CN104703206B - 面向无线传感网的网络协议性能测试床系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向无线传感网的网络协议性能测试床系统及测试方法，基于共性硬件接口设施，以分簇网络拓扑结构为基础，完成测试代码的快速分发及测试状态参数的快速获取。测试床系统以快速可靠的代码分发更新为目标，在传感器网络协议的内存段使用方式格式统一化基础上，使用全局代码数据分发、局部代码补全的协议代码部署发布方式，尽力缩短全局代码完成一次更换的时间。本发明适用于低功耗类传感网及对应的M2M应用，可有效完成对各种类型无线传感网应用协议的测试，提高传感网协议开发效率。

Description

面向无线传感网的网络协议性能测试床系统及测试方法

技术领域

本发明涉及无线传感网协议测试技术领域，特别是涉及一种面向无线传感网的网络协议性能测试床系统及测试方法。

背景技术

无线传感器网络协议的测试是协议研发过程中必须要面对的一个环节，也是协议研发中耗费时间最长，实施过程最复杂的一环。

从传感网系统整合和应用测试方面来看，目前大多数研究都通过理论分析和计算机模拟的方法进行验证和测试。理论分析的方法虽然可以进行多个同类协议的比较，但数学模型的构建由于计算复杂度过高，在应用这些模型解决实际问题时需要做大量简化，从而降低了理论性能分析的可信度。而现有的计算机模拟工具则由于难以真实体现无线通信的不稳定性，其验证的效果也无法令人满意。即使验证通过，在实际系统设计与编程实现过程中，同样需面临代码的调试、反复烧录工作量大等问题。

而通过实际传感器节点建立网络测试平台，可以在实际应用过程中验证测试网络的协议和算法，不仅比较全面地包含了影响网络状态的各个因素，充分体现应用环境的不确定性、网络系统的动态性以及无线通信的不可靠性，而且也避免了因模型简化导致的理论误差。

但传感器网络协议实测平台在建设过程中，同样面临一些问题。因为测试平台需一次性投入，构建测试类软硬件设备，所以在前期规划过程中，需考虑使得平台能应对各种新应用测试需求，避免多次投入。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种面向无线传感网的网络协议性能测试床系统及测试方法，能够提高传感网协议开发效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种面向无线传感网的网络协议性能测试床系统，包括测试主机、测试网关和测试底板设备，所述测试网关包括组网通讯模块和以太网通讯模块；所述测试主机与测试网关的以太网通讯模块间通过路由器设备相连；所述测试底板设备包括组网通讯模块和待测组网协议模块，组网通讯模块和待测组网协议模块间通过底板上的印刷电路实现数据接口标准连接；底板上的组网通讯模块负责与测试网关中的组网通讯模块建立无线网络连接，完成测试床系统中的待测协议代码分发和待测协议运行状态查询功能；所述待测组网协议模块主要负责运行传感器网络协议代码，完成对应的组网及网络运行功能；所述底板上还设有传感器接口；所述传感器接口则是待测组网模块所有接口管脚的物理外延，测试过程中通过杜邦线将传感器与待测组网协议模块对应的管脚相连，实现不同传感器设备的接入测试。

所述待测组网协议模块采用可插拔式的方式设置在底板上。

所述测试网关的组网通讯模块与测试底板设备的组网通讯模块采用分簇组网协议，共同维护测试床的无线拓扑连接，完成日常值守、升级代码下发、代码补全和待测组网协议状态查询功能。

所述测试主机中的测试软件主要维护测试主机与测试网关间的连接关系，完成代码升级流程控制、待测网络协议状态查询与存储显示功能。

所述待测组网协议模块预置测试引导程序，并使用测试床提供的测试统计程序模板；其中，所述测试引导程序包括引导程序和配置文件两部分，引导程序是待测协议启动时首先执行的程序段，用于控制待测模块接收外部的代码升级信令及数据；配置文件是代码编译过程中的内存段使用方式的定义文件，为代码烧录的过程制定规则；所述测试统计程序模板主要是由用户根据测试需求，设置待记录网络状态参数组合，并结合待测用户程序特点，在合适的时隙范围内，将统计结果周期反馈存储至测试底板中的组网通讯模块。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种使用上述的测试床系统进行快速开展无线传感网协议代码分发测试的方法，包括以下步骤：

(1)选定待测组网协议模块，并依据此模块的硬件组成，结合实际应用需求，设计对应的网络协议，并根据测试床软件设计规范，在协议代码中添加测试引导代码段和测试统计代码段，编译成对应的文本格式文件，在待测组网协议模块中测试通过，保证代码的有效性和可测试性；

(2)根据实际应用场景的需求，确定测试床中待测组网协议模块的数量，并将测试床中的硬件设备进行连接；

(3)对测试床中的硬件设备上电初始化，其中测试网关设备中的组网通讯模块将作为簇头节点，在预定的频段信道中，周期向外发送广播帧，并在发送完成后转入接收状态；测试底板设备中的组网通讯模块将采用全信道轮询侦听的方式，并考虑信号强度和簇头节点最大挂载能力因素，采用随机或是加权方式选取一个测试网关作为自己的簇头节点，发送入簇请求帧，并等待测试网关的应答信令；簇头节点根据接收到的入簇请求帧，在下一个广播帧中携带对应的应答信令；上述组网过程结束后，测试床中的设备网络拓扑连接组建完成；

(4)测试主机中的测试软件，通过服务器/客户端的模式，与各个测试网关建立TCP连接，并将步骤(1)形成的文本格式文件，加载测试主机上的测试软件中；测试软件将根据文本格式文件的构成规范，将文本文件中的内容作为有效数据载荷，加载至以太网数据帧中，按序发送至各个测试网关中；

(5)在所有测试网关接收到完整的文本格式文件后，由测试主机根据测试网关的电量、挂载簇成员节点数目信息，选取其中的一个，进行全网代码发送工作；测试主机将通过测试网关，将测试底板设备中的组网通讯模块更新成代码接收状态；然后，被选中的测试网关将以最大发送功率方式，向外发送代码；发送结束后，测试床中的所有组网通讯模块，进入日常值守状态；

(6)测试底板设备中的组网通讯模块将采用循环冗余校验和数据包序号方式检查已接收到代码包的完整程度，并根据代码帧缺失情况，向自身所在的簇头节点发送代码请求帧，完成代码补全。如检测到已接收代码完整，组网通讯模块将向待测组网协议模块发送重启信号，使其执行引导代码段；并通过测试底板设备上的数据接口，发送该更新代码至待测模块中，同时组网通讯模块进入状态监控记录状态。

(7)根据步骤(1)中所添加的测试统计代码段，测试底板设备的组网通讯模块将记录待测组网协议模块中返回的各类网络状态信息，并在本地记录；测试主机对该信息进行查询，或是重新烧写新的网络协议代码至待测组网协议模块中。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明中使用无线方式实现对区域范围内所有测试底板设备的代码升级操作。升级代码的发送采用最大功率全局广播的方式，而代码的补全和网络状态查询则采用小范围定点请求的方式。这充分利用了长距短距通讯的优势，并考虑了下行代码发送量、与上行补全代码请求数据量的不均衡特性，有效提升了无线代码升级及状态查询效率。

本发明中在设计测试底板设备时，采用了统一的硬件接口规范，便于不同型号配置待测协议模块的更换，可适应各种不同种类的硬件模块测试需求。

本发明中针对各类不同待测协议模块，重新定义内存段划分，增加了引导中断和引导程序，修订对应的配置文件，无需更改用户程序段代码，真实中断统一跳转至引导中断处进行处理。

附图说明

图1是测试床硬件系统连接框图；

图2是测试主机到测试网关的代码发送流程图；

图3是测试网关到测试底板的代码发送流程图；

图4是待测协议模块设备内存段一般使用方式示意图；

图5是值守状态时隙结构图，其中图5A是测试网关时隙结构，图5B是测试底板时隙结构；

图6是测试网关广播帧结构图；

图7是代码升级数据帧结构图；

图8是测试底板入簇请求帧结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。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。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的测试床从硬件设备角度来看，包括测试主机、测试网关、测试底板设备三部分组成。测试主机为普通电脑或服务器；测试网关由组网通讯模块、以太网通讯模块组成；测试主机与测试网关间，通过路由器设备相连；测试底板设备则包括组网通讯模块、待测组网协议模块，两类模块间通过底板上的印刷电路实现某类型数据接口标准连接，同时底板上将为待测组网协议模块预留传感器接口；底板上的组网通讯模块负责与测试网络中的组网通讯模块建立无线网络连接，完成测试床系统中的待测协议代码分发和待测协议运行状态查询功能；待测组网协议模块主要负责运行已编写好的传感器网络协议代码，完成对应的组网及网络运行功能；传感器接口则是待测组网模块所有接口管脚的物理外延，测试过程中可通过杜邦线将传感器与待测组网协议模块对应的管脚相连，实现不同传感器设备的接入测试。测试床硬件系统连接框图如附图1所示。

测试底板中的待测组网协议模块采用可插拔式设计。后续可根据实际研发需求，把不同频段、不同主控芯片的传感器网络设备设计成统一硬件接口规范，便于随时变换待测组网协议模块种类。

软件角度来看，测试网关与测试底板设备中的组网通讯模块采用分簇组网协议，共同维护测试床的无线拓扑连接，完成包括日常值守、升级代码下发、代码补全、待测组网协议状态查询功能；测试主机中的测试软件主要维护测试主机与测试网关间的连接关系，完成代码升级流程控制、待测网络协议状态查询与存储显示功能。

测试底板中的待测组网协议模块需预置测试引导程序(协议测试中间件)，并使用测试床提供的测试统计程序模板(参数获取中间件)。其中测试引导代码程序包括引导程序和配置文件两部分，引导程序是待测协议启动时首先执行的程序段，用于控制待测模块接收外部的代码升级信令及数据；配置文件是代码编译过程中的内存段使用方式的定义文件，为代码烧录的过程制定规则。测试统计程序模板主要是由用户根据测试需求，设置待记录网络状态参数组合，并结合待测用户程序特点，在合适的时隙范围内，将统计结果周期反馈存储至测试底板中的组网通讯模块。内存段一般使用方式如图4所示。

本发明是一种用于快速开展无线传感网协议代码分发测试的方法，基于上述硬件设备，具体实施步骤如下：

步骤一：事先选定待测组网协议模块，并依据此模块的硬件组成，结合实际应用需求，设计对应的网络协议，并根据测试床软件设计规范，在协议代码中添加测试引导代码段和测试统计代码段，编译成对应的文本格式文件，在待测组网协议模块中测试通过，保证代码的有效性和可测试性；

步骤二：根据实际应用场景的需求，确定测试床中待测组网协议模块的数量(所有待测组网协议模块中均已预先烧录了对应的测试引导代码程序)，并按照图1所示，将测试床中的硬件设备进行连接；

步骤三：对测试床中的硬件设备上电初始化，其中测试网关设备中的组网通讯模块将作为簇头节点，在预定的频段信道中，周期向外发送广播帧，并在发送完成后转入接收状态；测试底板设备中的组网通讯模块将采用全信道轮询侦听的方式，并考虑信号强度、簇头节点最大挂载能力等因素，采用随机或是加权方式选取一个测试网关作为自己的簇头节点，发送入簇请求帧，入簇请求帧结构如图8所示，并等待测试网关的应答信令；簇头节点根据接收到的入簇请求帧，在下一个广播帧中携带对应的应答信令。上述组网过程结束后，测试床中的设备网络拓扑连接组建完成。

步骤四：测试主机中的测试软件，通过服务器/客户端的模式，与各个测试网关建立TCP连接。将步骤一形成的文本格式文件，加载测试主机上的测试软件中。测试软件将根据文本格式文件的构成规范，将文本文件中的内容作为有效数据载荷，加载至以太网数据帧中，按序发送至各个测试网关中，具体如图2所示。

步骤五：在所有测试网关接收到完整的文本格式文件后，由测试主机根据测试网关的电量、挂载簇成员节点数目信息，选取其中的一个，进行全网代码发送工作；如图3所示，测试主机将通过测试网关，将测试底板设备中的组网通讯模块更新成代码接收状态；然后，被选中的测试网关将以最大发送功率方式，向外发送代码，代码结构如图7所示。发送结束后，测试床中的所有组网通讯模块，进入日常值守状态，值守状态时隙结构如图5所示。

步骤六：测试底板设备中的组网通讯模块将采用CRC校验、数据包序号等方式检查已接收到代码包的完整程度，并根据代码帧缺失情况，向自身所在的簇头节点发送代码请求帧，完成代码补全。如检测到已接收代码完整，组网通讯模块将向待测组网协议模块发送重启信号，使其执行引导代码段；并通过测试底板设备上的数据接口，发送该更新代码至待测模块中，同时组网通讯模块进入状态监控记录状态；

步骤七：根据步骤一中所添加的测试统计代码段，测试底板设备的组网通讯模块将记录待测组网协议模块中返回的各类网络状态信息，并在本地记录；测试主机可对该信息进行查询，或是重新烧写新的网络协议代码至待测组网协议模块中。

下面以一个具体的实施例进一步说明本发明。

测试底板设备40个，测试网关设备4个，测试网关根据具体应用场景，尽量在测试底板中间密集摆设。原则上，测试底板应在某个测试网关的一跳通讯范围内。测试网关最大通讯半径100米，具备功率控制能力；测试底板上预置有入网指示灯、代码升级指示灯，测试底板上的组网通讯模块与待测组网协议模块之间通过串行接口连接；测试床中的组网通讯模块均选用470MHz频段，待测组网协议模块均采用2.4GHz频段。

待测协议代码为针对带状网络防入侵应用研发的路由协议，该协议代码应用场景为长带状空间，宽度为5米，并拟每5米布设4个设备，共50米长度。协议代码中包括入侵信号的随机发生程序、路由协议代码、测试引导代码段和测试统计代码；

首先，测试网关通过路由器与测试主机，建立Socket连接。首先由测试网关按值守周期发送广播帧，测试底板始终处于侦听状态，并对测试网关的广播帧进行解析，记录其中的信息，如图6所示，格式如下：

[gateway_id，gateway_rssi，member_total，version_id]

其中gateway_id为测试网关编号，gateway_rssi为测试网关信号强度，member_total为测试网关已有簇成员的数量，version_id为网关当前代码的版本号；

测试底板根据此信息，在10个超帧周期内随机选取一个时间点，采用载波侦听访问的方式在入网数据发送时段向测试网关发送入簇请求帧。测试网关在后续广播帧中将发送一次新入簇成员(测试底板)编号数组，对应测试底板与测试网关保持时间同步，同时打开入网指示灯，表明自身处于已入网状态。

待测试底板入网完成后，测试主机加载已编译好的带状网路由协议文件，按每个数据包16字节有效数据的方式，进行数据打包，并按序发送至测试网关。如图7所示，数据包格式为：

[帧头(SOF)，帧类型(TYPE)，帧序号(SN)，帧长(LEN)，数据(DATA)，帧尾(EOF)]

其中帧头(SOF)字段2字节，帧类型(TYPE)字段1字节，帧序号(SN)字段2字节，数据(DATA)字段16字节。

测试网关接收到完整升级代码后，回复给测试主机对应的确认信号。当所有测试网关均接收到完整升级代码包后，测试主机将根据测试网关的电量排名及所管理簇成员数目排名，选取排名和最小的测试网关为代码升级网关。同时测试主机控制测试网关向外发送代码升级准备信令，测试底板切换至接收状态。

代码升级网关将按最大信号功率方式按序发送升级代码(代码升级数据帧)，并在完成该分发后，发送确认信号至测试主机，由测试主机恢复所有测试网关至值守状态。

测试底板根据收到的升级代码的完整度，决定进入代码请求状态或代码更新状态。如进入代码请求状态，则向测试网关请求缺失的代码，直到代码补充完整。如进入代码更新状态，测试底板将重启自身的待测组网协议模块，使该模块执行引导程序，并通过串行接口接收升级代码。

代码升级完成的待测组网协议模块将闪烁代码升级指示灯十次，然后按照待测协议代码，开始自身的网络操作；同时将通过串行接口，按待测协议的状态统计汇报规范，周期性向测试底板中的组网通讯模块发送状态信息。

测试过程中，测试网关可通过轮询方式，对所在分簇内的成员节点请求网络状态统计信息，并发送会测试主机节点。同时，测试网关可根据测试需求，随时发起全网的代码升级更新过程，完成对其他协议代码的评估测试。

对于网络运行过程中新入网测试底板节点，将根据收到广播帧中所包含的版本号信息，确定自身是否需要向簇头请求代码。

本发明在硬件方面充分考虑对设备的复用能力以及对感知类设备的多样性支持；同时针对测试过程的效率和有效性，设计了对应的代码分发、试验过程状态数据统计记录方法，从而有效的完成对各种类型传感网应用协议的测试，提高传感网协议开发效率。

Claims (5)

1.一种测试床系统进行快速开展无线传感网协议代码分发的测试方法，其特征在于，使用面向无线传感网的网络协议性能测试床系统，所述能测试床系统包括测试主机、测试网关和测试底板设备，所述测试网关包括组网通讯模块和以太网通讯模块；所述测试主机与测试网关的以太网通讯模块间通过路由器设备相连；所述测试底板设备包括组网通讯模块和待测组网协议模块，组网通讯模块和待测组网协议模块间通过底板上的印刷电路实现数据接口标准连接；底板上的组网通讯模块负责与测试网关中的组网通讯模块建立无线网络连接，完成测试床系统中的待测协议代码分发和待测协议运行状态查询功能；所述待测组网协议模块主要负责运行传感器网络协议代码，完成对应的组网及网络运行功能；所述底板上还设有传感器接口；所述传感器接口则是待测组网模块所有接口管脚的物理外延，测试过程中通过杜邦线将传感器与待测组网协议模块对应的管脚相连，实现不同传感器设备的接入测试，包括以下步骤：

(1)选定待测组网协议模块，并依据此模块的硬件组成，结合实际应用需求，设计对应的网络协议，并根据测试床软件设计规范，在协议代码中添加测试引导代码段和测试统计代码段，编译成对应的文本格式文件，在待测组网协议模块中测试通过，保证代码的有效性和可测试性；

(2)根据实际应用场景的需求，确定测试床中待测组网协议模块的数量，并将测试床中的硬件设备进行连接；

(3)对测试床中的硬件设备上电初始化，其中测试网关设备中的组网通讯模块将作为簇头节点，在预定的频段信道中，周期向外发送广播帧，广播帧结构的格式为[gateway_id，gateway_rssi，member_total，version_id]，其中gateway_id为测试网关编号，gateway_rssi为测试网关信号强度，member_total为测试网关已有簇成员的数量，version_id为网关当前代码的版本号，并在发送完成后转入接收状态；测试底板设备中的组网通讯模块将采用全信道轮询侦听的方式，并考虑信号强度和簇头节点最大挂载能力因素，采用随机或是加权方式选取一个测试网关作为自己的簇头节点，发送入簇请求帧，并等待测试网关的应答信令；簇头节点根据接收到的入簇请求帧，在下一个广播帧中携带对应的应答信令；上述组网过程结束后，测试床中的设备网络拓扑连接组建完成；

(4)测试主机中的测试软件，通过服务器/客户端的模式，与各个测试网关建立TCP连接，并将步骤(1)形成的文本格式文件，加载测试主机上的测试软件中；测试软件将根据文本格式文件的构成规范，将文本文件中的内容作为有效数据载荷，加载至以太网数据帧中，按序发送至各个测试网关中；

(5)在所有测试网关接收到完整的文本格式文件后，由测试主机根据测试网关的电量、挂载簇成员节点数目信息，选取其中的一个，进行全网代码发送工作；测试主机将通过测试网关，将测试底板设备中的组网通讯模块更新成代码接收状态；然后，被选中的测试网关将以最大发送功率方式，向外发送代码；发送结束后，测试床中的所有组网通讯模块，进入日常值守状态；

(6)测试底板设备中的组网通讯模块将采用循环冗余校验和数据包序号方式检查已接收到代码包的完整程度，并根据代码帧缺失情况，向自身所在的簇头节点发送代码请求帧，完成代码补全；如检测到已接收代码完整，组网通讯模块将向待测组网协议模块发送重启信号，使其执行引导代码段；并通过测试底板设备上的数据接口，发送该更新代码至待测模块中，同时组网通讯模块进入状态监控记录状态；

(7)根据步骤(1)中所添加的测试统计代码段，测试底板设备的组网通讯模块将记录待测组网协议模块中返回的各类网络状态信息，并在本地记录；测试主机对该信息进行查询，或是重新烧写新的网络协议代码至待测组网协议模块中。

2.根据权利要求1所述的测试床系统进行快速开展无线传感网协议代码分发的测试方法，其特征在于，所述待测组网协议模块采用可插拔式的方式设置在底板上。

3.根据权利要求1所述的测试床系统进行快速开展无线传感网协议代码分发的测试方法，其特征在于，所述测试网关的组网通讯模块与测试底板设备的组网通讯模块采用分簇组网协议，共同维护测试床的无线拓扑连接，完成日常值守、升级代码下发、代码补全和待测组网协议状态查询功能。

4.根据权利要求1所述的测试床系统进行快速开展无线传感网协议代码分发的测试方法，其特征在于，所述测试主机中的测试软件主要维护测试主机与测试网关间的连接关系，完成代码升级流程控制、待测网络协议状态查询与存储显示功能。

5.根据权利要求1所述的测试床系统进行快速开展无线传感网协议代码分发的测试方法，其特征在于，所述待测组网协议模块预置测试引导程序，并使用测试床提供的测试统计程序模板；其中，所述测试引导程序包括引导程序和配置文件两部分，引导程序是待测协议启动时首先执行的程序段，用于控制待测模块接收外部的代码升级信令及数据；配置文件是代码编译过程中的内存段使用方式的定义文件，为代码烧录的过程制定规则；所述测试统计程序模板主要是由用户根据测试需求，设置待记录网络状态参数组合，并结合待测用户程序特点，在合适的时隙范围内，将统计结果周期反馈存储至测试底板中的组网通讯模块。