Detail předmětu

Wireless Sensor Networks

FEKT-MPA-SSYAk. rok: 2024/2025

Předmět je zaměřen prakticky a přináší studentům znalosti a zkušenosti z oblasti bezdrátových senzorových sítí a jejich využití. Studenti se v průběhu semestru naučí pracovat s bezdrátovými senzorickými jednotkami, které jsou osazeny mikrokontroléry a rádiovými čipy, využívat komunikační standard IEEE 802.15.4, protokoly využívající tento standard, a také protokol Bluetooth LE. Součástí předmětu je návrh a implementace vlastního protokolu, realizace bezdrátové senzorové sítě a její začlenění do sítě Internet of Things. V poslední části předmětu se studenti seznámí s možnostmi návrhu senzorové jednotky, napájení a snímání fyzikálních veličin senzory.

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

5

Garant předmětu

Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav telekomunikací (UTKO)

Vstupní znalosti

Jsou požadovány znalosti na úrovni bakalářského studia. Práce v laboratoři je podmíněna platnou kvalifikací „osoby znalé pro samostatnou činnost“, kterou musí studenti získat před zahájením výuky. Informace k této kvalifikaci jsou uvedeny ve Směrnici děkana Seznámení studentů s bezpečnostními předpisy.

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

Během studia kurzu je možné získat až 100 bodů. Až 30 bodů je možné získat v rámci laboratorních cvičení za obhajobu projektu. Předmět je ukončen zkouškou, kdy za písemnou část je možné získat až 60 bodů a za ústní část 10bodů. 
Up to 100 points can be earned while studying the course. Up to 30 points can be obtained as part of the laboratory exercises for defending the project. The scourse ends with an exam, where up to 60 points can be obtained for the written part and 10 points for the oral part. 

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Učební cíle

Předmět má za cíl seznámit studenty s bezdrátovými sítěmi krátkého dosahu, tzv. WPAN sítěmi, s jejich součástmi a s jejich praktickým využitím. Studenti získají základní teoretickou a hlavně praktickou orientaci v oblasti moderní bezdrátové přenosové a senzorické techniky a pomocí řešení praktických příkladů si osvojí dovednosti ve vývoji senzorových komunikačních modulů.
Studenti získají přehled o prvcích a komunikačních systémech používaných v bezdrátových senzorových sítích, které se používají např. na řízení inteligentních budov, v dopravních systémech nebo pro monitorování životního prostředí. Seznámí se se standardem IEEE 802.15.4 a protokolem Zigbee.

Základní literatura

GUTIERREZ, Jose A, Ludwig WINKEL, Edgar H CALLAWAY a Raymond L BARRETT. Low-rate wireless personal area networks: enabling wireless sensors with IEEE 802.15.4. 3rd ed. Piscataway, N.J.]: IEEE Press, 2010, xxxiii, 245 s. : il. ISBN 978-0-7381-6285-0 (EN)
KUORILEHTO, Mauri. Ultra-low energy wireless sensor networks in practice: theory, realization and deployment. Chichester: John Wiley, 2007, xxiii, 372 s. : il. ISBN 978-0-470-05786-5. (EN)

Doporučená literatura

MORTON, John. AVR: an introductory course. Oxford: Newnes, 2002, vii, 241 s. : il. ISBN 0-7506-5635-2. (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program MPA-CAN magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program MPAD-CAN magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D.

Osnova

1. WSN technology, basic architecture of AVR microprocessors, available peripherals, AVR memory space - FLASH memory, SRAM memory, EEPROM memory. Interrupts. ARM processors. Basics of working with registers 2. Serial data transfer. USART bus, communication parameters, configuration. SPI bus, basic characteristics, device interfacing, parameters, configuration. I2C bus, basic characteristics, device addressing, parameters, configuration. 3. Timer basics, overflow counter principle, interrupt counter principle. Counter resolution. Pulse-width modulation, alternation. 4. ADCs, sampling, quantization, coding, quantization error. Principle of AD converter with successive approximation. Converter error, zeroing error, gain error, integral and differential nonlinearity. ADC configuration in AVR. 5. Principle of radio signal propagation through the environment, power level of received signal and its dependence on distance, description of logarithmic attenuation model, conversion of dBm to mW, effect of frequency on power level of signal, antenna gain, quarter-wave antennas. 6. IEEE 802.15 standard and its distribution. Physical layer according to IEEE 802.15.4, frequency bands used, modulation, transmission rates. Issues of coexistence of IEEE 802.15.4 standard with other wireless technologies. Energy detection on the channel, RSSI parameter, LQI parameter, frame format on the physical layer of IEEE 802.15.4 7. Link layer according to IEEE 802.15.4 , frame format, superframe structure, device types, inter frame intervals, synchronized and unsynchronized CSMA/CA method. Network provisions. LightWeight Mesh Protocol. 8. Zigbee protocol, network layer, NWK frame format, routing in mesh network using AODV, routing in tree structure. Application layer of Zigbee protocol, application profiles, endpoints, communication security, application layer frame structure. 9. Wireless HART protocols, ISA100.11a standard, Bluetooth Low Energy. Localization of wireless nodes, energy consumption during data transmission. 10. Wireless sensor unit architecture, sensor unit design, power supply options. 11. Design of custom protocol over network layer. 12. Modern protocols for Internet of Things.

Laboratorní cvičení

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D.

Osnova

1. C language, working with registers, controlling IO ports 2. Serial data transfer, interrupts 3. Timers, A/D conversion 4. I2C, SPI, sensor control 5. LightWeight Mesh 6. - 12. Project