CN104410983A - 基于MICAz节点的测试信道分配的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MICAz节点的测试信道分配的方法与系统。包括多个MICAz发送节点，与多个MICAz发送节点相同个数的MICAz接收节点，MICAz汇聚节点，上位机；每条数据流的发送节点和接收节点之间均通过各自无线网络连接，每个接收节点和汇聚节点通过各自无线网络连接，多条数据流分别与同一个汇聚节点经串口与上位机相连，对相连上传的数据进行实时显示，保存和分析。通过分配时隙与重传机制相结合，解决了该类测试中控制信道的拥堵问题。本发明通过编程的模块化，将参数与算法接口分离，可导入各种不同的算法；从而搭建一种灵活，拓扑可变，成本低，适用于大多数算法的无线传感器网络信道分配算法的通用硬件测试平台。

Description

基于MICAz节点的测试信道分配的方法及系统

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术，尤其是涉及一种基于MICAz节点的测试信道分配的方法与系统。

背景技术

近年来，随着科技的发展，基于无线传感器网络的应用不断涌现。这也势必造成同一区域内有多个不同应用的无线传感器网络系统同时存在。由于无线传感器网络自身节点密度较高，多个网络同时覆盖势必互相干扰，造成通信质量骤降。单信道分配已无法满足现状，多信道通信技术应运而生。

但是现有的多信道分配方法大多没有经过硬件平台的测试，其可靠性无法得到充分保证。

现有的信道分配方法都是在通用节点平台上进行测试，这类平台大多基于服务器，成本高昂，体积较大，拓扑固定。目前还没有专门为无线传感器网络信道分配方法专门设计的硬件平台。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供基于MICAz节点的无线传感器网络信道分配算法的硬件平台测试方法与系统。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一、一种基于MICAz节点的测试信道分配的方法，该方法的步骤如下：

1)完成每个节点的制作，并通过同一个avr仿真器下载每个节点程序；

2)打开每个节点电源，使其处于工作状态，然后根据拓扑进行布置；

3)选择其中一个节点为汇聚节点，汇聚节点通过串口和上位机连接；

4)在上位机上启动C#，运行配套图形界面程序；

5)选择上位机图形界面的工具按钮，完成原始数据读取，数据曲线和拓扑图绘制，数据保存。

所述每个节点都有各自ID号，将各自ID号和各自的节点放置位置对应，通过观察拓扑图实时地获得每个节点的通信情况。

该方法实时获得原始数据，监控信道的分配与数据的传输情况。

二、一种基于MICAz节点的测试信道分配的系统：

该系统包括多个MICAz发送节点，与多个MICAz发送节点相同个数的MICAz接收节点， MICAz汇聚节点，上位机；每条数据流的MICAz发送节点和MICAz接收节点之间均通过各自无线网络连接，每个MICAz接收节点和MICAz汇聚节点通过各自无线网络连接，多条数据流分别与同一个MICAz汇聚节点经串口与上位机相连，对相连上传的数据进行实时显示，保存和分析。

所述多个发送节点、多个接收节点和汇聚节点均包括射频板和主板；射频板中的CC2420无线通信芯片通过阻抗匹配电路和天线相连接；主板中的Atmega128L微处理器芯片分别与外部flash存储器、LED灯、51脚 I/O接插件、JTAG接口和经电平转换芯片与串口连接，射频板通过12脚接插件与主板连接，电源给主板供电。

所述多个发送节点、多个接收节点和汇聚节点的软件系统均分为节点端和上位机端，其中：

1)节点端部分：数据的传输与信道的切换，采用nesC编程语言进行编写；程序分为四个代码段：即参数代码段、算法代码段、流程代码段和控制代码段；参数代码段负责算法参数的定义，算法代码段负责算法的实现，流程代码段负责定义试验的流程，控制代码段负责控制信息格式。

2)上位机端主程序包括四个部分：串口交互部分，负责从汇聚节点接收数据包；数据包显示部分，负责显示原始数据包；实时拓扑显示部分，负责实时地显示整个网络的通信情况；绘制结果曲线部分，负责将分析处理后的数据图像实时地绘制出来；以上四个部分都是由C#编程完成。

本发明具有的有益效果是：

本发明能为无线传感器网络信道分配算法研究者们提供实时的数据通信情况，实时掌握整个过程中算法的表现情况。若发现参数设定不对时，可及时发现问题并重新设置参数，大大降低了算法实验的时间开销。从长期来讲，此系统能帮助科研人员验证，对比各种不同的信道分配算法，并对实验结果进行分析，对算法提出进一步的改进。在本发明中，传感器节点体积小，便于更换各种不同的拓扑。节点的数据处理模块采用Atmega128L，数据处理能力强，能耗低。节点之间的数据通信基于ZigBee，保证了数据通信的可靠和高效。上层软件主要采用C#代码编写，拥有良好的实时性能和友好的用户交互界面。总之，本发明通过分配时隙与重传机制相结合的办法，解决了该类测试平台中控制信道的拥堵问题；编程的模块化，将参数与算法接口分离，可方便的导入各种不同的算法。从而了发明了一种搭建灵活，拓扑可变，成本低，适用于大多数算法的无线传感器网络信道分配算法的通用硬件测试平台。

附图说明

图1是本发明的整体结构框图。

图2是本发明的传感器节点结构图。

图3是节点端软件的结构图。

图4是上位机端软件的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的系统包括多个MICAz发送节点，与多个MICAz发送节点相同个数的MICAz接收节点， MICAz汇聚节点，上位机；每条数据流的MICAz发送节点和MICAz接收节点之间均通过各自无线网络连接，每个MICAz接收节点和MICAz汇聚节点通过各自无线网络连接，多条数据流分别与同一个MICAz汇聚节点经串口与上位机相连，对相连上传的数据进行实时显示，保存和分析。

根据所需的拓扑结构，在实验区域内布置数据传输的MICAz节点。分配一个可用信道作为控制信道，负责各类控制信息的传达。各个节点根据信道分配的方案，选择可用的指定信道，以无线形式把数据发送出去。有关节点通信情况的数据最终都通过控制信道传送给汇聚节点。由于无线传感器网络节点只有一个射频发射器，所有控制信息和结果数据都通过唯一的控制信道传送给汇聚节点。为了解决控制信道的拥堵问题，该部分的传输机制应用了分配时隙传输和重传机制相结合的办法，有效降低了控制信道的丢包情况。汇聚节点通过串口和上位机相连接，负责把网络中收集到的通信质量的数据上传到上位机。上位机端的配套软件会将这些数据经过统计方法处理后显示，同时也能通过图表形式的显示。系统还能绘制节点连接的实时拓扑结构，观察监测环境中的节点工作情况。整个实验过程中的原始数据也保存在指定路径下。

如图2所示，是传感器节点结构图。所述多个发送节点、多个接收节点和汇聚节点均包括射频板和主板；射频板中的CC2420无线通信芯片通过阻抗匹配电路和天线相连接；主板中的Atmega128L微处理器芯片分别与外部flash存储器、LED灯、51脚 I/O接插件、JTAG接口和经电平转换芯片与串口连接，射频板通过12脚接插件与主板连接，电源给主板供电。

如图3所示，是节点端程序结构。数据的传输与信道的切换，采用nesC编程语言进行编写；程序分为四个代码段：即参数代码段、算法代码段、流程代码段和控制代码段；参数代码段负责算法参数的定义，算法代码段负责算法的实现，流程代码段负责定义试验的流程，控制代码段负责控制信息格式。整个实验开始时，汇聚节点定时发送beacon帧，同步各节点的时间以及初始化整个流程。各个节点根据流程模块的代码进行运行，期间根据算法模块的算法进行信道的分配。从而观察参数模块中参数的不同对信道分配方案的影响。

如图4所示，是上位机端端软件结构。上位机端主程序包括四个部分：串口交互部分，负责从汇聚节点接收数据包；数据包显示部分，负责显示原始数据包；实时拓扑显示部分，负责实时地显示整个网络的通信情况；绘制结果曲线部分，负责将分析处理后的数据图像实时地绘制出来；以上四个部分都是由C#编程完成。首先用户打开串口通信，接收实验的数据结果，在数据包显示模块可以看到原始数据包。在对数据进行处理之后，用户可以在实时拓扑显示部分看到当前的通信情况，同时在结果曲线部分可以看到实验的结果图像。

实施例：

利用以上系统验证基于后悔度的信道分配算法（Reget Matching based Channel Assignment,RMCA）的有效性实验。

本次大规模测试平台有MICAz节点13个（其中6个节点用做发送节点，6个节点用做接收节点，1个节点用做汇聚节点），PC机1台（上位机）。

1.首先将1号节点设为汇聚节点，做为与上位机交流的接口。

2.将12个节点分成6组，2-3，4-5，6-7，8-9，10-11，12-13，由发送节点直接向数据流中指定的接收节点发送数据包。

3.从16个可用信道（10号~25号）中任意选取3个互不干扰的信道为实验所用信道，本次试验选择了11，15，19号实验所用信道。

4.选择25号信道为汇聚节点与各个节点的公共控制通信信道。1到9号信道为系统保留，可用信道从10号到25号，选取11、15、19是因为中间隔了几个信道，从而保证这3个信道间互不干扰。

5.设置基站节点每5秒向通信节点发送BECON帧，同步各个节点的时间，同时通知各个节点开始发包，传输时间为3S，然后由接收节点向汇聚节点汇报发送情况。

6.选择无线传感器网络多频段接入控制方法(Multi-Frequency Media Access Control for Wireless Sensor Networks,MMSN)作为对比算法，验证RMCA算法的有效性。

实验结果如下表：

实验结果与分析

12节点规模下RMCA算法 vs MMSN算法：

如表1所示，在不同传输间隔下，RMCA算法在传输成功率比MMSN算法更高，传输时延更短。因此可以得到验证：RMCA算法比MMSN性能更加优越，与仿真结果相一致。

表1

此系统能帮助科研人员验证，对比各种不同的信道分配算法，并对实验结果进行分析，对算法提出进一步的改进。

Claims (6)

1.一种基于MICAz节点的测试信道分配的方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

1)完成每个节点的制作，并通过同一个avr仿真器下载每个节点程序；

2)打开每个节点电源，使其处于工作状态，然后根据拓扑进行布置；

3)选择其中一个节点为汇聚节点，汇聚节点通过串口和上位机连接；

4)在上位机上启动C#，运行配套图形界面程序；

5)选择上位机图形界面的工具按钮，完成原始数据读取，数据曲线和拓扑图绘制，数据保存。

2.根据权利要求1所述的一种基于MICAz节点的测试信道分配的方法，其特征在于：所述每个节点都有各自ID号，将各自ID号和各自的节点放置位置对应，通过观察拓扑图实时地获得每个节点的通信情况。

3.根据权利要求1所述的一种基于MICAz节点的测试信道分配的方法，其特征在于：该方法实时获得原始数据，监控信道的分配与数据的传输情况。

4.实施权利要求1所述方法的一种基于MICAz节点的测试信道分配的系统，其特征在于：该系统包括多个MICAz发送节点，与多个MICAz发送节点相同个数的MICAz接收节点， MICAz汇聚节点，上位机；每条数据流的MICAz发送节点和MICAz接收节点之间均通过各自无线网络连接，每个MICAz接收节点和MICAz汇聚节点通过各自无线网络连接，多条数据流分别与同一个MICAz汇聚节点经串口与上位机相连，对相连上传的数据进行实时显示，保存和分析。

5.根据权利要求4所述的一种基于MICAz节点的测试信道分配的系统，其特征在于：所述多个发送节点、多个接收节点和汇聚节点均包括射频板和主板；射频板中的CC2420无线通信芯片通过阻抗匹配电路和天线相连接；主板中的Atmega128L微处理器芯片分别与外部flash存储器、LED灯、51脚 I/O接插件、JTAG接口和经电平转换芯片与串口连接，射频板通过12脚接插件与主板连接，电源给主板供电。

6.根据权利要求4所述的一种基于MICAz节点的测试信道分配的系统，其特征在于：所述多个发送节点、多个接收节点和汇聚节点的软件系统均分为节点端和上位机端，其中：

1)节点端部分：数据的传输与信道的切换，采用nesC编程语言进行编写；程序分为四个代码段：即参数代码段、算法代码段、流程代码段和控制代码段；参数代码段负责算法参数的定义，算法代码段负责算法的实现，流程代码段负责定义试验的流程，控制代码段负责控制信息格式；

2)上位机端主程序包括四个部分：串口交互部分，负责从汇聚节点接收数据包；数据包显示部分，负责显示原始数据包；实时拓扑显示部分，负责实时地显示整个网络的通信情况；绘制结果曲线部分，负责将分析处理后的数据图像实时地绘制出来；以上四个部分都是由C#编程完成。