OMNet+ +在物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程教學中的應用研究

符 琦，蔣云霞

(湖南科技大學 計算機科學與工程學院，湖南 湘潭411201)

1 物聯(lián)網(wǎng)與專業(yè)課程教學

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)是一種以傳感器為基礎設備來實現(xiàn)人與人、人與物、物與物互聯(lián)的新型網(wǎng)絡技術。它通過傳感器對物理世界各種信息進行收集，并有效結合互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)和計機算等技術實現(xiàn)網(wǎng)絡內人員、設備和基礎設施的相關信息的傳送、交互和分析處理，從而提升網(wǎng)絡對外部世界的感知能力，實現(xiàn)人們在生活和工作各方面的智能化科學決策和控制。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)成為了我國新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的方向之一，被廣泛應用于智能電網(wǎng)、智能交通與物流、智能家居、工業(yè)與自動化控制、醫(yī)療健康、金融與服務業(yè)、國防軍事等諸多領域［1］。

在2010年教育部審批通過的140 個高等學校戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關本科新專業(yè)中，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)成為了各高校的新開熱門專業(yè)。該專業(yè)主要以面向物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)和領域需求，培養(yǎng)實用型、復合交叉型人才為目標，著重培養(yǎng)學生創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)新能力，工程研究與開發(fā)能力，以及項目組織與管理等綜合能力。作為一門新專業(yè)，在專業(yè)課程教學內容、教學模式、教學實踐等各方面均需要進行適用性探討，以完善其知識體系、課程體系、工程實踐等各方面的相關理論與切實可行的教學方案、培養(yǎng)計劃等。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程一般包括無線傳感器原理、無線傳感器網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)基礎、嵌入式系統(tǒng)、RFID 技術等課程［2］。其中，無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks，WSNs)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，其相關課程也是重要的核心專業(yè)課程。由于該課程所講授的網(wǎng)絡技術是一種集成創(chuàng)新型技術，知識涵蓋了圖論、高等數(shù)學、計算機網(wǎng)絡、無線電射、嵌入式系統(tǒng)等各個方面，因此是一門應用性和理論知識很強的專業(yè)課。作為一門新的網(wǎng)絡理論技術課程，教學過程中通常會偏向于理論知識的講授，內容相對較空洞抽象，學生難以了解和掌握網(wǎng)絡內部的具體運行方式，不利于知識點的全面了解，而課程實驗相關的硬件平臺價格通常不菲，且不同的實驗需要不同的硬件支撐。因此，有必要在該課程教學中，充分采用合適的開源網(wǎng)絡仿真軟件進行網(wǎng)絡仿真實驗，這樣既可減少教學成本，又能讓學生了解整個網(wǎng)絡運行的各個層面的相關工作原理與機制，同時還可以讓老師根據(jù)不同的教學內容設計相應的仿真實例，更好地進行課堂教學。因此，本文主要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡仿真所需要軟件的工作原理與應用流程。

2 相關仿真軟件對比分析

無線傳感器網(wǎng)絡是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內的傳感器節(jié)點組成的多跳自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，用于協(xié)作感知、采集和處理監(jiān)測區(qū)域中物理世界的信息。目前已在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康、工業(yè)控制、家庭智能監(jiān)控等領域得到了廣泛的應用。為了更好地將其應用到具體的環(huán)境中，有必要通過一個可控的仿真軟件環(huán)境來研究其相關技術，如路由技術、MAC 機制等，以提高其實際應用的可行性和效率。因此，該網(wǎng)絡仿真所需要的仿真軟件應具有以下基本特性［3］:支持大數(shù)據(jù)量傳感節(jié)點的仿真，同時保證仿真運行的時間和效率;仿真各功能模塊可進行自適應配置，以適應不同應用場景對傳感器節(jié)點的功能需求;具有良好的人機交互界面，便于學習和二次開發(fā)。

目前，主要用于無線傳感器網(wǎng)絡仿真的軟件主要有NS2 和OMNe+ +兩種。雖然兩者都能有效地對無線傳感器網(wǎng)絡進行仿真，且開放源代碼，有利于使用者根據(jù)需要來進行編程，但仍存在下幾個方面的區(qū)別:

一是NS2 模型庫(包括各種協(xié)議)過于單一，沒有針對WSN 的專用模型庫;而OMNet+ +除了擁有和NS2 一樣的模型庫外(如Internet 網(wǎng)絡相關協(xié)議)，還有專門用于WSNs 和自組織網(wǎng)絡、車載網(wǎng)絡等特殊網(wǎng)絡類型的仿真模型庫(如表1 所示)，且隨著使用人員的增加，正在不斷的完善中，完全能滿足WSNs 等相關網(wǎng)絡的仿真需求。

表1 OMNet+ +仿真庫舉例

二是NS2 采用了TCL 語言和C + +的分離編譯模式，且無有效的GUI 操作界面，入門較難;而OMNet + +采用了基于Eclipse 框架的GUI 環(huán)境，且采用了基于模型分級的網(wǎng)絡描述語言NED，可對網(wǎng)絡拓撲和節(jié)點內部結構進行可視化的自定義，直觀易學，且模型可自定制(見圖1)。

圖1 OMNet+ +運行示意圖

三是NS2 缺少有效的調試環(huán)境，查錯和糾錯十分不便;OMNet+ +利用Eclipse 框架及其C+ +編輯編譯相關插件，能有效地定位錯誤，并進行跟蹤調試。

基于以上分析，本文采用OMNet+ +作為WSNs 網(wǎng)絡仿真的首選工具進行仿真流程的介紹。

3 OMNet+ +在仿真教學中的應用研究

3.1 OMNet+ +原理與構成

OMNet+ +是一個具備完善GUI 和可嵌入式仿真內核的基于組件的開源網(wǎng)絡仿真軟件，可運行于Windows、Linux 等多種操作系統(tǒng)，主要由網(wǎng)絡描述語言的編譯器、仿真內核庫、消息編譯器、網(wǎng)絡編輯器和仿真程序的圖形化/命令行用戶接口等幾個部分組成，可以迅速定義網(wǎng)絡拓撲結構，并具備網(wǎng)絡協(xié)議源碼編程和跟蹤調試等功能，仿真結果可通過Plove 或Scalar 等工具進行可視化輸出［4］。

如圖2 所示，一個完整的OMNet + +仿真模型通常由.ned、.msg 和.cc 三類源文件組成。.ned 源文件通過NED(Network Description)語言進行網(wǎng)絡拓撲的描述，包括定義節(jié)點設備、節(jié)點間的連接方式等與網(wǎng)絡拓撲和仿真相關的對象及其參數(shù)。.msg 源文件用于定義仿真過程中的數(shù)據(jù)包、消息和事件等格式和內容，該類文件并非必須，根據(jù)仿真具體需求來生成;.cc 源文件用于實現(xiàn)網(wǎng)絡各部分的功能，如某個具體的協(xié)議或機制等。在上述源件的基礎上，OMNet + +通過NED 編譯器、消息編譯器、仿真內核庫、用戶接口等模塊進行聯(lián)合編譯，以生成不同操作系統(tǒng)環(huán)境下的可單獨運行的仿真程序，并根據(jù)定義生成輸出結果文件，作為數(shù)據(jù)分析的基礎。

圖2 OMNet+ +仿真流程示意圖

3.2 OMNet+ +在無線傳感器網(wǎng)絡仿真教學中的應用

無線傳感器網(wǎng)絡課程是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，主要講授了無線傳感器平臺和網(wǎng)絡架構，軍事和生活應用，設計影響因素等內容，涵蓋了網(wǎng)絡層的路由協(xié)議、傳輸層的技術和協(xié)議、跨層方案、定時同步技術、定位技術和拓撲管理等網(wǎng)絡相關的各方面知識。而OMNet ++針對該網(wǎng)絡也提供了大量的開源仿真庫，如Castalia、MiXiM、InetManet 等，以便有效地為不同環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡的相關算法和協(xié)議的仿真提供支持，同時支持使用者進行二次開發(fā)。下面以Castalia 仿真庫為例，簡單介紹該WSNs 仿真庫的安裝與使用。

Castalia 是基于OMNet+ +4.0/4.1 的WSNs 仿真庫，目前最新版本為3.0，只能運行于Linux 或Cygwin 操作系統(tǒng)環(huán)境，可 在 相 關 網(wǎng) 站(http://castalia.npc.nicta.com.au)下載其最新源碼文件Castalia －3.0.tar.gz。然后，通過下面的命令將其解壓至OMNet + +的安裝目錄下(如～/omnetpp－4.1)，并進行編譯連接，以生成WSNs 仿真所需要的相關文件，如Castalia 等:

～/omnetpp－4.1 $ tar –xvzf Castalia－3.0.tar.gz#解壓Castalia 仿真庫源碼

～/omnetpp－4.1 $ cd Castalia －3.0/ #進入解壓后的Castalia 源碼根目錄

～/omnetpp－4.1/Castalia －3.0 $./makemake #產(chǎn)生編譯Castalia 所需的文件Makefile

～/omnetpp－4.1/Castalia－3.0 $ make #編譯Castalia 源碼，并生成可執(zhí)行文件

當編譯成功時，在Castalia 安裝目錄(Castalia/bin)下會生成運行Castalia 所需的可執(zhí)行文件Castalia，至此便可以用“Castalia －c 配置文件”的方式來運行其所帶實例。其中，配置文件描述了網(wǎng)絡仿真場景中的各種參數(shù)，如節(jié)點數(shù)，信道數(shù)、連接方式等等，默認為omnetpp.ini，使用者可以根據(jù)需要自定義。Castalia 在Catalia/Simulations 目錄 下 自 帶 了BANtest、BridgeTest、simpleAggregation、radioTest 等8 個WSNs 仿真的實例，并附有說明文檔，以便使用者根據(jù)需要做自適應修改。以Castalia 所帶radioTest在命令行下的運行過程為例(圖形方式參考Castalia 的使用手冊):在radioTest 目錄下運行Castalia，則Castalia 會搜索可用的網(wǎng)絡仿真場景配置文件(*.ini)，并從中分析有效的網(wǎng)絡配置信息，以供用戶選擇不同的場景進行仿真。如下所示，Castalia 在radioTest 目錄下發(fā)現(xiàn)了可用的配置文件omnetpp.ini，并在其中找到了5 個有效的仿真配置信息，此時，便可選擇其中的一個有效仿真信息進行仿真(如General)，并生成相應的仿真結果文件(如Castalia－Trace.txt):

～/omnetpp－4.1/Castalia－3.0/Simulations/radioTest$../../bin/Castalia #運行Castalia

List of available input files and configurations #返回可用配置文件和有效配置信息列表

* omnetpp.ini #可用配置文件

General #有效仿真場景信息1

InterferenceTest1 #有效仿真場景信息2

InterferenceTest2 #有效仿真場景信息3

CSinterruptTest #有效仿真場景信息4

varyInterferenceModel #有效仿真場景信息5

～/omnetpp－4.1/Castalia－3.0/Simulations/radioTest$../../bin/Castalia －c General #運行General

～/omnetpp－4.1/Castalia－3.0/Simulations/radioTest$ less Castalia－Trace.txt #查看仿真結果

0.027540267327 SN.node［0］.Application Not sending packets

4.068529304763 SN.node［0］.Application Received packet #19 from node 1

4.268531555813 SN.node［0］.Application Received packet #20 from node 1

4.468533806863 SN.node［0］.Application Received packet #21 from node 1

4.668536057913 SN.node［0］.Application Received packet #22 from node 1

與此同時，OMNet+ +支持用戶功能模塊的自定制，以方便用戶擴展其對不同網(wǎng)絡的仿真能力。以基于Castalia 的功能擴展為例，假設用戶要新增加一個MAC 層的仿真模塊myMAC，首先應在～/omnetpp －4.1/Castalia －3.0/src/node/communication/mac 目錄下建立myMAC 目錄，并將myMAC 相關的所有.ned、.msg、.h、.cc 等模塊文件復制到該目錄下，然后，執(zhí)行如下命令重新編譯Castalia，以更新仿真庫，使之有效:

～/omnetpp－4.1/Castalia－3.0 $make clean #清除原有編譯信息

～/omnetpp－4.1/Castalia－3.0 $./makemake #重新生成編譯Catalia 所需文件Makefile

～/omnetpp－4.1/Castalia －3.0 $make #利用新的Makefile 文件，重新編譯Catalia

4 結 語

將OMNeT+ +應用于無線傳感器網(wǎng)絡課程教學的仿真教學，可實現(xiàn)WSNs 在拓撲控制、路由協(xié)議、實時定位等網(wǎng)絡各層相關技術的仿真研究，便于學生了解課程中的大部分原理與實現(xiàn)，從而將理論演示教學與實踐環(huán)節(jié)有機地結合起來，更好地促進教師與學生之間的教與學，有利于培養(yǎng)高層次的物聯(lián)網(wǎng)技術實用人才。

［1］柯 強.物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課程建設探討［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術，2012(1):80 －85.

［2］張建輝，曾 虹.無線傳感器研究生課程教學探討［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2012(7):79 －81.

［3］石為人，黃 河，鮮曉東，等.OMNet + +與NS2 在無線傳感器網(wǎng)絡仿真中的比較研究［J］.計算機科學，2008(10):53 －57.

［4］吳劍鋒，郭 英，范海寧.OMNet+ +網(wǎng)絡仿真器的設計原理與分析［J］.微計算機應用，2008(5):34 －37.