领域和发展历史。通过生动的史实、工程案例和发展前景，激发同学们的学习兴趣。时间安排：传感器网络的应用领域（1学时）、传感器网络的发展简史（1学时），要求结合实例采取讲解式教学，采取图片、视频等方式讲解，激发学生的学习兴趣，并由教师进行总结。提问的问题：1、同学们现在对无线传感器网络有哪些新的认识？2、学校图书馆有哪些有无线传感器网络有关的期刊和杂志？举例：1、2008年5月12日四川省汶川地区发生强烈大地震，造成巨大人员伤亡和财产损失，让地震预测重新成为科学界乃至整个社会关注的热点。在5月19日紧急召开的“汶川特大地震发生机理及后续灾情科学分析”香山会议上，许多学者认为光纤传感器是目前最好的地震监测手段，在地震带附近建立光纤传感器网络，可以及时监测地下的异常情况，提高地震的预测水平，最大程度地避免人员伤亡和财产损失。2、在停车场智能引导停车泊位；对列车铁轨的状态是否正常进行监测；在高速公路系统，辅助完成不停车收费功能；在物流系统中，监测物资的保存状态和数量。3、采用位移传感器测量桥梁建筑的应力，确保桥梁长期处于正常状态；用于检测人类慢性疾病的指标，特别是中老年人的健康监护；对海洋表面的污染程度进行监测，采用飞机收集数据；利用移动机器人和固定采集点，对生态环境进行监测。PPT讲解课堂提问作业/思考题：8、传感器网络的体系结构包括哪些部分？各部分的功能分别是什么？9、传感器网络的结构有哪些类型？分别说明各种网络结构的特征及其优缺点。10、分析传感器网络结点消耗电源能量的特征。11、计算设备的演化过程是怎样的？12、简述传感器网络发展历史的阶段划分和各阶段的技术特点。13、讨论无线传感器网络在实际生活中有哪些潜在的应用。教学后记：授课教师需要在课堂上提醒学生：无线传感器网络的技术含量大，同学们需要有持续动力来钻研后续的技术内容，通常学习过程的总体体会是“以兴趣始，以毅力终”。

《无线传感器网络》课程教案(NO：3)授课内容微型传感器的基本知识（第一部分）课时安排2学时教学目的要求掌握常见的几种传感器类型和一般特性，了解当前常见的微型传感器应用情况。教学重点难点重点：传感器知识基础、常见传感器类型和一般特性。难点：传感器的性能指标物理特性。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：总结前一次课程学习的内容，指出传感器物理探测器件是无线传感器网络的重要组成部分，对于行业应用非常重要，从而引出本次课程学习的内容。讲课主要内容：2.1传感器概述2.1.1传感器的定义和作用2.1.2传感器的组成2.1.3传感器的分类2.2常见传感器的类型介绍2.2.1能量控制型传感器2.2.2能量转换型传感器2.2.3光敏传感器2.2.4气、湿敏传感器2.2.5集成与智能传感器2.3传感器的一般特性和选型2.3.1传感器的一般特性注意传感器的如下九个特性是本章的重点，需要重点讲解。时间安排：传感器的基础知识（1学时）、传感器的一般特性（1学时），要求结合实例采取讲解式教学，采取图片、视频等的方式对比讲解，并由教师进行总结。课堂讨论题：在家用电器中，有些传感器是借助敏感元件来进行测量的。试举一个事例，分析其中的传感器探测机理。传感器的作用举例：美国阿波罗10号共用了3295个传感器。在2001年1月和7月，美国的国家导弹防御系统计划分别进行了两次实验，均因传感器发生故障，使每次耗资9千万美元的实验以失败告终。在2005年7月13日“发现号”航天飞机外挂燃料箱上的4个引擎控制传感器之一发生了故障，直接导致原发射计划的推迟，使得本已一波三折的美国重返太空计划再次出现波折。传感器的稳定性举例：影响传感器稳定性的因素包括时间和环境。例如电阻应变式传感器，湿度会影响到它的绝缘性，温度会影响零漂；光电传感器的感光表面有尘埃或水汽时，会改变感光性能，带来测量误差。PPT讲解课堂提问作业/思考题：1.什么是传感器？2.传感器由哪些部分组成？各部分的功能是什么？3.列举几种传感器的不同分类方法。4.传感器的一般特性包括哪些指标？5.什么是传感器的灵敏度？6.什么是传感器的线性度？7.如何度量传感器的重复性指标？8.什么是传感器的漂移特性？它又分为哪几种？9.简述传感器的精度特性及度量方法。10.传感器分辨力的含义是什么？11.解释传感器的迟滞特性及其度量方法。教学后记：授课教师可以在课堂上强调，本课主讲的无线传感器网络技术综合交叉了物理学、数学和信息科学等多门类知识，是对传统测控专业的扩展，叠加新兴的网络协议和算法，属于典型的“新工科”技术，因而需要介绍与应用紧密相关的不同门类知识，如本次课程介绍的内容。

《无线传感器网络》课程教案(NO：4)授课内容微型传感器的基本知识（第二部分）课时安排2学时教学目的要求掌握如何进行传感器的正确选型，理解磁阻传感器用于车辆探测的关键技术。教学重点难点重点：传感器使用的正确选型，以及磁阻传感器用于车辆探测的关键技术。难点：磁阻传感器用于车辆探测涉及的关键技术。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：总结前一次课程学习的内容，指出根据传感器的一般特性来实现行业应用的意义，从而做到正确选型，并以本次课程待讲解的车辆探测作为工程案例，引出本次课程学习的内容。讲课主要内容：2.3传感器的一般特性和选型2.3.2传感器选型的原则2.4微型传感器的应用实例2.4.1磁阻传感器简介2.4.2磁阻传感器用于车辆探测总结本章内容：本章主要介绍传感器的基本概念、组成和分类方法，重点阐述了常用传感器的一般特性。通过磁阻传感器用于车辆探测案例的介绍，我们需要理解微小型传感器在实际系统应用中的探测机理和实施方案。本章内容为设计传感器网络提供传感器选型的基本方法。时间安排：传感器选型的原则（0.5学时）、磁阻传感器简介（0.5学时）、磁阻传感器用于车辆探测（1学时），要求结合实例采取讲解式教学，采取图片等的方式对比讲解，由教师进行总结和归纳。课堂提问的问题：1、上次课程学习的重点内容是什么？2、智能传感器具有哪些特点？3、传感器的一般特性具有哪些指标？4、举例说明什么是能量转换型传感器？5、什么是传感器的灵敏度？目标探测举例：磁性传感器通常又称为磁力计，它的使用特点在于通过磁场的变化和扰动来间接获得被测目标的属性。测量磁场并不是主要目的，通常能够同时探测获得其它参数，如运动车辆的车轮速度、磁迹、车辆出现和运动方向等。磁感应探测运动车辆举例：运动车辆的每个部分都会产生一个可重复的对地球磁场的扰动，不管车辆向哪个方向行驶，这个特征都会被可靠地检测到。例如，采用单轴传感器沿着向上方向的Z轴磁场，可用来检测车辆的存在。当传感器与车辆平行时出现峰值。在车辆距传感器附近的情形下，可用来指示车辆的存在，通过建立合适的阀值，可以滤掉旁边车道的车辆或远距离车辆带来的干扰信号。课堂提问PPT讲解作业/思考题：12.如何进行传感器的正确选型？13.简述磁阻传感器探测运动车辆的原理。14.在日常家用电器中，有些传感器是借助敏感元件来进行工作的。试举一个事例，分析其中的传感器探测机理。教学后记：

《无线传感器网络》课程教案(NO：5)授课内容传感器网络的通信与组网技术（第一部分）课时安排2学时教学目的要求掌握传感器网络物理层设计的特点。教学重点难点重点：掌握传感器网络物理层设计的特点。难点：传感器网络结点物理层设计的帧结构。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：总结前一次课程学习的内容，指出物理层的网络设计是通信传输的基础，从而引出本次课程学习的内容。讲课主要内容：3.1物理层3.1.1物理层概述1、物理层的基本概念2、无线通信物理层的主要技术3、无线传感器网络物理层的特点3.1.2传感器网络物理层的设计1、传输介质2、物理层帧结构3、物理层设计技术时间安排：有线网络和无线网络的物理层设计原理（1学时）、传感器网络物理层的设计（1学时），要求结合实例采取讲解式教学，采取图片等方式对比讲解，并由教师进行总结。提问的问题：1、上次课程学习的重点内容是什么？2、计算机网络的物理层能实现哪些主要功能？3、通常无线通信的物理层包括哪些关键技术？频段选择举例：无线通信频段的选择是一个非常慎重的问题。由于无线传感器网络是面向应用的网络，所以针对不同应用应该在成本、功耗、体积等综合条件下进行优化选择。FCC组织指出，2.4GHz是在当前工艺技术条件下，将功耗、成本、体积等指标的综合效果较好的可选频段，并且是全球范围的自由开放波段。但问题是现阶段不同的无线设备如蓝牙、WLAN、微波炉电器和无绳电话等都采用这个频段的频率，因而这个频段可能造成相互干扰最严重。其他通信手段举例：利用水下声波信息对水下目标进行导航和通讯的电子设备系统，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。目前水下传感器网络的应用越来越重要。红外通信的优点是无须注册，并且抗干扰能力强。基于红外线的接收机成本更低，也很容易设计。目前很多便携式电脑、PDA和移动电话都提供红外数据传输的标准接口。红外通信的主要缺点是穿透能力差，要求发送者和接收者之间存在视距关系。理论讲解课堂提问：针对其他课程已学习过的有线网络物理层知识作业/思考题：1、目前无线传感器网络的通信传输介质有哪些类型？它们各有什么特点？2、无线网络通信系统为什么要进行调制和解调？调制有哪些方法？3、在设计传感器网络的物理层时，需要着重考虑哪些问题？4、试描述无线传感器网络的物理层帧结构。5、当前传感器网络的无线通信主要选择哪些频段？教学后记：本章内容是本课程教学的难点，需要对学生给予说明，也需要授课教师和学生给予足够的重视，否则学生对学习无线传感器网络的多跳自组网技术难以做到掌握透彻。

《无线传感器网络》课程教案(NO：6)授课内容传感器网络的通信与组网技术（第二部分）课时安排2学时教学目的要求理解无线传感器网络MAC协议的设计技术，了解IEEE802.11MAC层协议的技术实现方法。教学重点难点重点：IEEE802.11MAC协议的随机退避机制。难点：传感器网络结点MAC层的S-MAC协议设计。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：总结前一次课程学习的内容，指出在无线通信传输中大量存在数据冲突问题，如何保证数据的可靠传输和接收，正是本次课程需要讨论的问题，从而引出本次课程学习的内容。具体来说，无线频谱是无线通信的介质，这种广播介质属于稀缺资源。在无线传感器网络中，可能有多个结点设备同时接入信道，导致分组之间相互冲突，使接收方难以分辨出接收到的数据，从而浪费了信道资源，导致网络吞吐量下降。为了解决这些问题，就需要设计介质访问控制(MediumAccessControl，MAC)协议。所谓MAC协议就是通过一组规则和过程来有效、有序和公平地使用共享介质。讲课主要内容：3.2MAC协议3.2.1MAC协议概述3.2.2IEEE802.11MAC协议3.2.3典型MAC协议：S-MAC协议（1）周期性侦听和睡眠机制（2）流量自适应侦听机制（3）冲突和串音避免机制（4）消息传递机制时间安排：IEEE802.11MAC协议（1学时）、传感器网络的典型S-MAC协议（1学时），要求结合实例采取讲解式教学，采取图片等方式对比讲解，并由教师进行总结。提问的问题：1、上次课程学习物理层设计的重点是什么？2、随机抽几位同学，在黑板上板书无线传感器网络物理层的帧结构。3、当前传感器网络的无线通信主要选择哪些频段？随机退避时间的计算举例：退避时间=Random()×aSlottime，其中Random()是在竞争窗口[0，CW]内均匀分布的伪随机整数；CW是整数随机数，它的数值位于标准规定的aCWmin和aCWmax之间；aSlottime是一个时槽时间，包括发射启动时间、介质传播时延、检测信道的响应时间等。课堂提问讲解原理作业/思考题：6、根据信道使用方式的不同，传感器网络的MAC协议可以分为哪几种类型？7、设计基于竞争的MAC协议的基本思想是什么？8、试写（画）出CSMA/CA的基本访问机制，并说明随机退避时间的计算方法。9、IEEE802.11MAC协议有哪两种访问控制方式？每种方式是如何工作的？10、通常有哪些原因导致传感器网络产生无效能耗？11、叙述无线传感器网络S-MAC协议的主要特点和实现机制。教学后记：

《无线传感器网络》课程教案(NO：7)授课内容传感器网络的通信与组网技术（第三部分）课时安排2学时教学目的要求理解传感器网络路由协议的设计方法，了解定向扩散路由协议的实现过程。教学重点难点重点：路由协议的设计方法，传感器网络的定向扩散路由协议。难点：传感器网络的定向扩散路由协议。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：总结前一次课程学习的内容，指出路由选择是实现数据传输的关键，从而引出本次课程学习的内容。具体来说，路由选择是指从源结点向目的结点选择路径传输信息的行为，并且信息至少通过一个中间结点。路由协议负责将数据分组从源结点通过网络转发到目的结点，是实现网络传输行为的典型特征，因此掌握路由原理对理解数据传输具有重要意义。讲课主要内容：3.3路由协议3.3.1路由协议概述3.3.2典型路由协议：定向扩散路由（1）兴趣扩散阶段（2）数据传播阶段（3）路径加强阶段最后总结本章内容：针对传感器网络通信中最具特色的无线多跳自组网技术，本章有选择性地重点介绍了这类网络组网通信协议的物理层、MAC层和网络传输层的路由机制。强调与传统网络组网技术的区别，需要了解IEEE802.11MAC层协议、定向扩散路由协议的实现方法。通过本章内容的学习，应了解无线传感器网络的基本知识，为设计多跳自组网的通信方案提供参考。时间安排：路由协议的基本知识（1学时）、传感器网络的典型定向扩散路由（1学时），要求结合实例采取讲解式教学，采取图片、视频和动画等方式对比讲解，激发学生的学习兴趣，并由教师进行总结。提问的问题：1、上次课程学习的重点内容是什么？2、无线传感器网络产生无效能耗有哪些原因？3、传统的计算机网络有哪些著名的路由协议和算法？定向扩散路由协议的应用举例：定向扩散路由协议是一种基于查询的路由机制。扩散结点通过兴趣信息发出查询任务，采用洪泛方式传播兴趣信息到整个区域或部分区域内的所有传感器结点。兴趣信息用来表示查询的任务，表达了网络用户对监测区域内感兴趣的具体内容，例如监测区域内的温度、湿度和光照等数据。在兴趣信息的传播过程中，协议将逐跳地在每个传感器结点上建立反向的从数据源到汇聚结点的数据传输梯度，传感器探测结点将采集到的数据沿着梯度方向传送给汇聚结点课堂提问理论讲解播放并讲解无线传感器网络工作原理的动画视频作业/思考题：12、简述路由选择的主要功能。13、无线传感器网络的路由协议具有哪些特点？14、常见的传感器网络路由协议有哪些类型，并说明各种类型路由协议的主要特点。15、如何设计传感器网络的定向扩散路由协议？教学后记：在本课介绍无线传感器网络路由选择机制时，授课教师可以补充介绍关于多跳、自组织和分布式探测的概念和含义，以便学生更好地理解本门课程的组网技术特色。

《无线传感器网络》课程教案(NO：8)授课内容传感器网络的支撑技术（第一部分）课时安排2学时教学目的要求掌握时间同步问题的一些基本概念、术语含义；理解无线传感器网络的典型TPSN时间同步协议；了解传感器网络时间同步协议用于车辆测速的技术原理。教学重点难点重点：时间同步机制的基本知识、TPSN时间同步协议、车辆测速案例。难点：TPSN时间同步协议。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：总结前一次课程学习的内容，指出传感器网络是基于用户提出的功能而建立的，实现这些功能需要一些关键的支撑技术，从而引出本章的内容。另外，时间同步是一项基本的传感器网络任务支撑技术，是完成定位、路由等功能所必需的，因而引出本次课程的学习内容。讲课主要内容：4.1时间同步机制4.1.1传感器网络的时间同步机制1、传感器网络时间同步的意义2、传感器网络时间同步协议的特点4.1.2TPSN时间同步协议1、TPSN协议的操作过程2、相邻级别结点间的同步机制4.1.3时间同步的应用示例：车辆测速时间安排：传感器网络的时间同步机制基本知识（0.5学时）、传感器网络的TPSN时间同步协议（1学时）、车辆测速案例（0.5学时），要求结合实例采取讲解式教学，采取图片等方式对比讲解，并由教师进行总结。提问的问题：1、上次课程学习的重点内容是什么？2、传感器网络的路由协议具有哪些特点？传感器网络时间同步的应用举例：在传感器网络的很多应用中，需要时间同步机制，例如在结点时间同步的基础上，可以远程观察卫星和导弹发射的轨道变化情况等。另外，时间同步能够用来形成分布式波束系统、构成TDMA调度机制、实现多传感器结点的数据融合，以及用时间序列的目标位置来估计目标的运行速度和方向，或者通过测量声音的传播时间确定结点到声源的距离或声源的位置。另外，最近美军装备的枪声定位系统，用于打击恐怖分子和战场上的狙击手。这里相关的声波到达时间测量要求以一个共同的网络时间值，实现传感器网络的精确时间同步。射手定位误差除了取决于传感器结点本身测量的位置坐标偏差以外，不可能绝对精确的时间同步也是造成定位误差的另一重要因素。课堂提问PPT讲解作业/思考题：1、传感器网络实现时间同步的作用是什么？2、传感器网络常见的时间同步机制有哪些？3、简述TPSN时间同步协议的设计过程。教学后记：

《无线传感器网络》课程教案(NO：9)授课内容传感器网络的支撑技术（第二部分）课时安排2学时教学目的要求掌握传感器网络定位问题的基本概念、术语含义；理解基于测距和无需测距定位的关键技术；了解定位系统的典型应用。教学重点难点重点：传感器网络定位问题的重要术语、基于测距和无需测距定位的关键技术。难点：基于测距和无需测距定位的关键技术。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：总结前一次课程学习的内容，指出时间同步具有很多用途，其中之一就是用于目标或结点定位，且定位问题具有重要的应用价值，从而引出本次课程学习的内容。讲课主要内容：4.2定位技术4.2.1传感器网络结点定位问题1、定位的含义2、基本术语3、定位性能的评价指标4、定位系统的设计要点4.2.2基于测距的定位技术1、测距方法2、多边定位3、Min-max定位方法4.2.3无需测距的定位技术1、质心算法2、DV-Hop算法4.2.4定位系统的典型应用时间安排：定位问题的基本知识（0.5学时）、传感器网络基于测距的定位技术（1学时）、无需测距的定位技术和定位系统的典型应用（0.5学时），要求结合实例采取重点式教学，采取图片等方式对比讲解，并由教师进行总结。课堂提问的问题：1、上次课程学习的重点内容是什么？2、计算机网络时间同步与无线传感器网络的时间同步问题具有哪些相同点和不同点？3、导航定位在日常生活中具有哪些应用例子？传感器网络定位问题应用举例：在传感器网络的很多应用问题中，没有结点位置信息的监测数据往往是没有意义的。当监测到事件发生时，人们关心的一个重要问题就是该事件发生的位置，如森林火灾监测、天然气管道泄漏监测等应用问题。一旦发生这些突发性事件，人们首先需要知道的就是传感器监测结点的地理位置信息。定位信息除了用来报告事件发生的地点之外，还可以用于目标跟踪、目标轨迹预测、协助路由和网络拓扑管理等。TDoA定位技术应用举例：麻省理工学院的室内定位蟋蟀(Cricket)系统就是根据TDoA的定位原理来实现的，它是用来确定移动或静止的结点位于大楼内的具体房间位置。课堂提问PPT讲解作业/思考题：4、传感器网络定位问题的含义是什么？5、如何对传感器网络的定位方法进行分类？6、简述以下术语的含义：锚点、测距、连接度、到达时间差、接收信号强度指示、视线关系。7、如何定义传感器网络的平均定位误差？8、如何评价一种传感器网络定位系统的性能？9、RSSI测距的原理是什么？10、简述ToA测距的原理。11、举例说明TDoA的测距过程。12、举例说明AoA测角的过程。13、试描述传感器网络多边定位法的原理。14、简述Min-max定位方法的原理。15、简述质心定位算法的原理及其特点。16、举例说明DV-Hop算法的定位实现过程。教学后记：本课程所建议的选用教材，对传感器网络的定位原理和技术方法的介绍，比较深刻。如果学生要全面掌握这部分内容，可能具有一定难度。授课教师可以根据本校和本学科专业的特点，视具体情况来选择和裁剪部分内容进行介绍。

《无线传感器网络》课程教案(NO：10)授课内容传感器网络的支撑技术（第三部分）课时安排2学时教学目的要求掌握传感器网络数据融合的基本知识、主要方法；理解传感器网络应用层的数据融合案例的原理；熟悉传感器网络的电源节能方法。教学重点难点重点：传感器网络数据融合的基本知识、主要方法，以及传感器网络的电源节能方法。难点：多传感器数据融合的主要方法。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：总结前一次课程学习的内容，指出在传感器网络定位问题中会涉及到数据处理和压缩，这正是数据融合技术的范畴，从而引出本次课程学习的内容。讲课主要内容：4.3数据融合4.3.1多传感器数据融合概述4.3.2传感器网络中数据融合的作用1、节省能量方面2、获得更准确的信息方面3、提高数据的收集效率方面4.3.3数据融合技术的分类1、根据融合前后数据的信息含量分类2、根据数据融合与应用层数据语义之问的关系分类3、根据融合操作的级别分类4.3.4数据融合的主要方法4.3.5传感器网络应用层的数据融合示例4.4能量管理4.4.1能量管理的意义4.4.2传感器网络的电源节能方法1、休眠机制2、数据融合时间安排：数据融合的基本知识和主要方法（1学时）、数据融合案例（0.5学时）、电源节能方法（0.5学时），要求结合实例采取讲解式教学，采取图片等方式讲解。课堂提问的问题：1、上次课程学习的重点内容是什么？2、无线传感器网络的定位技术具有哪些用途？3、数据融合方法在社会生活中有哪些典型应用？特征级数据融合举例：在温度监测的应用场合，特征级融合可以对温度传感器的输出数据进行综合，表示成“地区范围，最高温度，最低温度”的形式；在目标监测应用中，特征级融合可以将图像的颜色特征表示成RGB值。决策级数据融合举例：针对灾难监测问题，决策级融合需要综合多种类型的传感器信息，包括温度、湿度或震动等，进而对是否发生了灾难事故进行判断。在目标监测应用中，决策级融合需要综合监测目标的颜色特征和轮廓特征，对目标进行识别，最终只传输识别的结果。课堂提问PPT讲解作业/思考题：17、什么是数据融合技术？它在传感器网络中的主要作用是什么？18、简述数据融合技术的不同分类方法及其类型。19、什么是数据融合的综合平均法？20、常见的数据融合方法有哪些？21、无线通信的能量消耗与距离的关系是什么？它反映出传感器网络数据传输的什么特点？22、简述节能策略休眠机制的实现思想。23、简述传感器网络结点各单元能量消耗的特点。24、动态电源管理的工作原理是什么？教学后记：

《无线传感器网络》课程教案(NO：11)授课内容传感器网络的支撑技术（第四部分）课时安排2学时教学目的要求掌握传感器网络安全设计的一些基本概念、术语含义；理解传感器网络安全框架协议SPINS的原理；熟悉SPINS协议实现中的关键方法。教学重点难点重点：传感器网络安全设计的基本概念，安全框架协议SPINS的原理，SPINS协议设计的主要问题。难点：传感器网络安全框架协议SPINS的原理。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：总结前一次课程学习的内容，指出安全问题是一切信息系统的基础和可靠运行的必要条件，对于部署在野外环境的传感器网络探测系统而言尤其如此，从而引出本次课程学习的内容。讲课主要内容：4.5安全机制4.5.1传感器网络的安全问题1、通信安全需求2、信息安全需求4.5.2传感器网络的安全设计问题1、物理层2、链路层3、网络层4、传输层5、应用层4.5.3传感器网络安全框架协议：SPINS1、网络安全加密协议SNEP2、μTESLA协议4.5.4SPINS协议的实现问题与系统性能1、加密算法的选择2、消息认证算法的选择3、密钥生成算法4、随机数发生器5、安全模型系统的性能验证最后总结本章内容：传感器网络的正常运行需要一些关键的支撑技术，本章主要对其中的时间同步、定位技术、数据融合、能量管理和安全机制进行了介绍，并结合一些实际案例，解释了这些支撑技术的实施细节。通常本章内容的学习，需要掌握这些技术的细节和实现方案，了解可以实施这些技术的应用背景，为设计传感器网络打下技术基础。时间安排：传感器网络安全问题的基本知识（0.5学时）、传感器网络安全框架协议（0.5学时）、SPINS协议的实现问题与系统性能（1学时），要求结合实例采取讲解式教学，采取图片等方式对比讲解，并由教师进行总结。课堂提问的问题：1、上次课程学习的重点内容是什么？2、数据融合技术在传感器网络中的主要作用是什么？3、传感器网络结点各单元能量消耗具有什么特点？4、直观上看，传感器网络安全问题与传统的计算机网络安全有什么区别？传感器网络安全性应用举例：传感器网络在大多数的民用领域，如环境监测、森林防火、候鸟迁徙跟踪等应用中，安全问题并不是一个非常紧要的问题。但在另外一些领域，如商业上的小区无线安防网络，军事上在敌控区监视敌方军事部署的传感器网络等，则对数据的采样、传输过程，甚至结点的物理分布重点考虑安全问题，很多信息都不能让无关人员或者敌方人员了解。课堂提问PPT讲解作业/思考题：25、传感器网络的安全性需求包括哪些内容？26、什么是传感器网络的信息安全？27、简述在传感器网络中实施Wormhole攻击的原理过程。28、SPINS安全协议族能提供哪些功能？29、如何选择传感器网络安全协议的加密算法？30、如何设计安全协议的随机数发生器？教学后记：

《无线传感器网络》课程教案(NO：12)授课内容传感器网络的应用开发基础（第一部分）课时安排2学时教学目的要求掌握常见的传感器网络仿真体系结构、模型和方法，理解一些典型的传感器网络工程测试床情况。教学重点难点重点：传感器网络仿真模型、体系结构和工程测试床。难点：传感器网络仿真的体系结构。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：回顾前一次课程学习的内容，指出前一章介绍的任务支撑技术是如何实现的，这正是本章需要介绍的内容，从而引出本次课程的内容。讲课主要内容：5.1仿真平台和工程测试床5.1.1传感器网络的仿真技术概述5.1.2常用网络仿真软件平台5.1.3仿真平台的选择和设计5.1.4传感器网络工程测试床本次课程重点围绕如下的仿真体系结构展开教学：时间安排：仿真技术概述和常用仿真软件平台（1学时）、仿真平台的选择和工程测试床（1学时），要求结合实例采取讲解式教学，采取图片、视频等的方式对比讲解，由教师进行总结。提问的问题：1、上次课程学习的重点内容是什么？2、传感器网络的安全性需求包括哪些环节？传感器网络工程测试床的三个案例：主要介绍应用于无线传感器网络的测试床：Motelab、SensoNet和IBM的无线传感器网络测试床。Motelab是哈佛大学开发的一个开放的无线传感器网络实验环境，是基于Web的无线传感器网络测试床。Motelab已经用于多个项目的研究和开发，也可以用于教学用途。SensoNet是美国亚特兰大市乔治亚州技术学院电子与计算机工程学校宽带＆无线网络实验室研制的传感器网络试验床。IBM苏黎世研究实验室开发的测试床提供了完整的端到端解决方案，包括从传感器与执行机构到运行企业服务器上的应用软件。PPT讲解课堂提问作业/思考题：1.采用物理测试方法评估网络设计方案的特点是什么？2.简述计算机仿真方法的特点。3.解释计算机仿真的软件体系结构。4.列举传感器网络仿真的常用软件平台，并说明各种平台的特点。5.简述TOSSIM的体系结构和功能。6.选择网络仿真平台时应该注意哪些问题？7.传感器网络工程测试床的作用是什么？8.简述SensoNet试验床的组成和模拟方法。教学后记：相对于前几章的内容来说，本章内容在技术性和原理性方面显得相对简单。为了减轻学生的学业负担，授课教师尽量在课堂上讲解内容完毕，做到当堂消化，不占用学生课后的过多时间来进行复习，避免学生产生学习的疲倦感。

《无线传感器网络》课程教案(NO：13)授课内容传感器网络的应用开发基础（第二部分）课时安排2学时教学目的要求理解传感器网络操作系统的基本架构，掌握常见的一些硬件设计方法。教学重点难点重点：传感器选型和传感器网络结点的模块化设计因素。难点：传感器网络结点的模块化设计因素。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：总结前一次课程学习的内容，指出硬件设计是传感器网络系统设计的基础，从而引出本次课程学习的内容。讲课主要内容：5.2网络结点的硬件开发5.2.1硬件开发概述5.2.2传感器结点的模块化设计5.2.3传感器结点的开发示例时间安排：传感器网络硬件设计的基础知识和模块化设计方法（1学时）、传感器结点的开发示例（1学时），要求结合实例采取讲解式教学，采取图片、视频等的方式对比讲解，并由教师进行总结。提问的问题：1、上次课程学习的重点内容是什么？2、研究网络性能通常有哪些方法？3、解释传感器网络仿真的体系结构。传感器网络结点设计案例：Mica系列结点是由U.C.Berkeley大学研制、由Crossbow公司生产的传感器网络结点。Crossbow公司是第一家将智能微尘传感器引入大规模商业用途的公司，现在给一些财富百强企业提供服务和智能微尘产品。基于Crossbow的传感器网络平台，可实现功能强大、无线和自动化的数据采集和监控系统。它的产品的大部分部件属于即插即用，而且所有的组成部分是靠TinyOS操作系统运行的。MicaProcessor/Radioboards（MPR）即所谓的Mica智能卡板组成硬件平台，由电池供电，传感器和数据采集模块与MPR集成在一起。磁阻传感器电路设计案例：下图是采用美国Honeywell公司生产的双通道磁性传感器HMCl002的参考设计电路。传感器输出经放大后送给两个A/D转换器，放大器增益的控制通过I2C总线控制数字电位计(D/A转换器)的输出电压来实现。MTS310的PCB上预留了4个用于连接外部自动饱和恢复控制电路的引脚。PPT讲解课堂提问作业/思考题：1.列举几种常见的微控制器芯片。2.通信芯片的传输距离主要取决于哪些因素？3.设计无线射频电路需要考虑哪些问题？4.天线的性能评价有哪些指标？5.天线有哪些不同种类？6.看门狗电路的作用是什么？教学后记：教师在课堂教学中可以融入思政元素，主要是强调科技兴国的家国情怀。结合教材介绍的传感器网络领域国际技术巨头Crossbow公司的先进技术，阐述“站在巨人肩膀上”和洋为中用的朴素道理，强调以务实态度学习国外先进技术。

《无线传感器网络》课程教案(NO：14)授课内容传感器网络的应用开发基础（第三部分）课时安排2学时教学目的要求掌握操作系统和通信协议的设计原理和过程，熟悉一些后台管理软件的使用。教学重点难点重点：网络结点操作系统、软件开发和后台管理软件。难点：传感器网络结点软件系统的分层结构和设计。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：总结前一次课程学习的内容，指出软件系统是支撑硬件运行所必备的，也是实现用户功能的最重要途径，从而引出本次课程学习的内容。讲课主要内容：5.3操作系统和软件开发5.3.1网络结点操作系统5.3.2软件开发5.3.3后台管理软件时间安排：网络结点操作系统（0.5学时）、软件开发（1学时）、后台管理软件（0.5学时），要求结合实例采取讲解式教学，采取图片等方式对比讲解，并由教师进行总结。特别地，作为WSN工程实践方面的前沿知识扩展，可以在课堂上播放克尔斯博(Crossbow)公司评述无线传感器网络应用开发的英语视频。最后总结本章内容：本章介绍传感器网络开发所涉及的硬件设计、结点操作系统和软件设计的内容，以及传感器网络仿真技术经常涉及到的一些仿真平台，并介绍了工程测试床的若干案例。本章内容属于传感器网络应用的基础知识，通过学习应理解传感器网络仿真技术的应用场合和时机，掌握常见应用方案的设计方法，理解传感器网络设计的基本原理。课堂提问的问题：1、上次课程学习的重点内容是什么？2、设计天线的性能有哪些指标？3、传感器网络常用的无线通信技术有几种？显示传感器网络拓扑结构的示例：中科院开发的SNAMP(SensorNetworkAnalysisandManagementPlatform)包括串口、数据处理模块、实时显示模块等主要模块。SNAMP还提供了多种形式的用户接口，包括拓扑树、实时点列表等，满足用户在分析和管理无线传感器网络时的种种需求。后台显示的结点拓扑示例如下图所示，这里BaseStation表示sink结点，5、6、7表示传感数据的采集结点，实线表示两个结点之间正在有数据包传输。PPT讲解课堂提问播放WSN开发应用方面视频，并进行中文讲解作业/思考题：1.TinyOS操作系统具有哪些特点？2.试写(画)出传感器网络结点软件系统的分层结构。3.画出传感器网络后台管理软件的组成框图，并给予解释说明。教学后记：

《无线传感器网络》课程教案(NO：15)授课内容传感器网络协议的技术标准（第一部分）课时安排2学时教学目的要求了解与传感器网络发展相关联的技术标准及其发展趋势，掌握一些常见技术标准的基本内涵，熟悉它们的主要特点与未来的发展价值。教学重点难点重点：传感器网络技术标准的应用背景。难点：标准协议的物理层和MAC层结构。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：总结前一次课程学习的内容，指出技术标准化问题意味着争夺国际标准化话语权和抢占技术制高点，从而引出本次课程学习的内容。讲课主要内容：6.1技术标准的意义6.2IEEE1451系列标准6.3IEEE802.15.4标准6.3.1IEEE802.15.4标准概述6.3.2物理层6.3.3MAC子层6.3.4符合IEEE802.15.4标准的传感器网络实例时间安排：技术标准的意义和IEEE1451系列标准（1学时）、IEEE802.15.4标准（1学时），要求结合提问方式采取讲解式教学，采取图片等的方式对比讲解，重温以前学习的原理性内容，并由教师进行总结。提问的问题：1、传感器网络协议是如何分层的？2、本课第3章中传感器网络物理层的帧结构是如何设计的？3、本课第3章介绍的传感器网络介质访问机制S-MAC协议是如何设计的？技术标准的重要性举例：我国封松林研究员认为：“与必须实现互联互通的通信网络不同，传感器网络在不同行业有不同标准，不可能形成一个包罗万象的统一标准。这对我国是个契机，因为中国市场很大，只要我们能针对自己国内、行业的特殊情况制定出相应标准，那么不必与国际上的标准完全统一，国内的市场应用就足够支撑许多相关企业的发展。所以我们的标准制定要积极介入和影响国际标准，绝不能盲目跟着国际流行路线走，尤其是那些针对行业应用的。”从这些发言中我们可以看出，技术标准对提升我国在传感器网络领域的竞争力具有重要的意义。符合IEEE802.15.4标准的传感器网络实例：在这个例子中，普通结点由一组传感器结点组成，如温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器，它们对周围环境的各个参数进行测量和采样，将采集到的数据发往中心结点。中心结点对发来的数据和命令进行分析处理，完成相应操作。普通结点只能接收从中心结点传来的数据，与中心结点进行数据交换。传感器网络采取星型拓扑结构。PPT讲解课堂提问作业/思考题：1、制订IEEE1451系列标准的目的是什么？2、IEEE802.15.4标准的设计目标是什么？3、低速无线个域网具有哪些特点？4、描述IEEE802.15.4协议物理层的帧结构。5、描述IEEE802.15.4协议MAC层的通用帧结构。教学后记：通俗地说，协议的技术标准类似于企业界产品的“法律法规”。但是，这些类似于法律条文的技术标准，在授课过程可能显得很枯燥乏味。一种解决方法是采用提问和总结的方式，将前面学习过的知识点串联起来，加以复习回顾。这种做法既可以从不同角度复习本课程的重要原理性内容，也为本次课营造有益的学习气氛。

《无线传感器网络》课程教案(NO：16)授课内容传感器网络协议的技术标准（第二部分）课时安排2学时教学目的要求掌握ZigBee协议标准，理解ZigBee规范的传感器网络应用案例。教学重点难点重点：ZigBee协议标准和传感器网络的应用案例。难点：ZigBee协议标准。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：总结前一次课程学习的内容，指出ZigBee在当前多个领域的大量应用情况，从而引出本次课程学习的内容。另外，需要介绍ZigBee技术的由来，即是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。Zigbee联盟和IEEE802.15.4工作组合作共同制定一种通信协议标准，该协议标准被命名为“ZigBee”。讲课主要内容：6.4ZigBee协议标准6.4.1ZigBee概述6.4.2网络层规范6.4.3ZigBee网络系统的设计开发6.4.4符合ZigBee规范的传感器网络实例对本章内容的总结：主要介绍常见的传感器网络协议的技术标准，包括IEEE1451系列标准、IEEE802.15.4和ZigBee协议标准。通常本课内容的学习，需要了解技术标准的意义，掌握这些协议标准的应用范围和特点，并对以前的学习内容进行深入消化。时间安排：ZigBee协议标准（1学时）、符合ZigBee规范的传感器网络实例（1学时），要求结合实例采取讲解式教学，采取PPT等方式对比讲解，并由教师进行总结。提问的问题：1、传统网络的拓扑结构有哪些类型？2、解释上次课介绍的低速无线个域网的特点？ZigBee协议栈开发方面的举例：关于无偿协议栈方面，Microchip公司为产品PICDEMO开发套件提供了免费的MPZigBee协议栈；Freescale公司为产品13192DSK套件提供了Smac协议栈。一般的开发板都提供有偿协议栈的有限使用权，如购买Freescale公司的13192DSK和TI公司的chipcon开发套件，可以获得F8的Z-Stack和Z-Trace等工具的90天使用权。单独购买有偿的协议栈及开发工具比较昂贵，在产品有希望大规模上市的前提下可以考虑购买。符合ZigBee规范的传感器网络实例：一种基于ZigBee的无线传感器网络的系统实现方案，即“燃气表数据无线传输系统”。这是一种燃气表数据的无线传输系统，无线通信部分使用ZigBee规范。利用ZigBee技术和IEEEl451.2协议来构建的无线传感器结点：智能变送器接口模块(STIM)部分包括传感器、放大和滤波电路、A/D转换；变送器独立接口(TII)部分主要由控制单元组成；网络适配器(NCAP)负责通信。PPT讲解课堂提问作业/思考题：6、ZigBee的物理设备有哪些类型？它们分别具有什么特点？7、简述ZigBee的技术特点。8、根据ZigBee技术的特点，说明为什么在家居智能化网络中通常选择ZigBee技术？9、ZigBee网络系统的软件设计主要包括哪些过程？10、根据传感器网络方案设计的现实经历，列举自己在方案设计中存在的主要问题和解决方法。教学后记：

《无线传感器网络》课程教案(NO：17)授课内容5G无线网络（第一部分）课时安排2学时教学目的要求掌握5G网络的基础知识点，理解多天线技术中的MIMO系统信道容量的特点。教学重点难点重点：5G网络涉及到的基本技术。难点：MIMO信道容量。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：通过日常生活中5G无线通信的使用，突出5G网络的热门话题，指出5G技术的先进性的原因（“高带宽、高容量、高可靠性、低延时、低功耗”），从而引出本次课程学习的内容。讲课主要内容：7.15G基础知识7.2多天线技术7.2.1MIMO系统：MIMO信道容量另外，在讲授技术内容的同时，可以穿插介绍华为公司创业和自主研发5G关键技术的先进事迹，引导学生懂得技术研发走向国际化的战略意义，为学生树立理工报国的理想信念提供信心。时间安排：5G基础知识（1学时）、MIMO信道容量（1学时），要求结合实例采取讲解式教学，采取图片、视频等的方式对比讲解，激发学生的学习兴趣，并由教师进行总结。提问的问题：1、信息论中的香农公式是什么？2、无线传感器网络与5G无线网络的关系是什么？3、日常生活中5G技术对我们有哪些影响？5G的典型应用场景举例：(1)面向高带宽需求的增强移动宽带：包括超高清视频、3D视频、虚拟现实和增强现实。(2)面向高用户数需求的海量机器类通信：包括工业自动化、泛在电力物联网、智慧家居、智慧城市和智慧农业等。(3)面向低时延与高可靠性需求的超可靠低时延通信：包括无人驾驶汽车与车联网、远程医疗、云端游戏、智能电网控制等。以智能制造为例，机械臂等设备的操作、高精度检测装置的运行，都对时延有很高的要求。借助毫米波的大带宽和低时延特性，辅以边缘计算和人工智能技术，能满足智能制造行业的现场需求。理论讲解课堂提问作业/思考题：1.5G网络系统的性能指标包括哪些关键参数？2.5G无线网络主要由哪些部分组成，各部分的功能是什么？3.哪些技术方法可以保证5G通信的高传输速率？4.5G无线网络的基本特点是什么？5.哪些场景属于5G无线网络的典型应用？6.根据香农公式，简述MIMO系统信道容量能够大幅度提升的原因。教学后记：根据课时和学生的理工科基础，授课教师可以将本章内容作为选修或者以讲座形式进行介绍，不纳入考试范围。通常学生对5G技术很感兴趣，并渴望理解一些核心技术，授课教师可以根据具体情况进行部分内容的重点介绍。

《无线传感器网络》课程教案(NO：18)授课内容5G无线网络（第二部分）课时安排2学时教学目的要求理解多天线技术中的MIMO系统和大规模MIMO系统。教学重点难点重点：MIMO系统的分集技术、复用技术和波束赋形技术以及大规模MIMO系统。难点：MIMO系统的分集技术、复用技术和波束赋形技术。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：回顾上一次课程的内容，提出5G网络的优势源自的原因，即取决于哪些关键技术，从而引出本次课程学习的内容。讲课主要内容：7.2多天线技术7.2.1MIMO系统：分集技术、复用技术和波束赋形技术7.2.2大规模MIMO系统时间安排：分集技术（0.5学时）、复用技术（0.5学时）、波束赋形技术（0.5学时）、大规模MIMO系统（0.5学时），要求结合实例采取讲解式教学，采取图片、视频等的方式对比讲解，，并由教师进行总结。提问的问题：1、提问上次课学习过的5G网络的特点？2、信号处理中的波束赋形技术具有哪些意义？3、MIMO系统的信道容量为什么能得到提升？波束赋形增益举例：对于一组固定的加权因子确定的预编码矩阵C，HC=aT(θ)C是θ的函数，由此构造的几何曲线图形称为方向图，代表导向向量与加权向量的内积。假设某均匀线性阵列包含8根天线，天线间距为λ/2，加权因子对应的预编码矩阵C=1,1,1,1,1,1,1,1T，则方向图的极坐标曲线如通过动态调整加权因子，使得天线波束能跟踪到通信的用户，既能提高有用信号的传输功率，又能降低对其他用户的干扰。理论讲解课堂提问作业/思考题：7.时空分组Alamouti编码方案的原理是什么？8.简述V-BLAST复用技术的基本原理。9.根据LTE标准规定，秩为1、两根发射天线的MIMO系统具有哪几个预设码本？10.以均匀线性阵列为例，讨论MIMO系统波束赋形增益的原理。11.大规模MIMO系统的主要特点是什么？教学后记：针对当前热门和极具先进性的5G网络技术，授课教师可以用通俗的语言，重点在课堂上解释两个问题：一是从性能角度来看5G“好”在哪里？二是从技术原理角度来分析5G为什么“好”？

《无线传感器网络》课程教案(NO：19)授课内容5G无线网络（第三部分）课时安排2学时教学目的要求领会毫米波通信技术的应用背景，熟悉当前车联网、面向5G的V2X网络以及车联网涉及到的关键技术。教学重点难点重点：毫米波通信技术、面向5G的V2X网络。难点：毫米波通信技术。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：通过讨论如何解决频谱资源短缺问题，满足5G网络的数据传输要求，从而引出本次课程学习的内容。讲课主要内容：7.3毫米波通信7.3.1毫米波通信技术7.3.2面向5G的毫米波通信7.4面向5G的车联网技术7.4.1车联网7.4.2面向5G的V2X网络课程总结：未来万物互联离不开5G无线网络技术，基于5G通信技术的物联网应用正在蓬勃发展，本课介绍5G网络的一些基础知识，特别是其中的多天线技术原理。另外，结合应用热点，还介绍了面向5G网络的毫米波通信技术和车联网技术。通过本课以及前两次课的内容学习，应了解5G网络的基本知识，理解5G网络的技术优势以及形成这些技术优势的原理。时间安排：毫米波通信（1学时）、面向5G的车联网技术（1学时），要求结合实例采取讲解式教学，采取图片、视频等的方式对比讲解，激发学生的学习兴趣，并由教师进行总结。提问的问题：1、MIMO系统波束赋形增益的原理是什么？2、大规模MIMO系统的主要特点是什么？毫米波通信技术应用举例：毫米波技术适合热点场所的密集型基站布局。热点场所主要指密集人群的超大业务流量区域，例如车站、机场等交通枢纽，以及体育场、商场、剧院等人群集中地点。这些地点的终端数量多、流量需求大。另外，诸如VR虚拟现实和AR增强现实的应用场景，以8kVR为例，50个终端设备大约需要5Gbps的带宽，对带宽要求很高，毫米波技术可以解决这一问题。理论讲解课堂提问作业/思考题：12.简述毫米波的物理特征。13.毫米波传播和毫米波天线分别具有哪些特征？14.面向5G的车载操作系统具有哪些特性？15.简述V2X通信协议IEEE802.11p的主要特征。教学后记：

《无线传感器网络》课程教案(NO：20)授课内容传感器网络技术的军事应用课时安排2学时教学目的要求熟悉常见的地面战场微型传感器，了解美军“沙地直线”无线传感器网络系统的基本设计思路和细节内容，并对传感器网络在军事上的应用有所了解。教学重点难点重点：常见的地面战场微型传感器。难点：沙地直线项目所采用传感器的探测特性和技术指标。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：总结前一次课程学习的内容，指出无线传感器网络的典型领域应用的意义，从而引出本次课程学习的内容。在课堂上可以穿插介绍国际军事新闻热点，宣讲在国防军事方面落后就要挨打的道理，活跃课堂学习气氛。讲课主要内容：8.1战场感知的网络架构8.2常见的地面战场微型传感器8.2.1微震动传感器8.2.2声响传感器8.2.3磁性传感器8.2.4红外传感器8.2.5压力传感器8.2.6超声波传感器8.3美军沙地直线传感器网络项目介绍8.3.1项目背景8.3.2目标探测的传感器选项8.3.3项目系统实验本课总结：以军事应用为背景，介绍了外军在战场感知方面所涉及的无线传感器网络技术和试验情况，特别是关于所采用的常见地面战场微型传感器及其性能分析。通过学习，应了解战场感知的网络架构，懂得如何将军事领域涉及的重要技术移植到其他行业领域。时间安排：战场感知的网络架构（0.5学时）、常见的地面战场微型传感器（1学时）、美军沙地直线传感器网络项目介绍（0.5学时），要求结合PPT课件采取讲解式教学，融入课程的思政元素，并由教师进行总结。提问的问题：1、如何根据应用需求，确定传感器的正确选型？2、除了军事应用，无线传感器网络的应用领域还有哪些？试举一个与本专业相关的例子。举例：沙地直线项目的研究人员在俄亥俄州和佛罗里达州等不同地方进行了试验。另外，在其他几个地方布置了数十个网络，目的是试验探测、分类、跟踪、时钟同步和路由等各种模块的性能，并检查试验系统和结点硬件封装问题。磁探测采用Mica结点底板上的磁阻传感器，利用TWR-ISM-002电波探测传感器来感知机动的徒手人员、武装士兵和车辆。通过可视化的软件界面系统，可以观察传感器结点的状况和目标的活动情况。该软件平台支持窗口放大和缩小，可重放最近记录，随时观察网络拓扑布局，显示目标的运动踪迹。理论讲解课堂提问作业/思考题：1.常见的地面战场微型传感器有哪些？2.简述震动传感器、磁性传感器、红外传感器的特点及其探测距离，并分析它们的使用方法。3.沙地直线项目如何解决网络结点的封装问题？4.沙地直线项目是如何解决战场目标分类问题的？教学后记：介绍无线传感器网络的外国军事应用案例，旨在学习和参考对我们有启发的技术。显然，目标探测的传感器选型和网络结点封装的机械设计技术，对学生今后的毕业设计和工程开发具有潜在的指导价值。这个问题可以在课堂上给予强调，也容易激发学生的学习热情、与学生形成共鸣。

《无线传感器网络》课程教案(NO：21)授课内容无线传感器网络实验（第一部分）课时安排2学时教学目的要求学习安装和使用CrossBow公司的Mica传感器网络，练习传感器网络的基本应用，加深对传感器网络基本工作原理和实现方法的理解。教学重点难点重点：安装和测试TinyOS操作系统。难点：NesC语言。教学过程设计（包括导入语、讲课主要内容、时间安排、提问或举例等）教学方法与手段导入语：回顾第5章的内容“传感器网络的应用开发基础”，特别是NesC语言在微型传感器网络嵌入式操作系统中的应用，指出传感器网络实验课的意义，从而引出本次课程学习的内容。讲解实验设备：除了采用普通计算机以外，还需要的实验硬件设备清单如下：MIB510编程板、MICA2传感器网络结点、MTS300传感器板。实验内容：安装TinyOS实验步骤：(1)下载与安装操作系统：安装有Cygwin的Windows2000/XP操作系统，或者安装有GCC编译器的Linux操作系统。下载并安装以下软件：①Cygwin();②WinAVR();③nesC();④JavaJDK(/j2se/1.4.1);⑤TinyOS(/projects/tinyos).TinyOS自动安装程序的下载地址如下：/tos/dist-1.1.0/tinyos/windows/tinyos-1.1.0-lis.exe。(2)软件与硬件验证：①PC工具验证：在cygwinshell命令行的提示下，转到tinyos-1.x/tools/scripts目录，运行toscheck，输出结果可能会报告环境变量设置不正确，TinyOS运行检查不通过。②硬件验证：第一步：在C:\ProgramFiles\UCB\cygwin\opt\tinyos-1.x\apps目录下，键入makemica2来编译MicaHWVerify程序。第二步：将MICA2结点插到编程接口板上（MIB510），用电池或电源供电，通电后编程接口板上的绿灯亮。第三步：将编程接口板连到计算机，将程序装载到MICA2结点，键入命令：MIB510=COM#makereinstallmica2第四步：键入命令：make-fjmakefile然后再键入命令：MOTECOM=serial@COM1:57600javahardware_check第五步：验证传感器结点间的无线通信。第六步：进入/apps/TOSBase目录，键入makemica2编译TOSBase程序。第七步：将TOSBase程序装载到插在MIB510编程接口板的传感器结点，并将另一个传感器结点放在附近，该结点装载的是MicaHWVerify程序。第八步：键入命令：MOTECOM=serial@COM1:57600THjavahardware_check时间安排：传感器网络实验背景和意义（0.5学时）、安装和测试TinyOS操作系统（1.5学时），要求结合实验的目的和意义，激发学生的实验兴趣，最后由教师进行总结和分析。课堂讲解课堂提问实验演示作