無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

韓秀媛+李平+張英杰

摘 要 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究與分析中起到了至關(guān)重要的作用。論文首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，在充分分析比較的基礎(chǔ)上提出新型測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)原則，平臺(tái)的基本構(gòu)造包括PC終端測(cè)試系統(tǒng)和若干傳感節(jié)點(diǎn)，根據(jù)不同的測(cè)試要求，采集全方位信息，然后把信息打包發(fā)送到PC終端測(cè)試系統(tǒng)，在測(cè)試系統(tǒng)中集中分析處理這些測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果直觀可視化以實(shí)現(xiàn)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試與分析。文章最后提出了測(cè)試平臺(tái)中存在的不足，以及未來發(fā)展的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；測(cè)試平臺(tái)；鏈路質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）20-0011-01

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界得到了越來越廣泛的關(guān)注與重視，隨著軟硬技術(shù)的飛速發(fā)展，取得了非常豐富的研究成果，很多領(lǐng)域都開始向?qū)嶋H應(yīng)用方向發(fā)展，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試技術(shù)的跟進(jìn)與發(fā)展顯得更加重要，尤其是評(píng)估節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息的量化與控制節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)行為的監(jiān)視等功能的實(shí)現(xiàn)與完善，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展起到保駕護(hù)航的作用。無論在能量資源、通信能力、運(yùn)算和存儲(chǔ)方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都受到極度限制，因此測(cè)試平臺(tái)面臨更多的技術(shù)難題。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行環(huán)境中，我們需要考慮兩種狀態(tài)，即網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)包括鏈路質(zhì)量、能量分布以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓闆r等，是一個(gè)全局性的歸納和描述。節(jié)點(diǎn)狀態(tài)主要包括節(jié)點(diǎn)自身的緩沖區(qū)使用情況、剩余能量以及節(jié)點(diǎn)間鏈路質(zhì)量等狀態(tài)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常布署在偏遠(yuǎn)惡劣的環(huán)境，由于受天氣、地勢(shì)以及人為等因素影響，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能很不穩(wěn)定，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估指標(biāo)不容易被量化。目前存在的無線傳感器評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)還很不規(guī)范，怎樣評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)是我迫切需要解決的問題。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著近些年來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的不斷深入，出現(xiàn)了眾多測(cè)試平臺(tái)，其中典型的實(shí)現(xiàn)測(cè)試平臺(tái)包括MoteLab[2]和Kansei[3]等。MoteLab提供了多種訪問途經(jīng)，為用戶完成測(cè)試任務(wù)提供了方便，但對(duì)于測(cè)試評(píng)估的方法少，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，擴(kuò)展性不強(qiáng)，對(duì)能量的測(cè)試目前只能通過在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上連接萬用表實(shí)現(xiàn)。俄亥俄州立大學(xué)開發(fā)的 Kansei 系統(tǒng)，具有更多可行性，它具有實(shí)際節(jié)點(diǎn)與理論模擬相結(jié)合的混合模擬方法，提高了測(cè)試平臺(tái)的實(shí)用性和數(shù)據(jù)的可靠性，便攜網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法為測(cè)試平臺(tái)擴(kuò)大了規(guī)模，使網(wǎng)絡(luò)更加豐富靈活，但是這些研究還僅處于初級(jí)階段，混合模擬方式的效果還有待于進(jìn)一步的驗(yàn)證。基于這些研究成果，我們更需要設(shè)計(jì)出這樣一個(gè)平臺(tái)，它具有Motelab與Kansei的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更加全面與穩(wěn)定的測(cè)試。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)原則

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)方案主要有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種，上文提到的MoteLab平臺(tái)就屬于主動(dòng)式測(cè)量，在主動(dòng)式測(cè)量中測(cè)試任務(wù)由傳感器節(jié)點(diǎn)完成，在正常通信的前提下，測(cè)試任務(wù)也要占用無線通信的信道帶寬和節(jié)點(diǎn)的CPU、內(nèi)存等資源，這在一定程度上對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量造成了影響，也會(huì)影響到測(cè)試結(jié)果。被動(dòng)式測(cè)試平臺(tái)包括偵測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)和PC機(jī)組成，PC機(jī)作為監(jiān)測(cè)試主機(jī)包含數(shù)據(jù)分析軟件。偵測(cè)節(jié)點(diǎn)在保證正常工作不受到干擾的前提下，釆用數(shù)據(jù)采集器與射頻模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的方式，將數(shù)據(jù)送至PC機(jī)。這種方式可以有效地監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，而不占用無線通信信道帶寬和節(jié)點(diǎn)資源，缺點(diǎn)是每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)需配置測(cè)試模塊，在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)較困難。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)試圖克服這些不足，下面將從網(wǎng)絡(luò)控制性能和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功能兩方面進(jìn)行分析，總結(jié)出一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具備的設(shè)計(jì)原則。

1）網(wǎng)絡(luò)控制方面。

①同步操作性：在執(zhí)行試驗(yàn)的過程中，平臺(tái)要對(duì)所有參加測(cè)試的傳感器節(jié)點(diǎn)上傳試驗(yàn)的執(zhí)行軟件執(zhí)行并安裝到節(jié)點(diǎn)中，通過平臺(tái)控制中心同步啟動(dòng)軟件，統(tǒng)一設(shè)置時(shí)間，采集和存儲(chǔ)目標(biāo)的動(dòng)作和反應(yīng)記錄，按規(guī)定終止試驗(yàn)并向用戶發(fā)送通知和輸出采集到的數(shù)據(jù)。

②可移植性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，相對(duì)于具體的物理環(huán)境，其硬件系統(tǒng)必定不同，相應(yīng)的無線傳輸過程中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的工作機(jī)制也不盡相同，完善的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)應(yīng)具備較強(qiáng)的硬件平臺(tái)移植開發(fā)的能力。

2）實(shí)現(xiàn)的功能方面。

①監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的鏈路質(zhì)量：無線通信易受自然環(huán)境以及人為等外界因素的干擾，表現(xiàn)為其不穩(wěn)定性，為保證節(jié)點(diǎn)之間的正常通信，目前許多通信協(xié)議都會(huì)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鏈路質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，并提出了高效性、公平性、平衡性以及延時(shí)等性能要求。

②監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的能量狀態(tài)：傳感器節(jié)的能量狀態(tài)始終處于動(dòng)態(tài)的變化中，而且傳感器節(jié)點(diǎn)的能量非常有限，并通常處在人不易觸及的險(xiǎn)要地帶，確保節(jié)點(diǎn)的供電正常就成了一個(gè)難題。而且對(duì)節(jié)點(diǎn)能量狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試的過程本身也消耗能量。

③顯示網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：由于傳感器節(jié)點(diǎn)的能量十分有限，再加上易受到外界干擾破壞，節(jié)點(diǎn)很容易失效，網(wǎng)張的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)都可能發(fā)生改變，如果測(cè)試平臺(tái)使得網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直觀可視化，便于對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控與及時(shí)做出調(diào)整。

3 結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用雖然還處在初級(jí)階段，隨著硬軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，不斷攻克了技術(shù)難關(guān)，已經(jīng)取得了不少優(yōu)秀的成果，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的多樣性，對(duì)于平臺(tái)進(jìn)一步的改進(jìn)工作可對(duì)硬件平臺(tái)進(jìn)行功能擴(kuò)展，將協(xié)議的分析集中到軟件系統(tǒng)中進(jìn)行，這樣可以增加數(shù)據(jù)通信量。另外，測(cè)試平臺(tái)界面的設(shè)計(jì)也可以進(jìn)行改進(jìn)，使其更加美觀通用。

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