几种WSN系统科研测试实验平台

1、无线传感器网络系统开发测试实验平台引言传感器网络的仿真与实物实验平台是传感器网络研究与开发的基础。传统的网络研究方法主要有分析方法、实验方法和仿真方法。对于一般的计算机网络，通常采用实验方法和仿真方法来衡量一个新协议或新算法的适用性，但是，对于电源能量、通信能力、计算能力和存储能力有限，以数据为中心，节点数目庞大，节点布署密集的无线传感器网络而言，由于实验空间和节点规模的限制，因此，仿真实验是无线传感器网络研究的重要途径。目前发表的有关无线传感器网络的论文，大部分也都是基于仿真实验。目前，无线传感器网络仿真与实验平台的建立方法主要包括以下几种。1.1 通用网络仿真平台的二次开发这种仿真平台的建

2、立方法就是在传统的通用网络仿真平台上开发适用于传感器网络的模型库、功能库和统计分析工具。下面介绍几种常用的开源通用网络仿真平台。1. NS-2传感器节点传感器功能模块应用程序Sensorware中间件网络协议栈网络层MAC层物理层传感器协议栈传感器层物理层无线信道传感信道能量模块CPU模块无线模块检波器模块麦克风模块电源模块 SensorSim传感器节点模型NS-2（network simulator version 2）是无线传感器网络研究中最流行的仿真工具，是一个开源的离散事件仿真器，采用模块化方法实现。用户可以通过“继承”来开发自己的模块，具有很好的可扩展性，既能够对仿真模型扩展，也能够

3、直接创建和使用新的网络协议。NS-2通过C+与OTcl结合实现仿真，其中：C+实现网络协议以及扩展NS-2模型库；而OTcl则用于创建和控制仿真环境，选择输出数据等。基于NS-2开发无线传感器网络仿真平台，主要是对其中的Ad Hoc仿真工具加以改进并添加相关仿真支持组件来实现的，包括：传感信道、传感器模型、电池模型、针对无线传感器的轻量级协议栈、混合仿真以及仿真场景生成等。SensorSim1就是在NS-2基础上建立的仿真平台，主要是在NS-2基础上建立了无线传感器网络相关模型库。图10.1所示是SensorSim平台的传感器节点模型，包括两个模块：传感器功能模块和能量模块。其中，传感器功能模

4、块是对传感器所有功能模块的软件抽象；而能量模块则是实际硬件抽象。通过Sensorware中间件，SensorSim提供了混合仿真特性，能够与实际传感器节点交互。2. OMNeT+Castalia组成模块及其连接方式传感器节点1物理过程 n物理过程 1无线信道 n无线信道 1传感器节点nOMNeT+(objective modular network test-bed in C+)是一个开源的面向对象离散事件仿真器，适用于通信网络和分布式系统的仿真。OMNeT+由多层嵌套模块构成，分为简单模块和复合模块。其中，简单模块定义通信协议算法，并构成底层基础；而复合模块则由多个简单模块组成，各简单模块之

5、间通过消息交互。顶层模块称为系统模块或网络，有一个或多个子模块组成，而每个子模块又可以嵌套子模块，且嵌套深度无限制。SensorSimlutor、Castalia以及欧洲项目EYES2等就是在OMNeT+基础上开发的无线传感器网络仿真平台。以Castalia为例，其结构如图10.2所示。其中，传感器节点模块式一个OMNeT+复合模块，其内部结构如图10.3所示，由OMNeT+ NED语言加以定义。3. GloMoSimGloMoSim(globe mobile information systems simulation library)3是针对移动无线网络而开发的,具有以下3个特点。（1）

6、并行仿真：GloMoSim采用ParseC(C语言扩展，支持并行编程)语言实现，能够实现并行仿真。通信复合模块传感设备管理器应用程序物理过程网络层(路由)MAC层物理层无线信道资源管理器电池CPU状态时间内存Castalia传感器节点模块内部结构（2）可扩展性：GloMoSim库中所有协议均以模块的形式存在，采用分层结构，每层使用不同的协议集合且有一个与相邻层通信的API。（3）面向对象：GloMoSim采用面向对象方法实现，将节点划分为多个对象，分别负责协议栈中的一层，从而减轻了大型网络的开销。但是，GloMoSim所仿真的网络类型有限，主要用于仿真IP网络，不支持仿真环境之外的外部环境事件

7、，所有时间均必须有网络内部节点产生。Qualnet是GloMoSim的商业版本，对GloMoSim进行了诸多扩展，实现了许多针对有线和无线网络，包括：局域网、Ad Hoc网络、卫星网络和蜂窝网等的模型和协议集合，包括标准库、MANNET和QoS库等三个库，具有场景设计器、动画生成器、协议设计器、分析器和包跟踪器等五个GUI工具，是无线传感器网络研究的理想仿真平台。4. J-SimJ-Sim4是采用Java语言实现的通用仿真器，使用了基于组件结构的设计方法，具有增强的能量模型，能够仿真传感其对环境的检测。J-Sim既可以仿真应用程序，又可以连接到实际的硬件，实现硬件在回路仿真。1.2专用无线传感

8、器网络仿真平台1. TOSSIMTOSSIM是为运行于MICA系列传感器节点的TinyOS应用程序而设计的仿真工具，与TinyOS一起发行，包括交互的可视化仿真图形界面TinyViz(TinyOS Visualizer)。TOSSIM建立了MICA系列传感器节点的底层抽象，可以进行比特级仿真6。TOSSIM结构如图10.5所示，由各种组件构成，支持编译网络拓扑图、离散事件队列、被模拟的硬件、通信基础设施，允许仿真器与外部程序通信。TOSSIM集成了一个电源模型PowerTOSSIM，可以对TinyOS应用程序所消耗的电能进行建模，其中包括了MICA2传感器节点能量消耗的详细模型。但是，TOSS

9、IM仅仅考虑了传感器数据采集硬件的仿真，而没有实现对环境触发的反应的仿真。2. ATEMUATEMU7弥补了TOSSIM的不足，其运行的代码仍然是与MICA2平台兼容的二进制代码，但是，ATEMU实现了对MICA所使用的AVR处理器仿真，为研究者提供了精确的仿真模型，并采用逐个周期策略来运行应用程序代码，较之TOSSIM更为精确，是最准确的传感器仿真器之一。不过，仿真速度和规模有所降低，最多能够仿真120个传感器节点。设备模块库XATDBAVR仿真器LEDRadioADCTimersSPIXML配置文件ATEMU结构ATEMU使用了XML文件对所仿真传感器网络进行分层配置，其中，顶层定义网络特

10、性，其余下层定义各节点特性，其结构如图10.6所示，其中，XTADB图形用户界面用于调试和观察代码的执行，并允许设置断点、单步调试和其他调试功能。3. EmStarEmStar8是在Linux系统上开发的异构传感器网络的仿真分析系统，具有从纯粹的仿真到实际部署等多种运行环境，而且每种环境均使用相同的代码和配置文件，从而缩短了开发周期。在仿真时，EmStar提供了与实际硬件接口的选项。EmStar提供了一系列相关工具，其中，EmSim/EmCee用于实现仿真，可以选择仿真精确度，从而支持不同精度级别的透明仿真，加快了开发和调试过程。EmSim提供了模拟无线收发器和传感信道的简单仿真环境，可以并行

11、地运行许多传感器节点；EmCee运行EmStar内核，并提供了一个与实际低功耗无线收发器的接口。EmStar仿真模型是基于组件的离散事件仿真模型。但是，EmStar所仿真的环境模型和网络媒介较简单，所能仿真的传感器节点类型亦有限。无线传感器网络工程实验床仿真是无线传感器网络研究的重要手段，然而，仿真通常限于特定问题的研究，而无法获取传感器节点、网络以及无线通信等详细的实际运行信息；而且，由于无线通信和节点物理层的建模的复杂性，简单的仿真模型极大地影响了仿真结果的可信度。这一现状得到了传感器网络的研究人员和机构的高度重视，并开始着手研发传感器网络的实验平台，或称实验床。通过实验床，获取传感器网络

12、实际运行信息，真正研究资源限制、通信损失以及能量限制等关键问题及其解决策略，简化传感器网络的部署和调试等难题。在国外，目前已有的实验床主要有：MotLab、Kansei、Mirage、ORBIT、SCALE、WHYNET、ExScal、SCADDS、ENL、GNOMES、TWIST、TrueMobile以及IBM无线传感器网络测试床等9-14。MoteLab11是Harvard大学开发的一种基于永久散布的Crossbow传感器网络的实验平台。平台通过Web中央处理器和用户交互，具有传感器网络节点状态监控和数据记录、节点编程、网络调度和平台管理等功能。该平台最初只有26个传感器网络节点。但是目前

13、该平台已经在麻省理工学院、加州大学伯克利分校和哈佛大学安装，其节点规模已经达到数百个。其结构如图10.7所示。 MoteLab 实验平台结构Kansei15是美国俄亥俄州立大学正在开发的，采用Crossbow公司的XSM和Stargate节点组成异构实验平台，可以完成各种网络拓扑结构的实验。Kansei和MotLab相似，但是数据采集与记录在Stargate节点上实现。TWIST是德国开发的一款针对室内实验环境的无线传感器网络平台。它建立在EYES项目的基础之上，可以检验不同的网络拓扑建构，具有良好的扩展性和可重构性7。TrueMobile8是一个基于Emulab的移动机器人-传感器网络实验平

14、台，其软件结构如图10.8所示。网络仿真测试软件Emulab16是由美国犹它州大学Flux研究团队开发，提供全美约3500个研究实验使用。TrueMobile扩展了Emulab，为其事件系统开发接口，通过truemobile 机器人的后端，可以把移动机器人的位置数据和测距数据发送给Emulab，同时也可以把用户对移动机器人的操作，以事件的形式发送到机器人或者传感器节点上。TrueMobile通过移动机器人的视觉定位跟踪和空间无线信号强度分布实例展示了其测试平台的使用。大多数的实验平台对网络资源的调度与管理都很欠缺，一般是将整个传感器资源整体分配给一个应用用户。伯克利Intel研究院推出的Mir

15、age系统在资源管理和调度方面做了出色的工作。该系统将148个节点的传感器网络看作普适计算资源，采用微观经济学的思想来为分配网络资源，通过拍卖的方式将传感器网络分派给多个用户17。 TrueMobile 实验平台结构MiNT是在Stony Brook University（石溪大学）开发的一款基于多跳802.11协议的缩微移动网络实验平台。该平台在一个8英尺6英尺的桌面上安装有8个节点，通过衰减信号强度获得节点间的多跳(3-4跳)传输，移动装置采用LEGO风暴小型机器人18。2005年美国成立了一个实验平台工作小组，小组成员分别来自哈佛大学、加州大学伯克利分校 、麻省理工学院、伯克利Intel

16、研究院、俄亥俄州立大学和肯特州立大学等具有大型传感器网络实验平台的机构。以上这些传感器网络实验平台的研究和运行过程表明，研究人员和机构对实验平台的需求增长很快，而传感器网络实验平台的开发正朝着实物节点和仿真分析系统结合的方向发展。1.4综合型无线传感器网络研发仿真平台可包括无线传感器网络仿真平台、无线传感器网络工程实验床等多种科研功能，代表产品有WISNAP系统，WISNAP针对无线传感器网络的研发和教学，主要具有如下特点和功能测试功能WISNAP系统这通过实地部署，实时动态地对整个无线传感器网络进行测试，获得诸如网络实时通讯拓扑、数据包收发数量、节点内部程序变量信息、丢包、时延以及节点能耗监

17、测等，并通过强大的自定义分析语句，帮助研发人员发现问题。测试数据的实时捕捉与采集往往无线传感器网络的规模比较庞大并具有无线通信的不确定性，以及汇聚节点的处理能力有限，很难掌握网络中每个节点的无线通讯数据。WISNAP系统提供了丰富的传感器节点操作系统接口方式，使用户在对测试程序影响最小的前提下，对传感器节点的通讯数据进行实时的捕捉与采集，同时通过串口发送或者打印方式对节点程序内部信息进行采集。所采集的数据通过SNAPGATE转发至SNAPWare。测试数据的实时捕捉与采集传感器节点通讯拓扑的生动绘制WISNAP系统根据所采集的通讯数据，绘制网络节点间的通讯拓扑结构，使用者可以实时观察网络通讯拓

18、扑的变化，同时也可以对整个网络通讯拓扑进行统计观测。下图显示在一个树形路由行程过程，通过观察通讯拓扑的动态变化，可以直观的了解到路由协议从组网到形成路径的整个过程。传感器节点通讯拓扑的生动绘制无线传感器网络中节点能量损耗的监测*WISNAP系统通过特别定制的能耗采集板SNAP-EMB，可以实时采集整个网络中每一个节点的能耗情况，并将能耗数据上传到用户控制端，从而使研究人员实时，真实地掌握每一个节点的能耗情况，从整体角度全方位评估相关技术算法的能量开销，设计更加节能高效的无线传感器网络技术。无线传感器网络中节点能量损耗的监测方便快捷的历史数据存储和实时回放*不仅仅能实时观测采样数据，WISNAP

19、系统使用轻量级数据库方式对采集的节点测试数据、网络状态等信息进行保存。使用者可以通过已保存的数据库文件对历史数据进行统计查看或者实时回放。方便快捷的历史数据存储和实时回放采用丰富的分析语句对采样数据进行用户自定义分析WISNAP系统提供一种“类SQL”语句，对实时采集的数据或者历史数据进行筛选和自定义分析，进行数据直观呈现，方便使用者对数据进行整理分析。采用丰富的分析语句对采样数据进行用户自定义分析系统控制功能传感器节点端程序的远程批量更新WISNAP系统通过上传编译好的可下载文件的方式，对系统中所有的传感器节点进行程序的远程单个或者批量更新，并根据用户需求设置节点ID。同时，WISNAP系统支持节点程序复位，可控