無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知層測試評估平臺的研究*

李樹磊，林鑫海，趙研，李威

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)助地實施監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境監(jiān)測對象的信息，成為了當前國內(nèi)外備受關(guān)注的前沿熱點研究領(lǐng)域[1-2]。它涉及多學科高度交叉，知識高度集成，綜合了傳感器技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及通訊技術(shù)等[3-5]。在傳感器網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用中，對其進行測試評估以保證穩(wěn)定高效，成為了目前亟需解決的問題。

國內(nèi)外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試評估技術(shù)沒有形成標準化和系統(tǒng)化，大多數(shù)研究都是進行理論分析和計算機模擬。在數(shù)學模型的構(gòu)建中由于計算復雜度過高，在實際應(yīng)用中需要簡化，以至于降低了分析結(jié)果的可信度[6-7]，現(xiàn)有的模擬工具也難以體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的真實性能[8]。因此，有必要建立一個測試平臺，以實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的監(jiān)控，更全面地評估網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的各個因素[9]。

本文主要研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知層測試技術(shù)，采用專用的測試儀器包括綜合測試儀、高性能頻譜分析儀、矢量信號源、協(xié)議分析儀、無線連接測試儀等，搭建測試環(huán)境平臺，進行節(jié)點的功能測試、性能測試、網(wǎng)絡(luò)拓撲查看等，實時采集數(shù)據(jù)進行分析處理，并且提供了測試評估平臺的人機交互界面，方便對傳感器網(wǎng)絡(luò)遠程操作和監(jiān)控。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由獨立分布的節(jié)點以及網(wǎng)關(guān)組成，通過無線方式形成的一種多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，主要分為感知層、協(xié)議層和應(yīng)用層3部分。節(jié)點包括傳感器節(jié)點、中繼節(jié)點、匯聚節(jié)點等，它們隨機部署在監(jiān)測區(qū)域，能夠?qū)崟r采集信息發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，進行數(shù)據(jù)存儲和分析處理。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要采用ZigBee協(xié)議，工作在2.4GHz頻段上，傳輸速率為250kbps，傳輸距離為100m左右。

網(wǎng)關(guān)用于將傳感器網(wǎng)絡(luò)與其它網(wǎng)絡(luò)（如移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等）建立傳輸連接，又稱為網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器，屬于有別于終端設(shè)備的一類特殊節(jié)點。網(wǎng)關(guān)的功能包括：一是通過節(jié)點獲取信息并進行轉(zhuǎn)換；二是與外部網(wǎng)絡(luò)進行通信。無線傳感器網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 無線傳感器網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的穩(wěn)定性是保證整個網(wǎng)絡(luò)良好運行的基礎(chǔ)，因此節(jié)點設(shè)計的可靠性至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點種類雖然不盡相同，但都遵循基本的架構(gòu)：數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、通訊單元和電源管理這4部分，如圖2所示。根據(jù)具體應(yīng)用場景配置相應(yīng)的輔助功能，比如定位系統(tǒng)、能源補充系統(tǒng)、防水設(shè)計等。工作流程大致為：首先采集傳感器信息；然后對數(shù)據(jù)信息進行存儲和處理；最后發(fā)送給通訊模塊（收發(fā)器）以無線方式發(fā)送至上一級節(jié)點。

圖2 無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)

節(jié)點的能量決定整個網(wǎng)絡(luò)的壽命，對能耗的控制至關(guān)重要。系統(tǒng)配置了多種工作方式可以轉(zhuǎn)換，節(jié)點執(zhí)行完必須的任務(wù)后進入待機模式，通過電源管理功能切斷處理器、射頻發(fā)送模塊的供電，此時能耗最低。節(jié)點的喚起可以使用硬件看門狗功能或者發(fā)送喚起指令。本文主要測試以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信性能和電源管理模塊的性能。

3 感知層測試評估平臺系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)測試主要對單個設(shè)備進行射頻性能測試，難以全面評估傳感器網(wǎng)絡(luò)的健康狀況，加之部署環(huán)境復雜多變，對網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)進行實時調(diào)整顯得尤為重要。測試和監(jiān)控結(jié)合在一起，一方面可以獲取節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息；另一方面還可以根據(jù)環(huán)境變化和監(jiān)測需求改變網(wǎng)絡(luò)行為配合測試。

針對這些需求，本文設(shè)計了一種傳感器網(wǎng)絡(luò)測試和遠程監(jiān)控為一體的傳感器網(wǎng)絡(luò)感知層測試評估平臺，節(jié)點測試利用各類設(shè)備搭建環(huán)境，檢測節(jié)點的狀態(tài)，并將測試數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)以無線等方式實時傳遞到監(jiān)控平臺，查看網(wǎng)絡(luò)連接狀況、拓撲結(jié)構(gòu)和鏈路傳輸速率等網(wǎng)絡(luò)特征，評估無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試評估平臺總體架構(gòu)如圖3所示。

3.1 測試評估平臺硬件架構(gòu)

圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試評估平臺總體架構(gòu)

傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件測試平臺將節(jié)點設(shè)備的測試方案進行改進和整合，以滿足單機測試和網(wǎng)絡(luò)測試的需求。該平臺主要由測試對象層、測試內(nèi)容層、測試儀器設(shè)備層這3部分組成。測試儀器主要由直流電源、多功能數(shù)字萬用表、信號源、頻譜儀、無線綜合測試儀以及電腦（PC）組成，其中測試儀通過GPIB總線與PC連接，被測設(shè)備（DUT）通過RS232/RJ45與PC連接，PC可以設(shè)置DUT的工作狀態(tài)、讀取儀器設(shè)備的測試結(jié)果。

測試平臺硬件架構(gòu)如圖4所示：

圖4 測試平臺硬件架構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有多種工作方式：發(fā)射、接收、睡眠等，調(diào)節(jié)設(shè)備處于不同工作狀態(tài)，特別是不同狀態(tài)下電源管理模塊的性能，實時監(jiān)控網(wǎng)關(guān)和節(jié)點設(shè)備的射頻性能及網(wǎng)絡(luò)性能。主要測試指標包括：

（1）整體指標：工作頻段、傳感信息速率、調(diào)制編碼方式、功耗等；

（2）接收指標：接收靈敏度、鏡像抑制、互調(diào)抑制、接收群時延（帶內(nèi)）等；

（3）發(fā)射指標：發(fā)射功率、諧波發(fā)射分量抑制、雜散發(fā)射分量抑制等；

（4）網(wǎng)絡(luò)性能測試：網(wǎng)絡(luò)建立時間、節(jié)點遲入網(wǎng)時間、組網(wǎng)方式等。

測試平臺的工作流程大致為：測試設(shè)備儀器、DUT上電正常工作后，開始采集工作電壓和電流信息，當工作電壓或電流發(fā)生變化時，根據(jù)變化大小確定工作狀態(tài)，并且實時計算當前DUT的功耗，此時采集的數(shù)據(jù)同步發(fā)給網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器）。發(fā)射和接收狀態(tài)情況下，測試儀器能夠監(jiān)測DUT的發(fā)射性能和接收性能指標。

測試平臺應(yīng)用流程如圖5所示：

圖5 測試平臺應(yīng)用流程

3.2 遠程監(jiān)控平臺系統(tǒng)設(shè)計

遠程監(jiān)控平臺包括設(shè)備控制、數(shù)據(jù)記錄、報告輸出等功能，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)分析處理。采用B/S架構(gòu)，主要分為人機界面和數(shù)據(jù)分析處理層2部分，由人機界面、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)更新監(jiān)控例程、數(shù)據(jù)推送服務(wù)、數(shù)據(jù)監(jiān)聽與刷新例程等組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測試數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)把傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動通信網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)相連，將測試數(shù)據(jù)上傳到評估平臺，并以Web形式對外提供一個開放的信息系統(tǒng)，客戶端只需要瀏覽器而不需要其它軟件，當前主流系統(tǒng)（Windows、Linux、iPhone、Android）都可無條件支持與使用。遠程監(jiān)控平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6所示：

圖6 遠程監(jiān)控平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為驗證測試評估平臺對傳感器網(wǎng)絡(luò)射頻性能和網(wǎng)絡(luò)性能測試的可行性，在實際網(wǎng)絡(luò)中選用3個節(jié)點組網(wǎng)測試，節(jié)點性能測試界面和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點性能測試界面（左）和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（右）

硬件測試平臺將檢測到的數(shù)據(jù)通過特定接口上傳到數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)在這里進行分析處理，實時將數(shù)據(jù)推送到客戶端，用戶通過瀏覽器觀察DUT性能指標和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。當數(shù)據(jù)庫接收到最新的數(shù)據(jù)后，客戶端的數(shù)據(jù)監(jiān)聽功能模塊監(jiān)測到數(shù)據(jù)推動服務(wù)發(fā)來的新數(shù)據(jù)，向客戶端瀏覽器推送，更新瀏覽器監(jiān)控窗口，以保障數(shù)據(jù)的更新，從而真實準確地評估傳感器網(wǎng)絡(luò)整體性能。此外，用戶還可以向數(shù)據(jù)庫發(fā)送指令，完成對DUT的控制。

4 結(jié)論

本文提出了一種傳感器網(wǎng)絡(luò)感知層測試評估的設(shè)計方法，搭建由測試對象層、測試儀器設(shè)備層、人機界面與數(shù)據(jù)分析處理層等組成的測試評估平臺，實現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備檢測、網(wǎng)絡(luò)拓撲查看、測試數(shù)據(jù)存儲和上傳、實時更新、人機交互等功能，可以準確地測試設(shè)備各項指標，便捷快速地對傳感器網(wǎng)絡(luò)的運行狀況進行監(jiān)測。隨著未來無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)部署方面將與以3G/4G網(wǎng)絡(luò)為核心的通信網(wǎng)絡(luò)、遍及全國四通八達的互聯(lián)網(wǎng)融合，測試評估平臺也將得以借助這些通信技術(shù)得到增強，為傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的創(chuàng)新提供支持。

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