盧 超 王闊傳 周銘銳 薛凱冰 徐 輝 孫富韜

(1.北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所,北京 100076;2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院,北京 100076)

1 引言

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在眾多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的評價(jià)研究也在不斷開展。王燦采用了網(wǎng)絡(luò)抗毀性評價(jià)方法,提出了介數(shù)熵抗毀性測度模型[1];欒健從網(wǎng)絡(luò)層、抗毀性、監(jiān)測性能和定位技術(shù)等方面歸納了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能評價(jià)的各項(xiàng)指標(biāo)[2];芮立提出了一種基于多因子分析的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠性評估模型[3];陳孝如研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制協(xié)議,提出了網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的評價(jià)方法[4];蔣文賢提出了一種能效模型的量化評價(jià)方法,對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和能量有效性進(jìn)行評價(jià)[5];王建國基于ZigBee 協(xié)議對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量開展研究[6];王曉東和黨月芳研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)頻譜檢測技術(shù)[7,8];宋婷婷提出了一種以低功耗為目標(biāo)的頻譜分配策略[9]。這些研究僅關(guān)注到了網(wǎng)絡(luò)性能、頻譜和功耗的某一方面,目前還未有集成三種以上特性的綜合評價(jià)方法。因此設(shè)計(jì)了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的評價(jià)系統(tǒng),能夠從網(wǎng)絡(luò)性能、頻譜和功耗等多個(gè)維度對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評價(jià)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為全面評估無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的綜合性能,建立涵蓋網(wǎng)絡(luò)性能、頻譜和功耗等多個(gè)指標(biāo)的評估模型,設(shè)計(jì)了能夠同時(shí)獲取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線數(shù)據(jù)包、頻譜和電流等數(shù)據(jù)的評價(jià)系統(tǒng),如圖1 所示。該系統(tǒng)由頻譜分析子系統(tǒng)、電流采集子系統(tǒng)、無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和服務(wù)器組成。頻譜分析子系統(tǒng)用于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)空中頻譜特性;電流采集子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)30 路工作節(jié)點(diǎn)工作電流的實(shí)時(shí)采集;無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)由30 個(gè)工作節(jié)點(diǎn)和1 個(gè)基站節(jié)點(diǎn)組成,基站節(jié)點(diǎn)與工作節(jié)點(diǎn)組成星狀傳感網(wǎng)絡(luò),由基站節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收工作節(jié)點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)包并轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器;服務(wù)器匯總3 個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù),利用無線數(shù)據(jù)包、頻譜數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能綜合評價(jià)。

圖1 評價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture diagram of evaluation system design

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 頻譜分析子系統(tǒng)

頻譜分析子系統(tǒng)用于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)空中頻譜特性,而頻譜儀是研究信號頻譜結(jié)構(gòu)的重要儀器,在選擇頻譜儀時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注頻率范圍、測量范圍和分析譜寬等指標(biāo)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作頻率主要集中在433 MHz、868 MHz、915 MHz 和2.4 GHz 幾個(gè)頻段,發(fā)射功率一般不超過20 dBm,接收靈敏度一般大于-120 dBm。

系統(tǒng)采用RIGOL 系列頻譜儀對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空中頻譜信號失真度、調(diào)制度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號參數(shù)進(jìn)行測量,該頻譜儀頻率范圍為9 kHz～6.5 GHz,測量范圍為-165 dBm～30 dBm,分析帶寬為1 Hz～10 MHz,可以覆蓋無線傳感器網(wǎng)絡(luò)空中信號的頻率和功率范圍。同時(shí),其內(nèi)部采用數(shù)字電路和微處理器,具有存儲和運(yùn)算功能,配置標(biāo)準(zhǔn)接口,可通過總線數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的交互控制和數(shù)據(jù)傳輸,可以滿足系統(tǒng)對無線傳感器空中頻譜特性監(jiān)測的需求。

系統(tǒng)啟動后,通過服務(wù)器下發(fā)控制指令至頻譜儀,設(shè)置頻譜儀的工作模式、光譜測量狀態(tài)、起始頻率、終止頻率、平均次數(shù)、有效觸發(fā)后的采集次數(shù)和掃描時(shí)間等參數(shù),頻譜儀采用主動上傳的方式將數(shù)據(jù)傳至服務(wù)器。

3.2 電流采集子系統(tǒng)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)決定了能量效率是評價(jià)其性能的重要指標(biāo)。無線傳感器有多種工作模式,在各種模式下分時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和射頻收發(fā)等操作,在不同操作下,工作電流也不同:在休眠時(shí),電流可能低至微安級別;射頻發(fā)送時(shí),電流可能達(dá)到幾十毫安。因此,需要電流采集子系統(tǒng)有足夠高的分辨率和采樣率。

電流采集子系統(tǒng)采用NI 公司（美國國家儀器有限公司）的PXIe-1082 機(jī)箱和PXIe-4353 采集卡。PXIe-1082 機(jī)箱通過網(wǎng)口TCP 協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行通信,以實(shí)現(xiàn)通過PXIe-4353 采集卡對無線傳感器節(jié)點(diǎn)工作電流的數(shù)據(jù)采集。采集板卡PXIe-4353 支持多達(dá)32 路模擬電流輸入,內(nèi)部采用24 位高速ADC,所有通道的速度高達(dá)90 S／s。使用通道0 至通道29 共30 個(gè)測量通道測量30 個(gè)無線傳感器工作節(jié)點(diǎn)的工作電流,采樣率設(shè)置為1 MHz／s。30 個(gè)無線傳感器工作節(jié)點(diǎn)通過差分電路接口接入至PXI-4353 板卡,接口連接如圖2 所示。

圖2 PXIe-4353 與無線傳感器節(jié)點(diǎn)的接口連接圖Fig.2 PXIe-4353 interface connection diagram with wireless sensor node

3.3 無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)

無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)主要包括30 個(gè)工作節(jié)點(diǎn)與1 個(gè)基站節(jié)點(diǎn)。服務(wù)器通過下達(dá)指令至基站節(jié)點(diǎn),基站節(jié)點(diǎn)可根據(jù)指令要求決定是否啟動30個(gè)工作節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中,30 個(gè)工作節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)包至基站節(jié)點(diǎn)并轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)性能。

無線傳感器電流監(jiān)測節(jié)點(diǎn)核心為主控芯片和射頻模塊。主控芯片采用STM32F030,包含高性能ARM 32 位RISC 核心,工作頻率為48 MHz,具有高速嵌入式內(nèi)存。其提供IIC、SPI 和串口通信接口,具有6 個(gè)通用16 位定時(shí)器和一個(gè)高級控制PWM 定時(shí)器,可在-40°C～85°C 的溫度范圍內(nèi)工作。射頻模塊電路采用Silicon Labs 公司的EZ Radio PRO 系列ISM頻段無線芯片NRF24L01,工作頻段為2.4～2.5 GHz,具有126 個(gè)頻道和6 個(gè)信道,最大輸出功率可以達(dá)到20 dBm,最高工作速率為2 Mbps。主控芯片與射頻模塊通過SPI 接口連接,接口原理如圖3 所示。

圖3 單片機(jī)與射頻模塊的接口原理圖Fig.3 Schematic diagram of interface between SCM and RF module

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

評價(jià)系統(tǒng)軟件工作流程如圖4 所示,系統(tǒng)上電后,首先對頻譜儀、工作節(jié)點(diǎn)和基站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化配置。然后,服務(wù)器啟動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作,同時(shí)啟動頻譜儀對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作節(jié)點(diǎn)的頻譜數(shù)據(jù)、吞吐量和丟包進(jìn)行采集,啟動電流采集子系統(tǒng)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作節(jié)點(diǎn)的工作電流進(jìn)行采集。最后,服務(wù)器將電流、頻譜、吞吐量和丟包等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,根據(jù)評價(jià)算法對網(wǎng)絡(luò)性能狀態(tài)作出相應(yīng)評價(jià)。

圖4 系統(tǒng)軟件總體流程圖Fig.4 Overall flow chart of system software

4.1 參數(shù)配置

參數(shù)配置主要功能是通過服務(wù)器對頻譜分析子系統(tǒng)、電流采集子系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行配置。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)主要包括發(fā)包時(shí)間、采樣頻率、數(shù)據(jù)包長和網(wǎng)絡(luò)個(gè)數(shù);頻譜分析子系統(tǒng)參數(shù)主要包括設(shè)備地址、工作模式、終止頻率、測量狀態(tài)、起始頻率、掃描時(shí)間、平均次數(shù)、采集次數(shù)、輸出格式、連續(xù)測量和觸發(fā)次數(shù)等參數(shù)。服務(wù)器配置完成后,開始對無線傳感器節(jié)點(diǎn)的電流信號和頻譜分析子系統(tǒng)的頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析。

4.2 電流測試

在多路電流測試中,服務(wù)器通過基站通知30路無線傳感器工作節(jié)點(diǎn)開始工作,然后再通過TCP／IP 協(xié)議依次啟動電流采集子系統(tǒng),采集30 路無線傳感器工作節(jié)點(diǎn)的工作電流,并將電流信號實(shí)時(shí)顯示。電流采集子系統(tǒng)將電流數(shù)據(jù)通過TCP／IP 協(xié)議傳輸至服務(wù)器測評系統(tǒng),服務(wù)器對節(jié)點(diǎn)的平均電流及工作能量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

4.3 頻譜測試

在頻譜分析中,服務(wù)器通知頻譜儀采集無線節(jié)點(diǎn)的接收通信頻率,通過對發(fā)送理論通信頻率與接收通信頻率的誤差計(jì)算得到在同頻干擾下的收發(fā)頻率誤差,并將該誤差實(shí)時(shí)顯示到界面并保存至數(shù)據(jù)庫中。

4.4 網(wǎng)絡(luò)性能測試

在網(wǎng)絡(luò)性能測試中,服務(wù)器通過串口讀出熱區(qū)中多信道節(jié)點(diǎn)的發(fā)包數(shù)據(jù),并實(shí)時(shí)計(jì)算、分析和存儲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量、丟包率、時(shí)間同步精度和RSSI 等值。

4.5 系統(tǒng)評價(jià)——網(wǎng)絡(luò)測試

系統(tǒng)將一個(gè)流程中的工作電流、頻率誤差、吞吐量和丟包率等參數(shù)進(jìn)行綜合歸一化計(jì)算。系統(tǒng)軟件將測評得到的典型指標(biāo)輸入至服務(wù)器的BP 智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法平臺,根據(jù)系統(tǒng)歸一化計(jì)算的參數(shù)對被測無線傳感器系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià),評價(jià)結(jié)果分為A、B、C、D、E 五個(gè)等級。系統(tǒng)評價(jià)完成后,可生成評價(jià)報(bào)告。系統(tǒng)評價(jià)界面如圖5 所示。

5 測評系統(tǒng)場景構(gòu)建及測試

搭建如圖6 所示的測評場景,被測評的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含30 個(gè)工作節(jié)點(diǎn)、1 個(gè)基站節(jié)點(diǎn)、5 個(gè)干擾節(jié)點(diǎn)和5 個(gè)誘惑節(jié)點(diǎn)。在運(yùn)行過程中,干擾節(jié)點(diǎn)與誘惑節(jié)點(diǎn)可對工作節(jié)點(diǎn)與基站之間的通信進(jìn)行干擾與誘惑。

圖6 測評系統(tǒng)圖Fig.6 Evaluation system diagram

控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道個(gè)數(shù)、數(shù)據(jù)包長、發(fā)射功率、節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、干擾節(jié)點(diǎn)數(shù)和誘惑節(jié)點(diǎn)數(shù)等參數(shù),構(gòu)建如表1 所示的5 個(gè)測評場景。系統(tǒng)根據(jù)各測評場景的工作電流、頻率誤差、吞吐量、丟包率、信號強(qiáng)度、抗干擾能力和抗誘惑能力等參數(shù)進(jìn)行綜合歸一化計(jì)算,得到抗毀性、可靠性、能量高效性、安全性和敏捷性指標(biāo),根據(jù)歸一化計(jì)算的參數(shù)對被測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評價(jià),最終得到A、B、C、D、E 五個(gè)等級的評價(jià)結(jié)果。

表1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測評結(jié)果Tab.1 Wireless sensor network evaluation results

6 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)評價(jià)系統(tǒng),該系統(tǒng)通過頻譜分析子系統(tǒng)、電流采集子系統(tǒng)和無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作電流特征、網(wǎng)絡(luò)丟包、吞吐量特性和頻譜特性進(jìn)行特征提取,實(shí)現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的綜合評價(jià)。