无线传感器网络感知层测试评估平台的研究*

李树磊，林鑫海，赵研，李威

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310）

1 引言

无线传感器网络能够通过各类集成化的微型传感器协助地实施监测、感知和采集各种环境监测对象的信息，成为了当前国内外备受关注的前沿热点研究领域[1-2]。它涉及多学科高度交叉，知识高度集成，综合了传感器技术、分布式信息处理技术、嵌入式计算技术、现代网络及通讯技术等[3-5]。在传感器网络实际应用中，对其进行测试评估以保证稳定高效，成为了目前亟需解决的问题。

国内外无线传感器网络测试评估技术没有形成标准化和系统化，大多数研究都是进行理论分析和计算机模拟。在数学模型的构建中由于计算复杂度过高，在实际应用中需要简化，以至于降低了分析结果的可信度[6-7]，现有的模拟工具也难以体现网络的真实性能[8]。因此，有必要建立一个测试平台，以实现对无线传感器网络通信质量的监控，更全面地评估网络状态的各个因素[9]。

本文主要研究无线传感器网络感知层测试技术，采用专用的测试仪器包括综合测试仪、高性能频谱分析仪、矢量信号源、协议分析仪、无线连接测试仪等，搭建测试环境平台，进行节点的功能测试、性能测试、网络拓扑查看等，实时采集数据进行分析处理，并且提供了测试评估平台的人机交互界面，方便对传感器网络远程操作和监控。

2 无线传感器网络系统结构

无线传感器网络是由独立分布的节点以及网关组成，通过无线方式形成的一种多跳自组织网络，主要分为感知层、协议层和应用层3部分。节点包括传感器节点、中继节点、汇聚节点等，它们随机部署在监测区域，能够实时采集信息发送至网关，进行数据存储和分析处理。目前无线传感器网络主要采用ZigBee协议，工作在2.4GHz频段上，传输速率为250kbps，传输距离为100m左右。

网关用于将传感器网络与其它网络（如移动通信网、互联网等）建立传输连接，又称为网间连接器、协议转换器，属于有别于终端设备的一类特殊节点。网关的功能包括：一是通过节点获取信息并进行转换；二是与外部网络进行通信。无线传感器网关结构如图1所示：

图1 无线传感器网关结构

无线传感器网络节点的稳定性是保证整个网络良好运行的基础，因此节点设计的可靠性至关重要。网络节点种类虽然不尽相同，但都遵循基本的架构：数据采集单元、数据处理单元、通讯单元和电源管理这4部分，如图2所示。根据具体应用场景配置相应的辅助功能，比如定位系统、能源补充系统、防水设计等。工作流程大致为：首先采集传感器信息；然后对数据信息进行存储和处理；最后发送给通讯模块（收发器）以无线方式发送至上一级节点。

图2 无线传感器节点结构

节点的能量决定整个网络的寿命，对能耗的控制至关重要。系统配置了多种工作方式可以转换，节点执行完必须的任务后进入待机模式，通过电源管理功能切断处理器、射频发送模块的供电，此时能耗最低。节点的唤起可以使用硬件看门狗功能或者发送唤起指令。本文主要测试以ZigBee协议为基础的无线传感器网络的通信性能和电源管理模块的性能。

3 感知层测试评估平台系统设计

传统传感器网络测试主要对单个设备进行射频性能测试，难以全面评估传感器网络的健康状况，加之部署环境复杂多变，对网络运行状态进行实时调整显得尤为重要。测试和监控结合在一起，一方面可以获取节点和网络的状态信息；另一方面还可以根据环境变化和监测需求改变网络行为配合测试。

针对这些需求，本文设计了一种传感器网络测试和远程监控为一体的传感器网络感知层测试评估平台，节点测试利用各类设备搭建环境，检测节点的状态，并将测试数据通过网关以无线等方式实时传递到监控平台，查看网络连接状况、拓扑结构和链路传输速率等网络特征，评估无线传感器网络性能。无线传感器网络测试评估平台总体架构如图3所示。

3.1 测试评估平台硬件架构

图3 无线传感器网络测试评估平台总体架构

传感器网络硬件测试平台将节点设备的测试方案进行改进和整合，以满足单机测试和网络测试的需求。该平台主要由测试对象层、测试内容层、测试仪器设备层这3部分组成。测试仪器主要由直流电源、多功能数字万用表、信号源、频谱仪、无线综合测试仪以及电脑（PC）组成，其中测试仪通过GPIB总线与PC连接，被测设备（DUT）通过RS232/RJ45与PC连接，PC可以设置DUT的工作状态、读取仪器设备的测试结果。

测试平台硬件架构如图4所示：

图4 测试平台硬件架构

无线传感器网络具有多种工作方式：发射、接收、睡眠等，调节设备处于不同工作状态，特别是不同状态下电源管理模块的性能，实时监控网关和节点设备的射频性能及网络性能。主要测试指标包括：

（1）整体指标：工作频段、传感信息速率、调制编码方式、功耗等；

（2）接收指标：接收灵敏度、镜像抑制、互调抑制、接收群时延（带内）等；

（3）发射指标：发射功率、谐波发射分量抑制、杂散发射分量抑制等；

（4）网络性能测试：网络建立时间、节点迟入网时间、组网方式等。

测试平台的工作流程大致为：测试设备仪器、DUT上电正常工作后，开始采集工作电压和电流信息，当工作电压或电流发生变化时，根据变化大小确定工作状态，并且实时计算当前DUT的功耗，此时采集的数据同步发给网关（协调器）。发射和接收状态情况下，测试仪器能够监测DUT的发射性能和接收性能指标。

测试平台应用流程如图5所示：

图5 测试平台应用流程

3.2 远程监控平台系统设计

远程监控平台包括设备控制、数据记录、报告输出等功能，实现测试数据分析处理。采用B/S架构，主要分为人机界面和数据分析处理层2部分，由人机界面、数据库、数据更新监控例程、数据推送服务、数据监听与刷新例程等组成。无线传感器网络设备测试数据通过网关把传感器网络与移动通信网或互联网相连，将测试数据上传到评估平台，并以Web形式对外提供一个开放的信息系统，客户端只需要浏览器而不需要其它软件，当前主流系统（Windows、Linux、iPhone、Android）都可无条件支持与使用。远程监控平台网络架构如图6所示：

图6 远程监控平台网络架构

为验证测试评估平台对传感器网络射频性能和网络性能测试的可行性，在实际网络中选用3个节点组网测试，节点性能测试界面和网络拓扑结构如图7所示。

图7 网络节点性能测试界面（左）和网络拓扑结构（右）

硬件测试平台将检测到的数据通过特定接口上传到数据库，数据在这里进行分析处理，实时将数据推送到客户端，用户通过浏览器观察DUT性能指标和网络拓扑结构。当数据库接收到最新的数据后，客户端的数据监听功能模块监测到数据推动服务发来的新数据，向客户端浏览器推送，更新浏览器监控窗口，以保障数据的更新，从而真实准确地评估传感器网络整体性能。此外，用户还可以向数据库发送指令，完成对DUT的控制。

4 结论

本文提出了一种传感器网络感知层测试评估的设计方法，搭建由测试对象层、测试仪器设备层、人机界面与数据分析处理层等组成的测试评估平台，实现了传感器网络设备检测、网络拓扑查看、测试数据存储和上传、实时更新、人机交互等功能，可以准确地测试设备各项指标，便捷快速地对传感器网络的运行状况进行监测。随着未来无线通信技术的快速发展，传感器网络在网络部署方面将与以3G/4G网络为核心的通信网络、遍及全国四通八达的互联网融合，测试评估平台也将得以借助这些通信技术得到增强，为传感器网络应用的创新提供支持。

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