CN103327517B - 一种无线传感器网络状态测试实验床及测试方法 - Google Patents
一种无线传感器网络状态测试实验床及测试方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种无线传感器网络状态测试实验床及测试方法，测试实验床包括被测网络和监控平台；控制器节点通过串口与监控平台相连，将监控平台发出的指令发送到其他节点，同时接收其他节点发送的数据；所述协调器节点负责建立ZigBee网络，路由节点协助控制器节点与远程节点之间的通信；除控制器节点之外的所有节点记录节点通信过程中的实验数据，并将实验数据上传至控制器节点，控制器节点根据实验数据分析网络性能。测试方法，当用户希望测试被测节点的网络性能的变化时，通过监控平台向控制器节点发送实验参数设置操作，实现对网络进行测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线传感器网络状态测试实验床及测试方法，具体是一种基于Zigbee协议栈结构的无线传感器网络功能和性能的测试实验床及测试方法。
背景技术
ZigBee[1]是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其物理层（PhysicalLayer，PHY）和媒体访问控制层（MediaAccessControlLayer，MAC）基于IEEE802.15.4[2]标准协议，其网络层（NetworkLayer，NWK）和应用层（ApplicationLayer，APL）由ZigBee联盟制定，其中APL根据用户的需求进行应用开发。基于Zigbee技术的无线传感器网络具有功耗低、成本低、网络容量高、安全性高、时延短等特点[3]。随着Zigbee无线传感器网络技术的发展，其测试技术越来越受到人们的重视，如何可靠地、可信地、稳定地、高效地测试ZigBee无线传感器网络是目前亟待解决的问题之一。
目前，国内外在ZigBee无线传感器网络测试领域已取得了一些成果。传统网络测试使用模拟工具对传感、信道、拓扑、流量等参数或模型做了诸多简化和假设，无法真实体现无线特性和网络运行状况。在实际环境中搭建实验床不仅能够解决上述问题，而且还能够准确实时地获取节点以及网络的各种状态信息，对网络进行量化评测，目前已成为ZigBee无线传感网络科研和应用开发的重要技术之一[4]。
Motelab[5]当前比较成熟的无线传感器网络测试实验床，包括传感器节点和中心服务器两部分。网络中的节点有两条互不相关的通信链路，一条是有线通信链路，节点通过以太网与中心服务器进行命令、信息的交互；另一条是无线通信链路，节点间通过无线通信协议IEEE802.15.4进行通信。中心服务器是Motelab的核心部分，包括监控平台、数据库及网络接口等，用户还可以通过互联网方式访问中心服务器，远程控制整个实验床的操作。Motelab的成功研发为后续的无线传感器网络的测试提供了新的研究方向，尤其是两条通信链路的设计，该设计减小了测试行为对网络运行的影响。
Motelab的缺点主要有：
（1）Motelab是静态网络，无法灵活部署。网络中节点位置固定不变，无法随意部署，无法真实地反映实际环境中的无线传感器网络运行状态。
（2）网络节点间命令收发通过以太网实现，浪费了节点有限的资源。
（3）Motelab对硬件有特殊的要求，节点都需要有以太网口来传输测试数据，不具有普遍适用性。
参考文献
[1]ZigBeeDocument053474r18,ZigBeespecification,ZigBeeAlliance,2009
[2]IEEEStandardforPart15.4:WirelessMediumAccessControl(MAC)andPhysicalLayer(PHY)specificationsforLowRateWirelessPersonalAreaNetworks(LR-WPANs),2003
[3]林子敬，基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究与实现[D]，中国科学技术大学，2009
[4]王媛，无线传感器网络测试平台的搭建及评价系统的研究[D]，北京交通大学，2011
[5]Werner-AllenG,SwieskowskiP.,Welsh,M,“MoteLab:awirelesssensornetworktestbed[J]”.InformationProcessinginSensorNetworks,2005.FourthInternationalSymposiumon,PublicationYear:2005,Page(s):483–488。
发明内容
发明目的：针对现有技术在测试方法方面存在的问题与不足，本发明提供一种部署灵活、测试功能完善、合理使用节点资源、可扩展性高的无线传感器网络状态测试实验床及测试方法。
技术方案：一种无线传感器网络状态测试实验床，包括被测网络和监控平台；被测网络中的节点包括控制器节点、协调器节点和路由节点，三类节点共同完成无线传感器网络测试任务；控制器节点通过串口与监控平台相连，将监控平台发出的指令发送到被测节点，同时接收其他节点发送的数据；所述协调器节点负责建立ZigBee网络，路由节点作为中介协助控制器节点与远程节点之间的通信；除控制器节点之外的所有节点记录节点通信过程中的实验数据，并将实验数据上传至控制器节点，控制器节点根据实验数据分析网络性能。
基于以上内容从以下几个方面来具体介绍本发明：
(1)监控平台与控制器节点间的通信
用户通过监控平台控制整个测试实验床，当用户请求网络运行情况时，在监控平台中通过串口通信方式发送具体命令到控制器节点中。
(2)控制器节点与被测节点间的通信
控制器节点与被测节点之间通过ZigBee协议通信，控制器节点接收到监控平台通过串口下发的相关指令后，控制器节点将所述指令通过自身运行的通信协议发送网络中的被测节点上，被测节点解析所述指令并做出相关的响应；
被测节点的响应信息反馈给控制器节点，控制器节点通过串口上传到监控平台，监控平台可视化地呈现给用户。
一种无线传感器网络状态测试方法，包括如下步骤：
步骤一：监控平台与控制器节点间使用串口通信，当控制器节点接收到监控平台发送的测试实验命令时，在控制器节点上设置被测节点的信息，包括被测节点的ID、64位长地址、16位短地址、实验序列号、实验命令等信息。
步骤二：当用户希望测试被测节点的网络性能的变化时，首先通过监控平台向控制器节点发送实验参数设置操作，控制器节点接收命令通过ZigBee协议向被测节点发送实验参数设置请求命令，设置被测节点实验数据的属性包括数据上传方式、存储类型、参数ID，被测节点接收命令请求命令进行相关设置并返回设置状态。如果是初次实验参数设置，则执行实验参数设置请求；如果不是初次设置，则向控制器上传设置结果。
步骤三：当用户通过监控平台向控制器节点发送实验参数获取请求命令后，控制器节点向被测网络发送该请求命令，观察被测节点中的实验参数设置与当前的实验参数设置是否相同，如果相同，则不再执行实验参数设置操作，如果不同则再次执行实验参数设置操作。
步骤四：开启实验后，被测节点与链路上的节点进行测试包通信，测试业务请求命令中包含了测试包发送频率、个数、周期和包内容、以及与被测节点通信的目的节点的ID。测试包的发送过程中计算并存储被测节点的网络性能参数。
步骤五：测试包发送结束后，停止实验，收集网络性能参数。当被测节点一次传输的数据量过大超过ZigBee带宽时，采用APS层的分段或者分片功能分批将参数上传至控制器节点，并在监控平台上显示。
步骤六：读取并修改属性参数。根据ZigBee规范中各层所维护的属性库参数是否可读写来进行属性参数的读写。
步骤七：远程重启节点，重复步骤一到步骤六，继续对网络进行测试。
有益效果：本发明提供的线传感器网络状态测试实验床及测试方法，真实程度高、可信性高、稳定高效，不仅可以测试通信协议的功能，而且可以准确测试网络的运行性能，对于无线传感器网络的科学研究和实际应用都有一定的应用价值。具体优点包括：
(1)部署灵活
本发明最显著的特点是部署灵活。现有的测试实验床多为静态网络，节点位置固定或者节点部署范围较小，无法灵活部署并真实反映网络的功能和性能。本发明的网络节点间通过ZigBee进行通信，可以将节点部署在ZigBee允许通信的范围内的任何地方，使得实验床可以在多种条件下对网络进行测试。
(2)参数全面
传统的无线传感器测试实验床的性能测试一般只针对某一层，例如PHY层或者MAC层，而本发明在ZigBee的各层分别选取与功能和性能相关的属性参数和性能参数，如图4所示，对网络进行全面综合的测试。
(3)参数动态配置
可以通过命令动态配置协议参数，从而便于进行多次实验观测不同参数对网络性能的影响。
附图说明
图1为本发明实施例的结构框图；
图2为本发明实施例的网络性能测试流程图；
图3为本发明实施例的流程图；
图4为本发明实施例的属性参数和性能参数关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，无线传感器网络状态测试实验床，包括被测网络和监控平台；被测网络中的节点包括控制器节点、协调器节点和路由节点（即普通节点），三类节点共同完成无线传感器网络测试任务；控制器节点通过串口与监控平台相连，将监控平台发出的指令发送到被测节点，同时接收其他节点发送的数据；所述协调器节点负责建立ZigBee网络，路由节点作为中介协助控制器节点与远程节点之间的通信；除控制器节点之外的所有节点记录节点通信过程中的实验数据，并将实验数据上传至控制器节点，控制器节点根据实验数据分析网络性能。
基于以上内容从以下几个方面来具体介绍本发明：
(1)监控平台与控制器节点间的通信
用户通过监控平台控制整个测试实验床，当用户请求网络运行情况时，在监控平台中通过串口通信方式发送具体命令到控制器节点中。
(2)控制器节点与被测节点间的通信
控制器节点与被测节点之间通过ZigBee协议通信，控制器节点接收到监控平台通过串口下发的相关指令后，控制器节点将所述指令通过自身运行的通信协议发送网络中的被测节点上，被测节点解析所述指令并做出相关的响应；
被测节点的响应信息反馈给控制器节点，控制器节点通过串口上传到监控平台，监控平台可视化地呈现给用户。
(3)网络的性能测试
以一次或多次实验的方式进行网络运行性能的测试。
无线传感器网络状态测试方法，如图3所示，包括如下步骤：
步骤一：监控平台与控制器节点间使用串口通信，当控制器节点接收到监控平台发送的测试实验命令时，在控制器节点上设置被测节点的信息，包括被测节点的ID、64位长地址、16位短地址、实验序列号、实验命令等信息。
步骤二：当用户希望测试被测节点的网络性能的变化时，首先通过监控平台向控制器节点发送实验参数设置操作，控制器节点接收命令通过ZigBee协议向被测节点发送实验参数设置请求命令，设置被测节点实验数据的属性包括数据上传方式、存储类型、参数ID，被测节点接收命令请求命令进行相关设置并返回设置状态。如果是初次实验参数设置，则执行实验参数设置请求；如果不是初次设置，则向控制器上传设置结果。
步骤三：当用户通过监控平台向控制器节点发送实验参数获取请求命令后，控制器节点向被测网络发送该请求命令，观察被测节点中的实验参数设置与当前的实验参数设置是否相同，如果相同，则不再执行实验参数设置操作，如果不同则再次执行实验参数设置操作。
步骤四：开启实验后，被测节点与链路上的节点进行测试包通信，测试业务请求命令中包含了测试包发送频率、个数、周期和包内容、以及与被测节点通信的目的节点的ID。测试包的发送过程中计算并存储被测节点的网络性能参数，性能参数设计，如图4性能参数所示。
步骤五：测试包发送结束后，停止实验，收集网络性能参数。当被测节点一次传输的数据量过大超过ZigBee带宽时，采用APS层的分段或者分片功能分批将参数上传至控制器节点，并在监控平台上显示。
步骤六：读取并修改属性参数。根据ZigBee规范中各层所维护的属性库参数是否可读写来进行属性参数的读写。
步骤七：远程重启节点，重复步骤一到步骤六，继续对网络进行测试。
本发明的主要特点如下：
(1)无需另行配置网络测试硬件，根据网络自带的测试软件可以随机部署网络后的即时性能评估方法。
(2)网络异构节点的角色随机配置方法（异构节点包括协调器节点、控制器节点和普通节点），随机配置比如随机选取入网后第一个节点作为控制器角色即可对整个网络进行状态测试。
(3)一种实验支持簇接口命令集（表1）的网络状态数据交互模式。主控制节点与被测网络间采用实验支持簇的接口命令进行测试实验的管理。
(4)基于层间分割方法的网络和属性特征参数的结构模式。
表1实验支持簇接口命令
| 命令标识符 | 发送 | 接收 |
| 0x00 | 参数获取请求 | 参数获取响应 |
| 0x01 | 参数设置请求 | 参数设置响应 |
| 0x02 | 性能参数收集请求 | 性能参数收集响应 |
| 0x03 | 属性参数读写请求 | 属性参数读写响应 |
| 0x04 | 设备重启请求 | 设备重启响应 |
| 0x05 | 实验开始请求 | 实验开始响应 |
| 0x06 | 实验结束请求 | 实验结束响应 |
| 0x06 | 实验测试包请求 | 实验测试包响应 |
| 0x08-0xff | 保留 | 保留 |
Claims (2)
1.一种无线传感器网络状态测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一，监控平台与控制器节点间使用串口通信，当控制器节点接收到监控平台发送的测试实验命令时，在控制器节点上设置被测节点的信息；
步骤二，当用户希望测试被测节点的网络性能时，首先通过监控平台将实验参数设置请求命令通过串口下发到控制器节点，控制器节点接收该命令后，通过ZigBee协议将该命令发送至被测节点，设置被测节点的实验数据；
步骤三，监控平台将实验参数获取请求命令下发到控制器节点，控制器节点通过ZigBee协议将该命令发送至被测节点，观察被测节点中的实验参数设置与当前的实验参数设置是否相同，如果相同，则不再执行实验参数设置操作，如果不同则再次执行实验参数设置操作；
步骤四，开启实验后，控制器节点向被测节点发送测试包请求命令，使得被测节点与链路上被测节点间的进行测试包通信；
实验测试包请求命令中包含了测试包发送频率、个数、周期和包内容、以及与被测节点通信的目的节点的ID；测试包的发送过程中计算并存储被测节点的网络性能参数；
步骤五，测试包发送结束后，停止实验，收集网络性能参数；当被测节点一次传输的数据量过大超过ZigBee带宽时，采用APS层的分段或者分片功能分批将参数上传至控制器节点，并在监控平台上显示；
步骤六，读取并修改属性参数；监控平台通过控制器节点读取并修改与ZigBee运行相关的其各层所维护的属性库；
步骤七：远程重启节点，重复步骤一到步骤六，继续对网络进行测试。
2.如权利要求1所述的无线传感器网络状态测试方法，其特征在于：所述被测节点的信息包括被测节点的ID、64位长地址、16位短地址、实验序列号、实验命令信息。
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