無線傳感器網絡感知層測試評估平臺的研究*

李樹磊，林鑫海，趙研，李威

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

1 引言

無線傳感器網絡能夠通過各類集成化的微型傳感器協助地實施監測、感知和采集各種環境監測對象的信息，成為了當前國內外備受關注的前沿熱點研究領域[1-2]。它涉及多學科高度交叉，知識高度集成，綜合了傳感器技術、分布式信息處理技術、嵌入式計算技術、現代網絡及通訊技術等[3-5]。在傳感器網絡實際應用中，對其進行測試評估以保證穩定高效，成為了目前亟需解決的問題。

國內外無線傳感器網絡測試評估技術沒有形成標準化和系統化，大多數研究都是進行理論分析和計算機模擬。在數學模型的構建中由于計算復雜度過高，在實際應用中需要簡化，以至于降低了分析結果的可信度[6-7]，現有的模擬工具也難以體現網絡的真實性能[8]。因此，有必要建立一個測試平臺，以實現對無線傳感器網絡通信質量的監控，更全面地評估網絡狀態的各個因素[9]。

本文主要研究無線傳感器網絡感知層測試技術，采用專用的測試儀器包括綜合測試儀、高性能頻譜分析儀、矢量信號源、協議分析儀、無線連接測試儀等，搭建測試環境平臺，進行節點的功能測試、性能測試、網絡拓撲查看等，實時采集數據進行分析處理，并且提供了測試評估平臺的人機交互界面，方便對傳感器網絡遠程操作和監控。

2 無線傳感器網絡系統結構

無線傳感器網絡是由獨立分布的節點以及網關組成，通過無線方式形成的一種多跳自組織網絡，主要分為感知層、協議層和應用層3部分。節點包括傳感器節點、中繼節點、匯聚節點等，它們隨機部署在監測區域，能夠實時采集信息發送至網關，進行數據存儲和分析處理。目前無線傳感器網絡主要采用ZigBee協議，工作在2.4GHz頻段上，傳輸速率為250kbps，傳輸距離為100m左右。

網關用于將傳感器網絡與其它網絡（如移動通信網、互聯網等）建立傳輸連接，又稱為網間連接器、協議轉換器，屬于有別于終端設備的一類特殊節點。網關的功能包括：一是通過節點獲取信息并進行轉換；二是與外部網絡進行通信。無線傳感器網關結構如圖1所示：

圖1 無線傳感器網關結構

無線傳感器網絡節點的穩定性是保證整個網絡良好運行的基礎，因此節點設計的可靠性至關重要。網絡節點種類雖然不盡相同，但都遵循基本的架構：數據采集單元、數據處理單元、通訊單元和電源管理這4部分，如圖2所示。根據具體應用場景配置相應的輔助功能，比如定位系統、能源補充系統、防水設計等。工作流程大致為：首先采集傳感器信息；然后對數據信息進行存儲和處理；最后發送給通訊模塊（收發器）以無線方式發送至上一級節點。

圖2 無線傳感器節點結構

節點的能量決定整個網絡的壽命，對能耗的控制至關重要。系統配置了多種工作方式可以轉換，節點執行完必須的任務后進入待機模式，通過電源管理功能切斷處理器、射頻發送模塊的供電，此時能耗最低。節點的喚起可以使用硬件看門狗功能或者發送喚起指令。本文主要測試以ZigBee協議為基礎的無線傳感器網絡的通信性能和電源管理模塊的性能。

3 感知層測試評估平臺系統設計

傳統傳感器網絡測試主要對單個設備進行射頻性能測試，難以全面評估傳感器網絡的健康狀況，加之部署環境復雜多變，對網絡運行狀態進行實時調整顯得尤為重要。測試和監控結合在一起，一方面可以獲取節點和網絡的狀態信息；另一方面還可以根據環境變化和監測需求改變網絡行為配合測試。

針對這些需求，本文設計了一種傳感器網絡測試和遠程監控為一體的傳感器網絡感知層測試評估平臺，節點測試利用各類設備搭建環境，檢測節點的狀態，并將測試數據通過網關以無線等方式實時傳遞到監控平臺，查看網絡連接狀況、拓撲結構和鏈路傳輸速率等網絡特征，評估無線傳感器網絡性能。無線傳感器網絡測試評估平臺總體架構如圖3所示。

3.1 測試評估平臺硬件架構

圖3 無線傳感器網絡測試評估平臺總體架構

傳感器網絡硬件測試平臺將節點設備的測試方案進行改進和整合，以滿足單機測試和網絡測試的需求。該平臺主要由測試對象層、測試內容層、測試儀器設備層這3部分組成。測試儀器主要由直流電源、多功能數字萬用表、信號源、頻譜儀、無線綜合測試儀以及電腦（PC）組成，其中測試儀通過GPIB總線與PC連接，被測設備（DUT）通過RS232/RJ45與PC連接，PC可以設置DUT的工作狀態、讀取儀器設備的測試結果。

測試平臺硬件架構如圖4所示：

圖4 測試平臺硬件架構

無線傳感器網絡具有多種工作方式：發射、接收、睡眠等，調節設備處于不同工作狀態，特別是不同狀態下電源管理模塊的性能，實時監控網關和節點設備的射頻性能及網絡性能。主要測試指標包括：

（1）整體指標：工作頻段、傳感信息速率、調制編碼方式、功耗等；

（2）接收指標：接收靈敏度、鏡像抑制、互調抑制、接收群時延（帶內）等；

（3）發射指標：發射功率、諧波發射分量抑制、雜散發射分量抑制等；

（4）網絡性能測試：網絡建立時間、節點遲入網時間、組網方式等。

測試平臺的工作流程大致為：測試設備儀器、DUT上電正常工作后，開始采集工作電壓和電流信息，當工作電壓或電流發生變化時，根據變化大小確定工作狀態，并且實時計算當前DUT的功耗，此時采集的數據同步發給網關（協調器）。發射和接收狀態情況下，測試儀器能夠監測DUT的發射性能和接收性能指標。

測試平臺應用流程如圖5所示：

圖5 測試平臺應用流程

3.2 遠程監控平臺系統設計

遠程監控平臺包括設備控制、數據記錄、報告輸出等功能，實現測試數據分析處理。采用B/S架構，主要分為人機界面和數據分析處理層2部分，由人機界面、數據庫、數據更新監控例程、數據推送服務、數據監聽與刷新例程等組成。無線傳感器網絡設備測試數據通過網關把傳感器網絡與移動通信網或互聯網相連，將測試數據上傳到評估平臺，并以Web形式對外提供一個開放的信息系統，客戶端只需要瀏覽器而不需要其它軟件，當前主流系統（Windows、Linux、iPhone、Android）都可無條件支持與使用。遠程監控平臺網絡架構如圖6所示：

圖6 遠程監控平臺網絡架構

為驗證測試評估平臺對傳感器網絡射頻性能和網絡性能測試的可行性，在實際網絡中選用3個節點組網測試，節點性能測試界面和網絡拓撲結構如圖7所示。

圖7 網絡節點性能測試界面（左）和網絡拓撲結構（右）

硬件測試平臺將檢測到的數據通過特定接口上傳到數據庫，數據在這里進行分析處理，實時將數據推送到客戶端，用戶通過瀏覽器觀察DUT性能指標和網絡拓撲結構。當數據庫接收到最新的數據后，客戶端的數據監聽功能模塊監測到數據推動服務發來的新數據，向客戶端瀏覽器推送，更新瀏覽器監控窗口，以保障數據的更新，從而真實準確地評估傳感器網絡整體性能。此外，用戶還可以向數據庫發送指令，完成對DUT的控制。

4 結論

本文提出了一種傳感器網絡感知層測試評估的設計方法，搭建由測試對象層、測試儀器設備層、人機界面與數據分析處理層等組成的測試評估平臺，實現了傳感器網絡設備檢測、網絡拓撲查看、測試數據存儲和上傳、實時更新、人機交互等功能，可以準確地測試設備各項指標，便捷快速地對傳感器網絡的運行狀況進行監測。隨著未來無線通信技術的快速發展，傳感器網絡在網絡部署方面將與以3G/4G網絡為核心的通信網絡、遍及全國四通八達的互聯網融合，測試評估平臺也將得以借助這些通信技術得到增強，為傳感器網絡應用的創新提供支持。

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