无线传感网络系统
无线传感网络技术及其应用
无线传感网络技术及其应用随着科技的不断发展，无线传感网络技术（Wireless sensor network）已经出现在我们日常生活中的各个领域。
它可以被用于农业、环境、医疗、军事、交通等各种业务和领域，对我们的生产和生活带来了革命性的变化。
一、无线传感网络技术的原理和特点无线传感网络技术是一种分散控制、分布式系统的新型技术，包含了无线通信技术、传感技术、微处理器技术等多种科技手段。
它通过无线传感器节点来进行数据采集、处理、传输等任务，以实现对于物理世界的感知，从而辅助我们的生产、生活等方面。
一般而言，无线传感网络技术可以分为三个层次，即感知层、通信层、网络层。
其中感知层是由传感器节点组成的，用于采集并处理外界的信号；通信层是指利用无线通信技术来实现节点之间的信息交互；网络层则负责对节点所采集的数据进行处理和汇聚，并将数据传输到用户端。
相比于传统感知技术，无线传感网络技术具有以下几个特点：1. 网络范围大：无线传感网络技术可以覆盖范围非常广，从个人的办公室到整个城市都可以实现网络连接。
2. 处理能力强：无线传感网络技术有独特的数据处理能力，在数据采集和传输上有很高的效率，能实时处理复杂的数据。
3. 结构模块化：无线传感网络技术是由多个节点构成的分散控制系统，在实现联网的情况下，这些节点能够适应整个系统的性能。
4. 自组建能力强：无线传感网络技术可以自组建成一个节点网络，基本上不需要人为干预；同时，系统非常灵活，可以根据应用场景和需求来灵活配置节点数量、布置方式和连接方式。
二、无线传感网络技术在农业领域中的应用作为一个生产生活领域，农业生产对运用现代科技领域的需求比较高，随着无线传感网络技术的不断发展，其在农业领域中的应用也越来越广泛。
1. 物联网农业无线传感网络技术的物联网技术是应用于农业系统中的一个重要方面，通过构建物联网农业系统，可实现对于农业生产的全面自动化。
物联网农业系统可以监测农作物的生长状态、土壤的温度、湿度、大气气体成分和光照条件等重要参数，从而进行自动控制灌溉、施肥和杀虫处理等步骤，从而提高农业生产质量和数量。
无线传感器网络技术概论课件：无线传感器网络体系结构
无线传感器网络体系结构
2．通信能力的约束 传感器节点的通信能力关系到传感器网络监测区域内节
点部署数量，而制约其通信能力主要有两个参数，即能量损 耗和通信距离，二者之间的关系为
E = kdn
(2-1)
式中，E为传感器节点的通信能量损耗；k为一个常数，
与传感器节点的系统构成有关；d为传感器节点的通信距离；
分别接入TD-SCDMA、GSM核心网、Internet主干网及无线 局域网络等多种类型异构网络，再通过各网络下的基站或主 控设备将传感器信息分发至各终端，以实现针对无线传感器 网络的多网远程监控与调度。同时，处于TD-SCDMA、 GSM、Internet等多类型网络终端的各种应用与业务实体也 将通过各自网络连接相应的无线传感器网络网关，并由此对 相应无线传感器网络节点开展数据查询、任务派发、业务扩 展等多种功能，最终实现无线传感器网络与以移动通信网络、 Internet网络为主的各类型网络的无缝的、泛在的交互。
(2) 汇聚节点：用于连接传感器节点与Internet 等外部网 络的网关，可实现两种协议间的转换；同时能向传感器节点 发布来自管理节点的监测任务，并把WSN收集到的数据转 发到外部网络上。与传感器节点相比，汇聚节点的处理能力、 存储能力和通信能力相对较强。
(3) 管理节点：用于动态地管理整个无线传感器网络， 直接面向用户。所有者通过管理节点访问无线传感器网络的 资源，配置和管理网络，发布监测任务以及收集监测数据。
锁相回路(PLL)、解调器和功率放大器组成，所有的这些组
件都会消耗能量。对于一对收发机来说，数据通信带来的功
耗PC的组成部分可简单地用模型描述为
PC = PO + PTX + PRX
(2-2)
测绘技术中的无线传感网络和地理信息系统的融合方法介绍
测绘技术中的无线传感网络和地理信息系统的融合方法介绍无线传感网络（Wireless Sensor Networks）和地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是现代测绘技术中的两个重要领域，它们的融合应用为地理信息的采集、处理和分析提供了新的途径和方法。
本文将介绍在测绘技术中无线传感网络和地理信息系统的融合方法。
一、无线传感网络的基本原理和特点无线传感网络是由一组分布式的、无线通信的、自主工作的传感器节点组成的网络系统。
每个节点都具有感知环境信息、进行数据处理和通信的能力。
无线传感网络通过无线通信技术将各个节点连接起来，形成一个能够感知并处理环境信息的网络系统。
无线传感网络具有以下几个特点：1. 分布性：节点分布在所测区域的各个位置，形成分布式的网络结构。
2. 自组织和自适应性：无线传感节点能够自动组网，自适应地应对环境的变化。
3. 能耗限制：由于传感节点通常使用电池供电，能耗是一个非常重要的问题。
4. 通信限制：无线传感节点之间的通信受到传输距离、信号干扰等因素的限制。
5. 数据处理：各个节点能够对感知到的环境信息进行处理和分析。
二、地理信息系统的基本原理和特点地理信息系统是基于计算机科学和地理学理论的一种综合性的地理信息处理和分析系统。
它能够对地球表层的各种信息进行采集、存储、管理、处理、分析和显示。
地理信息系统具有以下几个特点：1. 空间性：地理信息系统主要处理与地理位置相关的信息，具有很强的空间性质。
2. 综合性：地理信息系统能够处理和分析不同类别和来源的地理信息数据。
3. 数据采集和更新：地理信息系统能够采集、整理和更新地理信息数据。
4. 空间分析和模拟：地理信息系统能够进行空间分析和模拟，揭示地理现象的规律。
5. 可视化：地理信息系统能够通过地图、图表和图像等方式将地理信息可视化展示。
三、无线传感网络和地理信息系统的融合方法无线传感网络和地理信息系统的融合是将无线传感网络和地理信息系统相互连接和交互，实现无线传感网络数据的采集、处理和分析。
无线传感器网络综述
历史以及发展现状（续）
之所以国内外都投入巨资研究机构纷纷开展无线传感器网络的研究，很大程度归功于其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。
WSN的体系结构
01
传感器网络结构
02
汇聚节点
WSN的体系结构（续）
传感器节点结构
传感器网络协议栈
WSN的体系结构（续）
WSN的特征
与无线网络的区别 传感器网络集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目庞大（上千甚至上万），分布密集，因环境和能量的耗尽，容易出现故障，节点通常固定不动。能量、处理能力、存储能力、通信能力有限。不同于传统无线网络的高服务质量和高效的带宽的利用，节能是其设计的首要考虑因素。
WSN的应用（续）
WSN的应用（续）
智能家居
家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与Internet连在一起。为人提供人性化的家居环境。 例：Avaak 提供一个只有1立方英寸大小的自治产品。这个微型的无线视频平台包含有一节电池、无线电、摄像相机、(彩色成像器加镜头)、控制器、天线和温度传感器。（如图 ）
WSN的应用（续）
WSN的应用（续）
建筑物状态监控
利用传感器网络监控建筑物的安全状态。 例：Microstrain在佛蒙特州的一座重载桥梁上安装了一套该公司研制的系统，将位移传感器安装在钢梁上用来测量静态和动态应力，并通过无线网络来采集数据。该无线系统可以保留在桥梁上用于长期监测桥梁是否处于正常受控状态 。 （如图 ）
历史以及发展现状
国外：
起源于美国，根源可追溯到1978年由国防部高级研究计划署（DARPA）在卡内基-梅隆大学发起的分布式传感器研讨会。 具有代表性的项目包括：1993-1999年间由美国国防高级研究计划署(DARPA)资助，加州大学洛杉矶分校(UCLA)承担的WINS项目； 1999-2001年间由DAPRA资助UC Berkeley承担的Smart Dust项目。
无线传感网络
无线传感网络无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是一种分布式传感网络。
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。
WSN中的传感器节点通过无线方式通信，网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。
且在科技水平大幅度提高的基础上传感器节点的成本和能耗也逐渐降低，使得WSN在很多领域得到应用。
最早现代意义上的传感器是1879年德国科学家霍尔在研究金属的导电机制时制作的磁场传感器。
经过100多年的发展，传感器的功能不再单一，可以采集温度、湿度、位置、光强、压力、生化等标量数据。
1996年，美国军方资助加州大学洛杉矶分校（UCLA）等单位开展低功耗无线传感器网络（Low-power Wireless Integrated Microsensors，LWIM）的研究。
LWIM III型无线传感器节点将传感器、控制电路与电源电路集成为一体。
两年之后，UCLA与Rockwell合作，开发了Rockwell WINS（Wireless Integrated Network Sensor）无线传感器节点。
该节点使用32位微处理器Strong ARM、1MB的内存与4MB的闪存，数据传输速率是100kbps，工作时的功耗为200mw，睡眠时的功耗是0.8mw。
与此同时，加州大学伯克利分校（UCB）也开展了“Smart Dust”（智能尘埃）项目的研究。
“智能尘埃”意指传感器节点的体积非常小，如尘埃一般。
该项目研究的目标是通过MEMS技术，实现传感、计算与通信能力的集成，用智能传感器技术增强微型机器人的环境感知与智慧处理能力。
其研究任务是开发一系列低功耗、自组织、可重构的无线传感器节点。
1998年研制的WeC智能传感器节点使用的是8位、主频为4MHz的AT90LS8535微处理器芯片，内存是512B，闪存为8kB，数据传输速率为10kbps，工作时的功耗为15mw，睡眠时的功耗是45μw。
无线传感器网络体系结构
Internet、卫星或移动 通信网络等
任务管理中心
汇聚节点
监测区域 传感器节点
无线传感器网络物理体系结构
传感器节点包括 （1）数据采集模块 （2）处理控制模块 （3）无线通信模块 （4）能量供应模块
Internet、卫星或移动 通信网络等
任务管理中心
汇聚节点
监测区域 传感器节点
无线传感器网络物理体系结构
外部网络 （UAV、卫星通信
网、互联网等）
观测节点
目标
远程任务管理
用户
数据传输或 信令交换
传感器节点
感知现场
体系结构概述
观测节点（汇聚节点）的各方面能力相对于上述节点群而言相对比较强，具有双重 身份。它连接传感器网络、Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转 换。同时发布管理点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。通常假设观 测节点能力较强，资源充分或可补充。观测节点有被动触发和主动查询两种工作模 式，前者被动地由传感节点发出的感兴趣事件或消息触发，后者则周期扫描网络和 查询传感节点，较常用。
的目标信息。
外部网络 （UAV、卫星通信
网、互联网等）
观测节点
目标
远程任务管理
用户
数据传输或 信令交换
传感器节点
感知现场
体系结构概述
传感器节点具有原始数据采集、本地信息处理、无线数据传输及与其它 节点协同工作的能力，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。
外部网络 （UAV、卫星通信
应用层
表示层
会话层
OSI参考模型
传输层 网络层
数据链路层
物理层
开放式系统互联（OSI）协议参考模型
无线传感网络综述
1、无线传感网络简介无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区中观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。
2、无线传感网络的特点1）硬件资源有限：节点由于受价格、体积和功耗的限制，其计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。
这一点决定了在节点操作系统设计中，协议层次不能太复杂。
2）传感节点数目多、易失效：根据应用的不同，传感器节点的数量可能达到几百万个，甚至更多。
此外，传感器网络工作在比较恶劣的环境中，经常有新节点加入或已有节点失效，网络的拓扑结构变化很快，而且网络一旦形成，人很少干预其运行。
因此，传感器网络的硬件必须具有高强壮性和容错性，相应的通信协议必须具有可重构和自适应性。
3）通信能力有限：考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，传感器网络采用多跳路由的传输机制。
传感器节点的无线通信带宽有限，通常仅有几百kbps 的速率。
由于节点能量的变化，受高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，无线通信性能可能经常变化，频繁出现通信中断。
4）电源能量有限：网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。
其特殊的应用领域决定了在使用过程中，不能给电池充电或更换电池，一旦电池能量用完，这个节点也就失去了作用。
因此在无线传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。
5）以数据为中心是网络的核心技术：对于观察者来说，传感器网络的核心是感知数据，而不是网络硬件。
例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。
以数据为中心的特点要求传感器网络的设计必须以感知数据管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理。
无线传感网络概述
无线传感网络概述学号031241119姓名魏巧班级0312411一、无线传感器网络（WSN）的定义：无线传感器网络（WSN）是指将大量的具有通信与计算能力的微小传感器节点，通过人工布设、空投、火炮投射等方法设置在预定的监控区域，构成的“智能”自治监控网络系统，能够检测、感知和采集各种环境信息或检测对象的信息。
二、传感器的节点分布及通信方式：由于传感器节点数量众多，布设时智能采用随机投放的方式，传感器节点的位置不能预先确定。
节点之间可以通过无线信道连接，并具有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处理以及节点间的数据交互来完成全局任务，同时节点之间采用自组织网络拓扑结构。
由于传感器节点是密集布设的，因此节点之间的距离很短，在传输信息方面多跳（multi—hop）、对等（peer to peer）通信方式比传统的单跳、主从通信方式更适合在无线传感器网络中使用，例如：使用多跳的通信方式可以有效地避免在长距离无线信号传播过程中遇到的信号衰落和干扰等各种问题。
三、WSN运行的环境：1、WSN可以在独立封闭的环境下（如局域网中）运行。
2、WSN也可以通过网关连接到网络基础设施上（如Internet）。
在这种情况中，远程用户可以通过Internet 浏览无线传感器网络采集的信息。
四、无线数据网络的定义及无线自组网络的特点：主流的无线网络技术，如IEEE 802.11、Bluetooth都是为了数据传输而设计的，我们称之为无线数据网络。
目前，无线数据网络研究的热点问题就是无线自组网络技术，这项技术可以实现不依赖于任何基础设施的移动节点在短时间内的互联。
特点有如下几点：（1）无中心和自组性（优点）：无线自组网络没有绝对的控制中心，网络中节点通知分布式的算法来协调彼此的行为，这种算法无需人工干预和其他预置网络设施就可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。
（2）动态变化的网络拓扑（缺点）：移动终端能够以任意速度和方式在网中移动，在通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化。
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一、单选题（题数：10，共 10.0 分）1ZigBee，这个名字来源于_______使用的赖以生存和发展的通信方式。
（1.0分）我的答案：B2根据IEEE802.15.4标准协议，ZigBee的工作频段分为哪三个？（1.0分）我的答案：C3Wi-Fi的标准是？（1.0分）我的答案：A4ZigBee具体如下技术特点：低功耗，低成本,_______，低速率，网络容量大，工作频段灵活，安全。
（1.0分）我的答案：B5物联网中，让物品“开口说话”的关键技术是指？（1.0分）我的答案：C6Zigbee使用了3个频段，其中2450MHz定义了（）个频道？（1.0分）我的答案：C7ZigBee的起源：（1.0分）我的答案：D8关于蓝牙路由机制说法错误的是？（1.0分）蓝牙路由的建立可以在MT和FM之间，也可以在FM和FM之间，但是不可以在MT和MT之间。
我的答案：C9下列哪项不是ZigBee工作频率范围？（1.0分）868~868.6我的答案：A10ZigBee组成的无线网络内，连接地址码的短地址和长地址分别最大可容纳多少个设备？（1.0分）我的答案：C二、多选题（题数：5，共 10.0 分）1蓝牙技术传输数据使用的交换技术有？（2.0分）我的答案：BE2关于蓝牙路由机制中的通信问题说法正确的是？（2.0分）我的答案：ACD3关于蓝牙技术的说法，正确的是：（2.0分）我的答案：ADE4关于物联网的体系结构说法正确的是？（2.0分）我的答案：ADE5关于ZigBee网络拓扑结构说法正确的是？（2.0分）网状网的节点间的路由不只是一条。
我的答案：ABCDF三、填空题（题数：10，共 10.0 分）1红外数据协会简称_（1.0分）我的答案:第一空：IrDA2_、_、和_，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。
（1.0分）我的答案:第一空：低成本第二空：低功耗第三空：对等通信3蓝牙技术中，HCI有_、_、_三种包。
（1.0分）我的答案:第一空：命令包第二空：事件包第三空：数据包4蓝牙技术中，HCI的_是为了管理主机和主机控制器中有限的资源并控制数据流量而设计的，由主机管理主机控制器的数据缓存区，主机可动态地调整每个连接句柄的流量。
（1.0分）我的答案:第一空：流量控制5一个微网中最多可以有_个从设备处于激活状态，其余更多的从设备可以处于休眠状态。
（1.0分）我的答案:第一空：76Wi-Fi使用的是_频段（1.0分）我的答案:第一空：2.4GHz7移动物体之间的通信，或移动物体与固定物体之间的通信，称之为_.（1.0分）我的答案:第一空：移动通信8物联网通信包含了几乎现有的所有通信技术，包括有线和无线通信，然而考虑到物联网的泛在化特征，要求物联网设备的广泛互连和接入，最能体现该特征的是_.（1.0分）我的答案:第一空：无线通信技术9蓝牙技术中，主机控制器接口是通过_的方式来传送信息的，所有在主机和主机控制器之间的通信都以该种形式进行。
（1.0分）我的答案:第一空：包10在物理层，蓝牙定义了两种链路类型，分别是_和_.（1.0分）我的答案:第一空：SCO同步面向连接的链路第二空：ACL异步无连接的链路四、判断题（题数：15，共 15.0 分）1同一个ZigBee网络中的设备的短地址各不相同。
（1.0分）我的答案：√2蓝牙主机可以向主机控制器发送数据包和事件包。
（1.0分）我的答案：×3蓝牙技术基于的IEEE标准是802.15.2（1.0分）我的答案：×4蓝牙设备的主机控制器可以向主机发送命令包和事件包。
（1.0分）我的答案：×5一个ZigBee网络可以有多个协调器。
（1.0分）我的答案：√6蓝牙技术提供了数据完整性检查和鉴权能力，但是ZigBee技术没有。
（1.0分）我的答案：×7ZigBee技术基于的IEEE标准是802.15.4（1.0分）我的答案：√8ZigBee设备的整体响应比蓝牙设备慢。
（1.0分）我的答案：×9总体而言，ZigBee技术的时延低于蓝牙技术的时延。
（1.0分）我的答案：√10ZigBee技术可以应用在个人健康监护、家庭自动化、消费电子、玩具和游戏、工业农业商业等高速无线设备需要的场合和领域。
（1.0分）我的答案：×11ZigBee的终端节点不具备路由器的功能，但是其他节点可以通过它关联到当前网络。
（1.0分）我的答案：√12蓝牙技术规范的目的是使符合该规范的各种应用之间能够互通，为此，本地设备和远程设备需要使用相同的协议栈。
（1.0分）我的答案：√13ZigBee技术的目标不是要和蓝牙技术竞争，而是要补充蓝牙技术的盲区。
（1.0分）我的答案：√14蓝牙不同的应用可以在不同的协议栈上运行，但是，所有的协议栈都要使用蓝牙技术规范中的数据链路层和物理层。
（1.0分）我的答案：√15不同信道中的ZigBee网络的PANID不同。
（1.0分）我的答案：×五、简答题（题数：6，共 30.0 分）1列举常见的短距离无线通信技术（至少4项）。
（5.0分）我的答案WIFI , ZigBee , 蓝牙,RFID2蓝牙技术的核心协议有哪些？简述各个核心协议的主要功能。
（5.0分）我的答案LMP协议负责蓝牙组件间连接的建立L2CAP协议完成数据的拆装,基带与高层协议间的适配,数据重传和低级别流量控制等BB协议蓝牙设备的调频选择SDP协议3ZigBee网络中节点的类型都有哪些？其各自的主要功能是什么？（5.0分）我的答案协调器具有建立新网络的能力。
路由器具备允许设备加入网络或者离开网络、为设备分配网络内部的逻辑地址、建立和维护邻居表等功来能。
终端节点只需要有加入或离开网络的能力即可。
4蓝牙标准规定了哪三种安全模式，分别在怎样的情况下启动安全进程？（5.0分）我的答案5蓝牙设备发出的查询消息和寻呼消息的区别。
（5.0分）我的答案寻呼消息用来建立连接的查询消息主要用来寻找蓝牙设备查询消息需要比寻呼消息更多的时间来收集所有的响应。
蓝牙物理连接链路的类型及其各自特点是什么？（5.0分）我的答案SCO同步面向连接的链路(点到点对称电路),ACL异步无连接的链路(一点到一点,一点到多点)六、名词解释（题数：20，共 10.0 分）1NFC（0.5分）我的答案近场通信2IoT（0.5分）我的答案物联网3L2CAP（0.5分）我的答案逻辑链路控制FFD（0.5分）我的答案完整功能设备5寻呼扫描（0.5分）我的答案Page Scan 6MT（0.5分）我的答案移动终端7SDP（0.5分）我的答案服务发现协议8MSC我的答案信息交换中心9FHSS （0.5分）我的答案跳频技术10RFD（0.5分）我的答案终端节点11 Bluetooth （0.5分）我的答案蓝牙12RFID （0.5分）我的答案13SIG（0.5分）我的答案蓝牙技术联盟14数据挖掘（0.5分）我的答案从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的实际应用数据中，提取隐含在其中的、人们事先不知道的，但又是潜在有用的信息和知识的过程。
15HCI（0.5分）我的答案主机接口控制16FM（0.5分）我的答案固定蓝牙主设备17BRS（0.5分）我的答案蓝牙路由机制18查询（0.5分）我的答案19WPAN（0.5分）我的答案无线个人局域网通讯技术20LMP（0.5分）我的答案链路管理协议七、计算题（题数：3，共 15.0 分）1蓝牙主机调用Read_Buffer_Size命令，该命令从主机控制器返回的参数表明主机能够发给主机控制器的数据包(包括ACL和SCO)总数是90，随后（此段时间，主机和主机控制器之间没有别的信息传输），主机控制器发给主机Number_Of_Complete_Packets事件包，该事件包参数给出主机控制器已经处理的数据包数目65，假设此次正确传输的数据包数量是28，则接下来主机还能向主机控制器发送的数据包的数目是多少？此次传输中，被主机控制器丢弃的数据包数量又是多少？（5.0分）我的答案主机还想主机控制器发送数据包数目为25,被主机控制器丢弃的数据包数量为372某ZigBee设备使用了信道15和信道22，则该设备所对应的信道号是？（5.0分）我的答案0x004080003某个时刻，蓝牙设备主机发送1个命令包给其主机控制器，主机控制器回送一个命令状态事件包，该事件包的Num_HCI_Command_Packets选项值是15，则接下来主机能向主机控制器发送的命令包的数目是多少？（5.0分）我的答案15个。