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

Czech

Number of ECTS credits

6

Mode of study

Not applicable.

Guarantor

Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D.

Department

Department of Telecommunications (UTKO)

Entry knowledge

The subject knowledge on the Bachelor´s degree level is requested.

Rules for evaluation and completion of the course

The content and forms of instruction in the evaluated course are specified by a regulation issued by the lecturer responsible for the course and updated for every academic year.

Aims

This subject is aimed at making the students familiar with the representative sensor systems, with their components and their practical exploitation. The students will obtain a fundamental theoretical orientation in the area of modern sensor technology and they will acquire some skills in design procedures by way of solving practical examples.
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

Not applicable.

Prerequisites and corequisites

Not applicable.

Basic literature

Stojmenovic I., Handbook of Sensor Networks, Wiley,ISBN:13 978-0-471-68472-5, 2005. (EN)
Šimek, M., Bezdrátové senzorové sítě, Vysoké učení technické v Brně, ISBN 978-80-214-4638-0 (CS)

Recommended reading

Not applicable.

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

26 hours, optionally

Teacher / Lecturer

Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D.

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

39 hours, compulsory

Teacher / Lecturer

Ing. Ondřej Krajsa, Ph.D.

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