CN101801019B

CN101801019B - 一种无线传感器网络节点的分析测试设备

Info

Publication number: CN101801019B
Application number: CN2010101061540A
Authority: CN
Inventors: 冯仁剑; 万敏; 吴银锋; 于宁; 焦楠
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2030-02-03
Also published as: CN101801019A

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络节点的分析测试设备，属于无线传感器网络技术领域。所述的分析测试设备包括多路节点通信模块、节点供电管理及功耗监测模块、在线编程模块、处理器模块、设备配置模块以及节点接口单元；还包括图形用户接口和远程通信模块，以有线方式与多个被测节点连接，以串口或以太网方式与远程控制计算机通信，实现对无线传感器网络节点的分析测试。本发明可以同时对无线传感器网络中的多个节点进行测试、分析，测试过程不影响节点自组网及工作过程；能对多个节点进行在线编程，简化程序更新及维护程序，缩短节点调试周期；获取节点信息不需要依赖网关节点和多跳传输，减少信息延迟及传输错误，采集信息准确快速。

Description

一种无线传感器网络节点的分析测试设备

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体涉及到一种无线传感器网络节点的分析测试设备。

背景技术

随着电子技术、无线通信技术以及传感器技术的进步，无线传感器网络得到普遍重视。在无线传感器网络的研究和开发中，一般涉及到对无线传感器网络节点的监测、分析、调试问题，具体包括对节点状态、网络状态监控，节点功耗监测以及对节点的编程、程序更新等。

考虑到节点应用的复杂环境，目前研究者多采取仿真模拟的方式测试节点协议或程序。该方法一定程度减少了工作量、实现方便，但不能完全体现真实环境，例如传感器节点实际工作中失效、能量不足等问题，仿真测试很难模拟，导致仿真结果不够准确，且仿真结果最终还需要经过实际验证。

各制造商也开发了针对各自产品的测试工具，它们虽然各有特点，但是也存在一些问题，具体如下：

1)节点程序下载更新不便。一般通过仿真器下载程序，需要将节点逐一连接仿真器，过程繁琐且反复插拔操作易产生新问题。

2)网络节点的组网路由信息不易监测。无线传感器网络节点的路由信息时刻变化，不易实时监测。

3)网络故障节点难以定位。现有的一些故障诊断方法多基于无线传感器网络本身，故障节点定位精度有限。

4)节点功耗不易实时监测。由于无线传感器网络节点应用的复杂性，一般难以掌握其实时功耗。

5)动态延迟不易控制。获取节点状态信息的现有方法依赖于无线传感器网络中的网关节点，一个节点的数据可能需要经过多跳才能得到，其动态延迟影响测试结果精度和捕获节点故障信息的实时性。

国内外已有的一些方案，大多倾向于解决上述无线传感器网络节点测试中的某一具体问题，针对多个节点同时实现全面管理和测试的平台设计还未见报道。

ISP(In-System Programming)编程技术是在系统可编程技术的简称，它是最先由Lattice公司提出的，编程目标的CPU通过其SPI(Serial Peripheral Interface)或其它串行接口接收上位机传来的数据并写入存储器中，完成在线编程过程。SPI是一种简单高效的串行同步通讯协议，它可以使CPU与各种外围设备以串行方式进行通信。

发明内容

本发明为解决无线传感器网络节点分析测试中的程序下载更新不便、网络节点的组网路由信息不易监测、网络故障节点难以定位、节点功耗不易实时监测、动态延迟不易控制等问题，提供一种应用于无线传感器网络节点的分析测试设备，该设备可本地操作以采集、分析和记录多个被测节点的状态信息，对多个被测节点在线编程，控制节点供电电压、实时监测节点功耗，同时可通过以太网或串口与用户进行远程数据交互和操作。

本发明提供的无线传感器网络节点的分析测试设备，以有线方式与多个被测节点连接，以串口或以太网方式与远程控制计算机通信，实现对无线传感器网络节点的分析测试。所述的分析测试设备包括多路节点通信模块、节点供电管理及功耗监测模块、在线编程模块、处理器模块、设备配置模块以及节点接口单元；还包括图形用户接口和远程通信模块。

其中图形用户接口和远程通信模块用于将本地用户和远程用户指令发送给处理器模块，并对处理器模块的反馈信息进行本地备份和显示，同时发送给远程控制计算机；处理器模块对本地用户或远程用户指令进行分析处理后将相应的测试指令、控制指令发送给多路节点通信模块、节点供电管理及功耗监测模块和在线编程模块，多路节点通信模块、节点供电管理及功耗监测模块和在线编程模块分别与节点接口单元连接，节点接口单元与被测节点之间以有线方式连接，这样，多路节点通信模块采集多个被测节点的状态信息和组网信息、节点供电管理及功耗监测模块控制被测节点供电电压和实时监测其功耗、在线编程模块负责被测节点的程序在线下载及更新，并不断的将被测节点信息反馈给处理器模块，处理器模块在反馈给图形用户接口和远程通信模块。

设备配置模块连接处理器模块，配置设备启动参数、供电电压以及CPU芯片系统文件的加载、更新。

本发明的优点在于：

(1)本发明可以同时对无线传感器网络中的多个节点进行测试、分析，测试过程不影响节点自组网及工作过程。

(2)本发明采用了独立功耗监测电路控制被测节点供电电压及监测其功耗，不需要监控节点功耗时便可将功耗监测电路取下以节省能量，本发明主体功能不受影响；

(3)本发明能对多个节点进行在线编程，简化程序更新及维护程序，缩短节点调试周期；

(4)本发明通过有线方式与节点连接，获取节点信息不需要依赖网关节点和多跳传输，减少信息延迟及传输错误，采集信息准确快速；

(5)本发明具有通用性，能够通过在控制计算机注册不同节点型号，来灵活方便地实现分析测试；

(6)本发明所述的分析测试设备可以多个设备并联工作，同时对大量节点进行分析测试。

附图说明

图1为本发明分析测试设备工作示意图；

图2为本发明分析测试设备的结构示意图；

图3a为地址分配单元原理图；

图3b为串行通信扩展单元部分原理图；

图4a为节点供电管理及功耗监测模块部分电路原理图；

图4b为功耗监测电路接口单元示意图；

图5为MISO信号扩展电路原理图；

图6为节点分析测试设备的节点接口示意图；

图中：

1-多路节点通信模块 2-地址分配单元 3-串行通信扩展单元 4-在线编程模块

5-编程地址选通单元 6-编程信号扩展单元 7-节点电源管理及功 8-功耗监测电路接口

耗监测模块单元

9-功耗监测电路单元 10-远程通信模块 11-以太网通信单元 12-串口通信单元

13-自定义接口 14-节点接口单元 15-图形用户接口 16-LCD触摸显示屏

17-LCD接口电路 18-处理器模块 19-CPU编程接口 20-复位电路

21-CPU芯片 22-存储单元 23-设备配置模块 24-远程控制计算机

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种无线传感器网络节点的分析测试设备，如图1所示，图中的字母A、B表示本发明提供的分析测试设备，所述的分析测试设备A、B分别通过串口或者以太网(Internet)与远程控制计算机24通讯。分析测试设备与节点之间的有线连接可采用具有足够信号线的普通电缆实现，本实施例中采用以太网线代替普通电缆，图中用黑色实线表示。其中分析测试设备A与无线传感器网络节点i₁～节点i₈连接，分析测试设备B与无线传感器网络节点i_m～节点i_n连接，图中所有节点构成一个无线传感器网络，用虚线表示。每个分析测试设备可以连接八个无线传感器网络节点，节点间自组网情况和工作过程不受影响。当需要分析测试大量节点时，可如图1采用两个分析测试设备A、B，或者更多的分析测试设备并联工作的方式实现。

如图2所示的是本发明提供的无线网络节点的分析测试设备组成示意图，所述的分析测试设备主要包括多路节点通信模块1、节点供电管理及功耗监测模块7、在线编程模块4、处理器模块18、设备配置模块23、节点接口单元14，此外，为了实现该设备的本地和远程通讯，还包括有图形用户接口15和远程通信模块10。

其中图形用户接口15或远程通信模块10用于将本地用户或远程用户指令(主要为各种节点分析测试指令)发送给处理器模块18进行处理。处理器模块18对本地用户或远程用户指令进行分析处理后将相应的测试指令、控制指令发送给多路节点通信模块1、节点供电管理及功耗监测模块7和在线编程模块4，并对上述模块的反馈信息进行分析整理后发送给图形用户接口15进行本地备份和显示，同时通过远程通信模块10发送给控制计算机24。

所述的多路节点通信模块1根据处理器模块18的测试指令，通过节点接口单元14来采集多个被测节点所测信息，然后将所采集信息处理后反馈给处理器模块18。

所述的在线编程模块4根据处理器模块18的控制指令，选择要编程的节点，进行在线编程，并将编程结果实时反馈给处理器模块18。

所述的节点供电管理及功耗监测模块7通过节点接口单元14连接被测节点，在处理器模块18的控制下为被测节点提供供电电压，实时监测被测节点功耗状况，并将被测节点功耗状况反馈给处理器模块18。

所述的设备配制模块23连接处理器模块18，用于选择设备启动方式、配置设备供电电压，为处理器模块18中CPU芯片系统文件的加载、更新提供USB接口。所述的节点接口单元14以有线方式与被测节点连接，实现被测节点与多路节点通信模块1、节点供电管理及功耗监测模块7、在线编程模块4之间的通信。

所述的图形用户接口15接受本地用户测试命令给处理器模块18，并显示处理器模块18反馈的信息；所述的远程通信模块10以串口或以太网方式连接远程控制计算机24，实现远程控制计算机24对本发明的分析测试设备的远程操作。

处理器模块18主要包括CPU芯片21、存储单元22、CPU编程接口19及复位电路20；CPU芯片21管理各个模块，进行数据收发和处理；存储单元22用作存储完整的系统程序和本地备份节点的测试数据；CPU编程接口19采用标准JTAG调试口；复位电路20对所述分析测试设备进行初始化。

所述的多路节点通信模块1包括地址分配单元2和串行通信扩展单元3；地址分配单元2采用SN74LV138PW芯片，可以在处理器模块18的控制下选通所选被测节点的传输通道；串行通信扩展单元3的主芯片采用两片专用增强型异步通讯芯片ST16C554，可以将所选被测节点的传输通道扩展为八个串行通道，与被测节点通信。

如图3a所示，处理器模块18中的CPU芯片21发出的地址选通信号LADDR13～LADDR15，通过地址分配单元2转化为串行通信扩展单元3的八个通道使能信号(CSA1～CSD1，CSA2～CSD2)，用来使能节点传输通道。如图3b，以串行通信扩展单元3中一个芯片U702为例，CPU芯片21的地址总线LADDR0～LADDR2发送寄存器地址；寄存器地址和选通信号配合使能节点通信通道，同时控制通讯扩展芯片ST16C554的读写使能端进行读写使能。无线传感器网络中被测节点发送信息时，串行通信扩展单元3产生相应中断信号INTA1～INTD，经由数据总线传输给CPU芯片21；整个串行通信扩展单元3中被测节点发送信息产生的中断信号最多可以有八路(对应八个被测节点)，每个ST16C554芯片负责其中四路。被测节点接收信息时，由地址分配单元2使能所选被测节点的传输通道。数据经由ST16C554进行转换处理，CPU芯片21通过数据总线与串行通信扩展单元3进行数据交互，串行通信扩展单元3经由使能的扩展后的串行通道与被测节点进行数据交互。

节点供电管理及功耗监测模块7包括功耗监测电路接口单元8和功耗监测电路单元9；功耗监测电路接口单元8主要由两个10pin的插座组成，用于连接独立的功耗监测电路单元9和处理器模块18，，如图4b所示，功耗监测电路接口单元8包括节点供电信号通道(VCC1～VCC8)、功耗信息传输通道(TXD24和RXD24)、4路预留IO通道(PWIO1～PWIO4)、电源接口(VDD5V)和地接口(GND)。功耗监测电路单元9负责控制被测节点供电电压，实时监测、采集、处理、发送被测节点工作时的功耗信息，并将功耗信息反馈给处理器模块18。功耗监测电路单元9与被测节点之间的连接通过节点接口单元14实现。

功耗监测电路单元9的主芯片是STM32F103，共有8个通道。如图4a所示，以第一个节点通道为例，处理器模块18中的CPU芯片21发出控制命令到STM32F103，STM32F103通过控制信号PWM1电平，以操作节点供电电压VCC1(VIN)的通断，输出到节点接口单元14；ADC1采集第一个被测节点的实时功耗信息，经过STM32F103进行处理之后反馈给CPU芯片21。

在线编程模块4包括编程地址选通单元5和编程信号扩展单元6，实现对被测节点的在线编程功能。编程地址选通单元5在处理器模块18的控制下选择要编程的被测节点，通过编程信号扩展单元6将处理器模块18中CPU芯片21发送的SPI(Serial PeripheralInterface)编程信号的每一路分别扩展为8路，连接到节点接口单元14，从而连接到8个被测节点。由CPU芯片21控制SPI信号每一路高低电平，模拟被测节点核心芯片(如节点常用芯片ATmega128)的编程的时序，以实现对被测节点在线SPI编程。在线编程模块4中的编程信号扩展单元6使用四片扩展芯片CD4051，由CPU芯片21给出的节点在线SPI编程信号包括四路，分别为MISO、MOSI、SCK、RST，其中RST为编程复位信号，SCK为编程时钟信号，MOSI为编程数据输出信号，MISO为编程数据输入信号。CPU芯片21选用ARM9芯片S3C2440，芯片S3C2440的通用I/O口分别作为所述四路SPI信号输出端，输出至编程信号扩展单元6，芯片S3C2440的其它三个I/O口作为在线编程节点选通地址输出至编程地址选通单元5。如图5所示，以在线SPI编程信号中的一路MISO信号的扩展为例，由CPU芯片21给出的节点在线编程信号MISO通过扩展芯片CD4051扩展为MISO1～MISO8共八路编程信号输出给对应的八个节点，由编程地址选通单元5给出的地址选通信号4051ADDA～4051ADDC来控制某一路编程信号通道使能。

图形用户接口15包括LCD触摸显示屏16和LCD接口电路17；处理器模块18对多路节点通信模块1、节点供电管理及功耗监测模块7和在线编程模块4上传的有关节点的控制信息及节点状态信息进行本地备份，并通过LCD接口电路17，显示在所述LCD触摸显示屏16上。用户可以通过LCD触摸显示屏16上看到节点控制信息和状态信息，也可以通过配套的用户界面从所述LCD触摸显示屏16控制被测节点动作，实现本地测试。

远程通信模块10包括以太网通信单元11和串口通信单元12；处理器模块18以串口和以太网两种方式与远程控制计算机24通信，从而远程控制计算机24可实时获得节点信息、远程操作被测节点。所述以太网通信单元11采用芯片DM9000和一个100M网络RJ-45接口实现以太网通信。所述串口通信单元12采用MAX3232SOP芯片对CPU芯片21(S3C2440)的TTL串口接口作RS232电平转换，通过直连线直接与控制计算机24通信。

节点接口单元14包括自定义节点接口13，自定义节点接口13包括八个普通RJ-45接口，每个接口包括电源管理信号、在线SPI(Serial Peripheral Interface)编程信号、通信信号和地。处理器模块18的CPU芯片21发出的在线编程信号、节点通信信号、功耗监测信号通过多路节点通信模块1、在线编程模块4、节点供电管理及功耗监测模块7传送给节点接口单元14中的自定义节点接口13，自定义节点接口13以有线方式与被测节点相连接，采集被测节点信息，通过相应模块反馈给处理器模块18。如图6所示，A1～A8为第一节点接口，B1～B8为第二节点接口，C1～C8为第三节点接口，D1～D8为第四节点接口，E1～E8为第五节点接口，F1～F8为第六节点接口，G1～G8为第七节点接口，H1～H8为第八节点接口。以第一节点接口为例，第一节点接口包括电源管理信号VCC1，在线编程信号OUT_SCK1、OUT_MOSI1、OUT_MISO1、OUT_RST1，节点通信信号OUT_TX1、OUT_RX1和地线GND在内的八条信号线。CPU芯片21通过这些信号实现对被测节点的供电管理、在线编程以及通信功能。

Claims

1.一种无线传感器网络节点的分析测试设备，其特征在于：包括多路节点通信模块、节点供电管理及功耗监测模块、在线编程模块、处理器模块、设备配置模块、节点接口单元、图形用户接口和远程通信模块；

其中图形用户接口和远程通信模块用于将本地用户和远程用户指令发送给处理器模块，并对处理器模块的反馈信息进行本地备份和显示，同时发送给远程控制计算机；

处理器模块对本地用户或远程用户指令进行分析处理后将相应的测试指令、控制指令发送给多路节点通信模块、节点供电管理及功耗监测模块和在线编程模块；

多路节点通信模块、节点供电管理及功耗监测模块和在线编程模块分别与节点接口单元连接，节点接口单元与被测节点之间以有线方式连接，这样，多路节点通信模块采集多个被测节点的状态信息和组网信息、节点供电管理及功耗监测模块控制被测节点供电电压和实时监测其功耗、在线编程模块负责被测节点的程序在线下载及更新，并不断的将被测节点信息反馈给处理器模块，处理器模块再反馈给图形用户接口和远程通信模块；

所述的设备配置模块连接处理器模块，用于选择设备启动方式、配置供电电压，为处理器模块中CPU芯片系统文件的加载、更新提供接口。

2.根据权利要求1所述的分析测试设备，其特征在于：所述的多路节点通信模块包括地址分配单元和串行通信扩展单元，地址分配单元在处理器模块的控制下选通所选被测节点的传输通道；串行通信扩展单元将所选被测节点的传输通道扩展为八路串行通道，与八个被测节点通信；被测节点发送信息时，串行通信扩展单元产生中断信号经由数据总线传输给CPU芯片；被测节点接收信息时，由地址分配单元选通节点传输通道，CPU芯片通过数据总线与串行通信扩展单元进行数据交互，串行通信扩展单元经由使能的扩展后的串行通道与被测节点进行数据交互。

3.根据权利要求1所述的分析测试设备，其特征在于：节点供电管理及功耗监测模块包括功耗监测电路单元和功耗监测电路接口单元；功耗监测电路接口单元包括节点供电信号通道、功耗信息传输通道、4路预留IO通道、电源接口和地接口；功耗监测电路单元负责控制被测节点供电电压，实时监测、采集、处理、发送被测节点工作时的功耗信息，并将功耗信息反馈给处理器模块。

4.根据权利要求1所述的分析测试设备，其特征在于：在线编程模块包括编程地址选通单元和编程信号扩展单元，编程地址选通单元在处理器模块的控制下选择要编程的被测节点，通过编程信号扩展单元将处理器模块中CPU芯片发送的SPI编程信号的每一路分别扩展为八路，连接到节点接口单元，从而连接到八个被测节点。

5.根据权利要求1所述的分析测试设备，其特征在于：节点接口单元包括自定义节点接口，由普通RJ-45接口实现，每个接口包括节点电源供给信号、在线SPI编程信号、通信信号和地线。

6.根据权利要求1所述的分析测试设备，其特征在于：处理器模块包括CPU芯片、存储单元、CPU编程接口电路及复位电路；CPU芯片管理各个模块、进行数据收发和处理；存储单元用作存储完整的系统程序和本地备份节点的测试数据；CPU编程接口电路采用标准JTAG调试口；复位电路对所述分析测试设备进行初始化。

7.根据权利要求1所述的分析测试设备，其特征在于：图形用户接口提供可视化操作界面与用户进行信息交互；具体包括LCD触摸显示屏及其接口电路；LCD触摸显示屏采集用户的本地操作命令、显示处理器模块对节点的控制信息及节点状态信息；

远程通信模块包括以太网通信单元和串口通信单元；处理器模块将节点监控信息实时传输给远程通信模块，远程通信模块实现以串口和以太网两种方式与远程控制计算机通信，从而远程控制计算机实时获得节点信息，分析和显示节点状态、网络状态并远程操作被测节点。

8.根据权利要求1所述的分析测试设备，其特征在于：当需要对大量被测节点进行分析测试时，需要将多个分析测试设备并联方式使用，每个分析测试设备以有线方式连接到被测节点。

9.根据权利要求1或8所述的分析测试设备，其特征在于：所述的有线方式为普通电缆。