Course detail
Wireless Sensor Networks
FEKT-MPC-SSYAcad. year: 2026/2027
The course focuses in practice and provides students with knowledge and experience in the field of wireless sensor networks and their applications. Students will learn to work with wireless sensor units equipped with microcontrollers and radio chips during the semester, using the IEEE 802.15.4 communication protocol, protocols using this standard, and the Bluetooth LE protocol. Part of the subject is the design and implementation of their own protocol, implementation of the wireless sensor network and its integration into the Internet of Things network. In the last part of the course the students will be acquainted with the possibilities of sensor unit design, power supply and sensing of physical quantities sensors.
Language of instruction
Number of ECTS credits
Mode of study
Guarantor
Department
Entry knowledge
Rules for evaluation and completion of the course
Aims
The students obtain knowledge about the wireless sensors, which are used in the home, building and transport automation- They will work with the Zigbee protocol and Atmel wireless nodes.
Study aids
Prerequisites and corequisites
Basic literature
Šimek, M., Bezdrátové senzorové sítě, Vysoké učení technické v Brně, ISBN 978-80-214-4638-0 (CS)
Recommended reading
Classification of course in study plans
- Programme MPC-TIT Master's 1 year of study, summer semester, compulsory-optional, profile core courses
- Programme MPC-IBE Master's 2 year of study, summer semester, compulsory-optional, profile core courses
- Programme MPC-AUD Master's
specialization AUDM-TECH , 1 year of study, summer semester, compulsory-optional
Type of course unit
Lecture
Teacher / Lecturer
Syllabus
1. Architektura bezdrátových senzorových a komunikačních systémů
Přehled bezdrátových technologií pro IoT a senzorové sítě. Architektura bezdrátového uzlu, mikrokontrolér, rádiový transceiver, senzory, napájení a anténa. Rozdělení WPAN, WLAN a LPWAN. Kritéria volby technologie – dosah, rychlost, latence, spotřeba, topologie, spolehlivost a bezpečnost.
2. Rádiový přenos, link budget a šíření signálu
Výkonové veličiny v dB a dBm, EIRP, citlivost přijímače, RSSI, SNR a noise floor. Link budget. Útlum volným prostorem a logaritmický model šíření. Vliv překážek, odrazů, vícecestného šíření, fadingu a rušení. Praktické hodnocení kvality bezdrátového spoje.
3. Antény a návrh RF části bezdrátového zařízení
Základní typy antén, směrovost, zisk, polarizace a impedance. PCB antény, chip antény a externí antény. Přizpůsobení antény, matching network, ground plane, keep-out oblast. Zásady návrhu RF části PCB, vliv krytu a okolních materiálů, koexistence bezdrátových systémů.
4. IEEE 802.15.4 – fyzická a linková vrstva
Architektura standardu IEEE 802.15.4, frekvenční pásma, kanály, modulace a přenosové rychlosti. Struktura PHY a MAC rámců. Adresace zařízení, typy rámců, potvrzování přenosu. CSMA/CA, beacon a non-beacon režim, základní topologie sítí a zabezpečení na MAC vrstvě.
5. Zigbee a mesh senzorové sítě
Architektura Zigbee protokolového zásobníku. Role coordinator, router a end device. Síťová vrstva, směrování, tvorba a správa sítě. Aplikační vrstva, endpoints, clusters a profily. ZCL, commissioning a bezpečnost. Výhody a omezení Zigbee v současných IoT systémech.
6. IPv6 v omezených bezdrátových sítích, 6LoWPAN a Thread
Principy IPv6 v constrained zařízeních. 6LoWPAN, komprese hlaviček a fragmentace. Principy mesh routingu a RPL. Architektura Thread, role zařízení, Thread Router, Leader, End Device a Border Router. Vytvoření sítě, commissioning a zabezpečení komunikace.
7. Matter a integrace bezdrátových zařízení do IP sítí
Architektura Matter a její vztah k Thread, Wi-Fi, Ethernetu a Bluetooth LE. Device model, nodes, endpoints, clusters a attributes. Commissioning, fabrics, identita zařízení, řízení přístupu a zabezpečení. Principy interoperability a začlenění embedded zařízení do domácích a průmyslových IoT systémů.
8. Bluetooth Low Energy
Architektura BLE, frekvenční kanály a PHY režimy. Advertising, scanning a navazování spojení. Connection events a parametry spojení. GAP, ATT a GATT. Services, characteristics a descriptors. Návrh vlastního BLE zařízení a přenos senzorických dat.
9. Pokročilé BLE, bezpečnost a energetická optimalizace
LE 1M, 2M a Coded PHY. Extended Advertising, Periodic Advertising a moderní možnosti BLE. Pairing, bonding, autentizace, šifrování a správa klíčů. Vliv parametrů BLE na spotřebu, latenci a propustnost. Návrh energeticky úsporného bezdrátového uzlu.
10. Sub-GHz komunikace a návrh vlastního bezdrátového protokolu
Vlastnosti bezlicenčních Sub-GHz pásem. FSK, GFSK a LoRa modulace. Vztah mezi dosahem, přenosovou rychlostí, šířkou pásma a citlivostí. Spreading factor, coding rate a airtime. Návrh vlastního protokolu – struktura rámce, adresace, CRC, sequence number, ACK, retransmise, timeouty, broadcast a řešení kolizí.
11. Návrh kompletního bezdrátového senzorového zařízení
Systémový návrh od požadavků po realizaci. Volba MCU, rádia, senzorů, antény a napájení. Low-power režimy, energetický budget a odhad životnosti baterie. Bezpečné spuštění zařízení, provisioning, správa klíčů a aktualizace firmwaru. Přehled průmyslových technologií Wi-SUN, Wireless M-
Laboratory exercise
Teacher / Lecturer
Syllabus
1. Úvod do jazyka C a platformy STM32Cube
Základní struktura programu v jazyce C, datové typy, ukazatele, struktury, bitové operace a práce s periferiemi. Seznámení s STM32CubeIDE a STM32CubeMX, konfigurace projektu, generování kódu a knihovny HAL. Překlad, nahrání programu do mikrokontroléru a práce s debuggerem. Breakpointy, step-by-step debugging, sledování proměnných, registry periferií a práce s UART výstupem. Jednoduchá aplikace s GPIO, tlačítkem, LED a časovačem.
2. Senzorový uzel a nízkopříkonový provoz
Připojení senzoru pomocí I²C nebo SPI. Periodické měření fyzikální veličiny. Využití časovače, RTC nebo přerušení. Low-power režimy mikrokontroléru a probouzení zařízení. Měření aktivní a klidové spotřeby, výpočet průměrného odběru a odhad životnosti bateriového zařízení.
3. Rádiový spoj, RSSI, SNR a link budget
Realizace jednoduchého bezdrátového spojení mezi dvěma zařízeními. Nastavení vysílacího výkonu a komunikačního kanálu. Měření RSSI, SNR a packet error rate v závislosti na vzdálenosti, překážkách a vysílacím výkonu. Porovnání experimentálních výsledků s teoretickým link budgetem a modelem šíření.
4. IEEE 802.15.4 a analýza rámců
Komunikace mezi zařízeními pomocí IEEE 802.15.4. Adresace zařízení, PAN ID, datové rámce, potvrzování rámců, broadcast a změna komunikačního kanálu. Zachycení komunikace pomocí packet snifferu a rozbor struktury IEEE 802.15.4 rámce. Analýza CSMA/CA a retransmisí.
5. Bluetooth Low Energy a GATT
Realizace BLE peripheral zařízení. Advertising a navázání spojení. Návrh vlastní GATT služby a charakteristik pro přenos senzorických dat. Operace READ, WRITE a NOTIFY. Komunikace s mobilním telefonem nebo PC. Experimentální ověření vlivu connection intervalu a advertising intervalu na latenci a spotřebu energie.
6. Mesh komunikace – Thread a Zigbee
Vytvoření víceuzlové bezdrátové sítě. Role jednotlivých zařízení, připojování uzlů do sítě, směrování a reakce sítě na výpadek uzlu. Analýza komunikace pomocí packet snifferu. Porovnání principů Thread a Zigbee, jejich adresace, topologie a způsobu přenosu aplikačních dat.
7. Sub-GHz komunikace a návrh vlastního protokolu
Komunikace mezi NUCLEO-WL55JC v bezlicenčním Sub-GHz pásmu. Realizace point-to-point komunikace pomocí FSK nebo LoRa PHY. Návrh jednoduchého vlastního rámce obsahujícího adresu, typ zprávy, pořadové číslo, uživatelská data a kontrolní součet. Implementace ACK, timeoutu a retransmise. Porovnání FSK a LoRa z hlediska dosahu, airtime, citlivosti a spolehlivosti.
8. Projekt – specifikace a návrh systému
Definice požadavků na řešený bezdrátový systém. Volba komunikační technologie, topologie sítě, senzorů, parametrů přenosu a způsobu napájení. Návrh struktury aplikačního protokolu a architektury firmware. Stanovení měřitelných parametrů, které budou na konci projektu experimentálně vyhodnoceny.
9. Projekt – implementace základní komunikace
Implementace základních funkcí jednotlivých uzlů a bezdrátové komunikace. Ověření přenosu dat mezi uzlem a přijímačem, gateway nebo dalšími zařízeními. Řešení základních chybových stavů a diagnostiky systému.
10. Projekt – dokončení systému
Integrace senzorů, aplikačního protokolu a dalších částí projektu. Implementace víceuzlové komunikace, retransmisí, reconnect mechanismů nebo zabezpečení podle charakteru projektu. Ověření kompletní funkce navrženého systému.
11. Projekt – měření a optimalizace
Experimentální měření vlastností vytvořeného systému. Vyhodnocení například dosahu, RSSI, SNR, packet error rate, propustnosti, la