基于故障注入的列车无线传感器网络可靠性测试系统*

杨志雄 马殷元 聂红红

1.兰州交通大学 机电技术研究所 兰州 730070 2.甘肃省物流及运输装备信息化工程技术研究中心 兰州 730070 3.兰州交通大学 机电工程学院 兰州 730070

1 研究背景

无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量低成本传感器节点相互通信形成的多跳自组织网络,数据采集是无线传感器网络的主要应用之一。无线传感器网络因为较低的成本,被广泛应用于各种场合[1-2]。在轨道交通行业,越来越多的技术人员开始研究无线传感器网络的应用。韩晓哲[3]对无线传感器网络在列车危化品运输监控方面的应用做了研究。文献[4-6]对列车关键设备的监控进行了研究。为了提高无线传感器网络的设计可靠性,对无线传感器网络进行可靠性测试很有必要[7]。哈佛大学开发的无线传感器网络辅助测试系统提供了试验任务管理、日程调度、用户访问控制等功能,使用户可以方便灵活地完成测试,并对无线传感器网络进行监控[8]。由中科院软件所研发的零打扰无线传感器网络测试平台,实现了无线传感器网络节点和系统的测试分析、故障定位、性能评估[9]。当前,根据现有文献报道,对列车特定环境下的无线传感器网络进行可靠性测试的平台还比较少,对此,笔者设计了一种基于故障注入的列车无线传感器网络可靠性测试系统。

2 总体方案

基于故障注入的列车无线传感器网络可靠性测试系统主要由计算机控制软件、故障注入节点、无线传感器网络节点故障协议集三部分组成,如图1所示。计算机控制软件实现故障命令的下达,收集无线传感器网络的响应信息,并进行故障分析。故障注入节点实现故障命令的实时或定时注入,并且在下达故障命令后,收集并存储无线传感器网络的响应信息。待测试完成后,进行可靠性分析。无线传感器网络节点故障协议集需要在开发协议栈的同时进行开发。无线传感器网络节点收到注入故障命令后,调用相应回调函数影响无线传感器网络,达到故障注入的目的。

图1 列车无线传感器网络可靠性测试系统组成

3 系统设计

3.1 无线传感器网络节点

开发无线传感器网络时,在协议栈中针对需要注入的故障,开发相对应的故障回调函数。无线传感器网络运行时,将故障注入节点与选定的无线传感器网络节点相连,故障注入节点通过串口向无线传感器网络节点注入故障命令。无线传感器网络节点调取相应回调函数,激活故障处理机制,达到故障注入的目的。同时,回调函数收集响应信息,通过串口发送至故障注入节点或经故障注入节点直接发送至计算机控制软件。无线传感器网络节点故障注入流程如图2所示。

图2 无线传感器网络节点故障注入流程

3.2 故障注入节点

故障注入节点主控芯片采用STM32F103VET6单片机。串行通信模块采用串口通信,与计算机控制及无线传感器网络节点进行通信,实现故障命令的下达、无线传感器网络响应信息的收集。时钟模块中,时钟由主控芯片实时时钟外设提供,主要为故障注入设置定时时间,为响应信息添加时间戳。外设存储模块可以方便存储故障响应信息,通过串行外设接口连接存储卡,扩展了存储空间。为了便于计算机读取存储卡中的响应信息,在存储卡中设计文件分配表文件系统[10]。故障注入节点采用定时注入时,可以将计算机控制软件下达的故障命令存储在单片机内存自定义的区域中,然后移走计算机,不再需要人工干预。故障注入后,无线传感器网络节点回调函数将响应信息经串口发送至故障注入节点,然后存储在存储卡中。测试完成后,使用计算机读取存储卡获取故障响应信息,进行可靠性评估。故障注入节点采用实时注入时,故障命令经由故障注入节点直接注入无线传感器网络节点,收到的实时响应信息存储在存储卡中,同时复制相同的数据,通过串口发送至计算机控制软件,达到实时监控的目的。故障注入节点程序设计流程如图3所示。

图3 故障注入节点程序设计流程

3.3 计算机控制软件

计算机控制软件包括三部分:① 串行通信模块,实现与故障注入节点的连接,进行故障命令的下达,以及系统时间设定与响应数据的上传;② 故障注入模块,用于注入特定的故障命令,针对列车的特殊应用环境,分析容易产生故障的原因,具体特定故障命令包括降低发射功率模拟障碍物,关闭无线传感器网络节点模拟节点失效,强制若干无线传感器网络节点退出并不断发送数据模拟干扰等;③ 故障分析模块,可以实时监测无线传感器网络拓扑结构变化,收集统计故障响应信息,如时延、信号接收强度、数据包丢包率等,进而协助设计人员分析注入故障对无线传感器网络的影响,评估无线传感器网络的可靠性。计算机控制软件执行程序流程如图4所示。

图4 计算机控制软件执行程序流程

4 测试验证

为了验证基于故障注入的列车无线传感器网络可靠性测试系统的有效性,采用八个无线传感器网络节点,模拟列车车厢呈长方形设置,终端节点每隔400 ms发送一个数据包,每个数据包有效载荷为20 Byte,每轮发送100个数据包。采用三个故障注入节点,连接三个无线传感器网络节点进行故障注入。注入模拟障碍物故障,分别修改终端无线传感器网络节点,发射功率为3 dBm、-5 dBm、-22 dBm,测试结果如图5所示。图5中,信号接收强度值为换算后的绝对值,值越大,表示接收到的信号强度越强。改变发射功率后,显著影响了信号接收强度。对模拟障碍物和模拟干扰两种故障进行混合注入,测试结果如图6所示。干扰功率一定,数据包丢包率随发射功率的降低而增大。干扰功率越低,对数据包丢包率的影响越小。测试结果证明,这一系统可以模拟列车无线传感器网络运行故障,对列车无线传感器网络进行可靠性测试。

图5 模拟障碍物故障注入测试结果

5 结束语

笔者提出了基于故障注入的列车无线传感器网络可靠性测试系统,在列车无线传感器网络设计阶段注入模拟列车现场运行故障,用于测试所设计的列车无线传感器网络的可靠性。设计开发了模拟列车无线传感器网络故障的故障协议,设计了故障注入节点,并开发了计算机控制软件来下达故障命令,分析响应信息。进行了系统测试,结果表明,这一系统可以有效模拟列车无线传感器网络故障,测试列车无线传感器网络的可靠性,协助设计开发人员有针对性地对列车无线传感器网络进行改进,具有实用价值。

图6 混合故障注入测试结果