李樹(shù)磊，林鑫海，趙研，李威

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

1 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器協(xié)助地實(shí)施監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，成為了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域[1-2]。它涉及多學(xué)科高度交叉，知識(shí)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(jì)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(shí)際應(yīng)用中，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試評(píng)估以保證穩(wěn)定高效，成為了目前亟需解決的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試評(píng)估技術(shù)沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化，大多數(shù)研究都是進(jìn)行理論分析和計(jì)算機(jī)模擬。在數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建中由于計(jì)算復(fù)雜度過(guò)高，在實(shí)際應(yīng)用中需要簡(jiǎn)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(shí)性能[8]。因此，有必要建立一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的監(jiān)控，更全面地評(píng)估網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的各個(gè)因素[9]。

本文主要研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)感知層測(cè)試技術(shù)，采用專(zhuān)用的測(cè)試儀器包括綜合測(cè)試儀、高性能頻譜分析儀、矢量信號(hào)源、協(xié)議分析儀、無(wú)線連接測(cè)試儀等，搭建測(cè)試環(huán)境平臺(tái)，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的功能測(cè)試、性能測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳榭吹?，?shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并且提供了測(cè)試評(píng)估平臺(tái)的人機(jī)交互界面，方便對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控。

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

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由獨(dú)立分布的節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)組成，通過(guò)無(wú)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(diǎn)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)等，它們隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域，能夠?qū)崟r(shí)采集信息發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析處理。目前無(wú)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(dòng)通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等）建立傳輸連接，又稱(chēng)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(lèi)特殊節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)的功能包括：一是通過(guò)節(jié)點(diǎn)獲取信息并進(jìn)行轉(zhuǎn)換；二是與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性是保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)良好運(yùn)行的基礎(chǔ)，因此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的可靠性至關(guān)重要。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)種類(lèi)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(chǎng)景配置相應(yīng)的輔助功能，比如定位系統(tǒng)、能源補(bǔ)充系統(tǒng)、防水設(shè)計(jì)等。工作流程大致為：首先采集傳感器信息；然后對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和處理；最后發(fā)送給通訊模塊（收發(fā)器）以無(wú)線方式發(fā)送至上一級(jí)節(jié)點(diǎn)。

圖2 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

節(jié)點(diǎn)的能量決定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命，對(duì)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(diǎn)執(zhí)行完必須的任務(wù)后進(jìn)入待機(jī)模式，通過(guò)電源管理功能切斷處理器、射頻發(fā)送模塊的供電，此時(shí)能耗最低。節(jié)點(diǎn)的喚起可以使用硬件看門(mén)狗功能或者發(fā)送喚起指令。本文主要測(cè)試以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)的無(wú)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(cè)試評(píng)估平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試主要對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行射頻性能測(cè)試，難以全面評(píng)估傳感器網(wǎng)絡(luò)的健康狀況，加之部署環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整顯得尤為重要。測(cè)試和監(jiān)控結(jié)合在一起，一方面可以獲取節(jié)點(diǎn)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(cè)需求改變網(wǎng)絡(luò)行為配合測(cè)試。

針對(duì)這些需求，本文設(shè)計(jì)了一種傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試和遠(yuǎn)程監(jiān)控為一體的傳感器網(wǎng)絡(luò)感知層測(cè)試評(píng)估平臺(tái)，節(jié)點(diǎn)測(cè)試?yán)酶黝?lèi)設(shè)備搭建環(huán)境，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，并將測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)以無(wú)線等方式實(shí)時(shí)傳遞到監(jiān)控平臺(tái)，查看網(wǎng)絡(luò)連接狀況、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和鏈路傳輸速率等網(wǎng)絡(luò)特征，評(píng)估無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試評(píng)估平臺(tái)總體架構(gòu)如圖3所示。

3.1 測(cè)試評(píng)估平臺(tái)硬件架構(gòu)

圖3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試評(píng)估平臺(tái)總體架構(gòu)

傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件測(cè)試平臺(tái)將節(jié)點(diǎn)設(shè)備的測(cè)試方案進(jìn)行改進(jìn)和整合，以滿(mǎn)足單機(jī)測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)測(cè)試的需求。該平臺(tái)主要由測(cè)試對(duì)象層、測(cè)試內(nèi)容層、測(cè)試儀器設(shè)備層這3部分組成。測(cè)試儀器主要由直流電源、多功能數(shù)字萬(wàn)用表、信號(hào)源、頻譜儀、無(wú)線綜合測(cè)試儀以及電腦（PC）組成，其中測(cè)試儀通過(guò)GPIB總線與PC連接，被測(cè)設(shè)備（DUT）通過(guò)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(cè)試結(jié)果。

測(cè)試平臺(tái)硬件架構(gòu)如圖4所示：

圖4 測(cè)試平臺(tái)硬件架構(gòu)

無(wú)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(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)設(shè)備的射頻性能及網(wǎng)絡(luò)性能。主要測(cè)試指標(biāo)包括：

（1）整體指標(biāo)：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(biāo)：接收靈敏度、鏡像抑制、互調(diào)抑制、接收群時(shí)延（帶內(nèi)）等；

（3）發(fā)射指標(biāo)：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(cè)試：網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)間、節(jié)點(diǎn)遲入網(wǎng)時(shí)間、組網(wǎng)方式等。

測(cè)試平臺(tái)的工作流程大致為：測(cè)試設(shè)備儀器、DUT上電正常工作后，開(kāi)始采集工作電壓和電流信息，當(dāng)工作電壓或電流發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)變化大小確定工作狀態(tài)，并且實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前DUT的功耗，此時(shí)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(cè)試儀器能夠監(jiān)測(cè)DUT的發(fā)射性能和接收性能指標(biāo)。

測(cè)試平臺(tái)應(yīng)用流程如圖5所示：

圖5 測(cè)試平臺(tái)應(yīng)用流程

3.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)包括設(shè)備控制、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)告輸出等功能，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析處理。采用B/S架構(gòu)，主要分為人機(jī)界面和數(shù)據(jù)分析處理層2部分，由人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫(kù)、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(tīng)與刷新例程等組成。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)把傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)相連，將測(cè)試數(shù)據(jù)上傳到評(píng)估平臺(tái)，并以Web形式對(duì)外提供一個(gè)開(kāi)放的信息系統(tǒng)，客戶(hù)端只需要瀏覽器而不需要其它軟件，當(dāng)前主流系統(tǒng)（Windows、Linux、iPhone、Android）都可無(wú)條件支持與使用。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6所示：

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為驗(yàn)證測(cè)試評(píng)估平臺(tái)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)射頻性能和網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試的可行性，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中選用3個(gè)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)測(cè)試，節(jié)點(diǎn)性能測(cè)試界面和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)性能測(cè)試界面（左）和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（右）

硬件測(cè)試平臺(tái)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)特定接口上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)在這里進(jìn)行分析處理，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)推送到客戶(hù)端，用戶(hù)通過(guò)瀏覽器觀察DUT性能指標(biāo)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)接收到最新的數(shù)據(jù)后，客戶(hù)端的數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)功能模塊監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)推動(dòng)服務(wù)發(fā)來(lái)的新數(shù)據(jù)，向客戶(hù)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(shí)準(zhǔn)確地評(píng)估傳感器網(wǎng)絡(luò)整體性能。此外，用戶(hù)還可以向數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送指令，完成對(duì)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(cè)試評(píng)估的設(shè)計(jì)方法，搭建由測(cè)試對(duì)象層、測(cè)試儀器設(shè)備層、人機(jī)界面與數(shù)據(jù)分析處理層等組成的測(cè)試評(píng)估平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳榭?、測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和上傳、實(shí)時(shí)更新、人機(jī)交互等功能，可以準(zhǔn)確地測(cè)試設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)，便捷快速地對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。隨著未來(lái)無(wú)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(guó)四通八達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)融合，測(cè)試評(píng)估平臺(tái)也將得以借助這些通信技術(shù)得到增強(qiáng)，為傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的創(chuàng)新提供支持。

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