無線傳感器網絡測試平臺研究與設計

王 杰，施偉斌

（上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

0 引言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）通過節點間的協同合作，對網絡覆蓋區域內的環境或監測對象信息進行實時感知、采集和處理，并將采集到的信息處理后通過自組多跳的無線網絡方式傳送給監控者［1］。

研究者設計了多種適用不同應用場景的WSN 測試平臺，如哈佛大學提出的MoteLab 和法國分布于6 個地方的IoT Lab 等［2］。MoteLab 平臺支持通過Web 訪問大型的固定網絡設備，并上傳自己設計的程序進行實驗，加快了應用程序部署，允許離線對WSN 應用軟件的性能進行驗證及評估［3］。IoT Lab 是一個非常先進的大規模研究平臺，總共有2 000 多節點部署在6 個地方［4］。華東師范大學信息學院研制了Enmote 物聯網開發平臺，該平臺集成多種傳感器模塊以及無線組網模式，可以組成多種不同的物聯網網絡架構［5］。香港科技大學計算機科學與工程系研制了一個具有較強通用性和實用性，面向大規模部署的WSN 測試平臺SNAP，為WSN 研究提供較好條件［6］。中南大學研發的基于組件的WSN 測試平臺Com-WSN，受益于系統組件化思想，對系統資源優化合理分配，將協議各個功能組件化，較好地保證了測試平臺的易用性和擴展性［7］。

上述平臺雖能完成大部分研究測試任務，但存在局限性，即都不能在網絡運行時實時監測節點功耗，不適于低功耗通信協議研究。本文提出一種無線傳感器網絡測試平臺系統設計方案，其支持無線傳感器網絡的理論研究與應用開發調試，適用于在大規模無線傳感器網絡中進行諸如無線信道干擾測試、無線傳感器網絡定位研究以及路由協議等研究。

1 WSN 測試平臺

1.1 系統架構

測試平臺系統架構如圖1 所示，主要由終端設備、服務器和無線傳感器網絡3 部分構成。終端設備的類型和功能取決于終端軟件設計；服務器將無線傳感器網絡的各種數據進行匯總和處理，并提供數據庫服務；無線傳感器網絡平臺由網關節點、偵聽節點和普通傳感器節點組成，本文設計的硬件平臺采用模塊式方案搭建這3 種不同的節點，從而構建一套完整的測試系統，滿足WSN 的測試研究需要。

Fig.1 WSN test bed system architecture圖1 無線傳感器網絡測試平臺系統架構

1.2 硬件設計

為使硬件系統能組成具有不同功能、應用于不同場景的節點，系統硬件采用可剪裁的設計方法，根據需要選擇不同的模塊組成不同類型的節點。測試系統硬件平臺模塊主要包括USB Hub 控制器、USB 轉串口模塊、射頻控制器、調試控制器、傳感器模塊、電池供電模塊，如網關節點采用USB Hub 控制器模塊與服務器通信并由此接口供電，無需使用電池供電模塊，而普通傳感器節點則使用電池模塊來供電。本設計方案將硬件系統分為如圖2 所示的4 塊板子：①底板，此板是傳感器網絡節點的基礎電路板，是每個網絡節點必須的組成部分；②射頻模塊，負責無線信號收發，也是每個網絡節點不可或缺的組成部分；③傳感器模塊，負責采集數據；④調試模塊，使網絡節點具有在線調試和下載程序功能。

1.2.1 射頻模塊

射頻模塊負責信號收發，是無線傳感器網絡節點的核心模塊［8］。本設計采用了TI 公司CC2531 系列帶有無線射頻收發器的單片機作為射頻模塊的主控和射頻芯片，CC2531 作為一款SOC 芯片只需要很少的外圍元件即可搭建一個正常工作的最小系統［9］。

Fig.2 Node physical map圖2 節點實物

CC2531 單片機集成了一個低功耗且高性能的8051 微控制器和CC2520 射頻收發器［10］，它提供對IEEE 802.15.4協議MAC 層的硬件支持，能夠自動產生多種類型的幀格式和校驗，在2.4G 頻率范圍內工作，共有16 個通信信道，適用于低速率無線通信網絡［11］。

1.2.2 傳感器模塊

傳感器模塊是無線傳感器網絡節點的感知部分，對用在各種無線傳感器網絡測試實驗的測試平臺而言，需根據實際設計相應的傳感器模塊［12］。

傳感器模塊接口電路與射頻模塊控制器的所有IO 口相連，可針對不同應用場景接入不同類型或不同通信方式的傳感器模塊至測試系統，提高了測試平臺的延展性。節點底板對傳感器模塊提供3.3V 和5V 兩種不同的工作電壓，可滿足大部分傳感器處理電路的電源需求。

1.2.3 調試模塊

調試模塊是輔助模塊，它使網絡節點具有在線調試和下載程序功能。調試模塊電路設計參考TI 公司的調試專用產品CC Debugger，采用CC2511 單片機作為調試模塊主芯片［13］。

1.2.4 USB 延長器

考慮到實驗時方便管理傳感器節點，將所有通信鏈路和供電集中到一個USB 接口；為方便布置傳感器節點，設計一種能長距離傳輸的USB 延長器，使傳感器節點與PC 端通信不受距離限制［14］。圖3 為USB 延長器原理。

Fig.3 USB extender circuit schematic diagram圖3 USB 延長器電路原理

本系統設計采用芯片CH315G 作為信號變換器，將USB 信號轉換成由5 類（或超5 類網線）和RJ45 接口（水晶頭）傳輸的信號。設計一種方便操作的USB 遠距離傳輸方案，理論上傳輸距離可延長至50m 以上。為使USB 信號傳輸的距離最大化，兼容連接網線和芯片CH315G，分別為上位機和下位機的兩個CH315G 芯片設計對應的適配電路［15］。

1.3 軟件設計

本系統軟件主要由3 部分構成：①調試模塊電流監測程序。將電流檢測放大器輸出的反應射頻模塊電流的電壓信號轉換成計算機能處理的數字信號，再將信號值處理后發送至PC 端；②射頻模塊網絡偵聽程序。使用射頻收發器偵聽被測網絡中的RF 數據包，再將數據包處理后發送至PC 端；③上位機軟件。能顯示和保存由調試模塊采集的電流信號值以及由射頻模塊捕獲的RF 數據包。

1.3.1 調試模塊電流監測程序

電流監測程序設計的電流監測功能可概括為：進行AD轉換、對AD 轉換得到的數據進行濾波處理以及換算成電流值、上傳電流值至PC 端。實現過程分為3 個步驟：①對CC2511 的寄存器和存儲器進行操作實現AD 轉換；②對AD值濾波；③將AD 值換算成電流值。通過對寄存器進行賦值操作實現對電流值數據的轉移；通過USB 接口與上位機進行通信，包括數據包的上傳和接收上位機的命令。電流監測程序流程設計如圖4 所示。

Fig.4 Flow of current monitoring program圖4 電流監測程序流程

1.3.2 射頻模塊網絡偵聽程序

運行此程序的節點在無線傳感器網絡中充當偵聽節點角色，偵聽節點只接收而不轉發數據包［16］。偵聽節點要求捕獲所有符合IEEE 802.15.4 標準的數據包，對不符合該標準的數據包應丟棄。因此，程序讀取數據先對接收的數據包過濾處理，再將過濾后的數據包轉化為USB 數據包，通過USB 接口將數據從緩沖區傳輸至PC 端的接收緩沖區，以實現數據的顯示和保存［17］。

偵聽節點程序設計實現網絡偵聽功能過程：接收被測網絡中的RF 數據包、對接收到數據包進行過濾處理、上傳過濾后的數據包。此實現過程分為3 個步驟：①對CC2531的寄存器和存儲器進行操作，實現數據包的接收和存儲；②通過對寄存器進行賦值操作實現對數據包的轉移；③通過USB 接口與上位機進行通信，包括數據包的上傳和接收上位機的命令。網絡偵聽程序流程設計如圖5 所示。

Fig.5 Flow of listening program圖5 偵聽程序流程

1.3.3 上位機軟件

上位機軟件是無線傳感器網絡測試系統數據處理中心的終端，實現用戶對測試平臺USB 設備工作狀態的控制，顯示下位機（包括調試和射頻模塊）采集到的數據（包括所監控的電流值和捕獲的RF 數據包）以及對數據的存儲和解析等功能，并能查詢歷史數據。

根據通信設備和功能不同，將上位機軟件分成兩個窗體：

（1）CC2511 Current Monitor 窗體。顯示和保存調試模塊的測得電流值并對調試模塊工作狀態進行控制。如圖6所示，窗口界面上方主要實現主機與USB 設備間進行通信之前的一些初始化操作，包括主機對USB 設備的識別、USB設備的數據傳輸通道選擇以及數據通道的打開和關閉。窗口界面中間灰色部分主要實現USB 設備相關參數選擇和工作方式設定，包括測量頻率、讀取電流值的啟動和停止［18］。

Fig.6 CC2511 current monitor form圖6 CC2511 Current monitor 窗體

（2）CC2531 Packet Sniffer 窗體。用來實現與節點底板上的射頻模塊交互，顯示和保存射頻模塊捕獲的RF 數據包并提供用戶對射頻模塊工作狀態的控制。實現主機與USB設備間進行通信之前的初始化操作，包括主機對USB 設備的識別、USB 設備的數據傳輸通道選擇以及數據通道的打開和關閉。如圖7 所示，窗口界面中間灰色部分主要是USB 設備相關參數及工作方式設定，包括信道的選擇、通信協議的選擇、接收方式、數據的顯示方式以及是否寫入文件，這些參數都需要在打開USB 設備后才能設置。信道可以任選16 個信道其中一個，數據包接收方式可以設置連續接收或手動點擊讀數據按鈕接收，通常為了操作方便和確保數據的實時性而設置連續接收。若想保存接收到的數據，可以選擇寫入文件復選框，設置文件路徑將數據寫入文件。數據分析欄顯示接收到的數據包信息。

Fig.7 CC2511packet sniffer form圖7 CC2531 packet sniffer 窗體

2 實驗結果與分析

2.1 監測電流實驗

監測電流實驗是為了評估測試平臺系統中監控射頻模塊工作電流的功能，此實驗不僅可以評價調試模塊和節點底板硬件設計的合理性與可靠性，而且可以驗證調試模塊電流監測程序和上位機軟件設計是否有效，以及電流測量系統的準確度。實驗測量范圍為0～105mA，每隔10mA選取一個測量點，使用安捷倫B2901A 精密電源設備，該設備作為電流源直接與電流監測電路串聯，可以設定精準的電流值［19］。

實驗數據如表1 所示，誤差為電流測量值和電流實際值的差。

Table 1 Monitoring circuit test measurement value表1 監測電路實驗測量值 （mA）

從表1 可知，該實驗平臺測量電流值的最大絕對誤差為0.22mA，表明該電流監測系統的最大引用誤差為0.21%，滿足測試平臺對測量準確度要求，驗證了WSN 測試平臺中調試模塊、節點底板硬件設計、電流監測模塊以及上位機設計的有效性。

2.2 偵聽網絡實驗

偵聽網絡實驗主要是評估WSN 測試平臺系統偵聽節點的功能，此實驗不但可以評價射頻模塊和節點底板硬件設計的合理性與可靠性，而且可以驗證射頻模塊偵聽程序及上位機軟件設計是否有效，實驗結果能客觀反映偵聽節點是否能夠捕獲網絡中所有的數據包。

在實驗中布置一個無線傳感器節點以一定時間間隔廣播發送RF 數據包，用本文所設計的偵聽節點去捕獲廣播的RF 數據包，觀察上位機界面數據包的捕獲情況。同時，用CC2531 USB Dongle 設備去捕獲廣播的RF 數據包，啟動TI 官方Smart Packet Sniffer 軟件開始偵聽，觀察數據包捕獲情況［20］。將兩個設備的數據包捕獲情況做比較進行分析，最后得出實驗結論。上位機CC2531 Packet Sniffer 在實驗前設定相關參數，數據分析欄顯示捕獲的數據包，實驗結果如圖8 所示。3 次實驗分別收到113、105 和124 個數據包，如表2 所示。其中數據包長度為20，PANID 為0x0001，廣播節點源ID 為0x19fa，目的ID 0xffff 表示該數據包為廣播數據包，無須應答，MAC 負載中第5 個字節為廣播數據包計數值，其他字節內容與本實驗無關，本實驗所有數據包無網絡層負載。

Fig.8 Data packets captured by the test bed圖8 測試平臺捕獲的數據包

三次實驗過程中分別收到113、105 和125 個數據包，如表2 所示。

Table 2 Comparative data of network listening experiments表2 網絡偵聽對比實驗數據

在CC2531 射頻模塊捕獲數據包的同時，CC USB Dongle 設備也在偵聽網絡，Smart Packet Sniffer 軟件顯示其捕獲的數據包［21］，實驗結果如圖9 所示。觀察表2 并比較圖8和圖9 可以發現，兩個設備捕獲的數據包基本一致。實驗結果表明所設計的偵聽節點捕獲了WSN 網絡中所有的數據包，驗證了WSN 測試平臺偵聽網絡功能、射頻模塊以及上位機CC2531 Packet Sniffe 的有效性。

本文設計的WSN 測試平臺可以模塊化構建WSN 系統3 種不同節點（網關節點、偵聽節點、傳感器節點），USB 延長器設計可使各節點與PC 的通信不受距離影響，更方便地布置WSN 節點。實驗表明，系統中加入電流監測模塊使得測量硬件平臺中各類節點的射頻模塊電流和功耗變得十分簡單，大大提高了實驗數據的可靠性。所設計的偵聽節點、偵聽程序以及上位機軟件還具有捕獲網絡中所有數據包并顯示網絡數據的性能，保證了WSN 測試平臺數據傳輸的可靠性和穩定性。

Fig.9 Data packets captured by CC USB Dongle圖9 CC USB Dongle 捕獲的數據包

3 結語

針對無線傳感器網絡特點，結合無線傳感器網絡研究現狀及對WSN 測試平臺需求，本文提出了一種WSN 測試平臺系統設計方案。實驗結果表明，電流測量系統的最大引用誤差為0.21%，能很好地滿足測試平臺對測量精度的需求。比較兩個設備偵聽網絡的實驗數據，驗證了測試平臺偵聽網絡功能的有效性，該WSN 測試平臺能夠進行WSN 通信協議和低功耗研究。但目前設計的軟件只支持監測電流和偵聽網絡功能，后續要進一步開發軟硬件以支持更多測試平臺功能。