无线传感器网络性能评价系统设计

卢 超 王阔传 周铭锐 薛凯冰 徐 辉 孙富韬

(1.北京航天计量测试技术研究所,北京 100076;2.中国运载火箭技术研究院,北京 100076)

1 引言

随着无线传感器网络在众多领域的广泛应用,对无线传感器网络性能的评价研究也在不断开展。王灿采用了网络抗毁性评价方法,提出了介数熵抗毁性测度模型[1];栾健从网络层、抗毁性、监测性能和定位技术等方面归纳了无线传感器网络性能评价的各项指标[2];芮立提出了一种基于多因子分析的无线传感器网络可靠性评估模型[3];陈孝如研究了无线传感器网络的控制协议,提出了网络覆盖性能的评价方法[4];蒋文贤提出了一种能效模型的量化评价方法,对无线传感器网络服务质量和能量有效性进行评价[5];王建国基于ZigBee 协议对无线传感器网络服务质量开展研究[6];王晓东和党月芳研究了无线传感器网络频谱检测技术[7,8];宋婷婷提出了一种以低功耗为目标的频谱分配策略[9]。这些研究仅关注到了网络性能、频谱和功耗的某一方面,目前还未有集成三种以上特性的综合评价方法。因此设计了一种无线传感器网络的评价系统,能够从网络性能、频谱和功耗等多个维度对网络进行评价。

2 系统总体设计

为全面评估无线传感器网络的综合性能,建立涵盖网络性能、频谱和功耗等多个指标的评估模型,设计了能够同时获取无线传感器网络无线数据包、频谱和电流等数据的评价系统,如图1 所示。该系统由频谱分析子系统、电流采集子系统、无线传感器监测网络子系统和服务器组成。频谱分析子系统用于监测网络空中频谱特性;电流采集子系统实现30 路工作节点工作电流的实时采集;无线传感器监测网络子系统由30 个工作节点和1 个基站节点组成,基站节点与工作节点组成星状传感网络,由基站节点负责接收工作节点的无线数据包并转发至服务器;服务器汇总3 个子系统的数据,利用无线数据包、频谱数据和电流数据进行网络性能综合评价。

图1 评价系统设计架构图Fig.1 Architecture diagram of evaluation system design

3 系统硬件设计

3.1 频谱分析子系统

频谱分析子系统用于监测网络空中频谱特性,而频谱仪是研究信号频谱结构的重要仪器,在选择频谱仪时需要重点关注频率范围、测量范围和分析谱宽等指标。无线传感器网络的工作频率主要集中在433 MHz、868 MHz、915 MHz 和2.4 GHz 几个频段,发射功率一般不超过20 dBm,接收灵敏度一般大于-120 dBm。

系统采用RIGOL 系列频谱仪对无线传感器网络的空中频谱信号失真度、调制度、频率稳定度和交调失真等信号参数进行测量,该频谱仪频率范围为9 kHz～6.5 GHz,测量范围为-165 dBm～30 dBm,分析带宽为1 Hz～10 MHz,可以覆盖无线传感器网络空中信号的频率和功率范围。同时,其内部采用数字电路和微处理器,具有存储和运算功能,配置标准接口,可通过总线数据线实现服务器的交互控制和数据传输,可以满足系统对无线传感器空中频谱特性监测的需求。

系统启动后,通过服务器下发控制指令至频谱仪,设置频谱仪的工作模式、光谱测量状态、起始频率、终止频率、平均次数、有效触发后的采集次数和扫描时间等参数,频谱仪采用主动上传的方式将数据传至服务器。

3.2 电流采集子系统

无线传感器网络的特点决定了能量效率是评价其性能的重要指标。无线传感器有多种工作模式,在各种模式下分时进行数据采集和射频收发等操作,在不同操作下,工作电流也不同:在休眠时,电流可能低至微安级别;射频发送时,电流可能达到几十毫安。因此,需要电流采集子系统有足够高的分辨率和采样率。

电流采集子系统采用NI 公司（美国国家仪器有限公司）的PXIe-1082 机箱和PXIe-4353 采集卡。PXIe-1082 机箱通过网口TCP 协议与服务器进行通信,以实现通过PXIe-4353 采集卡对无线传感器节点工作电流的数据采集。采集板卡PXIe-4353 支持多达32 路模拟电流输入,内部采用24 位高速ADC,所有通道的速度高达90 S／s。使用通道0 至通道29 共30 个测量通道测量30 个无线传感器工作节点的工作电流,采样率设置为1 MHz／s。30 个无线传感器工作节点通过差分电路接口接入至PXI-4353 板卡,接口连接如图2 所示。

图2 PXIe-4353 与无线传感器节点的接口连接图Fig.2 PXIe-4353 interface connection diagram with wireless sensor node

3.3 无线传感器监测网络子系统

无线传感器监测网络子系统主要包括30 个工作节点与1 个基站节点。服务器通过下达指令至基站节点,基站节点可根据指令要求决定是否启动30个工作节点。在网络运行中,30 个工作节点周期性发包至基站节点并转发到服务器统计网络性能。

无线传感器电流监测节点核心为主控芯片和射频模块。主控芯片采用STM32F030,包含高性能ARM 32 位RISC 核心,工作频率为48 MHz,具有高速嵌入式内存。其提供IIC、SPI 和串口通信接口,具有6 个通用16 位定时器和一个高级控制PWM 定时器,可在-40°C～85°C 的温度范围内工作。射频模块电路采用Silicon Labs 公司的EZ Radio PRO 系列ISM频段无线芯片NRF24L01,工作频段为2.4～2.5 GHz,具有126 个频道和6 个信道,最大输出功率可以达到20 dBm,最高工作速率为2 Mbps。主控芯片与射频模块通过SPI 接口连接,接口原理如图3 所示。

图3 单片机与射频模块的接口原理图Fig.3 Schematic diagram of interface between SCM and RF module

4 系统软件设计

评价系统软件工作流程如图4 所示,系统上电后,首先对频谱仪、工作节点和基站节点进行初始化配置。然后,服务器启动无线传感器网络工作,同时启动频谱仪对无线传感器网络工作节点的频谱数据、吞吐量和丢包进行采集,启动电流采集子系统对无线传感器网络工作节点的工作电流进行采集。最后,服务器将电流、频谱、吞吐量和丢包等数据进行统计分析,根据评价算法对网络性能状态作出相应评价。

图4 系统软件总体流程图Fig.4 Overall flow chart of system software

4.1 参数配置

参数配置主要功能是通过服务器对频谱分析子系统、电流采集子系统和无线传感器网络参数进行配置。无线传感器网络参数主要包括发包时间、采样频率、数据包长和网络个数;频谱分析子系统参数主要包括设备地址、工作模式、终止频率、测量状态、起始频率、扫描时间、平均次数、采集次数、输出格式、连续测量和触发次数等参数。服务器配置完成后,开始对无线传感器节点的电流信号和频谱分析子系统的频谱数据进行采集与分析。

4.2 电流测试

在多路电流测试中,服务器通过基站通知30路无线传感器工作节点开始工作,然后再通过TCP／IP 协议依次启动电流采集子系统,采集30 路无线传感器工作节点的工作电流,并将电流信号实时显示。电流采集子系统将电流数据通过TCP／IP 协议传输至服务器测评系统,服务器对节点的平均电流及工作能量进行实时显示。

4.3 频谱测试

在频谱分析中,服务器通知频谱仪采集无线节点的接收通信频率,通过对发送理论通信频率与接收通信频率的误差计算得到在同频干扰下的收发频率误差,并将该误差实时显示到界面并保存至数据库中。

4.4 网络性能测试

在网络性能测试中,服务器通过串口读出热区中多信道节点的发包数据,并实时计算、分析和存储网络数据吞吐量、丢包率、时间同步精度和RSSI 等值。

4.5 系统评价——网络测试

系统将一个流程中的工作电流、频率误差、吞吐量和丢包率等参数进行综合归一化计算。系统软件将测评得到的典型指标输入至服务器的BP 智能神经网络算法平台,根据系统归一化计算的参数对被测无线传感器系统进行评价,评价结果分为A、B、C、D、E 五个等级。系统评价完成后,可生成评价报告。系统评价界面如图5 所示。

5 测评系统场景构建及测试

搭建如图6 所示的测评场景,被测评的无线传感器网络包含30 个工作节点、1 个基站节点、5 个干扰节点和5 个诱惑节点。在运行过程中,干扰节点与诱惑节点可对工作节点与基站之间的通信进行干扰与诱惑。

图6 测评系统图Fig.6 Evaluation system diagram

控制无线传感器网络的信道个数、数据包长、发射功率、节点个数、干扰节点数和诱惑节点数等参数,构建如表1 所示的5 个测评场景。系统根据各测评场景的工作电流、频率误差、吞吐量、丢包率、信号强度、抗干扰能力和抗诱惑能力等参数进行综合归一化计算,得到抗毁性、可靠性、能量高效性、安全性和敏捷性指标,根据归一化计算的参数对被测无线传感器网络进行评价,最终得到A、B、C、D、E 五个等级的评价结果。

表1 无线传感器网络测评结果Tab.1 Wireless sensor network evaluation results

6 结束语

设计了一种无线传感器网络评价系统,该系统通过频谱分析子系统、电流采集子系统和无线传感器监测网络子系统对无线传感器网络的工作电流特征、网络丢包、吞吐量特性和频谱特性进行特征提取,实现对无线传感器网络性能的综合评价。