无线传感器网络智能技术与应用 教学大纲

《无线传感器网络》课程教学大纲*课程中文名称： 无线传感器网络*课程英文名称： WirelessSensorNetworks*课程代码： *课程类型：专业教育课程 *课程性质：选修*考核方式：闭卷笔试*总学时： 48 学分： 3 *教学方式： 理论*适用专业类： 人工智能、计算机科学与技术、软件工程、大数据、物联网等 先修课程： 计算机网络、嵌入式系统*开课单位： 计算机与人工智能课程网址： （课程的数字化教学资源）*一、课程简介与特色（一）课程简介（中文简述课程内容，课程性质与目的，不超过300字。）《无线传感器网络》是人工智能、计算机、软件工程、大数据、物联网等专业WSN的基础理论、技术难点和最新研究进WSN的基本概念、特点、关键性能指标、应用和发展历史，传感技术，拓扑结构与覆盖技术，通信与组网技术，协议技术标准，接入技术和应用。实验主要掌握无线传感器网络开发平台搭建、按键控制及中断控制功能，各类传感器读取数据的实现方法，ZstackZstack（二）课程特色（总结课程教学特色、手段、方法，不超过300字）本实验课程选取实际应用问题，通过精心组织的案例，采用迭代式和增量式开发思想，通过教师引导，使学生逐步实践完成一个系统，并根据学生的不同层次实现不同的扩展功能，体现出差异化和个性化。学生只有在理解了传感器技术、无线传感网络、无线传感网络协议栈的基础之上，通过一系列实训才能真正掌握物联网组网的技术。实验的目的是旨在使学生进一步巩固课堂上所学的理论知识，深化理解和灵活掌握教学内容，培养学生解决实际问题的动手能力。本课程采用多媒体、板书、演示、配套网站等多样教学手段，采用案例驱动、讲练结合、自主学习等方法。本课程提供课程网上理论和实验教学平台，并使用多媒体学习辅导材料。*二、课程教学团队团队负责人：团队成员：企业（科研院所）兼职教师：（选填）*三、课程教学目标及其对专业毕业要求的支撑（一）课程教学目标1、了解无线传感器网络技术标准、协议栈，掌握无线传感器网络通信与组网技术，理解无线传感器网络与其他无线网络的异同。2、了解无线传感器网络在各领域的应用场景，掌握各种应用场景的实现架构，理解各种应用场景的差别；理解无线传感器网络设计需要考虑的因素，掌握无线传感器网络的部署方法；了解无线传感器网络的支撑技术，掌握数据融合方法。3、理解无线传感器网络各层(物理层、介质访问控制层、网络层、传输层、应用层)的设计原理、标准，并了解各层的设计难点，掌握各层的设计方法；理解典型跨层设计协议，掌握无线传感器网络拓扑管理方法。4、了解无线传感器网络路况信息监测技术的实现，掌握无线传感器网络智能家居设计难点及WSN移动机器人定位的典型方案。5、了解无线传感器网络接入技术、无线传感器网络与人工智能物联网的关系、未来发展方向及研究热点。（二）课程教学目标与专业毕业要求的支撑关系表1课程教学目标对专业毕业要求指标点的支撑毕业要求指标点123451.工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决物联网领域复杂工程问题。1.1能够理解与掌握数学、物理等自然科学的基础知识，并运用到物联网相关工程问题的分析与描述当中。√1.2能够理解和掌握物联网领域的专业知识、基本方法和工程知识，并具有计算思维能力和系统能力。√1.3能够在课程实验、集中实践、实习实训、毕业设计等教学环节中，应用数学、自然科学、工程基础和专业知识解决复杂物联网相关工程问题。1.4能将相关知识应用于计算系统解决方案的对比分析，并行优化和改进。2.问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析物联网领域复杂工程问题，以获得有效结论。2.1能够运用数学、自然科学和物联网的基本知识对复杂工程问题及其中关键环节进行识别，并进行清晰的描述与表示。√2.2能够借助文献查阅分析复杂物联网相关工程问题的影响因素，对问题进行抽象，建立合理的模型，评估并选择合适的解决方案。√2.3能够对复杂物联网相关工程问题的数学模型进行求解，分析结果的合理性、验证结果的有效性。√2.4能运用物联网的基础理论和基本原理，借助文献研究，证实解决方案的合理性。3.设计/开发解决方案：能够开发解决方案：能够设计针对物联网领域复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。3.1掌握物联网领域复杂工程问题的相关设计开发方法，设计复杂物联网系统解决方案。3.2能针对功能、性能等具体要求设计软/硬件模块和组件。3.3能基于物联网领域复杂工程问题需求进行系统设计，能在设计中体现创新意识。√3.4能综合考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等系统设计制约因素，论证解决方案的可行性。4.研究：能够基于科学原理并采用科学方法对物联网领域复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。4.1能基于专业科学原理、应用科学方法，针对物联网领域复杂工程问题涉及的功能、性能要求等选择研究路线、设计实验方案。√4.2能根据实验方案,选用适当的实验方法和手段开展实验，正确记录和分析实验数据、规范地表述实验结果。√4.3能对复杂计算系统问题的实验现象和实验结果进行综合分析和深入研究，并得出有效结论。√5.使用现代工具：能够针对物联网领域复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对物联网领域复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。5.1掌握物联网专业所需的基本技术、基础资源和基本工具的使用原理和使用方法，能在工程实践中正确选用相关开发技术和资源。√5.2能针对物联网领域复杂工程问题的分析、设计和实现需求，开发或选用恰当的资源和工具，进行模拟、仿真和预测。√5.3能在开发或选用工具开展复杂计算系统工程实践的过程中理解工具的局限性。6.工程与社会：能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和物联网领域复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。6.1了解物联网相关领域的技术标准体系、知识产权、产业政策和法律法规，理解不同社会文化对相关工程活动的影响。6.2能分析和评价物联网专业工程实践对社会、健康、安全、法律、文化的影响，以及这些制约因素对项目实施的影响，并理解应承担的责任。7.环境和可持续发展：能够理解和评价针对物联网领域复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响。7.1理解环境保护和社会可持续发展的理念和内涵，在物联网领域复杂工程实践过程中有环境保护和可持续发展意识。7.2在设计和开发复杂物联网软/硬件系统的过程中，能够理解和评价其对环境、社会可持续发展的影响。8.职业规范：具有人文社会科学素养、社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任。8.1具备与工程实践相适应的人文社会科学素养，身心健康，理解个人与社会的关系，具有服务于社会和大众√的意识。8.2了解国情，树立社会主义核心价值观，维护国家安全，具有社会责任感和科技报国的使命感。√8.3理解IT行业职业性质和社会责任，能在工程实践中自觉遵守职业道德和规范，并履行责任。9.个人和团队：能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。9.1理解在物联网相关工程实践中个人和团队的关系，理解个人和团队的利益统一性，以及团队中不同成员和负责人的作用。√9.2能够在由物联网及相关学科领域成员组成的多学科背景团队中承担个体、团队成员或负责人的角色。10.沟通：能够就物联网领域复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。10.1能使用专业技术语言,针对物联网领域复杂工程相关热点问题形成并表述自己的见解,能通过口头、书面等形式进行有效沟通和交流。√10.2具有英语应用能力,对全球化与文化多样性有基本理解，能有效利用外文资料。√10.3了解物联网领域的国际发展动态，能在跨文化背景下就专业问题进行基本沟通和交流。√11.项目管理：理解并掌握工程管理原理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用。11.1了解物联网领域工程项目的开发过程和成本构成，理解并掌握项目管理原理和成本分析方法。11.2能在涉及多学科的物联网相关工程实践中应用工程项目管理原理和成本分析方法，考虑成本、质量、效率等目标。12.终身学习：具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。12.1能认识到物联网学科的发展迅速和日新月异，具有自主学习和终身学习的意识，有总结和归纳技术问题的能力。12.2掌握自主学习的方法，了解拓展知识和能力的途径。能不断学习新方法和新技能，适应行业发展。√*四、教学内容进度安排及对应课程目标（一）课程教学内容总体安排情况表2教学内容与课程目标对应关系教学环节教学内容*（学时）课程思政引领（根据课程思政引导性内容选取）教学形式（课堂讲授、线上学习、专题研讨、实验实践、其它等形式，在对应栏目中打√）考核要求（根据教学形式设置平时作业、在线测试、学习报告、小论文、期末考试等考核方式）对应课程目标（根据第三条填写：课程目标**，应全覆盖课程目标）课堂讲授线上学习专题研讨…无线传感器网络2激发学生科技√平时作业、知识：1.扎实的专业知识能力：1.批判性思维能力2.创新创造能力3.自主学习能力素质：1.政治信念2.思想道德3.业务技能4.身心健康价值：1.成长成才2.责任担当3.家国情怀4.人类福祉概述（绪论）报国的家国情怀和使命担当课堂测试、期末考试，闭卷传感器传感技术2√匠精神无线传感器网络4√开发环境匠精神无线传感器网络4强化学生工程√拓朴控制与覆盖伦理教育无线传感器网络4√通信与组网技术问题的能力无线传感器网络4√支撑技术匠精神无线传感器网络4√协议匠精神无线传感器网络2√接入技术问题的能力无线传感器网络4√应用匠精神无线传感器网络与人工智能物联网2√怀和使命担当合计32√（二）课程详细教学内容第一章无线传感器网络概述（绪论）主要内容：无线网络的描述、WSN的定义、WSN的组成、WSN的关键性能指标、传感器的类型和WSN的应用。重点内容：WSN与无线处组网的区别、与现场总线的区别，传感器节点能量的限制。难点内容：无线传感器网络的定义、与有线网及其他无线网络的异同的分析。培养能力：能够理解和掌握物联网领域的专业知识、基本方法和工程知识，并具有计算思维能力和系统能力；能运用物联网的基础理论和基本原理，借助文献研究，证实解决方案的合理性。第二章传感器传感技术主要内容：传感器的基础知识、传感器的基本特性、传感器的分类、常用的传感器、智能传感器、机器人传感器、图像传感技术、射频识别(RFID)传感技术等。重点内容：传感器的基础知识、传感器的基本特性、传感器的分类、常用的传感器。难点内容：智能传感器、机器人传感器、图像传感技术、射频识别(RFID)传感技术。培养能力：能够理解和掌握传感器的基础知识、并利用相应的传感器去组成相应的网络，解决无线传感器网络中的应用。第三章无线传感器网络开发环境主要内容：WSN平台硬件设计、WSN的操作系统、现代WSN典型实验平台、ZigBee硬件平台和WSN仿真。重点内容：节点的模块化设计和节点开发案例。难点内容：TinyOS通信模块和能量管理机制分析。培养能力：能针对物联网领域复杂工程问题的分析、设计和实现需求，开发或选用恰当的资源和工具，进行模拟、仿真和预测；能针对功能、性能等具体要求设计软/硬件模块和组件。第四章无线传感器网络拓朴控制与覆盖主要内容：拓扑结构、拓朴控制、功率控制和覆盖。重点内容：层次性拓朴结构控制。难点内容：覆盖算法分析。培养能力：掌握物联网领域复杂工程问题的相关设计开发方法，设计复杂物联网系统解决方案。第五章无线传感器网络通信与组网主要内容：协议结构、物理层、数据链路层协议、网络层协议、传输层协议、应用层协议、MAC协议和路由协议。重点内容：WSN物理层的设计和层次路由协议。难点内容：MAC协议的分析。培养能力：能够借助文献查阅分析复杂物联网相关工程问题的影响因素，对问题进行抽象，建立合理的模型，评估并选择合适的解决方案。第六章无线传感器网络支撑主要内容：时间同步、定位、数据融合、能量管理、容错、QoS和安全。重点内容：定位算法和故障检测与诊断。难点内容：组播树数据融合算法的分析。培养能力：在设计和开发复杂物联网软/硬件系统的过程中，能够理解和评价其对环境、社会可持续发展的影响。第七章无线传感器网络协议主要内容：IEEE1451系列、IEEE802.15.4标准、ZigBee协议、蓝牙和UWB技术。重点内容：ZigBee协议的分析。难点内容：ZigBee系统软件的设计。培养能力：能够在课程实验、集中实践、实习实训、毕业设计等教学环节中，应用数学、自然科学、工程基础和专业知识解决复杂物联网相关工程问题。第八章无线传感器网络接入主要内容：多网融合体系结构、面向WSN接入和WSN接入互联网。重点内容：多网融合网关的硬件设计。难点内容：WSN服务提供方法分析。培养能力：理解环境保护和社会可持续发展的理念和内涵，在物联网领域复杂工程实践过程中有环境保护和可持续发展意识。第九章无线传感器网络应用主要内容：路况信息监测和智能家居设计。重点内容：基于WSN智能家居的设计与实现。难点内容：TinyOS的WSN定位设计，WSN的移动机器人的定位培养能力：能够在课程实验、集中实践、实习实训、毕业设计等教学环节中，应用数学、自然科学、工程基础和专业知识解决复杂物联网相关工程问题。第十章无线传感器网络与人工智能物联网主要内容：人工智能、物联网、人工智能物联网、水下无线传感器网络等。。重点内容：人工智能和物联网相关核心知识。难点内容：人工智能物联网和水下无线传感器网络相关内容。培养能力：具有初步的人工智能认识能力，解决人工智能相关知识在无线传感器网络中的应用。（2）实验教学（16学时）本课程的教学目标如下：（目标总数建议不超过5个。结合学校办学定位、学生情况、专业人才培养要求，以学生为主语描述完成该课程学习后，应明确描述应达到的知识、能力、素质、价值水平等各项育人目标与内容。注意：课程的若干教学目标之间存在逐渐递进或者螺旋提升关系。）掌握无线传感器网络开发平台搭建、按键控制及中断控制功能。完成课程学习后，具备物联网开发所涉及的基础理论。掌握各类传感器读取数据的实现方法。完成课程学习后，具备一定的工程开发业务素质。掌握PC串口收发数据编程方法、掌握AD数据读取方法。完成课程学习后，具备一定的自主学习能力。4.掌握TinyOS及Zstack协议栈，基于Zstack实现一套完整的物联网系统。完成课程学习后，具备一定的责任担当。1、必修实验项目序号项目编码项目名称支撑课程目标1基于ZigBee协议栈的无线数据传输及通信状态指示实验2基于ZigBee协议栈的模拟信号远程采集实验3基于ZigBee协议栈的网状网与树状网实验4基于ZigBee协议栈的智能家居实例组网实验1.基于ZigBee协议栈的无线数据传输及通信状态指示实验主要内容：Zigbee开发平台搭建、利用按键控制LED、LED自动闪烁实验、利用外部中断控制LED、睡眠定时器唤醒实验。重点内容：IAR、Zigbee、CC2000CC2530IO难点内容：按键控制程序的编程方法、LED自动闪烁编程方法、外部中断函数程序的编程方法。2.基于ZigBee协议栈的模拟信号远程采集实验主要内容：读取1/3AVDD、读取不同电压值、电压值通过超级终端显示。重点内容：CC2530的AD转换基础器设置。难点内容：UART串口中断函数和AD转换函数联合编程方法。基于ZigBee协议栈的网状网与树状网实验主要内容：光照传感器采集实验、温湿度传感器采集实验、Z-Stack无线通信Hello实验、Z-Stack无线通信串口实验。重点内容：光照、温湿度传感器采集程序编程方法；ZStackOSAL难点内容：修改Z-Stack协议栈程序以实现无线数据收发。基于ZigBee协议栈的智能家居实例组网实验主要内容：压力、三轴、超声波、雨滴、霍尔传感器采集实验；基于Zstack的无线数据采集系统。重点内容：压力、三轴、超声波、雨滴、霍尔传感器的编程方法，基于Zstack的无线数据采集系统开发。难点内容：修改Z-Stack协议栈程序以实现传感器数据读取及发送功能。*五、达成课程目标的途径与措施为达成本课程教学目标，以课堂讲授为主，课程研讨、课外拓展练习、资料阅读为辅。针对不同教学内容采用灵活多样的教学方式，运用启发式教学理论，对教学内容的有机整合，反映最新教学与科研成果，注重培养学生的学习兴趣，增加实践教学环节。本课程充分利用网络平台，开发并部署网络课件，提供辅助教学资源；每次课堂教学后布置课后作业，每章节讲解完毕后及时展开总结和习题讲解并于下次课程进行随堂测验。为达成本课程教学目标，通过课堂讲授关键知识点，通过阅读资料来自主学习，通过对实验箱进行编程来实现具体功能。针对不同教学内容采用灵活多样CC2530行编程来锻炼实际动手能力，通过线上线下交流来答疑解惑。本课程充分利用网络平台，开发并部署在线实验系统，提供辅助教学资源，发布实验任务，提交实验代码。*六、考核方式（一）具体考核方式（描述本课程主要运用的考核方式、考核构成、比例及达成目）1、27030（二）课程成绩核算方法和目标达成考核表3成绩计分方法（过程性考核项目不应低于3项，末评性考核项目必须包含主观题；任一课程目标的单项考核项目分值不应低于10分；任一课程目标的总考核分值不应低于10分）表3成绩计分方法成绩组成课程目标合计（%）12345平时成绩（过程性考核）平时考勤1111120平时作业22222平时测验11111实践课外……期末成绩（末评性考核）主观题6666650客观题44444实验报告大作业/专题报告/实习报告//…占比70表4实验报告评分标准基本要求考核形式评分点得分范围对实验过程叙述详细、概念正条理、确，语言表达准确，结构严谨，条理清楚，逻辑性强，自己努力实验报告结构、逻辑（不全面/基本全面/全面）完成，没有抄袭。性。对实验过程中存在问题分析详细透彻、规范、全面；能结合物联网工程案例方面内容描述正确。实验操作+实验报告问题分析深入、全面。（不正确/基本正确/正确）实验心得体会深刻、有创意，论述合理详细，有自己的个人见解和想法。实验报告有真情实感、切身体会（无/一般/独特）汇总30（最高级分值总和）*七、推荐教材及教学资源*（一推荐教材（ISBN文社科等相关课程按照上级要求统一使用马工程重点教材，其他课程）无线传感网络智能技术与应用.许毅、陈立家、唐星、陈建军等.202552.201913.20251参考文献：（填写文献名称、主编、出版社、ISBN号、版次）（二）参考资料(1)无线传感器网络简明教程.崔逊学、左从菊.清华大学出版社.2009,ISBN:9787302201861(2)无线传感器网络.孙利民,清华大学出版社.2005,ISBN9787302106937(3)面向实时监测的无线传感器网络.杨玺.人民邮电出版社.2010,ISBN9787115237804（三）其它网络教学资源