专利名称：一种传感器网络试验床无线环境模拟系统及其方法
技术领域：
本发明涉及传感器网络，更具体地，本发明涉及传感器网络试验床无线环境模拟 系统及其实现方法。
背景技术：
无线传感器网络的功能测试和性能测量工具是传感器网络科学研究过程和应用 系统构建过程的重要基础。相关的科研成果需要进行可靠性和置信度高的正确性检测和性 能评估；同时，成熟度高的应用系统更需要进行真实程度高、大压力、多事件的可重复性能 评估和测试。随着传感器网络科研和应用开发的深入，稳定、可靠、可信和可扩展性高的无 线传感器网络评估评测系统越发显示出其重要性和需求的迫切性。在传感器网络的科研和 应用开发工作中，性能评估评测系统已经成为阻碍进一步深入工作的技术瓶颈，因此，制备 无线传感器网络的功能测试和性能测量工具需要深入有效地展开。由于无线传感器网络的 发射功率小，系统部署的环境复杂，因此无线传感器网络研究中的无线环境模拟系统及其 实现尤其重要。MoteLab是哈佛大学开发的一种无线传感器网络测试平台，支持包括Web方式在 内的多种用户访问方式，用户可以通过Internet对测试平台的网络进行远程操作，从而进 行网络测试，如 http://motelab. eecs. harvard, edu/index. php 中所述。MoteLab 的系统 结构由两部分组成传感器节点网络和中心服务器。网络中的每个传感器节点为Mica2或 者MicaZ节点，使用IEEE802. 15. 4协议进行通信，同时这些节点又被连接在MIB-600开发 板上通过串口与中心服务器相连，并连接以太网，这样使得节点的数据可以通过无线通信 装置和串口及以太网多种渠道进行传输，从而对网络状态进行测试。另外用户对网络的控 制指令也可以通过以太网发送到节点上，使得在不影响网络应用的情况下对节点实施实时 的控制调整。MoteLab这种支持Web页面的访问方式实现了开放式的平台资源共享，所提 供的多种访问途经使得用户可以更为方便灵活地完成测试任务并对网络进行监控。而且 MoteLab的开发者认为这种Web访问的方式将会成为无线传感器网络平台搭建技术的趋 势。但MoteLab对于测试评估的方法考虑较少，如对能量的测试目前也只是通过在一个节 点上连接万用表测电压的方法实现，精度低可用性不高，另外MoteLab所支持的网络规模 较小，扩展性不强。而且，MoteLab没有考虑无线环境的问题。俄亥俄州立大学开发的Kansei平台是面向多种应用的针对无线传感器网络的测 试平台，如"a high-fidelity sensing testbed. IEEE Internet Computing，2006，10 (2) 35-47”中所述。Kansei平台在设计上充分考虑了对大规模应用环境的支持以及对各种应用 背景的通用化和扩展性的要求，为无线传感器网络测试平台的搭建提供了启发性的思路。 从结构上划分，Kansei平台由静止网络、便携网络和移动网络三部分组成。静止网络是由 210个节点组成的矩形规则阵列，每个节点分为XSM节点和Stargate单板计算机两部分。 XSM节点使用916MHz微波通信(更新的版本使用了 IEEE802. 15. 4协议通信)，是网络测试 和控制的对象。Stargate拥有独立的系统使用IEEE802. Ilb的协议通讯，与以太网相连并可以通过连接器对XSM进行访问和控制，移动网络由5个机器小车组成。行驶于静止网络 节点上面铺设的玻璃板上。移动网络节点可以用于收集反馈信号并向静止网络实时注入数 据，从而配合静止网络完成测试。便携网络中节点数量不定，除了进行数据存储、压缩、传输 和时间同步的管理以外，还根据不同试验的需求选择搭配不同的传感器，用于在实际的应 用环境中进行数据的感应和采集。Kansei平台的三种网络结构为搭建真实反映大规模应用 环境的测试平台提供了可行性的思路。首先，利用部署、回收便利的便携网络可以在实际的 环境条件下进行数据采集，从而更加真实地反映了数据的空间特性和应用特点，而且便携 网络的设计也提高了 Kansei平台面对多种应用的扩展性和灵活性。其次，通过实际节点与 理论模拟相结合的混合模拟方法，有效地解决了测试平台网络节点规模不够大的问题。最 后，移动网络的设计使得Kansei平台可以对移动无线传感器网络应用进行测试评估，网络 结构更加丰富灵活。不过目前Kansei平台还处于开发过程中。如系统访问控制等功能并 没有完全实现，混合模拟方法的效果也有待进一步验证。Kansei平台的便携网络可以方便 地在部署现场的测试研究工作，但需要在实际的部署现场来完成，在实验室环境下没有考 虑无线环境的模拟问题，不便于在实验室进行可信度高的研究和试验工作。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了传感器网络试验床无线环境模拟系统及其实现 方法，用于实现在实验室环境下模拟相应的现场无线环境。根据本发明的一个方面，提出了一种传感器网络试验床无线环境模拟系统，包括 被测网络、无线环境模拟平台和监控平台，所述被测网络包括多种相互异构的节点，无线环 境模拟平台采用软件定义无线电装置，监控平台控制各配置参数及运行和停止；其中，用户根据试验床运行方案设置被测网络中节点的ID、节点运行的节点程序、 节点运行的开始时间和试验床系统运行结束时间；所述监控平台用于根据节点的ID通过 监控信息信道向节点中下载对应的节点程序，用于存储接收到的测试数据，在试验床系统 运行结束时间到达时通过监控信息信道通知被测网络中节点停止运行节点程序；所述节点 用于根据运行的开始时间运行节点程序，在运行中采集测试数据，将采集的测试数据通过 监控信息信道传输到监控平台。根据本发明的另一方面，提出了一种传感器网络试验床系统的测试方法，所述传 感器网络试验床系统包括被测网络和监控平台，所述被测网络包括多种相互异构的节点， 该方法包括步骤10)、用户根据试验床运行方案来设置被测网络中节点的ID、节点运行的节 点程序、节点运行的开始时间和试验床系统运行结束时间；步骤20)、监控平台根据节点的ID通过监控信息信道向节点中下载对应的节点程 序；步骤30)、节点根据运行的开始时间，运行节点程序，在运行中采集测试数据，将采 集的测试数据通过监控信息信道传输到监控平台；步骤40)、在试验床运行的同时，监控平台控制无线环境模拟平台发射背景无线电 信号，模拟各种实际应用场景。该方法，还包括步骤50)、监控平台存储接收到的测试数据；步骤60)、监控平台在试验床系统运行结束时间到达时，通过监控信息信道通知被测网络中节点停止运行节点 程序。本发明通过使用无线环境模拟平台，可以实现在实验室环境下进行各种无线环境 的传感器网络试验和研究；无线环境模拟平台基于软件定义无线电设备，因此可以根据需 要回放录制的不同场景干扰和噪声，也可以通过编程产生定制的无线信号；利用软件定义 无线电设备高度的灵活性，可以在系统运行的同时实时修改无线环境模拟平台配置参数， 变换场景的背景噪声。
图1是根据本发明的传感器网络试验床系统的测试方法流程图；图2是根据本发明的实施例的试验床系统的组成示意图；图3是根据本发明的实施例的试验床系统的测试方法的流程图；图4是根据本发明的实施例的监控平台中的服务器的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种传感器网络试验床无线环境模 拟系统及其实现方法进行详细描述。在本发明的一个实施例中，本发明提供一种传感器网络试验床无线环境模拟系 统，该系统包括被测网络、无线环境模拟平台和监控平台，所述被测网络包括多种相互异构 的节点，用户根据试验床运行方案设置被测网络中节点的ID、节点运行的节点程序、节点运 行的开始时间和试验床系统运行结束时间；无线环境模拟平台采用软件定义无线电装置， 监控平台控制其配置参数及运行和停止；所述监控平台，用于根据节点的ID通过监控信息 信道向节点中下载对应的节点程序；所述监控平台，还用于存储接收到的测试数据，在试验 床系统运行结束时间到达时，通过监控信息信道通知被测网络中节点停止运行节点程序； 所述节点用于根据运行的开始时间，自动运行节点程序，在运行中采集测试数据，将采集的 测试数据通过监控信息信道传输到监控平台。在一个实施例中，监控平台包括服务器和数据库。其中，服务器，用于启动后台守 护进程中平台运行控制进程将用户设置的节点程序根据节点ID通过监控信息信道下载到 相应节点中；用于后台守护进程中测试数据收集进程接收节点传输来的测试数据，根据测 试数据包中包含的项目信息、测试信息将测试数据存储到数据库相应的表中；用于后台守 护进程中平台运行控制进程在试验床系统运行结束时间到达时，通过监控信息信道通知被 测网络中各个节点停止运行节点程序。在一个实施例中，传感器网络节点程序中包括探针程序。在另一个实施例中，节点 在运行中采集数据，将采集的测试数据通过监控信息信道传输到监控平台时进一步用于运 行探针程序，探针程序通过设定的数据采集频率自动采集数据，将采集到的数据通过监控 信息信道应用指定的TCP接口传输到监控平台。图1示出根据本发明的传感器网络试验床系统的测试方法的流程图。传感器网 络试验床系统包括被测网络和监控平台，所述被测网络包括多种相互异构的节点。总的 来说，该测试方法包括用户根据试验床运行方案来设置被测网络中节点的ID、节点运行的节点程序、节点运行的开始时间和试验床系统运行结束时间(S100)；监控平台根据节点的 ID通过监控信息信道向节点中下载对应的节点程序(S200)；节点根据运行的开始时间，运 行节点程序，在运行中采集测试数据，将采集的测试数据通过监控信息信道传输到监控平 台(S300)；在试验床运行的同时，监控平台控制无线环境模拟平台发射背景无线电信号， 模拟各种实际应用场景(S400)。进一步，该方法还包括监控平台存储接收到的测试数据 (S500)；监控平台在试验床系统运行结束时间到达时，通过监控信息信道通知被测网络中 节点停止运行节点程序(S600)。在一个实施例中，步骤S200进一步包括在服务器中的后台守护进程中平台运行 控制进程将用户设置的节点程序根据节点ID通过监控信息信道下载到相应节点中。在一个实施例中，步骤S300中，节点程序包括探针程序。在步骤S300中，节点中 的探针程序在运行中采集数据，将采集的测试数据通过监控信息信道传输到监控平台进一 步包括节点运行探针程序，探针程序通过设定的数据采集频率自动采集数据，将采集到的 数据通过监控信息信道应用指定的TCP接口传输到监控平台。在一个实施例中，在步骤S400中，无线环境模拟平台包括软件定义无线电装置。 在步骤S400中，无线环境模拟平台可以通过两种方式产生无线信号，这些信号用来模拟传 感器网络试验床的无线环境，使之更接近真实的应用环境。无线信号产生方式的一种为通 过软件定义无线电装置录制不同场景的干扰和噪声，然后试验床运行时将这些真实信号回 放出去；另外一种是软件定义无线电装置通过编程产生定制的无线信号，这些信号构成试 验床背景无线环境。在又一个实施例中，步骤S400进一步包括无线环境模拟平台根据监控平台发来 的配置参数设置软件定义无线电装置(S410)；无线环境模拟平台根据监控平台的指令开 始发射无线电背景噪声，形成无线背景环境(S420)；无线环境模拟平台可以根据监控平台 的指令和配置参数变换其它形式的无线电背景噪声(S430)；无线环境模拟平台根据监控 平台的指令停止发送无线电背景噪声(S440)。在一个实施例中，在步骤S500中，监控平台包括服务器和数据库。在另一个实施 例中，步骤S500进一步包括服务器中的后台守护进程中测试数据收集进程自动收集接收 节点传输来的测试数据，根据测试数据包中包含的项目信息、测试信息将测试数据存储到 数据库相应的表中。在一个实施例中，步骤S600进一步包括服务器中的后台守护进程中平台运行控 制进程在试验床运行结束时间到达时，通知被测网络中各个节点停止运行节点程序。图2示出根据本发明的系统的一个具体例子，在该例子中，测试床系统包括三个 部分分别为包含多种异构节点、无线环境模拟平台和监控平台。被测网络包括高速无 线传感器网络节点、中低速传感器网络节点、多功能网关、无线笔记本计算机、台式计算 机服务器、无线路由器、网络交换机和路由器等构成。其中，高速无线传感器网络节点包 括高性能嵌入式CPU和WiFi模块构成，中低速传感器网络节包括自定义协议芯片节点、 IEEE802.15.4协议节点、蓝牙节点。节点之间按照被测试的组网协议进行组网。无线环境 模拟平台基于软件定义无线电装置，由监控平台配置参数并控制其运行或停止。监控平台 通过以太网连接到被测网络中的设备，控制操作网络运行并获得测试数据，数据库存储数 据和事件日志。
图3示出根据本发明的实施例的试验床系统的测试方法的示例流程图。步骤S301，用户根据试验床运行方案设置被测网络中节点的ID、节点运行的节点 程序、节点运行的开始时间和试验床系统运行结束时间。试验床系统使用开始，此时用户账户已经在试验床监控平台建好，用户已经准备 好试验床运行的方案和相关的节点程序。如果此时用户账户没有建好，用户可以向监控平 台管理员申请建立相应账户，设置用户的权限以及有效期等账户相关属性。管理员根据用 户的设置，通过网页的方式设定此用户相应权限，此权限存储在数据库中的权限表中。用户通过浏览器登录到试验床系统中，系统将按照监控平台管理员设置的此用户 相关权限进行操作。用户创建一个试验床项目，设置项目名称、此项目包含的用户、项目说明、用到的 节点类型等信息。用户对试验床节点进行配置。按照试验床运行方案，用户设置选择试验床节点，并 设置节点ID号、是否分簇等信息。用户根据试验床运行的需要，设置相关的节点程序。根据节点类型和使用角色的 不同设置不同的节点程序。用户设置各个节点或各种类型节点的运行开始时间和试验床系统结束时间。根据 节点类型不同和角色的不同，分批设定开始时间，或者单个节点独立设定开始时间。步骤S302，根据用户的设定，服务器中的后台守护进程中平台运行控制进程将用 户设定好的程序根据节点编号下载到相应节点中，并通过检验码保证程序下载的正确性。步骤S303，各个节点根据开始运行的时间，由硬件控制自动开始运行。根据用户的设置，每个节点内的吞吐量探针程序开始运行，探针程序通过设定的 数据采集频率自动采集吞吐量数据，然后探针程序将采集到的数据通过TCP接口传输到后 台的服务器。步骤S304，在试验床运行的同时，监控平台控制无线环境模拟平台发射事先录制 好的工厂环境背景无线电信号，模拟工厂环境实际应用场景。步骤S305，服务器后台守护进程测试数据收集进程自动收集接收探针程序传输来 的吞吐量数据，根据数据包中包含的项目信息、吞吐量测试信息将数据存储到数据库相应 的表中。步骤S306，结束时间到达时，系统通过服务器中的后台守护进程中平台运行控制 进程停止各个传感器网络节点的程序运行，同时停止无线环境模拟平台的运行。用户根据权限设置数据库表的参数查看结果数据，通过可以通过FTP的方式将结 果数据下载到用户本地。监控系统询问用户是否进行下一个项目，如果进行下一个项目，否则试验床系统 运行结束，用户退出系统。监控平台包括服务器和数据库。服务器由两个主要部分组成，如图4所示。一个 是试验床操作控制和收集监控数据信息的后台守护进程。另外一个是面向试验床用户界面 的Web服务器。两部分都基于Linux平台，Web服务器由Apache和PHP构建，数据库服务 器采用PostgreSQL，所有平台都遵循GNU标准。Web服务器部分包括用户登录、项目管理、测试管理、数据查看、数据下载和用户管理功能。用户登录管理用户登录操作，用户填写登录名称和密码后，系统根据用户具有的权 限，显示相应的菜单项。如果是系统管理员，则具有管理用户的权限。项目管理主要管理项 目基本信息，包括项目名称、项目说明，此项目所属相关测试的负责人等。测试管理负责测 试基本信息，包括测试名称、所属项目、测试说明以及测试的负责人，同时当测试负责人进 入测试管理时，可以配置测试数据的帧结构、此测试选定的试验床被测节点、程序、测试的 开始时间、结束时间。数据查看可以显示项目下某个测试的结果数据，测试的结果数据以表 格的形式显示。用户可以通过数据下载模块将获得的测试数据下载到用户本地。后台守护进程包括平台运行控制和测试数据收集两个部分。平台运行控制守护进 程控制平台的运行，按一定间隔定时查询数据库中的测试参数表，判断是否有即将进行的 测试，如果有就将程序下载到指定的节点中，在测试运行开始的时刻，发出指令让试验床运 行，测试完成时发出指令让试验床停止。测试数据收集守护进程收集试验床发回的测试数 据，根据其所属的项目和测试，将数据存到测试数据结果表中。最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法 进行限制，本发明在应用上可以延伸为一个或者多个实施例的组合。
权利要求
一种传感器网络试验床无线环境模拟系统，包括被测网络、无线环境模拟平台和监控平台，所述被测网络包括多种相互异构的节点，无线环境模拟平台采用软件定义无线电装置，监控平台控制各配置参数及运行和停止；其中，用户根据试验床运行方案设置被测网络中节点的ID、节点运行的节点程序、节点运行的开始时间和试验床系统运行结束时间；所述监控平台用于根据节点的ID通过监控信息信道向节点中下载对应的节点程序，用于存储接收到的测试数据，在试验床系统运行结束时间到达时通过监控信息信道通知被测网络中节点停止运行节点程序；所述节点用于根据运行的开始时间运行节点程序，在运行中采集测试数据，将采集的测试数据通过监控信息信道传输到监控平台。
2.权利要求1的系统，其中，所述监控平台包括服务器和数据库；所述服务器用于启动 后台守护进程中平台运行控制进程将用户设置的节点程序根据节点ID通过监控信息信道 下载到相应节点中。
3.权利要求2的系统，其中，所述服务器用于在后台守护进程中测试数据收集进程接 收节点传输来的测试数据，根据测试数据包中包含的项目信息、测试信息将测试数据存储 到数据库相应的表中，并且用于在后台守护进程中平台运行控制进程在试验床系统运行结 束时间到达时通过监控信息信道通知被测网络中各个节点停止运行节点程序。
4.权利要求1的系统，其中，所述节点程序包括探针程序。
5.权利要求4的系统，其中，所述节点运行探针程序来通过设定的数据采集频率自动 采集数据，将采集到的数据通过监控信息信道应用指定的TCP接口传输到监控平台。
6.权利要求1的系统，其中，所述被测网络包括以下一个或者多个高速无线传感器网 络节点、中低速传感器网络节点、多功能网关、无线笔记本计算机、台式计算机服务器、无线 路由器、网络交换机和路由器。
7.一种传感器网络试验床系统的测试方法，所述传感器网络试验床系统包括被测网络 和监控平台，所述被测网络包括多种相互异构的节点，该方法包括步骤10)、用户根据试验床运行方案来设置被测网络中节点的ID、节点运行的节点程 序、节点运行的开始时间和试验床系统运行结束时间；步骤20)、监控平台根据节点的ID通过监控信息信道向节点中下载对应的节点程序；步骤30)、节点根据运行的开始时间，运行节点程序，在运行中采集测试数据，将采集的 测试数据通过监控信息信道传输到监控平台；步骤40)、在试验床运行的同时，监控平台控制无线环境模拟平台发射背景无线电信 号，模拟各种实际应用场景。
8.权利要求7的方法，还包括步骤50)、监控平台存储接收到的测试数据；步骤60)、监控平台在试验床系统运行结束时间到达时，通过监控信息信道通知被测网 络中节点停止运行节点程序。
9.权利要求7的方法，其中，所述步骤20)还包括在服务器中的后台守护进程中平台 运行控制进程将用户设置的节点程序根据节点ID通过监控信息信道下载到相应节点中。
10.权利要求7的方法，其中，所述步骤30)中，节点程序包括探针程序，节点运行探针 程序，探针程序通过设定的数据采集频率自动采集数据，将采集到的数据通过监控信息信道应用指定的TCP接口传输到监控平台。
11.权利要求7的方法，其中，在步骤40)中，包括软件定义无线电装置的无线环境模拟 平台产生无线信号的方式包括通过软件定义无线电装置录制不同场景的干扰和噪声，试 验床运行时将这些真实信号回放出去；或者软件定义无线电装置通过编程产生定制的无线 信号，构成试验床背景无线环境。
12.权利要求7的方法，其中，步骤40)还包括步骤410)、无线环境模拟平台根据监控平台发来的配置参数设置软件定义无线电装置；步骤420)、无线环境模拟平台根据监控平台的指令开始发射无线电背景噪声，形成无 线背景环境；步骤430)、无线环境模拟平台可以根据监控平台的指令和配置参数变换其它形式的无 线电背景噪声；步骤440)、无线环境模拟平台根据监控平台的指令停止发送无线电背景噪声。
13.权利要求8的方法，其中，在步骤50)中，监控平台包括服务器和数据库，其中服务 器中的后台守护进程中测试数据收集进程自动收集接收节点传输来的测试数据，根据测试 数据包中包含的项目信息、测试信息将测试数据存储到数据库相应的表中。
14.权利要求8的方法，其中，步骤60)还包括在试验床运行结束时间到达时，服务器 中的后台守护进程中平台运行控制进程通知被测网络中各个节点停止运行节点程序。
全文摘要
本发明提供一种传感器网络试验床无线环境模拟系统和测试方法，该系统包括被测网络、无线环境模拟平台和监控平台，被测网络包括多种相互异构的节点，无线环境模拟平台采用软件定义无线电装置，监控平台控制各配置参数及运行和停止。本发明可以实现在实验室环境下进行各种无线环境的传感器网络试验和研究；利用软件定义无线电设备高度的灵活性，可以在系统运行的同时实时修改无线环境模拟平台配置参数，变换场景的背景噪声。
文档编号H04W84/18GK101977398SQ20101029127
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月25日 优先权日2010年9月25日
发明者刘强, 崔莉, 李栋, 赵泽, 陈海明 申请人:中国科学院计算技术研究所