無線傳感器網(wǎng)絡性能評價系統(tǒng)設計

盧 超 王闊傳 周銘銳 薛凱冰 徐 輝 孫富韜

(1.北京航天計量測試技術研究所,北京 100076;2.中國運載火箭技術研究院,北京 100076)

1 引言

隨著無線傳感器網(wǎng)絡在眾多領域的廣泛應用,對無線傳感器網(wǎng)絡性能的評價研究也在不斷開展。王燦采用了網(wǎng)絡抗毀性評價方法,提出了介數(shù)熵抗毀性測度模型[1];欒健從網(wǎng)絡層、抗毀性、監(jiān)測性能和定位技術等方面歸納了無線傳感器網(wǎng)絡性能評價的各項指標[2];芮立提出了一種基于多因子分析的無線傳感器網(wǎng)絡可靠性評估模型[3];陳孝如研究了無線傳感器網(wǎng)絡的控制協(xié)議,提出了網(wǎng)絡覆蓋性能的評價方法[4];蔣文賢提出了一種能效模型的量化評價方法,對無線傳感器網(wǎng)絡服務質量和能量有效性進行評價[5];王建國基于ZigBee 協(xié)議對無線傳感器網(wǎng)絡服務質量開展研究[6];王曉東和黨月芳研究了無線傳感器網(wǎng)絡頻譜檢測技術[7,8];宋婷婷提出了一種以低功耗為目標的頻譜分配策略[9]。這些研究僅關注到了網(wǎng)絡性能、頻譜和功耗的某一方面,目前還未有集成三種以上特性的綜合評價方法。因此設計了一種無線傳感器網(wǎng)絡的評價系統(tǒng),能夠從網(wǎng)絡性能、頻譜和功耗等多個維度對網(wǎng)絡進行評價。

2 系統(tǒng)總體設計

為全面評估無線傳感器網(wǎng)絡的綜合性能,建立涵蓋網(wǎng)絡性能、頻譜和功耗等多個指標的評估模型,設計了能夠同時獲取無線傳感器網(wǎng)絡無線數(shù)據(jù)包、頻譜和電流等數(shù)據(jù)的評價系統(tǒng),如圖1 所示。該系統(tǒng)由頻譜分析子系統(tǒng)、電流采集子系統(tǒng)、無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡子系統(tǒng)和服務器組成。頻譜分析子系統(tǒng)用于監(jiān)測網(wǎng)絡空中頻譜特性;電流采集子系統(tǒng)實現(xiàn)30 路工作節(jié)點工作電流的實時采集;無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡子系統(tǒng)由30 個工作節(jié)點和1 個基站節(jié)點組成,基站節(jié)點與工作節(jié)點組成星狀傳感網(wǎng)絡,由基站節(jié)點負責接收工作節(jié)點的無線數(shù)據(jù)包并轉發(fā)至服務器;服務器匯總3 個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù),利用無線數(shù)據(jù)包、頻譜數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡性能綜合評價。

圖1 評價系統(tǒng)設計架構圖Fig.1 Architecture diagram of evaluation system design

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 頻譜分析子系統(tǒng)

頻譜分析子系統(tǒng)用于監(jiān)測網(wǎng)絡空中頻譜特性,而頻譜儀是研究信號頻譜結構的重要儀器,在選擇頻譜儀時需要重點關注頻率范圍、測量范圍和分析譜寬等指標。無線傳感器網(wǎng)絡的工作頻率主要集中在433 MHz、868 MHz、915 MHz 和2.4 GHz 幾個頻段,發(fā)射功率一般不超過20 dBm,接收靈敏度一般大于-120 dBm。

系統(tǒng)采用RIGOL 系列頻譜儀對無線傳感器網(wǎng)絡的空中頻譜信號失真度、調制度、頻率穩(wěn)定度和交調失真等信號參數(shù)進行測量,該頻譜儀頻率范圍為9 kHz～6.5 GHz,測量范圍為-165 dBm～30 dBm,分析帶寬為1 Hz～10 MHz,可以覆蓋無線傳感器網(wǎng)絡空中信號的頻率和功率范圍。同時,其內部采用數(shù)字電路和微處理器,具有存儲和運算功能,配置標準接口,可通過總線數(shù)據(jù)線實現(xiàn)服務器的交互控制和數(shù)據(jù)傳輸,可以滿足系統(tǒng)對無線傳感器空中頻譜特性監(jiān)測的需求。

系統(tǒng)啟動后,通過服務器下發(fā)控制指令至頻譜儀,設置頻譜儀的工作模式、光譜測量狀態(tài)、起始頻率、終止頻率、平均次數(shù)、有效觸發(fā)后的采集次數(shù)和掃描時間等參數(shù),頻譜儀采用主動上傳的方式將數(shù)據(jù)傳至服務器。

3.2 電流采集子系統(tǒng)

無線傳感器網(wǎng)絡的特點決定了能量效率是評價其性能的重要指標。無線傳感器有多種工作模式,在各種模式下分時進行數(shù)據(jù)采集和射頻收發(fā)等操作,在不同操作下,工作電流也不同:在休眠時,電流可能低至微安級別;射頻發(fā)送時,電流可能達到幾十毫安。因此,需要電流采集子系統(tǒng)有足夠高的分辨率和采樣率。

電流采集子系統(tǒng)采用NI 公司（美國國家儀器有限公司）的PXIe-1082 機箱和PXIe-4353 采集卡。PXIe-1082 機箱通過網(wǎng)口TCP 協(xié)議與服務器進行通信,以實現(xiàn)通過PXIe-4353 采集卡對無線傳感器節(jié)點工作電流的數(shù)據(jù)采集。采集板卡PXIe-4353 支持多達32 路模擬電流輸入,內部采用24 位高速ADC,所有通道的速度高達90 S／s。使用通道0 至通道29 共30 個測量通道測量30 個無線傳感器工作節(jié)點的工作電流,采樣率設置為1 MHz／s。30 個無線傳感器工作節(jié)點通過差分電路接口接入至PXI-4353 板卡,接口連接如圖2 所示。

圖2 PXIe-4353 與無線傳感器節(jié)點的接口連接圖Fig.2 PXIe-4353 interface connection diagram with wireless sensor node

3.3 無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡子系統(tǒng)

無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡子系統(tǒng)主要包括30 個工作節(jié)點與1 個基站節(jié)點。服務器通過下達指令至基站節(jié)點,基站節(jié)點可根據(jù)指令要求決定是否啟動30個工作節(jié)點。在網(wǎng)絡運行中,30 個工作節(jié)點周期性發(fā)包至基站節(jié)點并轉發(fā)到服務器統(tǒng)計網(wǎng)絡性能。

無線傳感器電流監(jiān)測節(jié)點核心為主控芯片和射頻模塊。主控芯片采用STM32F030,包含高性能ARM 32 位RISC 核心,工作頻率為48 MHz,具有高速嵌入式內存。其提供IIC、SPI 和串口通信接口,具有6 個通用16 位定時器和一個高級控制PWM 定時器,可在-40°C～85°C 的溫度范圍內工作。射頻模塊電路采用Silicon Labs 公司的EZ Radio PRO 系列ISM頻段無線芯片NRF24L01,工作頻段為2.4～2.5 GHz,具有126 個頻道和6 個信道,最大輸出功率可以達到20 dBm,最高工作速率為2 Mbps。主控芯片與射頻模塊通過SPI 接口連接,接口原理如圖3 所示。

圖3 單片機與射頻模塊的接口原理圖Fig.3 Schematic diagram of interface between SCM and RF module

4 系統(tǒng)軟件設計

評價系統(tǒng)軟件工作流程如圖4 所示,系統(tǒng)上電后,首先對頻譜儀、工作節(jié)點和基站節(jié)點進行初始化配置。然后,服務器啟動無線傳感器網(wǎng)絡工作,同時啟動頻譜儀對無線傳感器網(wǎng)絡工作節(jié)點的頻譜數(shù)據(jù)、吞吐量和丟包進行采集,啟動電流采集子系統(tǒng)對無線傳感器網(wǎng)絡工作節(jié)點的工作電流進行采集。最后,服務器將電流、頻譜、吞吐量和丟包等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,根據(jù)評價算法對網(wǎng)絡性能狀態(tài)作出相應評價。

圖4 系統(tǒng)軟件總體流程圖Fig.4 Overall flow chart of system software

4.1 參數(shù)配置

參數(shù)配置主要功能是通過服務器對頻譜分析子系統(tǒng)、電流采集子系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡參數(shù)進行配置。無線傳感器網(wǎng)絡參數(shù)主要包括發(fā)包時間、采樣頻率、數(shù)據(jù)包長和網(wǎng)絡個數(shù);頻譜分析子系統(tǒng)參數(shù)主要包括設備地址、工作模式、終止頻率、測量狀態(tài)、起始頻率、掃描時間、平均次數(shù)、采集次數(shù)、輸出格式、連續(xù)測量和觸發(fā)次數(shù)等參數(shù)。服務器配置完成后,開始對無線傳感器節(jié)點的電流信號和頻譜分析子系統(tǒng)的頻譜數(shù)據(jù)進行采集與分析。

4.2 電流測試

在多路電流測試中,服務器通過基站通知30路無線傳感器工作節(jié)點開始工作,然后再通過TCP／IP 協(xié)議依次啟動電流采集子系統(tǒng),采集30 路無線傳感器工作節(jié)點的工作電流,并將電流信號實時顯示。電流采集子系統(tǒng)將電流數(shù)據(jù)通過TCP／IP 協(xié)議傳輸至服務器測評系統(tǒng),服務器對節(jié)點的平均電流及工作能量進行實時顯示。

4.3 頻譜測試

在頻譜分析中,服務器通知頻譜儀采集無線節(jié)點的接收通信頻率,通過對發(fā)送理論通信頻率與接收通信頻率的誤差計算得到在同頻干擾下的收發(fā)頻率誤差,并將該誤差實時顯示到界面并保存至數(shù)據(jù)庫中。

4.4 網(wǎng)絡性能測試

在網(wǎng)絡性能測試中,服務器通過串口讀出熱區(qū)中多信道節(jié)點的發(fā)包數(shù)據(jù),并實時計算、分析和存儲網(wǎng)絡數(shù)據(jù)吞吐量、丟包率、時間同步精度和RSSI 等值。

4.5 系統(tǒng)評價——網(wǎng)絡測試

系統(tǒng)將一個流程中的工作電流、頻率誤差、吞吐量和丟包率等參數(shù)進行綜合歸一化計算。系統(tǒng)軟件將測評得到的典型指標輸入至服務器的BP 智能神經(jīng)網(wǎng)絡算法平臺,根據(jù)系統(tǒng)歸一化計算的參數(shù)對被測無線傳感器系統(tǒng)進行評價,評價結果分為A、B、C、D、E 五個等級。系統(tǒng)評價完成后,可生成評價報告。系統(tǒng)評價界面如圖5 所示。

5 測評系統(tǒng)場景構建及測試

搭建如圖6 所示的測評場景,被測評的無線傳感器網(wǎng)絡包含30 個工作節(jié)點、1 個基站節(jié)點、5 個干擾節(jié)點和5 個誘惑節(jié)點。在運行過程中,干擾節(jié)點與誘惑節(jié)點可對工作節(jié)點與基站之間的通信進行干擾與誘惑。

圖6 測評系統(tǒng)圖Fig.6 Evaluation system diagram

控制無線傳感器網(wǎng)絡的信道個數(shù)、數(shù)據(jù)包長、發(fā)射功率、節(jié)點個數(shù)、干擾節(jié)點數(shù)和誘惑節(jié)點數(shù)等參數(shù),構建如表1 所示的5 個測評場景。系統(tǒng)根據(jù)各測評場景的工作電流、頻率誤差、吞吐量、丟包率、信號強度、抗干擾能力和抗誘惑能力等參數(shù)進行綜合歸一化計算,得到抗毀性、可靠性、能量高效性、安全性和敏捷性指標,根據(jù)歸一化計算的參數(shù)對被測無線傳感器網(wǎng)絡進行評價,最終得到A、B、C、D、E 五個等級的評價結果。

表1 無線傳感器網(wǎng)絡測評結果Tab.1 Wireless sensor network evaluation results

6 結束語

設計了一種無線傳感器網(wǎng)絡評價系統(tǒng),該系統(tǒng)通過頻譜分析子系統(tǒng)、電流采集子系統(tǒng)和無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡子系統(tǒng)對無線傳感器網(wǎng)絡的工作電流特征、網(wǎng)絡丟包、吞吐量特性和頻譜特性進行特征提取,實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡性能的綜合評價。