论文研究-一种无线传感器网络分布式测试系统 .pdf

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一种无线传感器网络分布式测试系统,陈鹏,万江文,从实验室研制出的无线传感器网络(WSNs)设备在走向实际应用之前往往没有进行相关的测试工作,这就增加了WSNs工作时的不确定性。为了��
山国武花论文在丝 控制板处理器采用公司超低功耗系列的 ,而射频芯片选用 为 满足更广的应用需求以及功能要求,此节点设计了合理而丰富的扩展接凵,包括路 接凵,路模拟量输入,路中断接凵,输岀模拟电源和数字电源,这样就能满足传感板的 扩展需求 无线传感器网络测试板设计 根据系统测试的需求,无线传感器网络测试板主要实现的功能有: ◆节点供电及能耗测量 测试板通过控制给节点供电以及通过电流传感器测量供电回路的电流,可以得出相应节 点在不冋工作状态如射频收发、空闲、休眠等下的实时能耗 ◆测试板、节点及上位机交互通信 测试板之间通过总线通信,可以互相转发各种信息和数据,如节点调试信息和工 作状态信息等,而能耗数据、监控信息等可以直接通过转的接口发送至上位机 这样就可以实现节点能耗的分布式测量及节点的远程监控。 ◆节点调试及编程 上位机通过测试板上的端口对节点进行一对一的编程及调试。或者通过总 线将程序代码发送到测试板,测试板以方式对节点进行编程,以实现节点大规模并行 在线编程。 监测与捕获 测试板监测节点射频芯片上的 等管脚,可以检测到节点 的工作状态及无线通信的活跃程度,监测射频芯片的双向口,则可以捕获射频无线收发 的数据包 本测试板貮是以上述主要功能为目标设计实现了每个功能模块,最后整合为一个系统而 完成了对性能指标的测试 硬件设计 由于测试系统中测试板和待测节点是一对一连接的,使得测试板的设计除了使其满足系 统所需功能外,还需要遵循低成木、操作简单、实用等原则。而从功能上分析,测试板硬件 结构简图如图所示,主要包括处理器模块、电源管理模块、能耗监测模块、通信模块和接 口及显示模块。 侧试板 --- 电源管理模块 接口及显示模块 通 处理器模块 模人位/ 信 机 块 能耗监测模块 供电 节点 图测试板功能结构图 节点从电池板上拔下来后可直接接在测试板上构成个测试单元。其结构模型图及实物 图分别如图和图所示。 山国武技论文在丝 节点/节点传感板 点控制板 测试板 测试板节点接口 节点传感板接口 图测试单元结构模型 图测试单元实物图 图测试单元示意图 电源管理模块 由于设计的测试单元数目为个,若给每个测试单元单独供电则需要个电源,不利 于管理和实现,更不利于网络扩展,所以采用总线的形式由外接电源统一给所测试单元供 电。考虑到传输线上的压降,为使每个测试单元电源满足其正常工作要求,这里选择 直流电源供电。 在对无线传感器网络及节点进行测试时,节点电源由测试板提供。为了更好的控制测试 行为,控制板通过控制一个沟道的管来控制节点电源的开通与关闭。 处理器模块 处理器模块由核心的、外部 编程接口及相关电路组成。 其中采用公司的基」 内核的 芯片 该芯片 速度快、成本低,且有各种丰富的外设,包括多个位的通道,能够满足我们的使用 需求。外部选择 公司的 ,该芯片容量为 ,串行时钟能 达到 能够快速存储一些常量和不需立即处理的大量数据 能耗监测模块 能耗监测模块用来检测节点的能耗信息,中于控制电源模块给节点供电,因此它 可以通过测量给节点供电的电流和电压大小,然后计算出节点的能耗。 其中,根据测量电流的范围,电流传感器选择个1Ω高精度的电阻并联起来精度 温漂 ℃,根据测量范围选择焊接个数,使其串接在给节点供电回路的高端处 考虑到高端电流采样的高共模电压,放大器选择公司的电压输岀高低侧并联电流检测器 该放大器固定嶒益为,输入失调电压随温度漂移最大为0.5μVˆC,增益随温度 漂移最大为 能够达到高精度的汎量 山国武花论文在丝 通信模块 通信模块主要包括两大部分,第一是总线通信,第是测试板、节点和机之 间的 申口通信。 总线通信 总线通信用于测试板之间以及和机之间的数据传输,具有通信速率高和高可 靠性等优点,更重要的,它能工作于“多主”通信方式,这样就可以提高系统通信的效率和 实时性。为了保证通信的正确率,硬件设计上选择双绞线作为传输线,并且选择合适的终端 电阻抑制传输线阻抗不连续带来的信号反射,另外在每个了节点处还要加上个供模 电感以抑制共模T扰。 中凵通信 串口通信主要用于测试板和节点之间的通信,在网关测试板,还包括测试板和上位 机之间的通信。 接口及显示模块 接口主要指测试板和节点的实现供电、数摭信息和控制信息等的传输通道。如图所小。 电源 编程调试接口 BSL下载 JTAG usart 测数据通信接口 SPI 试板接 IFO 节点接 - FIFOP 射频状态接 -CCA SFD 中断接口 A路中断 图测试板节点接口 其中 和可用来直接监听射频芯片的工作状态,而接口则是指 通过两路分别零打扰监听节点处理器和射频芯片之间接收和发送的数据包。显示模块主 要使用数码管和灯实现节点显小和测试板工作状态显小 软件设计 测试板嵌入式软件设计 测试板嵌入式软件设计主要是实现测试板各模块的功能,包括各种测试数据的采集、处 理及发送,节点编程数据的收发和一些实时状态显示等,其主流程图如图所示 山国武技论文在丝 开始) 初始化 LED及数码管显示 AD数据处理 While(1)死循环 CAN通信处芈 LISART通信处理 SPI通信处理 图主流程图 其中测试板处理器串口 和节点处理器的串口通信,传送各种控制信息和状态 信息,采集测试所需要的测试数据。而串口 迕接到节点处理器的模块,在节 点的复位管脚和脚时序满足要求之后,负责编程数据的传送。串口 通 过电平转换直接连接札。 数据处理函数主要实现对能耗数据的采集,它可以根据实际需要更改采样频率。由 于对wSNs进行能耗监测的意义主要有两种,是对节点的硬件设计的能耗特性进行评价, 观察其在射频收发、休眠等状态时的具体能耗大小和其能耗曲线,从而评价其硬件的节能特 性;二是对wSNs协议的能耗特性进行评价,这就需要计算一段时间内能耗积分值,观察总 体能耗情况,而两者对采样频率要求不一样,所以根据测量模式实时改变采样频率。这种自 适应的采样频率调节方式不仅保证了能耗测试的准确性,也减少了通信数据的冗余,提高了 通信质量 通信处理函数主要负责节点能耗数据发送、节点编程数据的接收以及一些状态信 息的收发等,其通信处理流程图如图所小。 总线传输的数据主要分为两种,一种是 对节点的控制和反映其通信状态的实时薮据,另一种是编程数据和反映节点能耗的非 实时数据。当进行能耗测量时,为了提高准确性,需要关闭测试板与节点之问的通信,防止 信号管脚电流的流动。 山国武技论文在丝 开始 中断接收完成 接收数据处理 CN总线忙 非实时数据请求二 非实时数据处理 实时数据处理 CAN发送 结束 图 通信处理流程图 通信处理函数用于处理监听到的节点处理器与射频芯片之间传输的数据包。当需要 进行网络指标测试时,比如吞吐量、丢包率等,则需要统计节点之间的数据传翰情况。采集 数据方法如下: 在节点处理器中嵌入特定的测试程序,然后将采集到的数据通过 串口传输 至测试板 、通过测试板的路(从模式)的输入管脚分别监听节点和 频心片之间数据传输的的输入和输出管脚。 方法目标明确,测试方便,但是增加了节点处埋器额外的负。而方法可以零打扰的监 听 的通信情况,但是它对测试板的处理、通信以及上位机的数据分析要求较高。实 际网络测试中可以根据情况灵活选择。 机软件设计 杋软件设计主要是指设计一个上位机监控软件,使它能够完成对节点能耗监控、节 点编程和节点状态监控等,其功能框图如图所示。 }界面 节点编程能耗测量 状态监控 单 实 批时 节量能 点编耗 能耗积分值 节点调试信 节点活动状 点 程|曲 ID 拓扑信息 程 线 息态 图上位机软件功能框图 其中当进行节点编程时,若需要对多个节点下载相同的程序时,可通过选择相应的 号而设置数据发送标识符,使相应的测试板能同时接收节点程序文件而分别对相应的 山国武花论文在丝 节点进行编程。 上位机软件的主界面如图所示,它采用语言编写,使用了用于开发应用程 序用户界面的开发工具包,我们只需用很少的代码就可以利用丰富、灵活的功能和模块 化组件来创建功能丰富的用户界面 D剩试着教否煮状送地()芍点眼值()擦 □开84E 日*:关中 书而仰制点编程|利及调式演勤4析 离空内[为 图上位机软件主界面 实验测试 能耗测试 测试板设计完成之后重要的一步是对能耗采集模块电流采集的精度进行测试,以验证数 据采集的准确性。这里选择高精度的滑动变阻器作为负载,回路中串入一个高精度的电流表。 测量结果如图显示,轴为电流表所测真实电流值,轴为测量误差。可见在 的测量范围内,电流采样误差不超过 10 系5 10c2003000000506000014 10 图真实电流值与采样偏差的关系 当进行单节点能耗特性测试时,上位杋监控软件棖据测试板采集的数据绘制的实时能耗 测试曲线如图所示。山于节点供电电压不变,节点能耗接山流过节点的总电流表示, 图表小的是正常工作状态的节点的电流消耗情况,其中图中凸起的较窄的部分为空闲监 听时的消耗电流大小,较宽的部分为节点射频发送数据时的消耗电流大小,而其余地方为休 眠时的电流消耗情氿。图是是用示波器测量的实时能耗曲线(黄色曲线),可见两者非 常吻合,测量结果貞实可信。 山国武技论文在丝 节点能耙測量 空闲 听 云10 体眼 时间(毫秒) 图实时能耗出线 SUN MAY2019:5:122012 A入=00000000ms 1/AX= 10.000HZ 区Y=+750mv 。姬mmz:m 图示波器测量能耗曲线 图实时能耗测试实例 而从图中观察节点发送状态时的能耗曲线图,可以看出发送状态时的节点电流消耗有震荡现 象,也符合实际情况。 下载测试 节点控制节点編程育耗测量调试信息 使用默 可节克0写入驶楫 图节点编程界面 首先编译好编写的程序文件编译成格式,然后遥过上位机软件将此文件传输至 相应的测试板,丙通过测试板下载到节点。机根据活动节点的号选择下载的日标节点 既可以选择单个节点编程,也可以选择批量下载。图的编程界面显示的为正在将一个 tinyos.txt”的文件下载到号为的节点 山国武花论文在丝 结论 本文设计的无线传感器网络测试系统通过一种分布式的测试结构完成了对网终中节点 的能耗测试,包括节点实时能耗曲线的显小以及能耗积分值的测量,并能对节点进行大规模 并行的在线编程,同时也可以对节点的工作状态进行监控,获取节点及网络的拓扑信 息等。实验结果表明,能耗信息的测量符合实际情况,而节点在线编程减少了测试中反复编 程的不便,提高了测试效棨。采用这种分布式的结构也很大程度的提扃了系统编程的灵活性 和结构上的可扩展性。此外,从实验结果也可以看出,此测试系统也有很强的扩展性,如它 通过路监听节点收发的数据包,能进行如吞吐量、丢包率、链路质量等网络指标的测 试;通过对比节点在不同协议下单位时间内的能耗积分值,可以判新协议的节能特性。 参考文献 柯欣舒坚任雍等无线传感器网络测试技术与测试平台研究计算机科学 王先峰项军胡斌一种无线传感器网络能量模型的评估及改进传感技术学报 赵泽刘强李栋等 多 异构无线传感器网络测试平台计算机研究与发展 赵忠华皇甫伟孙利民等基于零打扰测试背板的无线传感器网络测试平台软件学报

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