无线传感器网络测试技术研究

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无线传感器网络测试技术研究

摘要

随着无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）的深入研究和广泛应

用，WSN 的监测变得越来越重要。为了监测 WSN 中的数据并有效评估网络状态，

本文提出了一种被动式无线传感器网络测试平台设计，主要包括测试节点，数据

传输网络和主机协议分析软件三部分。其中测试节点负责侦听待测 WSN 中的数据

包，并将监测数据传输至主机，主机根据协议解析数据并分析出待测 WSN 的各

种状态信息。

测试节点采用德州仪器（TI）公司的 CC2430 芯片系统，该芯片集成了一个

高性能的处理器模块和射频模块，软件平台采用 TinyOS 操作系统以及 nesC 程序

语言编程。数据传输网络采用以太网作为传输媒介，由若干个串口转以太网模块

和以太网交换机组成。测试节点负责侦听周围环境中的数据包，预处理后通过串

口转以太网模块送至数据传输网络。主机协议分析软件是测试系统的数据分析中

心，它负责测试网络的同步，分析、整合和存储数据并显示。协议分析软件根据待

测网络的网络协议分析融合后的数据，获取网络状态信息并统计各种网络性能指

标（如网络拓扑结构及其稳定性，传输路径、流量、延时、丢包率等），并且以多

种图形方式显示分析后的数据。

本测试系统与待测 WSN 相互隔离，不占用 WSN 资源和带宽，克服了主动式

测试系统干扰待测 WSN 的缺点。实验结果表明，该测试系统工作稳定，能够有效

监测 WSN 的组建过程和各种网络状态信息。

关键词：无线传感器网络被动式测试平台 802.15.4 协议汇聚树协

议

ABSTRACT

With in-depth study and extensive application of wireless sensor networks (WSN),

monitoring of WSN has become increasingly important. In order to monitor WSN and

evaluate the network state effectively, a novel design of passive WSN test platform is

proposed in this paper. This passive test system consists of test nodes, data transmission

network and monitoring host, which test nodes are responsible for spying the data of

WSN and sending monitoring data to monitor host. Then monitor host analyzes

monitoring data and obtains a variety of state information of WSN according to

appropriate network protocol.

The test node uses CC2430 chip of TI company, which integrates a high

performance processor and a RF module. Corresponding software platform uses nesC

language based on TinyOS. Using Ethernet as the transmission platform, the data

transmission network consists of several “serial port to Ethernet” modules and Ethernet

switching exchange. Test nodes spy data packet of WSN, preprocess and then transmit

the data to monitor host. After synchronizing the test network, the protocol analysis

software integrates spying data, analyzes the WSN state, and then obtains and displays

the WSN statistics (such as the network topology and stability, packet transmission path,

network flow, time delay, packet loss rate, etc.).

This passive test system is isolated from WSN, does not occupy the resource and

bandwidth of WSN, and avoids interference with WSN. Experiment results show that

this passive test system can work stably and monitor effectively the organization

process and network state information of WSN.

Keywords: Wireless Sensor Networks (WSN), Passive Test Platform,

802.15.4 protocol, Collection Tree Protocol (CTP)

目录
摘  要
ABSTRACT
第一章 绪论.................................................................................................................1
§1.1 WSN 简介........................................................................................................1
§1.2 课题背景.......................................................................................................1
§1.2.1 WSN 测试参数........................................................................................................1
§1.2.2 WSN 测试方法........................................................................................................2
§1.2.3 WSN 测试技术研究现状.....................................................................................3
§1.3 WSN 测试平台................................................................................................4
§1.4 论文结构.......................................................................................................5
第二章 WSN 通信协议..................................................................................................6
§2.1 近距离无线通信技术...................................................................................6
§2.1.1 Bluetooth.............................................................................................................6
§2.1.2 Wi-Fi......................................................................................................................7
§2.1.3 UWB...........................................................................................................................7
§2.1.4 Zigbee....................................................................................................................8
§2.2 物理层协议...................................................................................................8
§2.3 MAC 层协议....................................................................................................9
§2.3.1 研究现状................................................................................................................9
§2.3.2 基于竞争的 MAC 协议.........................................................................................9
§2.3.3 基于时分复用的 MAC 协议.............................................................................10
§2.3.4 IEEE 802.15.4 MAC 协议..............................................................................10
§2.3.4.1 超帧结构......................................................................................................11
§2.3.4.2 MAC 层信道访问方式...............................................................................12
§2.3.4.3 CSMA-CA 机制.............................................................................................12
§2.3.4.4 MAC 层帧结构.............................................................................................12
§2.4 网络层协议..................................................................................................14
§2.4.1 研究现状...............................................................................................................14
§2.4.1.1 平面路由协议...........................................................................................14
§2.4.1.2 层次路由协议...........................................................................................15
§2.3.1.3 以数据为中心的路由协议....................................................................15
§2.4.1.4 基于最小支配集的路由协议................................................................15
§2.4.1.5 基于坐标的路由协议.............................................................................15
§2.4.2 CTP 协议...............................................................................................................16
§2.4.2.1 链路估计器................................................................................................16
§2.4.2.2 路由引擎.....................................................................................................17
§2.4.2.3 转发引擎.....................................................................................................18
第三章 测试网络设计...............................................................................................20
§3.1 测试节点设计.............................................................................................20
§3.1.1 软件平台介绍....................................................................................................20
§3.1.1.1 TinyOS 系统介绍......................................................................................20

§3.1.1.2 nesC 语言介绍..........................................................................................22
§3.1.2 测试节点程序设计...........................................................................................24
§3.1.2.1 程序组件框架...........................................................................................24
§3.1.2.2 功能实现.....................................................................................................25
§3.1.2.3 程序流程图................................................................................................26
§3.2 数据传输网络设计.....................................................................................28
§3.2.1 基于 USB 集线器的数据传输网络................................................................28
§3.2.2 基于以太网的数据传输网络........................................................................29
§3.3 测试网络同步算法设计.............................................................................30
§3.3.1 影响 WSN 时钟同步的因素.............................................................................30
§3.3.2 WSN 同步技术.....................................................................................................30
§3.3.3 测试网络同步算法设计..................................................................................31
第四章 监测主机协议分析软件设计.......................................................................33
§4.1 程序模块结构.............................................................................................33
§4.1.1 串口通信模块....................................................................................................33
§4.1.2 时钟同步模块....................................................................................................35
§4.1.3 数据融合模块....................................................................................................37
§4.1.4 数据存储模块....................................................................................................37
§4.1.4.1 ADO.NET 介绍.............................................................................................37
§4.1.4.2 数据存储设计...........................................................................................38
§4.1.5 数据分析模块....................................................................................................40
§4.1.6 显示模块.............................................................................................................41
§4.1.6.1 GDI+绘图双缓冲技术.............................................................................41
§4.1.6.2 树状拓扑绘制...........................................................................................42
§4.2 测试实验.....................................................................................................43
§4.2.1 网络建立过程分析...........................................................................................44
§4.2.2 网络稳定性分析...............................................................................................45
第五章 总结与展望...................................................................................................47
参考文献.....................................................................................................................49

第一章绪论

20 世纪末，IBM 首次提出了“普适计算”的概念，构想未来人们可以在任何

地点、任何时间，以任意方式进行信息的获取与处理。近年来，随着近距离无线通

信技术、嵌入式计算和微电子技术的快速发展，无线传感器网络[1] （Wireless

Sensor Networks，WSN）已经成为信息获取的重要技术，并被认为是影响人们未

来生活的重要技术之一。

§1.1 WSN 简介

无线传感器网络被认为是未来物联网的核心技术，其具有的实用价值引起了

国际上学术界和工业界的高度重视。国外一些著名大学如麻省理工学院、加州大学

俄亥俄州大学、新加坡国立大学等高校都已经展开了无线传感器网络方面的研究

一些知名企业如Crossbow、Ti、Atmel 公司也投入了极大的资金和科研力量，为无

线传感器网络的商业化打下了基础。国内一些研究机构如中科院计算所、清华大学

北京邮电大学、哈尔滨工业大学和香港科技大学等都取得了一些成果。在未来若干

年内，无线传感器网络将会被广泛地应用在环境科学、医疗健康、空间探索、智能

家居、城市公共安全等诸多领域[2]。

无线传感器网络理论方面的研究主要集中在无线传感器网络协议、路由算法、

体系结构、能耗等方面。无线传感器网络不同于一般的Ad-hoc 网络，能量和路由

是最大的挑战。数据传输、信号处理、硬件操作都会消耗有限的能量，因此如何优

化网络管理和信息融合是研究的出发点。研究“以数据为中心”的体系结构，设

计能量有效的 MAC 协议、路由协议和应用协议是研究的中心点。经典的网络协议

包括应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。考虑到上层与下层之间的信息

冗余和相关性，需要对传统 5层结构进一步优化。目前，无线传感器网络协议简

化为应用层、应用支持子层、网络层、MAC 层和物理层，且层层之间可以通过接口

跨层调用。与传统网络中通过提高能量效率来延长网络寿命的情况不同，无线传

感器网络还注重数据传输的实时性与可靠性，以及网络的可扩展性和容错能力。

信息融合在无线传感器网络工作中也有着重要的作用，网络中节点间通常存在冗

余信息，大量冗余信息的存在既过多地消耗了节点能量，也造成了网络中信道阻

塞，降低了通信效率和数据的实时性。

§1.2 课题背景

§1.2.1 WSN 测试参数

在无线传感器网络应用前需要对网络进行测试，给出各种测试指标并评价网

络性能。无线传感器网络测试信息主要包括节点和网络两个层面。单个节点的测试

主要包括节点能耗、链接质量 (转发延时、丢包率、吞吐量) 等信息。网络层面的测

试主要包括网络生存时间、拓扑稳定性、能量分布、链接质量分布等信息。

无线传感器网络节点能量消耗的测量是个难点，由于测试中节点能量动态变

化，加之电池放电曲线的不确定性，使得不能对节点能量进行精准测量。文献[3]

[4]能量测量技术中，预先测量节点在不同工作状态下的能量消耗，通过计算节点

各个状态的工作时间来统计节点的能量消耗，但节点状态的快速转换使得很难准

确统计各个状态下的工作时间。文献[5]中通过记录节点完成工作周期的最大次数

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无线传感器网络测试技术研究摘要随着无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSN）的深入研究和广泛应用，WSN的监测变得越来越重要。为了监测WSN中的数据并有效评估网络状态，本文提出了一种被动式无线传感器网络测试平台设计，主要包括测试节点，数据传输网络和主机协议分析软件三部分。其中测试节点负责侦听待测WSN中的数据包，并将监测数据传输至主机，主机根据协议解析数据并分析出待测WSN的各种状态信息。测试节点采用德州仪器（TI）公司的CC2430芯片系统，该芯片集成了一个高性能的处理器模块和射频模块，软件平台采用TinyOS操作系统以及nesC程序语言编程。数据传输网络采用以太...

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