符 琦，蔣云霞

(湖南科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 湘潭411201)

1 物聯(lián)網(wǎng)與專業(yè)課程教學(xué)

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)是一種以傳感器為基礎(chǔ)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物互聯(lián)的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它通過傳感器對物理世界各種信息進(jìn)行收集，并有效結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)和計(jì)機(jī)算等技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)人員、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的相關(guān)信息的傳送、交互和分析處理，從而提升網(wǎng)絡(luò)對外部世界的感知能力，實(shí)現(xiàn)人們在生活和工作各方面的智能化科學(xué)決策和控制。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(yīng)用于智能電網(wǎng)、智能交通與物流、智能家居、工業(yè)與自動(dòng)化控制、醫(yī)療健康、金融與服務(wù)業(yè)、國防軍事等諸多領(lǐng)域［1］。

在2010年教育部審批通過的140 個(gè)高等學(xué)校戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)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(lǐng)域需求，培養(yǎng)實(shí)用型、復(fù)合交叉型人才為目標(biāo)，著重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)新能力，工程研究與開發(fā)能力，以及項(xiàng)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(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)實(shí)踐等各方面均需要進(jìn)行適用性探討，以完善其知識(shí)體系、課程體系、工程實(shí)踐等各方面的相關(guān)理論與切實(shí)可行的教學(xué)方案、培養(yǎng)計(jì)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(luò)、物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)、嵌入式系統(tǒng)、RFID 技術(shù)等課程［2］。其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSNs)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，其相關(guān)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(luò)技術(shù)是一種集成創(chuàng)新型技術(shù)，知識(shí)涵蓋了圖論、高等數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線電射、嵌入式系統(tǒng)等各個(gè)方面，因此是一門應(yīng)用性和理論知識(shí)很強(qiáng)的專業(yè)課。作為一門新的網(wǎng)絡(luò)理論技術(shù)課程，教學(xué)過程中通常會(huì)偏向于理論知識(shí)的講授，內(nèi)容相對較空洞抽象，學(xué)生難以了解和掌握網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的具體運(yùn)行方式，不利于知識(shí)點(diǎn)的全面了解，而課程實(shí)驗(yàn)相關(guān)的硬件平臺(tái)價(jià)格通常不菲，且不同的實(shí)驗(yàn)需要不同的硬件支撐。因此，有必要在該課程教學(xué)中，充分采用合適的開源網(wǎng)絡(luò)仿真軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)，這樣既可減少教學(xué)成本，又能讓學(xué)生了解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的各個(gè)層面的相關(guān)工作原理與機(jī)制，同時(shí)還可以讓老師根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)相應(yīng)的仿真實(shí)例，更好地進(jìn)行課堂教學(xué)。因此，本文主要介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真所需要軟件的工作原理與應(yīng)用流程。

2 相關(guān)仿真軟件對比分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了更好地將其應(yīng)用到具體的環(huán)境中，有必要通過一個(gè)可控的仿真軟件環(huán)境來研究其相關(guān)技術(shù)，如路由技術(shù)、MAC 機(jī)制等，以提高其實(shí)際應(yīng)用的可行性和效率。因此，該網(wǎng)絡(luò)仿真所需要的仿真軟件應(yīng)具有以下基本特性［3］:支持大數(shù)據(jù)量傳感節(jié)點(diǎn)的仿真，同時(shí)保證仿真運(yùn)行的時(shí)間和效率;仿真各功能模塊可進(jìn)行自適應(yīng)配置，以適應(yīng)不同應(yīng)用場景對傳感器節(jié)點(diǎn)的功能需求;具有良好的人機(jī)交互界面，便于學(xué)習(xí)和二次開發(fā)。

目前，主要用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)進(jìn)行仿真，且開放源代碼，有利于使用者根據(jù)需要來進(jìn)行編程，但仍存在下幾個(gè)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(luò)相關(guān)協(xié)議)，還有專門用于WSNs 和自組織網(wǎng)絡(luò)、車載網(wǎng)絡(luò)等特殊網(wǎng)絡(luò)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(guān)網(wǎng)絡(luò)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(luò)描述語言NED，可對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化的自定義，直觀易學(xué)，且模型可自定制(見圖1)。

圖1 OMNet+ +運(yùn)行示意圖

三是NS2 缺少有效的調(diào)試環(huán)境，查錯(cuò)和糾錯(cuò)十分不便;OMNet+ +利用Eclipse 框架及其C+ +編輯編譯相關(guān)插件，能有效地定位錯(cuò)誤，并進(jìn)行跟蹤調(diào)試。

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

3 OMNet+ +在仿真教學(xué)中的應(yīng)用研究

3.1 OMNet+ +原理與構(gòu)成

OMNet+ +是一個(gè)具備完善GUI 和可嵌入式仿真內(nèi)核的基于組件的開源網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，可運(yùn)行于Windows、Linux 等多種操作系統(tǒng)，主要由網(wǎng)絡(luò)描述語言的編譯器、仿真內(nèi)核庫、消息編譯器、網(wǎng)絡(luò)編輯器和仿真程序的圖形化/命令行用戶接口等幾個(gè)部分組成，可以迅速定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并具備網(wǎng)絡(luò)協(xié)議源碼編程和跟蹤調(diào)試等功能，仿真結(jié)果可通過Plove 或Scalar 等工具進(jìn)行可視化輸出［4］。

如圖2 所示，一個(gè)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞拿枋?，包括定義節(jié)點(diǎn)設(shè)備、節(jié)點(diǎn)間的連接方式等與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜头抡嫦嚓P(guān)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(nèi)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)各部分的功能，如某個(gè)具體的協(xié)議或機(jī)制等。在上述源件的基礎(chǔ)上，OMNet + +通過NED 編譯器、消息編譯器、仿真內(nèi)核庫、用戶接口等模塊進(jìn)行聯(lián)合編譯，以生成不同操作系統(tǒng)環(huán)境下的可單獨(dú)運(yùn)行的仿真程序，并根據(jù)定義生成輸出結(jié)果文件，作為數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。

圖2 OMNet+ +仿真流程示意圖

3.2 OMNet+ +在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真教學(xué)中的應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(tái)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，軍事和生活應(yīng)用，設(shè)計(jì)影響因素等內(nèi)容，涵蓋了網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議、傳輸層的技術(shù)和協(xié)議、跨層方案、定時(shí)同步技術(shù)、定位技術(shù)和拓?fù)涔芾淼染W(wǎng)絡(luò)相關(guān)的各方面知識(shí)。而OMNet ++針對該網(wǎng)絡(luò)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(luò)的相關(guān)算法和協(xié)議的仿真提供支持，同時(shí)支持使用者進(jìn)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(yùn)行于Linux 或Cygwin 操作系統(tǒng)環(huán)境，可 在 相 關(guān) 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(jìn)行編譯連接，以生成WSNs 仿真所需要的相關(guān)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(jìn)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(dāng)編譯成功時(shí)，在Castalia 安裝目錄(Castalia/bin)下會(huì)生成運(yùn)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(yùn)行其所帶實(shí)例。其中，配置文件描述了網(wǎng)絡(luò)仿真場景中的各種參數(shù)，如節(jié)點(diǎn)數(shù)，信道數(shù)、連接方式等等，默認(rèn)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(gè)WSNs 仿真的實(shí)例，并附有說明文檔，以便使用者根據(jù)需要做自適應(yīng)修改。以Castalia 所帶radioTest在命令行下的運(yùn)行過程為例(圖形方式參考Castalia 的使用手冊):在radioTest 目錄下運(yùn)行Castalia，則Castalia 會(huì)搜索可用的網(wǎng)絡(luò)仿真場景配置文件(*.ini)，并從中分析有效的網(wǎng)絡(luò)配置信息，以供用戶選擇不同的場景進(jìn)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(gè)有效的仿真配置信息，此時(shí)，便可選擇其中的一個(gè)有效仿真信息進(jìn)行仿真(如General)，并生成相應(yīng)的仿真結(jié)果文件(如Castalia－Trace.txt):

～/omnetpp－4.1/Castalia－3.0/Simulations/radioTest$../../bin/Castalia #運(yùn)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(yùn)行General

～/omnetpp－4.1/Castalia－3.0/Simulations/radioTest$ less Castalia－Trace.txt #查看仿真結(jié)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(shí)，OMNet+ +支持用戶功能模塊的自定制，以方便用戶擴(kuò)展其對不同網(wǎng)絡(luò)的仿真能力。以基于Castalia 的功能擴(kuò)展為例，假設(shè)用戶要新增加一個(gè)MAC 層的仿真模塊myMAC，首先應(yīng)在～/omnetpp －4.1/Castalia －3.0/src/node/communication/mac 目錄下建立myMAC 目錄，并將myMAC 相關(guān)的所有.ned、.msg、.h、.cc 等模塊文件復(fù)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(jié) 語

將OMNeT+ +應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的仿真教學(xué)，可實(shí)現(xiàn)WSNs 在拓?fù)淇刂?、路由協(xié)議、實(shí)時(shí)定位等網(wǎng)絡(luò)各層相關(guān)技術(shù)的仿真研究，便于學(xué)生了解課程中的大部分原理與實(shí)現(xiàn)，從而將理論演示教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)有機(jī)地結(jié)合起來，更好地促進(jìn)教師與學(xué)生之間的教與學(xué)，有利于培養(yǎng)高層次的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)用人才。

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

［2］張建輝，曾 虹.無線傳感器研究生課程教學(xué)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(luò)仿真中的比較研究［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2008(10):53 －57.

［4］吳劍鋒，郭 英，范海寧.OMNet+ +網(wǎng)絡(luò)仿真器的設(shè)計(jì)原理與分析［J］.微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2008(5):34 －37.