幾種WSN系統(tǒng)科研測試實(shí)驗(yàn)平臺

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)測試實(shí)驗(yàn)平臺引言傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真與實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與開發(fā)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)研究方法主要有分析方法、實(shí)驗(yàn)方法和仿真方法。對于一般的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通常采用實(shí)驗(yàn)方法和仿真方法來衡量一個(gè)新協(xié)議或新算法的適用性，但是，對于電源能量、通信能力、計(jì)算能力和存儲能力有限，以數(shù)據(jù)為中心，節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大，節(jié)點(diǎn)布署密集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，由于實(shí)驗(yàn)空間和節(jié)點(diǎn)規(guī)模的限制，因此，仿真實(shí)驗(yàn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重要途徑。目前發(fā)表的有關(guān)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的論文，大部分也都是基于仿真實(shí)驗(yàn)。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真與實(shí)驗(yàn)平臺的建立方法主要包括以下幾種。1.1 通用網(wǎng)絡(luò)仿真平臺的二次開發(fā)這種仿真平臺的建

2、立方法就是在傳統(tǒng)的通用網(wǎng)絡(luò)仿真平臺上開發(fā)適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的模型庫、功能庫和統(tǒng)計(jì)分析工具。下面介紹幾種常用的開源通用網(wǎng)絡(luò)仿真平臺。1. NS-2傳感器節(jié)點(diǎn)傳感器功能模塊應(yīng)用程序Sensorware中間件網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層MAC層物理層傳感器協(xié)議棧傳感器層物理層無線信道傳感信道能量模塊CPU模塊無線模塊檢波器模塊麥克風(fēng)模塊電源模塊 SensorSim傳感器節(jié)點(diǎn)模型NS-2（network simulator version 2）是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中最流行的仿真工具，是一個(gè)開源的離散事件仿真器，采用模塊化方法實(shí)現(xiàn)。用戶可以通過“繼承”來開發(fā)自己的模塊，具有很好的可擴(kuò)展性，既能夠?qū)Ψ抡婺Ｐ蛿U(kuò)展，也能夠

3、直接創(chuàng)建和使用新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。NS-2通過C+與OTcl結(jié)合實(shí)現(xiàn)仿真，其中：C+實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及擴(kuò)展NS-2模型庫；而OTcl則用于創(chuàng)建和控制仿真環(huán)境，選擇輸出數(shù)據(jù)等?；贜S-2開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，主要是對其中的Ad Hoc仿真工具加以改進(jìn)并添加相關(guān)仿真支持組件來實(shí)現(xiàn)的，包括：傳感信道、傳感器模型、電池模型、針對無線傳感器的輕量級協(xié)議棧、混合仿真以及仿真場景生成等。SensorSim1就是在NS-2基礎(chǔ)上建立的仿真平臺，主要是在NS-2基礎(chǔ)上建立了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)模型庫。圖10.1所示是SensorSim平臺的傳感器節(jié)點(diǎn)模型，包括兩個(gè)模塊：傳感器功能模塊和能量模塊。其中，傳感器功能模

4、塊是對傳感器所有功能模塊的軟件抽象；而能量模塊則是實(shí)際硬件抽象。通過Sensorware中間件，SensorSim提供了混合仿真特性，能夠與實(shí)際傳感器節(jié)點(diǎn)交互。2. OMNeT+Castalia組成模塊及其連接方式傳感器節(jié)點(diǎn)1物理過程 n物理過程 1無線信道 n無線信道 1傳感器節(jié)點(diǎn)nOMNeT+(objective modular network test-bed in C+)是一個(gè)開源的面向?qū)ο箅x散事件仿真器，適用于通信網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)的仿真。OMNeT+由多層嵌套模塊構(gòu)成，分為簡單模塊和復(fù)合模塊。其中，簡單模塊定義通信協(xié)議算法，并構(gòu)成底層基礎(chǔ)；而復(fù)合模塊則由多個(gè)簡單模塊組成，各簡單模塊之

5、間通過消息交互。頂層模塊稱為系統(tǒng)模塊或網(wǎng)絡(luò)，有一個(gè)或多個(gè)子模塊組成，而每個(gè)子模塊又可以嵌套子模塊，且嵌套深度無限制。SensorSimlutor、Castalia以及歐洲項(xiàng)目EYES2等就是在OMNeT+基礎(chǔ)上開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真平臺。以Castalia為例，其結(jié)構(gòu)如圖10.2所示。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)模塊式一個(gè)OMNeT+復(fù)合模塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10.3所示，由OMNeT+ NED語言加以定義。3. GloMoSimGloMoSim(globe mobile information systems simulation library)3是針對移動無線網(wǎng)絡(luò)而開發(fā)的,具有以下3個(gè)特點(diǎn)。（1）

6、并行仿真：GloMoSim采用ParseC(C語言擴(kuò)展，支持并行編程)語言實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)并行仿真。通信復(fù)合模塊傳感設(shè)備管理器應(yīng)用程序物理過程網(wǎng)絡(luò)層(路由)MAC層物理層無線信道資源管理器電池CPU狀態(tài)時(shí)間內(nèi)存Castalia傳感器節(jié)點(diǎn)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)（2）可擴(kuò)展性：GloMoSim庫中所有協(xié)議均以模塊的形式存在，采用分層結(jié)構(gòu)，每層使用不同的協(xié)議集合且有一個(gè)與相鄰層通信的API。（3）面向?qū)ο螅篏loMoSim采用面向?qū)ο蠓椒▽?shí)現(xiàn)，將節(jié)點(diǎn)劃分為多個(gè)對象，分別負(fù)責(zé)協(xié)議棧中的一層，從而減輕了大型網(wǎng)絡(luò)的開銷。但是，GloMoSim所仿真的網(wǎng)絡(luò)類型有限，主要用于仿真IP網(wǎng)絡(luò)，不支持仿真環(huán)境之外的外部環(huán)境事件

7、，所有時(shí)間均必須有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生。Qualnet是GloMoSim的商業(yè)版本，對GloMoSim進(jìn)行了諸多擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了許多針對有線和無線網(wǎng)絡(luò)，包括：局域網(wǎng)、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)等的模型和協(xié)議集合，包括標(biāo)準(zhǔn)庫、MANNET和QoS庫等三個(gè)庫，具有場景設(shè)計(jì)器、動畫生成器、協(xié)議設(shè)計(jì)器、分析器和包跟蹤器等五個(gè)GUI工具，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的理想仿真平臺。4. J-SimJ-Sim4是采用Java語言實(shí)現(xiàn)的通用仿真器，使用了基于組件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，具有增強(qiáng)的能量模型，能夠仿真?zhèn)鞲衅鋵Νh(huán)境的檢測。J-Sim既可以仿真應(yīng)用程序，又可以連接到實(shí)際的硬件，實(shí)現(xiàn)硬件在回路仿真。1.2專用無線傳感

8、器網(wǎng)絡(luò)仿真平臺1. TOSSIMTOSSIM是為運(yùn)行于MICA系列傳感器節(jié)點(diǎn)的TinyOS應(yīng)用程序而設(shè)計(jì)的仿真工具，與TinyOS一起發(fā)行，包括交互的可視化仿真圖形界面TinyViz(TinyOS Visualizer)。TOSSIM建立了MICA系列傳感器節(jié)點(diǎn)的底層抽象，可以進(jìn)行比特級仿真6。TOSSIM結(jié)構(gòu)如圖10.5所示，由各種組件構(gòu)成，支持編譯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D、離散事件隊(duì)列、被模擬的硬件、通信基礎(chǔ)設(shè)施，允許仿真器與外部程序通信。TOSSIM集成了一個(gè)電源模型PowerTOSSIM，可以對TinyOS應(yīng)用程序所消耗的電能進(jìn)行建模，其中包括了MICA2傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗的詳細(xì)模型。但是，TOSS

9、IM僅僅考慮了傳感器數(shù)據(jù)采集硬件的仿真，而沒有實(shí)現(xiàn)對環(huán)境觸發(fā)的反應(yīng)的仿真。2. ATEMUATEMU7彌補(bǔ)了TOSSIM的不足，其運(yùn)行的代碼仍然是與MICA2平臺兼容的二進(jìn)制代碼，但是，ATEMU實(shí)現(xiàn)了對MICA所使用的AVR處理器仿真，為研究者提供了精確的仿真模型，并采用逐個(gè)周期策略來運(yùn)行應(yīng)用程序代碼，較之TOSSIM更為精確，是最準(zhǔn)確的傳感器仿真器之一。不過，仿真速度和規(guī)模有所降低，最多能夠仿真120個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。設(shè)備模塊庫XATDBAVR仿真器LEDRadioADCTimersSPIXML配置文件ATEMU結(jié)構(gòu)ATEMU使用了XML文件對所仿真?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層配置，其中，頂層定義網(wǎng)絡(luò)特

10、性，其余下層定義各節(jié)點(diǎn)特性，其結(jié)構(gòu)如圖10.6所示，其中，XTADB圖形用戶界面用于調(diào)試和觀察代碼的執(zhí)行，并允許設(shè)置斷點(diǎn)、單步調(diào)試和其他調(diào)試功能。3. EmStarEmStar8是在Linux系統(tǒng)上開發(fā)的異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真分析系統(tǒng)，具有從純粹的仿真到實(shí)際部署等多種運(yùn)行環(huán)境，而且每種環(huán)境均使用相同的代碼和配置文件，從而縮短了開發(fā)周期。在仿真時(shí)，EmStar提供了與實(shí)際硬件接口的選項(xiàng)。EmStar提供了一系列相關(guān)工具，其中，EmSim/EmCee用于實(shí)現(xiàn)仿真，可以選擇仿真精確度，從而支持不同精度級別的透明仿真，加快了開發(fā)和調(diào)試過程。EmSim提供了模擬無線收發(fā)器和傳感信道的簡單仿真環(huán)境，可以并行

11、地運(yùn)行許多傳感器節(jié)點(diǎn)；EmCee運(yùn)行EmStar內(nèi)核，并提供了一個(gè)與實(shí)際低功耗無線收發(fā)器的接口。EmStar仿真模型是基于組件的離散事件仿真模型。但是，EmStar所仿真的環(huán)境模型和網(wǎng)絡(luò)媒介較簡單，所能仿真的傳感器節(jié)點(diǎn)類型亦有限。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)床仿真是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重要手段，然而，仿真通常限于特定問題的研究，而無法獲取傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)以及無線通信等詳細(xì)的實(shí)際運(yùn)行信息；而且，由于無線通信和節(jié)點(diǎn)物理層的建模的復(fù)雜性，簡單的仿真模型極大地影響了仿真結(jié)果的可信度。這一現(xiàn)狀得到了傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究人員和機(jī)構(gòu)的高度重視，并開始著手研發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)平臺，或稱實(shí)驗(yàn)床。通過實(shí)驗(yàn)床，獲取傳感器網(wǎng)絡(luò)

12、實(shí)際運(yùn)行信息，真正研究資源限制、通信損失以及能量限制等關(guān)鍵問題及其解決策略，簡化傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署和調(diào)試等難題。在國外，目前已有的實(shí)驗(yàn)床主要有：MotLab、Kansei、Mirage、ORBIT、SCALE、WHYNET、ExScal、SCADDS、ENL、GNOMES、TWIST、TrueMobile以及IBM無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試床等9-14。MoteLab11是Harvard大學(xué)開發(fā)的一種基于永久散布的Crossbow傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)平臺。平臺通過Web中央處理器和用戶交互，具有傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄、節(jié)點(diǎn)編程、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和平臺管理等功能。該平臺最初只有26個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。但是目前

13、該平臺已經(jīng)在麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校和哈佛大學(xué)安裝，其節(jié)點(diǎn)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到數(shù)百個(gè)。其結(jié)構(gòu)如圖10.7所示。 MoteLab 實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)Kansei15是美國俄亥俄州立大學(xué)正在開發(fā)的，采用Crossbow公司的XSM和Stargate節(jié)點(diǎn)組成異構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺，可以完成各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)。Kansei和MotLab相似，但是數(shù)據(jù)采集與記錄在Stargate節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)。TWIST是德國開發(fā)的一款針對室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺。它建立在EYES項(xiàng)目的基礎(chǔ)之上，可以檢驗(yàn)不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?gòu)，具有良好的擴(kuò)展性和可重構(gòu)性7。TrueMobile8是一個(gè)基于Emulab的移動機(jī)器人-傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平

14、臺，其軟件結(jié)構(gòu)如圖10.8所示。網(wǎng)絡(luò)仿真測試軟件Emulab16是由美國猶它州大學(xué)Flux研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)，提供全美約3500個(gè)研究實(shí)驗(yàn)使用。TrueMobile擴(kuò)展了Emulab，為其事件系統(tǒng)開發(fā)接口，通過truemobile 機(jī)器人的后端，可以把移動機(jī)器人的位置數(shù)據(jù)和測距數(shù)據(jù)發(fā)送給Emulab，同時(shí)也可以把用戶對移動機(jī)器人的操作，以事件的形式發(fā)送到機(jī)器人或者傳感器節(jié)點(diǎn)上。TrueMobile通過移動機(jī)器人的視覺定位跟蹤和空間無線信號強(qiáng)度分布實(shí)例展示了其測試平臺的使用。大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺對網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度與管理都很欠缺，一般是將整個(gè)傳感器資源整體分配給一個(gè)應(yīng)用用戶。伯克利Intel研究院推出的Mir

15、age系統(tǒng)在資源管理和調(diào)度方面做了出色的工作。該系統(tǒng)將148個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)看作普適計(jì)算資源，采用微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)的思想來為分配網(wǎng)絡(luò)資源，通過拍賣的方式將傳感器網(wǎng)絡(luò)分派給多個(gè)用戶17。 TrueMobile 實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)MiNT是在Stony Brook University（石溪大學(xué)）開發(fā)的一款基于多跳802.11協(xié)議的縮微移動網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺。該平臺在一個(gè)8英尺6英尺的桌面上安裝有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過衰減信號強(qiáng)度獲得節(jié)點(diǎn)間的多跳(3-4跳)傳輸，移動裝置采用LEGO風(fēng)暴小型機(jī)器人18。2005年美國成立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺工作小組，小組成員分別來自哈佛大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校 、麻省理工學(xué)院、伯克利Intel

16、研究院、俄亥俄州立大學(xué)和肯特州立大學(xué)等具有大型傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺的機(jī)構(gòu)。以上這些傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺的研究和運(yùn)行過程表明，研究人員和機(jī)構(gòu)對實(shí)驗(yàn)平臺的需求增長很快，而傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)正朝著實(shí)物節(jié)點(diǎn)和仿真分析系統(tǒng)結(jié)合的方向發(fā)展。1.4綜合型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)仿真平臺可包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真平臺、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)驗(yàn)床等多種科研功能，代表產(chǎn)品有WISNAP系統(tǒng)，WISNAP針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)和教學(xué)，主要具有如下特點(diǎn)和功能測試功能WISNAP系統(tǒng)這通過實(shí)地部署，實(shí)時(shí)動態(tài)地對整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，獲得諸如網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通訊拓?fù)洹?shù)據(jù)包收發(fā)數(shù)量、節(jié)點(diǎn)內(nèi)部程序變量信息、丟包、時(shí)延以及節(jié)點(diǎn)能耗監(jiān)

17、測等，并通過強(qiáng)大的自定義分析語句，幫助研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)問題。測試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)捕捉與采集往往無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模比較龐大并具有無線通信的不確定性，以及匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力有限，很難掌握網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的無線通訊數(shù)據(jù)。WISNAP系統(tǒng)提供了豐富的傳感器節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)接口方式，使用戶在對測試程序影響最小的前提下，對傳感器節(jié)點(diǎn)的通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的捕捉與采集，同時(shí)通過串口發(fā)送或者打印方式對節(jié)點(diǎn)程序內(nèi)部信息進(jìn)行采集。所采集的數(shù)據(jù)通過SNAPGATE轉(zhuǎn)發(fā)至SNAPWare。測試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)捕捉與采集傳感器節(jié)點(diǎn)通訊拓?fù)涞纳鷦永L制WISNAP系統(tǒng)根據(jù)所采集的通訊數(shù)據(jù)，繪制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通訊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用者可以實(shí)時(shí)觀察網(wǎng)絡(luò)通訊拓

18、撲的變化，同時(shí)也可以對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊拓?fù)溥M(jìn)行統(tǒng)計(jì)觀測。下圖顯示在一個(gè)樹形路由行程過程，通過觀察通訊拓?fù)涞膭討B(tài)變化，可以直觀的了解到路由協(xié)議從組網(wǎng)到形成路徑的整個(gè)過程。傳感器節(jié)點(diǎn)通訊拓?fù)涞纳鷦永L制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量損耗的監(jiān)測*WISNAP系統(tǒng)通過特別定制的能耗采集板SNAP-EMB，可以實(shí)時(shí)采集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗情況，并將能耗數(shù)據(jù)上傳到用戶控制端，從而使研究人員實(shí)時(shí)，真實(shí)地掌握每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗情況，從整體角度全方位評估相關(guān)技術(shù)算法的能量開銷，設(shè)計(jì)更加節(jié)能高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量損耗的監(jiān)測方便快捷的歷史數(shù)據(jù)存儲和實(shí)時(shí)回放*不僅僅能實(shí)時(shí)觀測采樣數(shù)據(jù)，WISNAP

19、系統(tǒng)使用輕量級數(shù)據(jù)庫方式對采集的節(jié)點(diǎn)測試數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等信息進(jìn)行保存。使用者可以通過已保存的數(shù)據(jù)庫文件對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)查看或者實(shí)時(shí)回放。方便快捷的歷史數(shù)據(jù)存儲和實(shí)時(shí)回放采用豐富的分析語句對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶自定義分析WISNAP系統(tǒng)提供一種“類SQL”語句，對實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)或者歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和自定義分析，進(jìn)行數(shù)據(jù)直觀呈現(xiàn)，方便使用者對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。采用豐富的分析語句對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶自定義分析系統(tǒng)控制功能傳感器節(jié)點(diǎn)端程序的遠(yuǎn)程批量更新WISNAP系統(tǒng)通過上傳編譯好的可下載文件的方式，對系統(tǒng)中所有的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行程序的遠(yuǎn)程單個(gè)或者批量更新，并根據(jù)用戶需求設(shè)置節(jié)點(diǎn)ID。同時(shí)，WISNAP系統(tǒng)支持節(jié)點(diǎn)程序復(fù)位，可控制對節(jié)