一種WSN組網可靠性測試系統的設計與研究*

(蘇州大學，蘇州 215006)

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李濤，王宜懷，蔣婷，朱錦明

(蘇州大學，蘇州 215006)

提出了一種基于新型串口級聯HUB總線通信與星型WSN網絡對比的實踐方案。文章闡述該WSN組網可靠性測試系統的基本思路、有線通信硬件SCI-HUB集線器的硬件設計、無線通信WSN節點的軟硬件設計及PC機方通信測試軟件設計。理論分析及實踐表明，該方案可有效測試WSN無線通信節點的丟包率，為分析WSN網絡性能提供了一種切實有效的技術方案。

WSN；新型串口級聯；星型網絡；可靠性研究

引 言

本文設計了一套合理的串口集線器的解決方案，解決了PC機串口資源不足，以及ZigBee通信無法驗證的問題。對于本系統的通信方式，需要解決一個關鍵問題：一臺PC機的串口數是有限的，如果讓PC機與幾十個節點進行通信，一個串口對應一個MCU根本不現實。同時，正常情況下，RS-232的傳輸距離為30 m，而物聯網一般都覆蓋幾百米甚至幾公里，故一般的RS-232串口傳輸無法達到系統需求。同時需要考慮系統實時性的要求，對建立較為完善的實時系統具有重要的意義。[1-5]

1 測試系統設計的基本思路

輔助測試系統是一套由有線測試底座、無線傳感器節點以及PC機組成的系統。該系統可以組成完整的無線傳感網，并且通過有線數據對無線傳感網進行系統可靠性驗證。系統硬件主要包括：測試底座、集線設備(SCI-HUB)、路由設備(0號節點)以及服務器PC接收終端，如圖1所示。

圖1 測試系統結構圖

從圖中可以看出服務器(PC)接收所有節點從串口發送過來的數據，接收成功后PC將數據存放到數據庫。同時，如果服務器可以提供外部因特網訪問，則可以通過網頁進行上層應用的擴充顯示，供用戶操作。

被測節點和測試底座通過兩排單排針連接，節點中包含射頻模塊，通過該射頻模塊上傳數據到路由節點；同時該節點通過接口電路將數據復制一份發給測試底座，底座通過硬件電路將電平轉換后通過有線傳輸上傳到PC機。最后，PC服務器端根據路由節點上傳的無線數據和節點通過串口上傳的數據進行校對，從而對被測的無線傳感網進行可靠性的評估。

2 測試系統的硬件設計

2.1 有線通信硬件——SCI-HUB集線器設計

本系統設計的HUB集線將所有節點的RS232信號都集連到一根總線上，使得所有節點可以與PC機進行一對一的通信，結構圖如圖2所示。

圖2 集線器主要結構圖

為了穩定信號，使信號能夠傳輸得更遠，本集線器將主機端第二路的R2IN作為發送端，第一路的T1OUT作為接收端，而從機端將第二路的R1IN作為發送端，第二路的T2OUT作為接收端。將MAX3232的T2IN和R2OUT、R1OUT和T1IN導通，使得輸入與輸出都為RS232電平，中間導通的為TTL電平，如圖2所示。

集線器采用5 V供電，這樣衰減后的RS232電平經過MAX3232時，電平再一次被提升到標準的RS-232電平，故每經過一個SCI-HUB集線器，即可以相應增加30 m的傳輸距離。理論上只要接上這種集線器就可以無限地級聯下去，并且每個集線器可以保證30 m的有效傳輸距離。同時，該集線器可以將多個串口接在一個計算機接口上使用，不需要反復插拔每一個串口。為了降低成本，集線器使用USB方口作為串行連接口，其中兩路接電源和地，另外兩路分別接串口的發送信號線和接收信號線。對于每一個集線設備，都有1個PC機通信接口(主口)、10個節點通信接口(從口)。

本系統采用了3個集線設備，一共有33個口，減去1個PC機的口還有兩對級聯口，故最多可以承受28個節點掛載。這樣完全可以滿足物聯網項目中多節點的要求，如果還需要節點，可以繼續級聯串口集線器。從圖2可以看出，該HUB將設備的串行數據都發送到一個總線上，由主口主動收發數據，當主口發送數據時，所有節點都能接收到該數據，但是只有當節點在數據中檢測到相應的節點號的信息，并且與自身節點號相匹配的時候，節點才對該數據進行接收。同時，在節點向PC機發送數據時，考慮到節點向總線發送數據，其他節點也會接收到的情況，在每一個節點上添加了一個二極管，這樣只將節點的RS232電平的正向截取發送到接收總線上，這樣其他節點就接收不到數據，保證了數據的完整性。為了避免數據的沖撞，該系統采用了輪詢的方式進行檢測，即每次對一個節點發送檢測命令。

2.2 無線通信硬件——ZigBee節點

該測試系統通過軟件方式把節點分為路由節點和一般節點，其中路由節點設定為0號節點，等同于一個收集無線數據的路由器。該節點將所有節點的無線數據收集起來并且發送出去，并且該節點具備串口收發功能，能有效地與PC機之間進行串行通信。一般節點就是普通的傳感網節點，負責A/D數據采集以及無線數據收發，并通過接收不同的命令，執行不同的動作。

PC機是系統的主控機器，為實現異步通信，在PC機里設置了通用異步接收器和發送器，PC機中的串口電平為TTL電平，而本系統的串行口的電平為RS-232電平。因此，PC機發送出去的數據要經USB轉串口將TTL電平轉換器轉化為RS-232電平。同時，ZigBee節點作為從機，采用RS-232電平進行接收。節點接收到RS-232電平后通過MAX3232轉化為芯片內部可以識別的TTL電平。

本系統的被測節點為ZigBee節點，針對ZigBee的串口，通過對程序改進，將ZigBee發送的無線數據同時發送一份給串口，之后在PHY層和MAC層進行組幀并發送給串口HUB。最終由HUB將數據發送給PC機。PC機通過解析數據，獲得相應的數據幀，并且通過PC機C#軟件進行數據接收處理。

每個被測傳感節點包括測試底座和可插拔的被測節點(包含無線通信模塊)兩部分。測試底座內部包含傳感器模塊、串口發送模塊和調試模塊，如圖3所示。

圖3 集線器主要結構圖

圖中被測節點為ZigBee核心板，主要集成了MC9S08GB60和MC13192芯片[8]。該芯片由測試底座對其進行供電，同時該底座通過一個貼片的MAX3232將MC13211輸出的TTL電平轉化為RS-232電平。底座還包括了A/D傳感器模塊以及調試模塊。

3 測試系統設計的基本思路

3.1 系統實時性分析與測試軟件編程方式的選擇

在整個系統設計中首先需要考慮系統通信方式。節點與服務器之間的通信方式有節點主動上傳、PC主動查詢與節點被動操作、節點主動操作并等待PC查詢三種方式[9],詳細介紹略——編者注。

測試系統分別采用這三種方式進行試驗，比較試驗結果后發現，采用第三種方式實時性高，數據獲取準確。選擇好了通信方式后，就可以來進行軟件設計軟件程序。系統軟件主要分為節點應用程序和PC方接收程序。節點應用程序采用飛思卡爾公司提供的CodeWarrior 6.2編譯環境進行開發。PC方使用C#語言編寫了一個基于串口通信的可視化界面。

3.2 測試系統的節點程序設計

節點主要功能有接收串口數據、響應命令、無線方式返回數據、有線方式返回數據。在設計過程中的關鍵在于串口數據接收及處理，這也是開發底端程序的難點之一。在節點應用程序中，需要考慮到只要串口總線上有數據，所有節點都會收到數據，每個節點在接收到其他數據幀的時候，需要及時地對數據進行檢測，檢測該數據是否為自己的數據，是自己的數據則處理，如果不是自己的數據，則進行拋棄，該中斷服務例程流程圖如圖4所示。測試系統判斷字符間的時間間隔是否超過規定的長度，從而區分出兩幀數據。當MCU發現兩個字符之間的間隔超過一定的時間的時候(一般設定在10～20 ms左右)，則判定兩個字符串屬于兩幀數據。在實際應用中，PC方采用輪詢的方式，所以相鄰數據之間必定有一定間隔。

圖4 串口接收流程圖

在本系統中，引入了簡單的物理層協議。物理層通過操作底層硬件為應用層提供服務接口。采用在串口底端創建物理層的方式，可以提高串口的利用率和可復用性。本文采用了射頻片上系統(SoC)MC13211設計了一個較通用的的ZigBee射頻模塊，分析和實現了該測試系統的監控節點的功能。初始化完成以后，對數據進行封裝和發送。下面以一條數據的接收和發送的完整過程來描述對數據的封裝以及發送。如圖5所示，圖中設定MCU均是以字節數組的形式來保存待發送或接收數據幀的。

圖5 數據協議的封裝

從圖中可以看出數據的具體流向。在原始數據的基礎上，添加了鏈路層協議，該協議的主要目的是保護原始數據不丟失，該層協議添加了回避字符。物理層協議主要為了在串行總線上對具體節點進行識別，并且添加雙幀頭對數據的開頭進行同步。該協議幀頭包括數據幀頭、協議長度、串口號和幀尾。增加了這樣的協議之后，保證了數據的完整性，并且方便了PC方數據的接收。

3.3 測試系統的PC機方程序設計

PC方的程序主要流程如下：當PC機開始啟動檢測時，PC機首先向串口發送每一個節點的測試存活信息，該幀主要用來判斷該節點是否工作正常，如果節點工作正常，則返回一條響應指令，否則不返回任何數據。這樣做的目的是為了讓后面的測試工作只針對當前存活的節點，而減少了對不存在的節點的檢測。在檢測到存活的節點后延遲一段時間進行數據檢測，數據的檢測采用輪詢的方式對每一個節點發送測試命令，同時等待該節點作出反應，返回數據幀。此時如果收到數據則置一個標志位通知查詢節點的進程可以繼續查詢下一個節點，如果發送測試命令沒有返回，則代表該幀發送失敗，繼續發送該幀。為了提高系統的效率，我們認定一個節點如果在20 ms內沒有做出相應，該條命令則廢除，繼續查詢下一個節點。

數據從串口發過來后，PC方通過編寫好的C#程序以串口中斷的方式執行中斷服務例程，該的主要功能是檢測出該幀數據中的節點的詳細信息，同時將數據存入SQL[10]。

同節點應用程序類似，PC方應用程序也面臨著串口數據接收效率低的問題，采用的解決方法類似于節點應用程序，數據幀中包含該幀長度的信息，用于檢測該幀是否完整。所不同的是，由于PC機需要對所有節點的數據進行處理，所以PC機對數據的解析越快越好。本系統在PC方采用FIFO隊列的形式，接收進程一旦解析出該數據為完整的一幀則將該數據放入隊列中，由另外的進程對其進行解析，采用了生產者消費者模型。在使用的時候需要采用互斥信號量對隊列進行互斥訪問。

上述的節點程序和PC方接收程序進行交互，PC機通過偵聽程序可以完整地將節點的測試數據存儲到SQL數據庫中供上層應用。

4 測試實例及結果分析

本系統針對水質檢測系統所使用的節點，將水質檢測的無線節點作為被測對象。其中水質監測[11]系統主要由應用服務器、管理終端PC、嵌入式終端節點和管理者4部分組成，具體部署場景如圖6所示。其中本監測系統主要取節點和管理終端PC，舍去了不必要的網絡層，在數據上傳互聯網之前進行輔助測試。

圖6 現場實景圖

對該系統數據可靠性測試需要一個C#制作的偵聽程序相配合。該程序采用中斷方式來處理串口發送過來的數據。該程序通過逐一發送測試命令對節點進行測試。同時該程序對接收回來的無線數據和有線數據進行數據比對。通過此方式進行數據校對。

具體部署如下：27個傳感節點和一個路由節點，分散擺放，其中每個傳感節點每隔一段時間對底端的A/D的值進行采集，并等待上位機查詢。當上位機通過串口發送測試命令時，節點做出回應，返回一條無線數據和一條有線數據。

有線數據即通過上述物理層協議進行封裝，通過串口發送給上位機，再通過上位機軟件進行解析；無線數據通過無線發送給路由節點，路由節點通過封裝物理層協議發送給PC機。并且該系統確保串口收發的數據是穩定的，因為串口通過線傳輸，數據基本不會丟失。而PC方軟件將所有接收到的數據放入SQL數據庫中，以方便進行數據的統計和分析，同時，該軟件還針對幾個節點進行采樣性分析。實驗測試數據略——編者注。該系統能夠準確測試傳感網絡通信的可靠性，并且很好地反映無線傳感網的通信質量。

結 語

本文提出新型串口級聯HUB總線通信與星型WSN網絡對比的實踐方案，能夠有效地檢測WSN無線通信的丟包率，能夠最大程度地節省硬件成本。本系統采用的通信方式，減少了數據序列識別的附加數據，一定程度上也避免了無效數據的產生，提供系統的穩定性。

本文所設計的無線傳輸檢測系統，在與中科大合作的水質檢測系統中的輔助測試系統進行了測試和驗證。在測試過程中，系統運行穩定，測試結果符合實際情況，完全達到可靠性檢測系統的要求。

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Li Tao, Wang Yihuai, Jiang Ting, Zhu JinMing

(Soochow University, Suzhou 215006, China)

The reliability evaluating of WSN network is an important theoretical and practical issue. In that case, it shows and describes practices based on a new SCI-HUB. This paper describes the idea of reliability evaluating of WSN network, the hardware design of the SCI-HUB, the hardware and software design of WSN node and the software of PC. Theoretical analysis and practice shows that the system can effectively test the loss rate of the WSN packet, and provides an effective technical solution for the WSN network performance analysis.

WSN；new SCI-HUB；star network；reliability

國家自然科學基金資助項目(61070169)。

TP311

A

珍

2013-10-20)