浅析《无线传感器网络》课程的设置

任倩倩

（黑龙江大学计算机科学技术学院，哈尔滨 150080）

浅析《无线传感器网络》课程的设置

任倩倩

（黑龙江大学计算机科学技术学院，哈尔滨 150080）

针对《无线传感器网络》课程的特点和教学目的，分析无线传感器网络课程的教学内容和教学难点，讨论课程实验设置的问题和方法。

无线传感器网络；课程设置；实验教学

0 引言

随着无线技术、嵌入式技术和感知技术的不断进步和发展，物联网在人们的生产和生活中有着越来越广泛的应用，物联网被认为是21世纪最有潜力的新技术[1]。2011年开始，很多高校开设了物联网工程专业，以更好地培养培养物联网相关技术人才，与国际接轨。物联网工程专业设置的课程包括，无线通信技术、传感器技术、无线传感器网络和嵌入式程序设计等。在物联网专业开设的几门课程中，《无线传感器网络》是一门综合性课程，它综合了数据管理，MAC层协议，路由技术、定位技术和时间同步等各项技术，因此研究该门课程理论和实验内容的设置具有重要意义[2]。

1 《无线传感器网络》课程的教学目的

无线传感网络由大量传感器节点组成，这些节点布置在监测区域内，用以监测特定的物理现象，产生光强、温度、湿度、加速度、声音等感知数据，并把感知数据反馈给用户以进一步处理。在传感器网络的整个工作中，涉及到感知模块、处理器模块、无线通信模块三大模块的协作工作。学生要求掌握每个模块的工作原理，并可以编程控制每个模块的工作。无线传感器网络的课程内容包括网络的七层协议，分别是应用层、会话层、表示层、传输层、路由层、数据链路层和物理层。针对每一层，无线传感器网络理论课程要使学生掌握该层的工作原理、主要技术、当前国际发展前沿，无线传感器网络实验教学需要学生能够控制该层涉及到相关硬件，在传感器节点上编写程序并运行。

2 《无线传感器网络》课程的教学内容和难点

无线传感网络在实际应用中并不需要会话层和表示层，因此在接收端只要采用五层协议就可以达到采集感知数据的目的。针对以下五层协议，我们将具体讨论每次协议的教学内容以及教学难点所在。

传感器网络应用层主要实现将接收到的传感器感知数据在屏幕上显示这一目的。为了按照用户需要显示所需的数据，通常应用对于数据的显示格式和数据库定义有具体要求。这就要求学生具有数据库理论知识作为前续课程，并且具备用高级语言设计并实现图形界面程序的能力。

传感器网络传输层主要涉及到的功能为端对端的数据可靠传输。为了实现数据传输的可靠性要求，达到降低网络拥塞的目的，该层协议的设置将采用拥塞检测、速率控制等相关技术。该层教学的难点在于学生理解传输层可靠传输的必要性，网络产生拥塞的原因，拥塞检测常用方法的分类，理解避免和降低网络拥塞技术的原理和有效性，掌握网络拥塞和数据传输可靠性的依赖和平衡关系。传输层实验教学要求学生能够在传感器节点上实现具有代表性的传输层协议，例如PSFQ、ESRT、CODA和GARUDA等。这些协议的实现要求学生具有控制无线通信部件的能力，掌握传感器节点无线通信的原理。

传感器网络路由层主要涉及到的功能为实现传感器节点之间单跳数据的转发。传感器网络的特性要求该层协议的设计必须要考虑传感器网络能源问题、无线通信能力有限等需求。该层教学要求学生具有计算机算法设计实现和概率论课程作为基础，现有路由协议通常将贪心、动态规划等算法理论与具体路由设计相结合，在网络内设计出一条或多条能源有效的优化路径。学生对算法设计和概率论课程的掌握程度直接影响了对路由协议工作原理的理解。路由层实验教学要求学生能够在多个传感器节点上实现具有代表性的路由协议，例如树形路由、基于分簇的路由和基于网格的路由等。

传感器网络数据链路层主要涉及到的功能为相邻节点之间的数据传输。数据链路层也称为介质访问控制（Medium Access Control Layer，MAC）层。MAC层协议针对网络无线通信资源受限的特性，采用睡眠调度、冲突检测与避免等技术解决网络内通信冲突问题，提高网络的吞吐量。该层协议的教学要求学生了解冲突产生的原因，常用解决冲突的技术分类以及提高网络吞吐量的方法。MAC层实验教学要求学生能够在传感器节点上实现具有代表性MAC协议，例如S-MAC、TMAC、Sift MAC等。

传感器网络路由层协议主要负责无线通信模块的数据信号转换，该层内容与具体的传感器通信部件相关，学生必须对硬件具有一定的了解。这部分内容不是无线传感器网络这门课程的教学重点，在物联网通信技术课程中会有系统的讲述。

3 无线传感器网络实验教学安排

《无线传感器网络》这门课程的实验教学具有重要意义，它可以帮助学生更好地理解理论课程中各层协议的工作原理和关键技术。通过实验教学，学生更深入的掌握协议的精髓以及每个细节设计，体会到具有代表性协议的精华所在。由于传感器网络实验教学要求编写的程序代码在传感器节点上运行，因此学生必须具有嵌入式程序设计的基础。考虑到该门课程的实验课程学时数有限，而且要编码实现每个完整协议需要一定的工作量，因此针对编程能力强弱不同的学生，实验教学的内容可以有所调整。无线传感器网络实验教学一共由四个部分组成，分别是无线传感器网络路由协议，无线传感器网络MAC协议，无线传感网络传输协议和一个无线传感器网络智能监测系统。无线传感器网络路由协议实验要求学生建立一棵路由树，实现网络内节点通过多跳数据传输。针对编程能力较强的同学，实验要求所构建路由树包含节点不少于10个，路由树的层次不少于3层。对于编程能力较薄弱的学生，实验要求所构建路由树内节点达到4个即可，路由树的层次达到2层即可。无线传感器网络MAC协议的实验要求学生设计并实现一个实际可行的MAC协议，并将MAC协议与之前构建的路由树相结合，解决通过路由树传输数据的冲突问题。学生可以选择比较熟悉的MAC协议，例如S-MAC或T-MAC。S-MAC由于其采用固定占空比，设计相对简单，编码实现更为容易。对于编程能力较强的学生，可以实现T-MAC协议，即采用动态占空比方式。最后一个实验内容要求学生设计一个综合智能监测系统，该系统可以通过传感器部件采集温度湿度感知数据，并将采集的数据通过多跳路由方式传输到树根节点，树根节点将数据再通过串口通信方式传输到计算机，计算机终端以图形界面形式显示温度和湿度属性数据的变化情况。这一实验内容综合了整个传感器网络课程的教学内容。

4 结语

《无线传感器网络》这门课程是物联网专业的一门重要课程，它涵盖了物联网的核心技术原理。通过本门课程的学习，学生可以更系统地了解基于物联网的应用各部分的实现方法和采用的相关技术。因此对《无线传感器网络》课程的理论和实验设置研究具有重要意义。

[1]郝洁.无线传感器网络课程特点、挑战和解决方案.现代计算机(专业版),2016，35.

[2]王俊.无线传感器网络.课程特点与教学方法改革探索.中国电力教育,2014,23.

作者简介：

任倩倩（1980-），女，黑龙江哈尔滨人，工学博士，副教授，研究方向为无线传感器网络

Analysis of the Course Setting of Wireless Sensor Network

REN Qian-qian

（School of Computer Science and Technology,Heilongjiang University，Harbin 150080）

According to the feature and aim of the course of wireless sensor networks,analyzes the teaching content and difficulty of the course,and discusses the problem and method in the course setting.

2017-03-09

2017-05-10

1007-1423（2017）16-0023-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.16.005

黑龙江大学新世纪教育教学改革工程项目（No.201406）

Wireless Sensor Network;Course Setting;Experimental Teaching