CN103826238A - 水环境无线传感器网络性能测试床系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水环境无线传感器网络性能测试床系统，包括无线传感器节点、测试床底座，所述测试床底座与无线传感器节点集成形成组合节点，所述组合节点设置有无线通信模块、AD传感器模块、控制模块、串口供电模块；服务器下发初始化配置信息进行初始化配置组合节点，然后组合节点按照配置好的上传周期上传数据到服务器，最后服务器根据组合节点上传的数据和初始化配置信息对组合节点的网络性能进行测试。该系统既可以应用于水环境传感器节点网络性能测试的数据收集，通过级联，对被测节点规模进行扩展；也可以进行应用扩展，适用于其他应用场景的传感器节点网络性能测试的数据收集，提供了一种针对性、可扩展的便捷测试系统。

Description

水环境无线传感器网络性能测试床系统

技术领域

本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种水环境无线传感器网络性能测试床系统。

背景技术

随着无线通信技术、芯片及电路设计与制造的不断进步，无线传感器网络正在各种领域得到应用，特别是在战场通信、智能农业等领域。在对无线传感器网络的设计和研发过程中，不但需要对单个传感器节点的性能进行测试、调试、分析，并且在节点组网之后的网络整体性能也需要进行测试分析，以便改进。

鉴于无线传感器节点应用的环境的复杂性，设计者往往选取模拟仿真的方式来对传感器节点进行分析测试。这种测试方法使用软件，虽然可能节省工作量，降低直接成本，并且易于实现，但是这种模拟仿真测试并不能完全体现真实的部署环境，例如单个节点因为线路故障而无法产生数据等。因此，这种仿真最终还是需要实际进行验证。

目前现有的科研单位和企业制造出了一些测试设备，但是这些设备往往具有以下几个方面的缺陷：1）网络性能难以测试。测试设备往往集中于单个节点，针对节点组网之后的网络性能测试却难以完成。2）测试设备可扩展性差。一般单个节点是根据实际需求进行设计测试装备，不易扩展到其他类似应用的性能测试当中。3）专用测试设备不足。随着国家对于环境保护的关注和科研投入，以及公众环保意识的提高，水资源环境监测传感器正得到广泛应用，但是适用于水环境的无线传感器网络性能测试设备却不足。本发明因此而来。

发明内容

本发明目的在于提供一种水环境无线传感器网络性能测试床系统，采用硬件实现，具有较强的针对性，测试床系统具有专用性和可扩展性等特性，满足测试水环境无线传感器节点组网后的网络性能测试服务需求，解决了现有技术中缺乏适用于水环境的无线传感器网络整体性能的测试及其测试设备等难题。

为了解决现有技术的这些难题，本发明提供的技术方案是：

一种水环境无线传感器网络性能测试床系统，用于水环境无线传感器网络节点的网络性能测试，包括无线传感器节点，所述无线传感器节点间相互连通，并通过Sink节点与服务器连接通讯，其特征在于所述系统还包括测试床底座，所述测试床底座与无线传感器节点集成形成组合节点，所述组合节点设置有与其他节点无线通讯的无线通信模块、监测被测水环境的环境参数的AD传感器模块、控制组合节点采集环境参数和数据收发的控制模块、串口供电模块；服务器下发初始化配置信息进行初始化配置组合节点，然后组合节点按照配置好的上传周期上传数据到服务器，最后服务器根据组合节点上传的数据和初始化配置信息对组合节点的网络性能进行测试。

优选的技术方案是：所述AD传感器模块选自pH传感器、水体透明度传感器、溶解氧传感器的一种或者两种以上的任意组合。

优选的技术方案是：所述无线通信模块包括ZigBee核心板，所述ZigBee核心板上设置微处理器，所述微处理器通过功率控制模块与无线射频模块连接，所述无线射频模块连接Whip外置增益天线进行收发数据。

优选的技术方案是：所述串口供电模块设置串口接口，组合节点供电通过串口接口连接USB方口线连入Hub集线器实现。

优选的技术方案是：所述组合节点和sink节点均通过USB方口线连入Hub集线器，Hub集线器与Hub集线器级联，最后由Hub集线器连入服务器。

优选的技术方案是：所述Hub集线器由交流电转直流电转换器进行供电，交流电转直流电转换器转换成直流电DC输出后通过USB方口线接入Hub集线器或组合节点。

优选的技术方案是：所述Hub集线器由USB方口转串口线，再由USB口转串口线连入服务器，其中USB口转串口线的USB口一端插入服务器上的USB口，而USB方口转串口线的USB方口端接入Hub的USB方口中。

优选的技术方案是：所述控制模块包括中央处理器、复位电路、存储单元，所述控制模块中预先将控制程序通过串口供电模块的串口接口烧写进存储单元，所述控制模块控制组合节点数据的收集并通过有线和无线两种方式发送到Sink节点。

优选的技术方案是：所述无线传感器节点包括无线通信模块；所述测试床底座包括AD传感器模块、控制模块、串口供电模块；所述无线传感器节点与测试床底座通过数据交互模块进行连接，所述无线通信模块设置有28针引脚与测试床底座的28孔插槽进行连接形成组合节点。

优选的技术方案是：所述被测组合节点中的信息通过的无线射频模块发射端的WiFi传递给Sink节点，并通过Sink节点与Hub的连线，以及Hub与服务器之间的连线，最终以有线的方式发送给服务器监听端口并存入服务器中。

本发明水环境无线传感器网络节点网络性能测试床系统，用于水环境无线传感器网络性能测试，属于物联网技术领域。针对水环境监测需求，该测试系统将带有PH、溶解氧、水体透明度传感器的无线传感器节点安装在测试床底座上，节点收集的数据分有线和无线两路到达sink节点。其中，节点收集的无线数据通过Wi-Fi网络接入sink节点；有线数据通过测试床底座与集线器Hub和sink节点底座之间的有线连接到达sink节点。无线数据和有线数据到达sink节点后，通过sink节点底座的数据线发送给服务器；服务器信息收集模块将收到的数据存放到服务器数据库中，以便分析水环境无线传感器网络性能。本发明既可以应用于水环境传感器节点网络性能测试的数据收集，通过级联，对被测节点规模进行扩展；也可以进行应用扩展，适用于其他应用场景的无线传感器节点网络性能测试，提供了一种针对性、可扩展的便捷测试系统。

本发明水环境无线传感器网络节点网络性能测试床系统的装配通过以下技术方案来实现：

（1）将被测水环境传感器节点固定在相应的测试床底座上，且每个传感器节点对应一个测试床底座形成组合体-组合节点；

（2）使用USB方口线将步骤（1）中的组合体-组合节点连接到Hub集线器上面，Hub与Hub之间进行级联，将独立的节点连通起来；

（3）将步骤（2）中的Hub集线器通过220V交流转4.2V直流线进行供电，使得系统电力需求得到保障；

（4）将串口转USB方口及USB口转串口线连接，使得服务器与测试床系统连接起来。

（5）启动服务器上传感器节点测试数据侦听程序，将收集到的有线数据和无线数据存储到服务器数据库当中。

本发明的另一目的在于提供一种水环境无线传感器网络性能的测试方法，待测试水环境中无线传感器节点间通过Hub集线器相互连通，Hub集线器与Hub集线器级联，最后Hub集线器连入服务器；无线传感器节点采集的数据通过Sink节点将数据传输给服务器；其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：

（1）测试用户通过本地或者远程客户端访问服务器，通过服务器向所有被测节点发送初始化配置指令，接到初始化配置指令的节点按照初始化配置指令的参数信息进行配置，并向服务器返回应答，显示连通的被测节点编号ID；

（2）测试用户通过服务器向被测节点发送开始测试命令，在被测节点与服务器间构建第一数据通路进行数据收集，在服务器数据库内存储被测节点上传的数据；

（3）测试用户根据测试的实际需求选择待测测试项，在本地或者远程客户端与服务器数据库间形成第二数据通路，对第一数据通路形成的数据进行分析处理测试，获得水环境无线传感器网络性能。

优选的技术方案是：所述方法中初始化配置指令中的配置信息包括配置节点的时间、发射功率、节点时间、网络段编号信息。

优选的技术方案是：所述方法中测试用户为单个的测试管理员或若干个测试管理员，对同一待测测试项或者待测测试项的不同方面进行测试。

优选的技术方案是：所述方法中被测节点上传的数据包括被测节点中AD传感器所上传的pH值、透明度值、溶解氧浓度值、被测节点ID号、被测节点网络段号、命令字段以及被测节点系统时间信息。

优选的技术方案是：所述方法中所述第一数据通路除了进行数据收集，还执行访问被测水环境无线传感器网络的操作。

优选的技术方案是：所述方法中所述第二数据通路必须等到第一数据通路上传测试数据结束后再开始第二数据通路的数据交互。

优选的技术方案是：所述方法中第一数据通路上传测试数据结束由测试管理员通过访问服务器，启动测试床硬件控制软件的停止数据收集命令来完成。

优选的技术方案是：所述方法中通过第一数据通路上传到服务器的数据，在存入数据库时添加了服务器当前时间信息。

优选的技术方案是：所述方法中所述待测测试项的测试数据为第一数据通路所上传的有线数据包数目、无线数据包数目以及被测节点的发射功率信息。

优选的技术方案是：所述方法中所述待测测试项包括pH值传感器准确度、溶解氧传感器准确度、透明度传感器准确度、网络丢包率以及被测节点能耗。

本发明的另一目的在于提供一种水环境无线传感器网络性能的测试系统，待测试水环境中无线传感器节点间通过Hub集线器相互连通，Hub集线器与Hub集线器级联，最后Hub集线器连入服务器；无线传感器节点采集的数据通过Sink节点将数据传输给服务器；其特征在于，所述测试系统用于服务器对待测试水环境中无线传感器网络性能进行测试，包括测试床硬件控制模块、测试管理模块；所述测试床硬件控制模块用于向所有被测节点发送初始化配置指令，接到初始化配置指令的节点按照初始化配置指令的参数信息进行配置，并向服务器返回应答，显示连通的被测节点编号ID；还用于向被测节点发送开始测试命令，在被测节点与服务器间构建第一数据通路进行数据收集，在服务器数据库内存储被测节点上传的数据；

所述测试管理模块用于根据用户的实际需求产生待测测试项，在本地或者远程客户端与服务器数据库间形成第二数据通路，对第一数据通路形成的数据进行分析处理测试，获得水环境无线传感器网络性能。

本发明技术方案可以应用于水环境无线传感器网络节点组网后网络性能的测试，具有高效、节约的特点。

测试床硬件控制模块可以作为测试床硬件控制软件形式出现。测试管理模块可以以测试管理软件形式出现。测试计算机预先安装主流的操作系统，并预装好因特网浏览器和相应的插件，进行网络配置并保证所有测试计算机接入因特网；保证被测网络内部以及被测网络与服务器之间的数据连通；服务器计算机接入因特网；同时服务器启动Web服务。

开始测试时，测试用户在本地或者远程访问服务器，启动服务器上的测试床硬件控制软件，通过命令的调用发送查询节点命令到所有被测节点，作为初始化配置的第一条指令。接到查询命令的节点应答查询并在测试床硬件控制软件的界面显示连通的被测节点编号ID。

所述初始化配置信息还包括配置节点的时间、发射功率、节点时间、网络段编号信息，可在测试床硬件控制软件的界面进行配置。随后由测试床硬件控制软件发送开始测试命令，被测节点与服务器端测试床硬件控制软件以及数据库建立第一数据通路。

所述测试用户指测试管理员，主要完成整套测试方法的执行与管理。测试用户使用测试计算机的因特网浏览器，访问服务器测试管理软件的主页，如下面的网址：http://wsn.ustcsz.edu.cn:8080/project，进入测试管理软件操作界面。测试用户通过该软件操作界面，根据测试申请的实际需求，选取待测的测试项，对服务器数据库当中收集的测试数据进行分析、测试。服务器测试管理软件与服务器中的数据库之间的数据交互形成第二数据通路，对第一数据通路形成的数据进行实际分析。

优选地，通过第一数据通路进行数据收集，执行访问被测水环境无线传感器网络的操作。优选地，所述数据收集的数据包括连接被测节点的pH传感器、透明度传感器、溶解氧传感器所上传的pH值、透明度值、溶解氧浓度值、被测节点ID号、被测节点网络段号、命令字段、被测节点系统时间。

优选地，所述第二数据通路必须等到第一数据通路上传测试数据结束后，再开始第二数据通路的数据交互。其中，第一数据通路上传测试数据结束，由测试管理员通过访问服务器，启动测试床硬件控制软件的停止数据收集命令来完成。

优选地，测试管理员可以是一个或者是多个，这些管理员登入各自在测试管理软件中分配的账户，既可以选择不同的测试申请进行测试，也可以通过测试申请的主键：测试申请编号，来共同完成同一个测试申请的测试工作。

优选地，所述水环境无线传感器网络性能测试床系统与服务器连接起来的目的是打通数据通路，收集测试数据，并存放到服务器数据库中。

进一步的，所述组合节点包括被测节点（包括无线通信模块）和测试床底座（设置有AD传感器模块）。进一步的，所述组合体之间的连接是通过28针引脚与28孔插槽实现的，28针引脚位于ZigBee核心板，而28孔插槽位于测试床底座。进一步的，所述220V交流电转4.2V直流电的电源来自普通照明电路，输入端位于测试床底座上。

进一步的，所述测试床系统与服务器连接起来的目的是打通数据通路，收集测试数据，并存放到服务器数据库中。进一步的，所述有线数据和无线数据的数据源都是来自每一个水环境无线传感器节点的PH值传感器、溶解氧浓度传感器、水体透明度传感器。进一步的，所述有线数据是通过USB方口线传递到服务器数据库当中的，而无线数据首先通过无线信道发送给Sink节点，然后通过Sink节点的测试床底座USB方口线传递到服务器数据库当中。

进一步的，所述性能测试开始之前，需要将控制程序通过控制模块烧写进每一个节点的测试床底座存储器件当中。

进一步的，该测试床系统主要由硬件部分构成。该系统搭建的平台可以收集被测节点的数据，被用来测定水环境无线传感器节点搭载的设备的准确性，以及获取节点组网后整个水环境无线传感器网络的丢包率等信息，从而实现在实地部署之前了解水环境无线传感器网络的整体性能，以利于取得较好的实地部署效果。所述硬件部分包括被测水环境无线传感器节点和测试床底座等。

被测水环境无线传感器节点包括无线通信模块，所述的无线通信模块主要是由一个ZigBee核心板组成，包括MC9S08GB60和MC13192芯片，其中还包括一个RF无线射频模块外加Whip外置增益天线。

被测试水环境无线传感器节点和测试床底座的供电是通过连接Hub与测试床底座的USB方口线来实现。Hub的供电是由交流电转直流电转换器实现，并通过连接线，将转换后的直流电DC输出接入所述的Hub。

被测试节点和测试床底座之间数据交互通过位于被测节点的28针引脚与测试床底座的28孔插槽进行连接，从而形成组合节点。

连接服务器与测试床系统（硬件）的连接线由USB口转串口线、USB方口转串口线组成。其中USB口转串口线的USB口一端插入服务器主机上的USB口，而USB方口转串口线的USB方口端接入Hub的USB方口。

服务器上运行测试床硬件控制模块，用于监听测试床通过有线数据线上传的数据并存入服务器的数据库中。服务器获取节点组网后的信息是通过被测节点的RF发射端的WiFi传递给Sink节点，并通过Sink节点与Hub的连线，以及Hub与服务器之间的连线，最终以有线的方式发送给服务器监听端口并存入服务器数据库当中。

优选地，所述测试管理软件，包括申请被测用户的测试申请审批、测试申请的查询、测试报告生成模块；pH传感器准确度测试、溶解氧传感器准确度测试、透明度传感器准确度测试模块；网络丢包率测试、被测节点能耗测试模块。测试报告生成只能在所有被测用户请求的测试项都完成后生成。

优选地，所述测试项的测试依据来源于数据通路一所上传的有线数据包数目、无线数据包数目以及被测节点的发射功率等信息。

优选地，所述pH传感器准确度、溶解氧传感器准确度、透明度传感器准确度测试时，不需要对现有的被测系统进行改动，只需将三种水体传感器放入被测水体中，使用第一数据通路执行测试步骤，将收集到的数据存入服务器数据库，测试管理员使用第二数据通路启动软件模块的分析程序。以pH值传感器准确性测试为例：将传感器放置到水环境当中，使用无线传感器收集数据，数据采集时间为1个小时；针对收集数据，选择pH的标准值的上下限；选择分析数据的样本时间范围；选择合格节点准确度阈值，其中准确度为某节点准确值的数目除以某节点所有收到pH数据的数目；如果某节点的准确度小于阈值，则该节点现场pH准确度不合格，否则合格；如果合格节点的总数目大于所有被测节点的总数目的60%，则该网络pH传感器准确性总体评价合格，否则总体评价不合格。

优选地，所述网络丢包率测试，所包括的主要步骤如下：在使用测试管理软件针对使用第一个数据通路收集到的数据时，选择处理时间的范围，计算总时间；利用总时间除以被测节点发包频率得到总的应收数据包总数的理论值；查找服务器数据库中使用第一个数据通路收集数据的存储表中无线数据包的总数，得到实际收到的包；则被测节点的丢包率为理论值与实际值之差除以理论值，以此计算每个节点的丢包率；如果某节点的准确度小于阈值，则该被测节点丢包率不合格，否则合格；如果合格节点的总数目大于所有被测节点的总数目的60%，则该网络丢包率总体评价合格，否则总体评价不合格。

优选地，所述节点能耗测试，包括的主要步骤如下：将使用第一个数据通路收集到的各个被测节点上传的数据解析出功率值，并转存入数据库中名为“simu_power”的表中，参考表1中实验测定的不同档位的收集数据与节点能耗一一映射；选择判定单个节点能耗合格的阈值，在430～490之间，然后判定单个节点是否合格；节点的能耗大于阈值才测试合格，否则测试不合格；因为只有达到测试阈值，节点才能正常工作。如果合格节点的总数目大于所有节点的总数目的60%，则总体评价合格，否则总体评价不合格。

相对于现有无线传感器网络性能测试系统的方案，本发明的优点是：

1.本发明将水环境水体监测传感器集成到测试床底座，特别适合于水环境传感器网络节点组网后网络性能测试。管理员通过Web平台访问测试管理软件，对数据库中收集的数据进行分析、测试。本发明实现了远程访问服务器域名的方式进行远程测试，消除了测试的地域限制，方便了使用。

2.本发明实现了在同一台机器上通过打开多个测试项来实现并行测试，以及在不同机器上针对同一份测试请求分解子项同时进行测试，提高了测试效率。

3.本发明不仅对于节点的能耗、丢包率等反应节点组网性能的参数进行测试，经过对测试流程的稍加增加，便可以实现对水环境监测传感器监测值准确性的测试，降低了测试的成本。本发明具有可扩展性，可以用来测试其他普通无线传感器网络节点的网络性能，只需提供不大于28针的引脚作为被测节点与测试床底座的接口。本发明的可扩展性还体现在，可以通过增加级联Hub口的数量和测试床底座的数量来对测试床系统规模进行扩展。

4.本发明操作简单方便，测试管理员只要通过测试计算机登录服务器发布的Web页面，就可以对收集的数据进行测试分析。本发明的操作方便，装配测试床系统只需按照简单的步骤进行即可。

5.本发明将被测网络中所有被测节点的收发数据存入服务器的数据库当中，数据不会丢失；仅通过有线方式将数据从网关节点发送到服务器进行处理，不需要依赖网关Sink节点的多跳传输，减少了传输延迟，提高了测试分析时，结果的可靠性。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明进行水环境无线传感器网络性能测试系统的网络拓扑图；

图2为本发明进行水环境无线传感器网络性能测试系统的系统架构图；

图3为本发明进行水环境无线传感器网络性能测试床系统的结构图。

图4为本发明水环境无线传感器网络性能测试方法的方法流程图。

图中：

1-被测水环境无线传感器节点（含无线通信模块）；2-MCU芯片；3-MC13192功率控制芯片；4-Whip天线；5-28针引脚及引脚插槽；6-测试床底座；7-串口供电模块；8-MAX3232模块；9-USB方口接口；10-AD传感器模块；11-溶解氧浓度(DOr)传感器；12-PH值传感器；13-水体透明度传感器；14-控制模块；15-复位电路；16-CPU模块；17-存储单元。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例

根据水环境无线传感器网络性能测试系统的技术方案内容，本实施例以完成一次组网后网络性能数据收集为例，描述使用该测试床系统的搭建方法。该系统主要包括硬件部分。下面结合附图和实施例对本发明，即传感器网络性能测试过程进行进一步说明。

如图1和图2所示，本发明进行水环境无线传感器网络性能测试系统包括被测网络、服务器以及若干个用于测试的测试计算机。如图2所示，本发明并不限于仅仅可以通过接入因特网的远程测试计算机来实现对被测网络的网络性能测试，也可以通过服务器，在服务器端来实现对被测网络性能的测试。

本发明的被测网络是水环境无线传感器网络性能测试床系统，是由被测水环境无线传感器节点结合测试床底座形成n个组合节点，n个组合节点之间通过Hub进行级联并最终接入服务器的USB数据端口。本发明实施例仅为其中的一个较优的例子，本发明对被测网络中各被测设备和各种辅助测试设备以及服务器的具体的数量以及它们之间的拓扑关系不做具体的限定，被测网络可以是任何符合数据输入条件的其他网络设备。

测试计算机1～n中预先安装了运行测试程序所必需的PC计算机操作系统，服务器预先安装了运行测试程序所必需的服务器操作系统，服务器端还预先安装了用于存储收集自被测网络测试数据的数据库服务软件。测试计算机1～n预先安装了用于访问测试管理软件所需的因特网网络浏览器以及相关插件。服务器至少拥有一个USB接口，用于接收来自被测网络返回的实时测试数据。

根据测试用例的实际需要，单个测试管理员可以单独登录测试计算机访问测试管理软件，完成对单个测试申请的测试；也可以根据测试申请订单编号这个主键，多个测试管理员分别登录各自的测试管理软件，来协同对同一个测试申请进行测试。被测订单每个测试项是否完成，由存储于服务器的数据表格中各子测试项是否完成的标识位，来进行标识。

在如图2所示的测试环境中，在被测网络、服务器、测试计算机分别上电，以及确认被测网络与服务器连接后，才开始正式进入测试操作流程。

在硬件方面，如图3所示，包括由ZigBee核心节点和测试床底座形成的测试节点（为组合节点）（对应图1中的组合节点1～组合节点28）以及USB方口线、Hub集线器、DC直流电源（由交流转直流适配器完成）、服务器以及USB－串口转换线等组成。组合节点通过USB方口线与Hub集线器连接，Hub集线器与Hub集线器级联形成测试床系统。测试床系统内组合节点相互连通，最后通过Hub集线器连接到服务器，测试床系统内互相联通的组合节点将接收到的测试数据存入服务器的数据库中。

测试节点（对应图1中的组合节点1～28）收集到的数据通过Hub集线器首先存入服务器的数据库，然后被进一步处理。

本实施例中，图3中测试节点的Whip天线是无线射频天线，发射频率工作在2.4GHz波段，属于常用的无线传感器节点通信频率。无线数据的发送将通过这些天线进行。

本实施例中，如图1所示，0号节点一般充当Sink节点，即所有的数据都要先发送给0号节点，然后再传给服务器（PC）。

本实施例中，如图1所示，系统连接线主要包括：USB方口线，用于节点与集线器之间的连接以及集线器之间的级联；USB方口转串口线以及串口转USB口线用于集线器与服务器PC机之间的连接。

本实施例中，如图3所示，水环境无线传感器网络性能测试床系统组合节点是由上下两部分组成。上部分是被测水环境无线传感器节点1，主要由ZigBee核心板组成，下部分是由测试床底座6组成。被测试节点和测试床底座之间数据交互通过位于被测节点的28针引脚与测试床底座的28孔插槽进行连接，从而形成组合节点。

本实施例中，如图3所示，ZigBee核心板主要包括MCU单元2、MC13192单元3以及Whip天线单元4；测试床底座6主要由AD传感器模块10、控制模块14以及串口供电模块7组成。

本实施例中，如图3所示，与MAX3232模块连接的USB方口接口9（RS-232插针接口）是用来连接测试床底座与集线器，使用USB方口线。而USB方口接口9与测试床底座之间的内部连接使用的是4pin的白色端子。该线传输的是RS232电平信号。

本实施例中，由于集线设备和串口之间的连线相当于单片机与PC机串口之间的通信，故只需要采用3根线来进行通信即可。按照串口的9芯接口的顺序，分别为引脚2连接收数据线，引脚3连接发送数据线，引脚5连接信号地线，只要将这3根线与方口线内部的绿线、白线、黑线连接起来即可。

本实施例中，如图3所示，MC9S08GB60MCU组成了MCU单元2。MC9S08GB60是一款8位的S08系列的MCU。该芯片最高总线时钟频率可达到40Mhz，具有8路10位的AD通道，2MHZ的采集频率；内部集成了1个SPI模块，该模块适合与MC13192模块3进行通信；2个SCI模块，方便与PC机通信；具有背景调试模块（BDM），可以对MC9S08GB60进行写入和调试。

本实施例中，如图3所示，MC13192功率控制模块3是飞思卡尔公司于2005年推出的工作在2.4Ghz频率下的短距离，低功耗，的无线收发器。该芯片包含基于IEEE802.15.4标准的物理层结构。MC13192与MC9S08GB60之间的通信只需要通过SPI(Serial Peripheral Interface)传输。

本实施例中，如图3所示，控制模块14是由复位电路15、存储单元17以及CPU(处理器)模块16组成。在开始测试之前，通过测试床底座的USB方口接口9将控制程序通过软件烧写进存储单元。该控制程序用于控制数据的收集并通过有线和无线两种方式发送到Sink节点。

本实施例中，所述测试床系统的装配过程包括以下步骤：

（1）将被测水环境传感器节点固定在相应的测试床底座上，且每个传感器节点对应一个测试床底座形成组合体-组合节点；

（2）使用USB方口线将步骤（1）中的组合体-组合节点连接到Hub集线器上面，Hub与Hub之间进行级联，将独立的节点连通起来；

（3）将步骤（2）中的Hub集线器通过220V交流转4.2V直流线进行供电，使得系统电力需求得到保障；

（4）将串口转USB方口及USB口转串口线连接，使得服务器与测试床系统连接起来。

（5）启动服务器上传感器节点测试数据侦听程序，将收集到的有线数据和无线数据存储到服务器数据库当中。

本实施例中，服务器PC提供了可视化监听软件，可以实现软件更改每个节点的发射功率以及节点上传数据的周期。其中，服务器发送的指令通过数据线到达每个节点，对MC13192进行操作，从而改变RF天线的发射功率。

如图4所示为本发明水环境无线传感器网络性能测试方法的方法流程图。具体水环境无线传感器网络性能测试方法包括以下步骤：

步骤301、首先启动服务器的测试管理软件的服务程序。

具体实现过程是：测试管理员通过本地或者远程访问服务器，启动服务器端的测试管理软件服务，以便在接下来的测试分析中可以通过测试计算机访问测试管理软件服务。

步骤302、启动测试床硬件控制软件。

具体实现过程是：测试管理员通过本地或者远程访问服务器，启动服务器端的测试床硬件控制软件，打开服务器的Socket数据接口，用来准备接收来自被测网络上传的数据包。

步骤303、测试床硬件控制软件发送初始化命令。

具体实现过程是：测试管理员通过本地或者远程访问服务器，点击测试床硬件控制软件的初始化配置按钮，对被测网络的水环境无线传感器网络节点进行初始化配置。

进一步地，所述初始化配置信息还包括配置节点的时间、发射功率、节点时间、网络段编号、上传周期信息，可在测试床硬件控制软件的界面进行设置。

步骤304、测试床硬件控制软件的界面显示连通的被测节点编号ID，启动测试，被测网络上传数据到服务器数据库形成第一数据通路。

具体实现过程是：接到步骤303所发送初始化查询命令后的节点应答查询，并上传自己的节点编号ID，经服务器端测试床硬件控制软件的处理后，在软件的界面显示连入被测网络的被测节点编号ID。当启动测试之后，被测节点按照设置好的上传周期上传数据到服务器，并存入服务器的数据库。

进一步地，所述收集自被测网络，存入服务器数据库的数据包括：连接被测节点的pH传感器所上传的pH值、透明度传感器所上传的透明度值、溶解氧传感器所上传的溶解氧浓度值、被测节点ID号、被测节点网络段号、命令字段、被测节点系统时间。

步骤305、服务器测试管理软件与服务器中的数据库之间的数据交互形成第二数据通路，测试管理员对被测网络性能进行测试。

具体实现过程是：测试用户，也即测试管理员，使用测试计算机的因特网浏览器，访问服务器测试管理软件的主页，如下面的网址：http://wsn.ustcsz.edu.cn:8080/project，进入测试管理软件操作界面。测试用户通过该软件操作界面，根据测试申请的实际需求，选取典型的测试项，对服务器数据库当中收集的测试数据进行分析、测试。服务器测试管理软件与服务器中的数据库之间的数据交互形成第二数据通路，对第一数据通路形成的数据进行实际分析。

进一步地，测试管理员可以是一个或者是多个，这些管理员登入各自在测试管理软件中分配的账户，既可以选择不同的测试申请进行测试，也可以通过测试申请的主键测试申请编号，来共同完成一个测试申请的测试工作。

举一个具体的测试实例来说明，如图1所示的多个测试管理员可以独立测试不同的测试申请，也可以互相协作，共同完成同一份测试申请。下面针对协作完成的过程进行说明：例如，甲测试管理员输入自己的账号、密码，登录测试管理软件后，选择待测试的申请编号，该编号是唯一确定的（可以通过申请提交的时间序列号加随机数进行唯一标识）。在测试管理软件的“选择测试”界面，测试管理员甲可以看到该测试申请需要完成哪些测试，以及每项子测试当前完成的状态。如果还有未完成的子测试项，甲可以继续完成；同理，乙测试管理员输入自己的账号、密码，登录测试管理软件后，选择同一个待测试的申请编号（与甲选择的相同）。在测试管理软件的“选择测试”界面，测试管理员乙可以看到该测试申请需要完成哪些测试，以及每项子测试当前完成的状态。如果还有未完成的子测试项，乙可以继续完成；为了避免甲、乙测试员同时选择相同的子测试项进行重复测试，测试前，两者可以通过测试管理软件通信，进行事先约定。

进一步地，所述测试管理软件，包括申请被测用户的测试申请审批、测试申请的查询、测试报告生成模块；pH传感器准确度测试模块、溶解氧传感器准确度测试模块、透明度传感器准确度测试模块；网络丢包率测试模块、被测节点能耗测试模块。测试报告生成只能在所有被测用户请求的测试项都完成后生成。

进一步地，所述测试项的测试依据来源于数据通路一所上传的有线数据包数目、无线数据包数目以及被测节点的发射功率等信息。

进一步地，所述pH传感器准确度、溶解氧传感器准确度、透明度传感器准确度测试时，不需要对现有的被测系统进行改动，只需将三种水体传感器放入被测水体中，使用第一数据通路执行测试步骤，将收集到的数据存入服务器数据库，测试管理员使用第二数据通路启动软件模块的分析程序。以pH值传感器准确性测试为例：将传感器放置到水环境当中，使用无线传感器收集数据，数据采集时间为1个小时；针对收集数据，选择pH值的标准值的上下限；选择分析数据的样本时间范围；选择合格节点准确度阈值，其中准确度为某节点准确值的数目除以某节点所有收到pH值数据的数目；如果某节点的准确度小于阈值，则该节点现场pH值准确度不合格，否则合格；如果合格节点的总数目大于所有被测节点的总数目的60%，则该网络pH传感器准确性总体评价合格，否则总体评价不合格。

进一步地，所述网络丢包率测试，所包括的主要步骤如下：在使用测试管理软件针对使用第一个数据通路收集到的数据时，选择处理时间的范围，计算总时间；利用总时间除以被测节点发包频率得到总的应收数据包总数的理论值；查找服务器数据库中使用第一个数据通路收集数据的存储表中无线数据包的总数，得到实际收到的包；则被测节点的丢包率为理论值与实际值之差除以理论值，以此计算每个节点的丢包率；如果某节点的准确度小于阈值，则该被测节点丢包率不合格，否则合格；如果合格节点的总数目大于所有被测节点的总数目的60%，则该网络丢包率总体评价合格，否则总体评价不合格。

进一步地，所述节点能耗测试，包括的主要步骤如下：将使用第一个数据通路收集到的各个被测节点上传的数据解析出功率值，并转存入数据库中名为“simu_power”的表中，参考如表1所示实验测定的不同档位的收集数据与节点能耗一一映射。

表1本发明的发射功率与能耗的实验关系

选择判定单个节点能耗合格的阈值，在430～490之间，然后判定单个节点是否合格；节点的能耗大于阈值才测试合格，否则测试不合格；因为只有达到测试阈值，节点才能正常工作。如果合格节点的总数目大于所有节点的总数目的60%则总体评价合格，否则总体评价不合格。

该测试方法，属于物联网技术领域，主要基于Web平台。包括：在服务器中预先安装测试床硬件控制软件和测试管理软件；测试管理员通过本地或者远程访问服务器上的测试床硬件控制软件向水环境无线传感器网络测试床的各个节点发送初始化配置信息，该配置信息包括了节点的ID号、发射功率等标识节点身份和测试所需的基本参数信息；硬件控制软件设定数据收集的周期，并将采集到的数据存入服务器数据库；管理员通过Web平台访问测试管理软件，对数据库中收集的数据进行分析、测试。本发明实现了远程访问服务器域名的方式进行远程测试，消除了测试的地域限制；同时本发明实现了在同一台机器上通过打开多个测试项来实现并行测试，以及在不同机器上针对同一份测试请求，分解子测试项，多个子测试项同时进行测试，提高了测试的效率；最后，本发明不仅对于节点的能耗、丢包率等反应节点组网性能的参数进行测试，经过对测试流程的稍加增加，便可以实现对水环境监测传感器的监测值准确性进行测试，降低了测试的成本。本发明针对水环境无线传感器网络，提供了一种专用性、实时性、便捷化的网络性能测试方法。

上述优选实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水环境无线传感器网络性能测试床系统，用于水环境无线传感器网络节点的网络性能测试，包括无线传感器节点，所述无线传感器节点间相互连通，并通过Sink节点与服务器连接通讯，其特征在于所述系统还包括测试床底座，所述测试床底座与无线传感器节点集成形成组合节点，所述组合节点设置有与其他节点无线通讯的无线通信模块、监测被测水环境的环境参数的AD传感器模块、控制组合节点采集环境参数和数据收发的控制模块、串口供电模块；服务器下发初始化配置信息进行初始化配置组合节点，然后组合节点按照配置好的上传周期上传数据到服务器，最后服务器根据组合节点上传的数据和初始化配置信息对组合节点的网络性能进行测试。

2.根据权利要求1所述的水环境无线传感器网络性能测试床系统，其特征在于所述AD传感器模块选自pH传感器、水体透明度传感器、溶解氧传感器的一种或者两种以上的任意组合。

3.根据权利要求1所述的水环境无线传感器网络性能测试床系统，其特征在于所述组合节点和sink节点均通过USB方口线连入Hub集线器，Hub集线器与Hub集线器级联，最后由Hub集线器连入服务器。

4.根据权利要求3所述的水环境无线传感器网络性能测试床系统，其特征在于所述串口供电模块设置串口接口，组合节点供电通过串口接口连接USB方口线连入Hub集线器实现。

5.根据权利要求4所述的水环境无线传感器网络性能测试床系统，其特征在于所述Hub集线器由交流电转直流电转换器进行供电，交流电转直流电转换器转换成直流电DC输出后通过USB方口线接入Hub集线器或组合节点。

6.根据权利要求3所述的水环境无线传感器网络性能测试床系统，其特征在于所述Hub集线器由USB方口转串口线，再由USB口转串口线连入服务器，其中USB口转串口线的USB口一端插入服务器上的USB口，而USB方口转串口线的USB方口端接入Hub的USB方口中。

7.根据权利要求3所述的水环境无线传感器网络性能测试床系统，其特征在于所述控制模块包括中央处理器、复位电路、存储单元，所述控制模块中预先将控制程序通过串口供电模块的串口接口烧写进存储单元，所述控制模块控制组合节点数据的收集并通过有线和无线两种方式发送到Sink节点。

8.根据权利要求3所述的水环境无线传感器网络性能测试床系统，其特征在于所述无线传感器节点包括无线通信模块；所述测试床底座包括AD传感器模块、控制模块、串口供电模块；所述无线传感器节点与测试床底座通过数据交互模块进行连接，所述无线通信模块设置有28针引脚与测试床底座的28孔插槽进行连接形成组合节点。

9.根据权利要求3所述的水环境无线传感器网络性能测试床系统，其特征在于所述无线通信模块包括ZigBee核心板，所述ZigBee核心板上设置微处理器，所述微处理器通过功率控制模块与无线射频模块连接，所述无线射频模块连接Whip外置增益天线进行收发数据。

10.根据权利要求9所述的水环境无线传感器网络性能测试床系统，其特征在于所述被测组合节点中的信息通过的无线射频模块发射端的WiFi传递给Sink节点，并通过Sink节点与Hub的连线，以及Hub与服务器之间的连线，最终以有线的方式发送给服务器监听端口并存入服务器中。

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