王 杰，施偉斌

（上海理工大學(xué)光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）通過節(jié)點間的協(xié)同合作，對網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的環(huán)境或監(jiān)測對象信息進(jìn)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(wǎng)絡(luò)方式傳送給監(jiān)控者［1］。

研究者設(shè)計了多種適用不同應(yīng)用場景的WSN 測試平臺，如哈佛大學(xué)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并上傳自己設(shè)計的程序進(jìn)行實驗，加快了應(yīng)用程序部署，允許離線對WSN 應(yīng)用軟件的性能進(jìn)行驗證及評估［3］。IoT Lab 是一個非常先進(jìn)的大規(guī)模研究平臺，總共有2 000 多節(jié)點部署在6 個地方［4］。華東師范大學(xué)信息學(xué)院研制了Enmote 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，該平臺集成多種傳感器模塊以及無線組網(wǎng)模式，可以組成多種不同的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)［5］。香港科技大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程系研制了一個具有較強(qiáng)通用性和實用性，面向大規(guī)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(xué)研發(fā)的基于組件的WSN 測試平臺Com-WSN，受益于系統(tǒng)組件化思想，對系統(tǒng)資源優(yōu)化合理分配，將協(xié)議各個功能組件化，較好地保證了測試平臺的易用性和擴(kuò)展性［7］。

上述平臺雖能完成大部分研究測試任務(wù)，但存在局限性，即都不能在網(wǎng)絡(luò)運行時實時監(jiān)測節(jié)點功耗，不適于低功耗通信協(xié)議研究。本文提出一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試平臺系統(tǒng)設(shè)計方案，其支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論研究與應(yīng)用開發(fā)調(diào)試，適用于在大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行諸如無線信道干擾測試、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位研究以及路由協(xié)議等研究。

1 WSN 測試平臺

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

測試平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，主要由終端設(shè)備、服務(wù)器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3 部分構(gòu)成。終端設(shè)備的類型和功能取決于終端軟件設(shè)計；服務(wù)器將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理，并提供數(shù)據(jù)庫服務(wù)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺由網(wǎng)關(guān)節(jié)點、偵聽節(jié)點和普通傳感器節(jié)點組成，本文設(shè)計的硬件平臺采用模塊式方案搭建這3 種不同的節(jié)點，從而構(gòu)建一套完整的測試系統(tǒng)，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(wǎng)絡(luò)測試平臺系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 硬件設(shè)計

為使硬件系統(tǒng)能組成具有不同功能、應(yīng)用于不同場景的節(jié)點，系統(tǒng)硬件采用可剪裁的設(shè)計方法，根據(jù)需要選擇不同的模塊組成不同類型的節(jié)點。測試系統(tǒng)硬件平臺模塊主要包括USB Hub 控制器、USB 轉(zhuǎn)串口模塊、射頻控制器、調(diào)試控制器、傳感器模塊、電池供電模塊，如網(wǎng)關(guān)節(jié)點采用USB Hub 控制器模塊與服務(wù)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(jié)點則使用電池模塊來供電。本設(shè)計方案將硬件系統(tǒng)分為如圖2 所示的4 塊板子：①底板，此板是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的基礎(chǔ)電路板，是每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點必須的組成部分；②射頻模塊，負(fù)責(zé)無線信號收發(fā)，也是每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不可或缺的組成部分；③傳感器模塊，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)；④調(diào)試模塊，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有在線調(diào)試和下載程序功能。

1.2.1 射頻模塊

射頻模塊負(fù)責(zé)信號收發(fā)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心模塊［8］。本設(shè)計采用了TI 公司CC2531 系列帶有無線射頻收發(fā)器的單片機(jī)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(tǒng)［9］。

Fig.2 Node physical map圖2 節(jié)點實物

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

1.2.2 傳感器模塊

傳感器模塊是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的感知部分，對用在各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試實驗的測試平臺而言，需根據(jù)實際設(shè)計相應(yīng)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(yīng)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(tǒng)，提高了測試平臺的延展性。節(jié)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(diào)試模塊

調(diào)試模塊是輔助模塊，它使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有在線調(diào)試和下載程序功能。調(diào)試模塊電路設(shè)計參考TI 公司的調(diào)試專用產(chǎn)品CC Debugger，采用CC2511 單片機(jī)作為調(diào)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(jié)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(jié)點，設(shè)計一種能長距離傳輸?shù)腢SB 延長器，使傳感器節(jié)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(tǒng)設(shè)計采用芯片CH315G 作為信號變換器，將USB 信號轉(zhuǎn)換成由5 類（或超5 類網(wǎng)線）和RJ45 接口（水晶頭）傳輸?shù)男盘?。設(shè)計一種方便操作的USB 遠(yuǎn)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?shù)木嚯x最大化，兼容連接網(wǎng)線和芯片CH315G，分別為上位機(jī)和下位機(jī)的兩個CH315G 芯片設(shè)計對應(yīng)的適配電路［15］。

1.3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件主要由3 部分構(gòu)成：①調(diào)試模塊電流監(jiān)測程序。將電流檢測放大器輸出的反應(yīng)射頻模塊電流的電壓信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能處理的數(shù)字信號，再將信號值處理后發(fā)送至PC 端；②射頻模塊網(wǎng)絡(luò)偵聽程序。使用射頻收發(fā)器偵聽被測網(wǎng)絡(luò)中的RF 數(shù)據(jù)包，再將數(shù)據(jù)包處理后發(fā)送至PC 端；③上位機(jī)軟件。能顯示和保存由調(diào)試模塊采集的電流信號值以及由射頻模塊捕獲的RF 數(shù)據(jù)包。

1.3.1 調(diào)試模塊電流監(jiān)測程序

電流監(jiān)測程序設(shè)計的電流監(jiān)測功能可概括為：進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、對AD 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理以及換算成電流值、上傳電流值至PC 端。實現(xiàn)過程分為3 個步驟：①對CC2511 的寄存器和存儲器進(jìn)行操作實現(xiàn)AD 轉(zhuǎn)換；②對AD值濾波；③將AD 值換算成電流值。通過對寄存器進(jìn)行賦值操作實現(xiàn)對電流值數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移；通過USB 接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，包括數(shù)據(jù)包的上傳和接收上位機(jī)的命令。電流監(jiān)測程序流程設(shè)計如圖4 所示。

Fig.4 Flow of current monitoring program圖4 電流監(jiān)測程序流程

1.3.2 射頻模塊網(wǎng)絡(luò)偵聽程序

運行此程序的節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)偵聽節(jié)點角色，偵聽節(jié)點只接收而不轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包［16］。偵聽節(jié)點要求捕獲所有符合IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包，對不符合該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包應(yīng)丟棄。因此，程序讀取數(shù)據(jù)先對接收的數(shù)據(jù)包過濾處理，再將過濾后的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化為USB 數(shù)據(jù)包，通過USB 接口將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)傳輸至PC 端的接收緩沖區(qū)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和保存［17］。

偵聽節(jié)點程序設(shè)計實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)偵聽功能過程：接收被測網(wǎng)絡(luò)中的RF 數(shù)據(jù)包、對接收到數(shù)據(jù)包進(jìn)行過濾處理、上傳過濾后的數(shù)據(jù)包。此實現(xiàn)過程分為3 個步驟：①對CC2531的寄存器和存儲器進(jìn)行操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的接收和存儲；②通過對寄存器進(jìn)行賦值操作實現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)移；③通過USB 接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，包括數(shù)據(jù)包的上傳和接收上位機(jī)的命令。網(wǎng)絡(luò)偵聽程序流程設(shè)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(jī)軟件

上位機(jī)軟件是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心的終端，實現(xiàn)用戶對測試平臺USB 設(shè)備工作狀態(tài)的控制，顯示下位機(jī)（包括調(diào)試和射頻模塊）采集到的數(shù)據(jù)（包括所監(jiān)控的電流值和捕獲的RF 數(shù)據(jù)包）以及對數(shù)據(jù)的存儲和解析等功能，并能查詢歷史數(shù)據(jù)。

根據(jù)通信設(shè)備和功能不同，將上位機(jī)軟件分成兩個窗體：

（1）CC2511 Current Monitor 窗體。顯示和保存調(diào)試模塊的測得電流值并對調(diào)試模塊工作狀態(tài)進(jìn)行控制。如圖6所示，窗口界面上方主要實現(xiàn)主機(jī)與USB 設(shè)備間進(jìn)行通信之前的一些初始化操作，包括主機(jī)對USB 設(shè)備的識別、USB設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸通道選擇以及數(shù)據(jù)通道的打開和關(guān)閉。窗口界面中間灰色部分主要實現(xiàn)USB 設(shè)備相關(guān)參數(shù)選擇和工作方式設(shè)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(xiàn)與節(jié)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(shù)據(jù)包并提供用戶對射頻模塊工作狀態(tài)的控制。實現(xiàn)主機(jī)與USB設(shè)備間進(jìn)行通信之前的初始化操作，包括主機(jī)對USB 設(shè)備的識別、USB 設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸通道選擇以及數(shù)據(jù)通道的打開和關(guān)閉。如圖7 所示，窗口界面中間灰色部分主要是USB 設(shè)備相關(guān)參數(shù)及工作方式設(shè)定，包括信道的選擇、通信協(xié)議的選擇、接收方式、數(shù)據(jù)的顯示方式以及是否寫入文件，這些參數(shù)都需要在打開USB 設(shè)備后才能設(shè)置。信道可以任選16 個信道其中一個，數(shù)據(jù)包接收方式可以設(shè)置連續(xù)接收或手動點擊讀數(shù)據(jù)按鈕接收，通常為了操作方便和確保數(shù)據(jù)的實時性而設(shè)置連續(xù)接收。若想保存接收到的數(shù)據(jù)，可以選擇寫入文件復(fù)選框，設(shè)置文件路徑將數(shù)據(jù)寫入文件。數(shù)據(jù)分析欄顯示接收到的數(shù)據(jù)包信息。

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

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)測電流實驗

監(jiān)測電流實驗是為了評估測試平臺系統(tǒng)中監(jiān)控射頻模塊工作電流的功能，此實驗不僅可以評價調(diào)試模塊和節(jié)點底板硬件設(shè)計的合理性與可靠性，而且可以驗證調(diào)試模塊電流監(jiān)測程序和上位機(jī)軟件設(shè)計是否有效，以及電流測量系統(tǒng)的準(zhǔn)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(shè)備，該設(shè)備作為電流源直接與電流監(jiān)測電路串聯(lián)，可以設(shè)定精準(zhǔn)的電流值［19］。

實驗數(shù)據(jù)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(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)的最大引用誤差為0.21%，滿足測試平臺對測量準(zhǔn)確度要求，驗證了WSN 測試平臺中調(diào)試模塊、節(jié)點底板硬件設(shè)計、電流監(jiān)測模塊以及上位機(jī)設(shè)計的有效性。

2.2 偵聽網(wǎng)絡(luò)實驗

偵聽網(wǎng)絡(luò)實驗主要是評估WSN 測試平臺系統(tǒng)偵聽節(jié)點的功能，此實驗不但可以評價射頻模塊和節(jié)點底板硬件設(shè)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(jī)軟件設(shè)計是否有效，實驗結(jié)果能客觀反映偵聽節(jié)點是否能夠捕獲網(wǎng)絡(luò)中所有的數(shù)據(jù)包。

在實驗中布置一個無線傳感器節(jié)點以一定時間間隔廣播發(fā)送RF 數(shù)據(jù)包，用本文所設(shè)計的偵聽節(jié)點去捕獲廣播的RF 數(shù)據(jù)包，觀察上位機(jī)界面數(shù)據(jù)包的捕獲情況。同時，用CC2531 USB Dongle 設(shè)備去捕獲廣播的RF 數(shù)據(jù)包，啟動TI 官方Smart Packet Sniffer 軟件開始偵聽，觀察數(shù)據(jù)包捕獲情況［20］。將兩個設(shè)備的數(shù)據(jù)包捕獲情況做比較進(jìn)行分析，最后得出實驗結(jié)論。上位機(jī)CC2531 Packet Sniffer 在實驗前設(shè)定相關(guān)參數(shù)，數(shù)據(jù)分析欄顯示捕獲的數(shù)據(jù)包，實驗結(jié)果如圖8 所示。3 次實驗分別收到113、105 和124 個數(shù)據(jù)包，如表2 所示。其中數(shù)據(jù)包長度為20，PANID 為0x0001，廣播節(jié)點源ID 為0x19fa，目的ID 0xffff 表示該數(shù)據(jù)包為廣播數(shù)據(jù)包，無須應(yīng)答，MAC 負(fù)載中第5 個字節(jié)為廣播數(shù)據(jù)包計數(shù)值，其他字節(jié)內(nèi)容與本實驗無關(guān)，本實驗所有數(shù)據(jù)包無網(wǎng)絡(luò)層負(fù)載。

Fig.8 Data packets captured by the test bed圖8 測試平臺捕獲的數(shù)據(jù)包

三次實驗過程中分別收到113、105 和125 個數(shù)據(jù)包，如表2 所示。

Table 2 Comparative data of network listening experiments表2 網(wǎng)絡(luò)偵聽對比實驗數(shù)據(jù)

在CC2531 射頻模塊捕獲數(shù)據(jù)包的同時，CC USB Dongle 設(shè)備也在偵聽網(wǎng)絡(luò)，Smart Packet Sniffer 軟件顯示其捕獲的數(shù)據(jù)包［21］，實驗結(jié)果如圖9 所示。觀察表2 并比較圖8和圖9 可以發(fā)現(xiàn)，兩個設(shè)備捕獲的數(shù)據(jù)包基本一致。實驗結(jié)果表明所設(shè)計的偵聽節(jié)點捕獲了WSN 網(wǎng)絡(luò)中所有的數(shù)據(jù)包，驗證了WSN 測試平臺偵聽網(wǎng)絡(luò)功能、射頻模塊以及上位機(jī)CC2531 Packet Sniffe 的有效性。

本文設(shè)計的WSN 測試平臺可以模塊化構(gòu)建WSN 系統(tǒng)3 種不同節(jié)點（網(wǎng)關(guān)節(jié)點、偵聽節(jié)點、傳感器節(jié)點），USB 延長器設(shè)計可使各節(jié)點與PC 的通信不受距離影響，更方便地布置WSN 節(jié)點。實驗表明，系統(tǒng)中加入電流監(jiān)測模塊使得測量硬件平臺中各類節(jié)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(shù)據(jù)的可靠性。所設(shè)計的偵聽節(jié)點、偵聽程序以及上位機(jī)軟件還具有捕獲網(wǎng)絡(luò)中所有數(shù)據(jù)包并顯示網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的性能，保證了WSN 測試平臺數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

Fig.9 Data packets captured by CC USB Dongle圖9 CC USB Dongle 捕獲的數(shù)據(jù)包

3 結(jié)語

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀及對WSN 測試平臺需求，本文提出了一種WSN 測試平臺系統(tǒng)設(shè)計方案。實驗結(jié)果表明，電流測量系統(tǒng)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(shè)備偵聽網(wǎng)絡(luò)的實驗數(shù)據(jù)，驗證了測試平臺偵聽網(wǎng)絡(luò)功能的有效性，該WSN 測試平臺能夠進(jìn)行WSN 通信協(xié)議和低功耗研究。但目前設(shè)計的軟件只支持監(jiān)測電流和偵聽網(wǎng)絡(luò)功能，后續(xù)要進(jìn)一步開發(fā)軟硬件以支持更多測試平臺功能。