Zigbee网络基本原理与应用教学方针教案课程

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'Zigbee网络基本原理与应用教学方针教案课程'
.*计算机与信息技术学院课程教案专 业 物联网工程 课 程 Zigbee网络原理与应用 讲 授 人 姚建峰 2015 年 9月10日(一) 课程名称: Zigbee网络原理与应用(二) 学时学分:周4学时,3学分(三) 预修课程:电子线路、数字逻辑、计算机组成原理、高级语言程序设计(四) 使用教材ZigBee技术与实训教程――基于CC2530的无线传感网技术,清华大学出版社,2014年5月第1版(五) 教学参考书(3本以上)1、李文仲编著:《Zigbee2006无线网络与无线定位实战》,北京航空航天大学出 版社,2008年1月第1版;2、王小强编著:《Zigbee无线传感器网络设计与实现》,化学工业出版社,2012年6月第1版;3、郭渊博编著:《Zigbee技术与应用》,国防工业出版社,2010年6月第1版。(六)教学方法:课堂讲授,课堂演示,师生互动,理论与实验结合教学。(七) 教学手段:多媒体教学。(八) 考核方式:闭卷考试。(九) 学生创新精神与实践能力的培养方法:结合实验、具体应用、小组讨论等方式使学生掌握Zigbee技术开发的基本方法,提高学生分析问题和解决问题的能力,培养学生的动手能力和创新能力。(十) 其它要求:严格考勤,学生课堂表现和实验完成情况占学生成绩的30%,期末成绩占70%。第一章无线传感器网络教学时数:2学时教学目的与要求:主要让学生理解无线传感网络的主要概念,了解无线传感网络的发展历程、研究现状与研究前景、应用领域,掌握无线传感网络的特点、网络体系结构、关键技术。教学重点:无线传感器网络体系结构。教学难点:无线传感器网络的关键技术。第一节 无线传感器网络概述(了解)1.无线传感器网络的概念:无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息,并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。2.无线传感器网络的发展历程:第一阶段:最早可以追溯至越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量,“胡志明小道”是胡志明部队向南方游击队输送物资的秘密通道,美军对其进行了狂轰滥炸,但效果不大。后来,美军投放了2万多个“热带树”传感器。“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统,它由飞机投放,落地后插入泥土中,只露出伪装成树枝的无线电天线,因而被称为“热带树”。只要对方车队经过,传感器探测出目标产生的震动和声响信息,自动发送到指挥中心,美机立即展开追杀,总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。第二阶段:二十世纪80年代至90年代之间。主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。 因此在1999年,商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一 。第三阶段:21世纪开始至今,也就是9·11事件之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。除了应用于反恐活动以外,在其它领域更是获得了很好的应用,所以2002年美国国家重点实验室--橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。3.无线传感器网络研究现状:(1)国外无线传感器网络的研究现状1998年,美国国防部提出了“智能尘埃”的概念,最先开始无线传感器网络技术的研究,目的是为监控敌方的活动情况而不被察觉。2001年,美国陆军提出“灵巧传感器网络通信”计划,将无人值守式弹药、传感器和未来战斗系统所用的机器人系统连成网络,以便成倍提高单一传感器的能力,从而提高未来战斗系统的生存能力。2002年,英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。美国科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划,研究领域涉及能感知有毒化学物、生物攻击等的传感器节点、分布环境下传感器网络的特性等问题。2005年,对网络技术和系统的研究计划中,主要研究下一代可靠性高、安全的可扩展的网络、可编程的无线网络及传感器系统的网络特性,资助金额达4000万美元。此外,美国交通部、能源部、美国国家航空航天局也相继启动了相关的研究项目。美国著名院校几乎都有研究小组在从事无线传感器网络相关技术的研究。(2)国内无线传感器网络的研究现状 我国无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动,首次正式出现于1999年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中。国内的一些科研单位和大学,如中国科学院自动化所、软件及清华大学、哈尔滨工业大学从2002年开始在时间同步与定位、传感器数据管理系统方面开展了研究工作。重庆大学也在同一时间开始研究嵌入式无线传感器网络节点、可重构技术、无线传感器中的定位等技术。2004年,中国国家自然科学基金委员会将一项无线传感器网络项目(面上传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论)列为重点研究项目;2005年,将无线传感器网络基础理论和关键技术列入计划;2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术定义了3个前沿方向,其中2个与无线传感器网络的研究直接相关,即智能感知技术和自组织网络技术。 4.无线传感器网络的特点:(1)硬件资源有限;(2)电源容量有限;(3)通信能量有限;(4)计算能力有限;(5)节点数量众多,分布密集;(6)自组织、动态性网络;(7)以数据为中心的网络;(8)多跳路由;(9)应用相关的网络;(10)传感器节点出现故障的可能性较大。5.无线传感网络的应用(1)智能交通;(2)智能农业;(3)医疗健康;(4)工业监控;(5)军事应用;(6)灾难救援;(7)智能家居;(8)其它:在许多新兴领域中也能体现其较好的优越性,如:空间探索、智能物流、灾害防范和环境监测等领域。第二节 无线传感器网络体系结构和关键技术 (重点) 1.传感器节点的组成传感器节点是无线传感器网络的基本功能单元。传感器节点基本组成模块有:传感单元、处理单元、通信单元以及电源部分。处理器模块是传感器节点的核心,负责整个节点的设备控制、任务分配与调度、数据整合与传输等。2.无线传感器网络体系结构一个典型的无线传感器网络的系统架构包括分布式无线传感器节点、汇聚节点和管理节点。这些节点群随机部署在监测区域内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。(1)传感器节点传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统,它们的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱,通过携带有限能量的电池供电。从功能上看这些节点,它们不
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