TATbed无线自组织网络测试平台设计与实现

TATbed无线自组织网络测试平台设计与实现（精选7篇）

篇1：TATbed无线自组织网络测试平台设计与实现

TATbed无线自组织网络测试平台设计与实现

摘要：设计了并建立了一个无线自组织网络测试平台系统――TATbed(Tsinghua Ad hoc network Test bed)。通过开发底层网卡驱动、路由算法协议模块，使得普通PC机成为独立的自组织网络终端;同时通过监测、统计多个终端之间的数据传输状况获得网络的实测性能指标。目前平台中已经实现对多种路由算法协议的测试支持。

关键词：自组织网络 测试平台 路由算法

多跳自组织网络(Ad hoc network)由多个独立的具有路由(交换)功能的用户通信终湍组成。网络中的相邻终端可直接建立端到端的通信链路;非相邻终端可动态地搜索路由，数据包借助其他终端转发，以多跳方式传递至索路由，数据包借助其他终端转发，以多跳方式传递至最终的目的终端。在自组织网络中，无线信道环境的快速变化及终端的移动性造成了网络拓扑结构不断变化。因此，如何搜索、维护有效的路由成为自组织网络研究中的难点问题。近年来，研究者提出了多种路由协议草案，如DSR、AODV、SAR等，其性能的评估数据基本上利用网络模块软件如OPNet、NS-2/GloMoSim等仿真得到。由于仿真软件中采用的无线信道、终端分布、终端运动等模型与真实的网络环境相比均有一定的简化，所以在自组织网络技术进入实现商业应用之前，构建实际的Ad hoc网络硬件测试平台对其各层次的网络协议算法设计进行性能测评是十分必要的。但现有的各种无线终端均不支持任何自组织路由协议。

(本网网收集整理)

本文设计并实际建立了一个无线自组织网络测试平台系统TATbed。通过加载相应的底层驱动及测试系统软件，使得配有无线网卡的普通PC机成为独立的自组织网络的实际终端;测试平台对各种路由算法协议提供了统一的模块接口，设定相应的路由算法和测试参数蝗，即可通过检测各个终端间的数据传输状况，得到此路由算法的实际性能的统计结果。同时，测试平台可兼容各种无线网卡标准，如IEEE802.11系列、HiperLan系列等。目前TATbed测试平台已经集成了多种Ad Hoc网络的专有路由算法协议，AODV、DSR、SAR、FSR、ZRP等，并可真实地再现Ad hoc网络应用所处的实际环境(包括终端的移动性与客观信道的实际情况)，为研究Ad hoc网络在多种环境下的性能与特点提供可操作平台，对进一步研究Ad hoc网络的结构设计和其各层网络协议算法设计的测试、评估、优化更具有参考价值。

本文结构如下，第一节介绍测试平台系统的总体结构，第二节介绍系统的关键模块设计，第三节介绍其实际应用和总结。

1平台结构

TATbed无线自组织网络测试平台的设计目标是开发支持多种Ad hoc网络路由算法协议的测试终端以构建实际的Ad hoc测试网络，并通过检测各个终端间的数据传输过程对自组织网络的各种实测性能指标进行统计、评估。

TATbed测试平台由一定数量的独立的自组织网络终端构成。在实际平台设计中，在配有无线网瞳的PC机(笔记本电脑)基础上开发了支持多种路由算法协议的自组织网络终端，每个终端依据设定的路由算法协议自行组建Ad hoc网络并进行数据传输。图1为TATbed平台的实际测试示意图。

TATbed测试平台的软件系统包括传输任何生成器、终端处理器和数据统计器三部分。

在测试开始前，传输任务生成器将根据设置的测试参数，生成每个终端的起始传输任务列表，以精确地控制测试过程网络的传输负荷。在传输任务列表中定义了整个测试过程中每组数据包的源发出节点、最终目的节点、数据包数量、发出时间。

测试开始后，每个终端上的终端处理器将读取其对应的传输任务列表，在规定的时间进入发数据包流程，处理需要发出的数据包，同时监听无线网卡接收到的数据包并进行相应的处理。在测试过程中，终端软件模块记录下本节点收到和发出的每个包的信息，包括收(发)时间、包头信息、包长度等。

测试结束后，根据本次测试的整个网络的起始传输任务列表和每个终端在测试过程 保存的收发包记录，数据统计器统计分析、计算出相应的测试指标，包括网络容限、节点平均吞吐量、数据包成功传输率、数据包平均传输延时、延时抖动、数据包传输路径平均跳数、系统路由开销等。

2 自组织网络测试终端设计

由于现有的各种通信终端设备均不支持任何自组织网络中由算法协议，因此开发自组织网络测试终端成为整个测试平台构建的关键。在TATbed测试平台中，通过在装备了无线网卡的PC机上安装终端处理器，使其支持多种自组织网络的路由算法协议，成为实际 自组织网络中的终端。

在现有的标准PC机系统下，网络层采用IP协议，终端之间的连接地址的标识来判别，应用层的传输任务经过数据打包处理后直接交无线网卡发送，并且只有当数据包的源节点和目的邛树熊处于相互无线网卡信号覆盖范围内时，才能成功发送IP数据包，终端本身并不支持任何路由功能。在TATbed测试平台系统中，终端的MAC层和网络层之间加载了自行开发的驱动模块，以支持无线自组织网络中的多跳传输，形成个虚拟的传输链路，为普通数据包的发送提供传输路由，如图2所示。

终端处理器在Windows操作系统提供的NDIS(Network Driver Interface Specification，网络驱动程序接口规范)层基础上开发，包括底层接口驱动、路由算法模块和数据包的监听记录三部分。其结构如图3所示。

为测评各种不同路由算法协议的性能，终端处理器中的接口驱动设计为一个自定义的.标准路由算法接口。该接口将各种路由算法协议完成的寻找路由、确定路由民系统网络层完成的其他功能，包括与上下层之间的传递、包头内容的填写等工作分离，使得路由算法协议成为需要嵌入的单独子模块。不同的路由算法协议只需要遵循接口定义编写相应的子模块即可。目前，TATbed测试平台系统可支持AODV、DSR、SAR、WRP、Fisheye、CBRP、ZRP等多种自组织网络路由算法的测试、评估。同时，由于终端处理器接口驱动中载在NDIS层上，使得测试平台对MAC层协议透明，因此测试平台可根据测试需要选用各种基于不同传输标准的无线网卡。目前系统中选用了基于IEEE802.11b标准的网卡进行测试。

为支持多跳的数据传输，测试系统中所传递的数据包的包头在标准的Ethernet-MAC包头基础上进行了扩展，加入了路由算法协议中规定的类型信息和路径信息，如图4所示。

图4

包头的第0～13字节为标准的Ethernet-MAC包头格式，第14～27字节为扩展的“路由信息”域，之后是实际的用户数据。对于来自高层(网络层)的数据包，终端从其IPv4标准包头中读出此数据包最终发送的目的地址并将这一“最终目的地址”保存在“路由信息”域的“最终目的节点IP地址”项内;同时调用路由算法模块，根据其最终目的地址获取其对应的多跳路由信息，并将实际的下一跳的接收节点的地址写入第7”12字节处的“下一跳接收节点MAC地址”项内，然后将此数据包交下一层(MAC&物理层)无线网卡处理发出。对于来自底层无线网卡接收到的数据包，终端读取“路由信息”域的“最终目的节点地址”，如果此地址与其自身地址相符，则交上层网络继续⑷绻不相符，则调用路由算法模块，得到对应的多跳路由中下一跳的接收节点地址，然后交无线网卡处理发出。对于路由算法协议中规定的其他非数据包，如路由搜索包、路由应答包、路由失败包、周期性握手信息包等，则在“包类型”域中标示区别，由无线网卡收发后直接调用相应的路由算法模块处理。

3 系统应用

TATbed无线自组织网络测试平台在普通PC机上开发了支持多种自组织网络路由算法协议的实际无线终端，以构建一个实际的无线自组织网络测试系统。笔者利用此平台已经成功地对AODV、SAR路由算法在多种实际网络环境参数下进行了性能的实测比较分析。测试结果可应用于实际的自组织网络由算法的性能评估、设计优化等方面。同时，TATbed终端软件模块的设计使其可应用于任何基于Windows内核的硬件设备上，具有高度的通用性、灵活性和可扩展性，在无线自组织网络的实际网络系统性能测量、网络规划优化设计、网络各层次算法协议性能评估等诸多方面均有其独特的应用优势。

篇2：TATbed无线自组织网络测试平台设计与实现

1 体系结构设计

整个通用测试平台由下层传感器节点、应用服务器及Matlab算法服务器组成。数据由传感器节点采集到之后, 汇聚到连接在应用服务器的Sink节点之上, 经过应用服务器的预处理之后, 通过2/3/4/G网络、WLAN或有线网络接入至Matlab服务器, Matlab服务器经过解码之后, 得到原始数据序列, 通过运行Matlab编写的数据处理算法, 得到实验的结果。之后, 结果按原路径反馈至无线传感器网络。

2 关键技术

2.1 传感器网络设计

使用目前应用较为广泛的CC2530节点组成底层无线传感器网络。WSN中的Sink节点通过串口连接至应用服务器之上。此外只要Sink节点遵循测试平台的通信协议, 那么WSN的节点的具体实现甚至通信协议的选择, 对平台的正常运行都不会产生影响。

2.2 基于QT的应用服务器设计

由于应用服务器要求具有可移植性, 因此选用移植性较好的QT作为设计与实现的工具。底层数据处理模块中, 应用服务器通过串口获取来至传感器节点的感知数据流, 应用服务器根据应用和实验的需求通过解码数据流提取各节点采集到的感知数据值并对应动态显示;在应用服务器与数据服务器通信的模块中, 对于应用服务器来说在进行预处理以后将采集的数据流通过套接字向MATLAB算法服务器发送;当基于QT的socket服务器收到Matlab数据服务器的socket客户端发回的数据后, 对接收到的数据流进行解码提取, 并发回至传感器节点。在坐标系显示模块中, 能够在坐标图中动态显示传感器节点的状态, 每当节点的状态发生变化都会被记录。在日志记录模块中, 会将服务器之间传输的数据进行历史数据的存档。

2.3 基于Matlab的数据处理服务器设计

数据处理服务器是整个测试平台系统的核心, 也是使用本平台进行科研工作的研究人员的主要工作环境。整个数据服务器分为三层:第一层为接口层。该层实际上是建立与应用服务器之间的Socket通道。在Matlab中, 可以使用以下的两条语句, 快捷方便的建立Socket的服务器和客户端。

第二层为编码转换层。该层主要完成测试平台定制的数据格式的编码和解码, 从而使用户自定义的数据格式不会影响数据的传输, 实现平台的应用无关性。第三层是提供给科研人员使用的数据处理层。用户可以使用系统提供的get WSNData和send WSNData等接口方便的直接与部署在真实环境中的WSN进行交互, 并可以集中精力的编写和验证自己的设计。

3 实验及测试

为验证本设计的可行性, 以WSN中的目标定位系统作为实验背景进行了原型系统的测试。首先实现了对底层网络的RSSI能量数据的获取并能够按要求对数据进行正确的数据封装解码, 在QT服务器端实现各节点的状态显示的同时通过socket编程与数据服务器进行数据通信。在日志记录模块实现了历史数据的记录以及目标点轨迹信息的记录。在数据服务器实现了对数据的解封装以及使用位置恢复算法计算得到的坐标数据封装并回传到QT应用服务器端。在实际测试过程中, 服务器都能较好的实现功能, 系统稳定, 可以实现数据获取、数据处理、平台间的数据通信、目标的显示和轨迹绘制、数据的记录, 总体来说, 利用本测试平台在非常短的时间之内就搭建好了实验环境并编写了应用程序, 较好的完成了实验任务。

4 结论

本文设计了一种通用的无线传感器网络测试平台, 该平台对底层WSN具有较低的耦合性, 而且方便的为使用Matlab的广大WSN研究人员提供了便捷的与部署在真实环境中的WSN交互的接口, 极大的为实验提供了便利, 提高了实验的可信度, 达到了设计的目标。

参考文献

[1]Jasmin Blanchette, Mark Summerfield.C++GUI Qt4编程 (第二版) [M].北京:电子工业出版社, 2012.

[2]周建兴, 岂兴明等.matlab从入门到精通[M].北京:人民邮电出版社, 2008.

篇3：TATbed无线自组织网络测试平台设计与实现

关键词：自组网；无线通信；双频

中图分类号：TN929.5

1 无线自组网与有中心网络

无线自组网是一种新型的无线通信模式，由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳频的临时性自治系统，在这种环境中，由于终端的无线通信覆盖范围的有限性，两个无法直接通信的用户终端可以借助其他终端的分组转发进行数据通信。这种网络中不存在固定的基础设施，如路由器、无线基站等，每个节点都兼有路由器和终端两种功能。作为终端，节点可以运行各种面向用户的应用程序；作为路由器，节点需要为其它节点转发数据包。自组织网络不需要任何中心控制，网络可以自动检测和无缝集成新节点；反过来，当任何节点移出网络时，剩余节点也能自动重配置来适应新的场景。这种无设施的网络能够在没有或者是现有网络基础设施失效的情况下，提供终端之间的相互通信，它可以在没有或不便利用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支撑环境，从而拓宽了移动通信网络的应用环境。

蜂窝移动通信网络和无线局域网都属于现有网络基础设施范畴，它们需要类似基站或访问服务点这样的中心控制设备，每台终端均需要通过中心节点来交换信息，一旦中心节点因故障不能工作，所有终端无法联通。

1.1 与其他有中心的通信网络相比，自组网具有以下优点

（1）网络的自组性——自组网相对常规通信网络而言，最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要现有信息基础网络设施的支持，快速构建起一个移动通信网络；

（2）灵活的网络拓扑结构——自组网中，移动通信用户终端可以以任意速度和任意方式在网中移动，移动终端之间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时可能发生变化；

（3）分布式控制网络——自组网中的用户终端都兼备独立路由和主机功能，不存在一个网络中心控制点，用户终端之间的地位是平等的，网络路由协议通常采用分布式控制方式，因而具有很强的鲁棒性和抗毁性。

1.2 自组网的缺点也同样突出

（1）有限的无线传输带宽——受无线频谱带宽的限制，加上通信冲突、信号衰减、噪声和信道间干扰等因素的影响，加上维持自组网的链路开销较大，自组网的有效传输带宽很有限；

（2）网络规模局限性—自组网中，网络规模不宜过大，一旦用户终端数量超过限值，通信效率急剧下降。

为同时兼顾自组网的灵活组网和中心网络通信效率高的特性，我们设计研制了一种双频混合自组网，取得了较好的效果。

2 双频混合自组网的设计研发

双频混合自组网频率工作在433MHz和其他频率下。

2.1 混合自组网组网模式

（1）单频自组网。当系统工作在433MHz时，系统采用单频自组网方案，所有终端的接入和回传均工作于同一频段，此时相邻节点之间存在干扰，所有节点不能同时接收或发送，系统设计了时分工作模式，在多跳范围内用CSMA/CA的MAC机制进行协商，确保系统在工作间隙进行发送或接收；

（2）双频自组网。当系统同时工作在433MHz和其他工作频率时，系统组成双频自组网，其中每个节点的回传和接入均使用两个不同的频段，如接入服务用2.4 GHz信道，回传网络使用433MH信道，互不存在干扰。这样每个终端就可以在服务本地接入用户的同时，执行回传转发功能。双频组网相比单频组网，解决了回传和接入的信道干扰问题，大大提高了网络性能；

（3）混合自组网。系统参照MESH网络设计了一套混合自组网模式，系统按三层节点两层架构设计，实现了多层MESH网络的应用。系统设计了一款中继作为主站，各终端为接入节点，每台终端之间可以组成自组网进行通信，同时当网络趋于稳定时，系统通过预设或临时推选的模式设定一台终端作为中心主站，负责管理和维护整个网络。系统还提供了更大的冗余机制和通信负载平衡功能，每台设备都有多个传输路径可用，网络可以根据每个节点的通信负载情况动态地分配通信路由，从而避免了节点的通信拥塞，有效地解决单跳网络不能动态地处理通信干扰和接入点的超载问题。

系统从开机到进入有序状态一般要经历以下几个过程：1）无中心自组网阶段。系统开机后，进入无中心自组网阶段，各终端按自组网协议交换路由信息，组成自组网；2）有中心网络阶段。网络稳定后，由指定的顶级主站或推选一个最高等级的中继基站担任控制基站，系统进入有中心阶段，由控制主站维护全系统的路由信息，管理网络系统。但各终端的信息传递不一定要经过控制基站进行转发，而是选择最优路径进行转发；3）如果因某种原因控制基站无法工作后，系统又进入无中心自组网阶段。经过一段时间后系统进入有中心网络阶段。

2.2 混合自组网特点

自组网络是一种特殊的无线移动网络，网络中所有节点的地位平等，无需设置任何的中心控制节点。网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有路由和报文转发能力。混合组网方案同时吸收了自组网与有中心网络的优点，具有很好的抗毁性和自适应特性，并保证了较高的传输效率。

（1）抗毁性强。系统在没有中心主控基站的情况下自动进入自组网络模式，没有严格的控制中心，所有节点的地位平等，即是一个对等式网络，节点可以随时加入和离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性；

（2）自组织。网络的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，两台以上终端开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络；

（3）多跳路由。当节点要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的多跳转发，与固定网络的多跳不同，自组网络中的多跳路由是由普通的网络节点即终端或车载主站完成的，而不是由专用的路由设备（如路由器）完成的，也就是说，各终端在不需要主控基站的情况下，即可完成多跳接力通信；

（4）动态拓扑。自组网络是一个动态的网络，网络节点可以随处移动，也可以随时开机和关机，这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，这些特点使得结点在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与普通的蜂窝移动通信网络和固定通信网络有着显著的区别。混合组网同时吸收了有中心网络和自组网的优点，每台终端都具备路由功能，维持着一个动态的路由，确保网络处于最优状态。

（5）组网规模大。自组网络的缺点是不能组成较大的网络，当網络规模过大时，系统为了维持网络生存所耗费的通信资源将使得网络趋于崩溃。混合自组网为了保证组网规模，在网络节点稳定的情况下系统自动转换为有中心的网络；

（6）传输效率较高。自组网络在网络节点超过一定规模后，维持网络生存所耗费的通信资源十分巨大，这使得网络有效传输效率急剧下降。混合自组网在网络规模超过一定数量时自动转换为有中心的网络，由中心主控基站控制和维护路由信息，来保证足够的带宽用于传递有效信息。

3 结束语

我们按照上述设计方法研制了相应的产品，经过实际运用，实现了较大规模组网（超过200台终端）和较高的传输速率（大于256K有效传输值），同时系统的抗毁性和灵活性大增加，具有较高的推广价值。

参考文献：

[1]郑相全.无线自组网技术实用教程[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2]魏靓.基于广义签密的移动Adhoc网络密钥管理方案[J].计算机工程与应用，2010（46）.

作者简介：刘海生（1968.01-），男，山东莒县人，军事学硕士，技术总监，高级工程师，研究方向：智能移动终端的支撑软件、电子政务。

篇4：TATbed无线自组织网络测试平台设计与实现

1 通讯组件设计

1.1 TinyOS及其组件化编程

美国加州大学伯克利分校开发的TinyOS是一种微小的、嵌入式的、基于事件的无线传感器网络操作系统, 与一般的嵌入式操作系统相比, TinyOS具有其自身的特点:1) 基于可重用组件的体系结构, 采用模块化设计思想;2) 使用事件驱动模型, 通过事件触发来唤醒CPU工作.其中其基于组件的体系结构是TinyOS操作系统最主要的特点之一。TinyOS本身是由一组组件构成的, 为实现TinyOS和TinyOS应用程序的开发设计, Berkeley推出了一种支持组件的程序设计语言NesC。TinyOS组件由四个部分组成:命令函数、事件函数、任务和一个固定大小的局部存储区。组件之间通过接口实现交互。接口就是声明的一组函数, 其中的函数有两种类型一类称为命令函数, 以关键字描述, 这类函数由接口的提供者实现;另一类称为事件函数, 以关键字event描述, 这类函数由接口的使用者实现。

事件函数用于直接或间接地响应硬件事件。最底层组件的事件函数直接作为硬件中断的中断处理程序, 如收发器中断、定时器中断等。组件之间交互的具体方式是:上层组件调用下层组件中的命令函数;下层组件触发上层组件。每个组件都必须声明它要使用的接口和它所提供的接口。如果组件提供某个接口, 就必须实现该接口声明的命令函数;如果它使用某个接口, 就必须实现该接口声明的事件函数。

1.2 通讯组件的编写

由于无线传感器网络中节点数量一般较大, 可能达到几百、几千甚至更多, 信息量相当庞大, 故在无线传感器网络中的上位机接收的数据均是层层封装好的有效数据.在某些程度上虽减轻了冗余信息量的处理, 却在深入分析研究无线传输机制时无从下手[8]。同时, 由于无线传感器网络具有广泛的应用领域, 其硬件必然具有多样性, 因此, 直观的读取MAC层的消息包, 迅速掌握无线传输过程中物理层和数据链路层的工作机制使得对于特定的硬件方案, 有选择地构建具体应用、进行简单快捷的硬件平台移植开发变得相对容易.针对该问题, 设计了一个通讯组件, 该通讯组件能将无线传感器节点采集到的数据通过串口发送出去。

在通讯组件的实现过程中, 利用TinyOS提供的组件的基础上, 对节点的数据的发送和接收进行了进一步的改进, 编写了组件GetSensorData.nc和GetSensorDataM.nc。GetSensorData.nc是配置文件 (configuration) , 它的功能是把各个需要的模块和配置文件按照正确的调用顺序导通起来, 模块文件GetSensorDataM.nc负责该组件的实现。

2 测试平台的设计

2.1 系统组成原理

该测试平台由无线传感器节点、基于RS-485标准的有线辅助网络和终端数据采集软件组成。通过基于RS-485标准的总线将无线传感器节点连接起来组成一个一主多从的有线网络。无线传感器节点将采集到的数据通过串口发送程序发送到该有线网络上, 终端测试数据管理软件通过该有线网络以轮询的方式实时采集无线传感器节点采集到的数据, 并进行分析显示。系统结构如图3所示。

1) RS-485标准网络设计

在该平台的具体设计过程中, 利用RS-485总线能挂载多个节点 (最多127个) , 而且支持半双工通讯模式的特点, 将工作在无线方式下的无线传感器节点连接起来组成一个有线辅助网络, 该有线网络负责将无线传感器节点发送的数据包采集到上位机。上位机通过串口读取有线网络上的数据, 采集软件负责解析数据包。具体实现过程中, 在硬件设计部分, 我们设计了一块方便无线传感器节点挂载的电路板, 该电路板一方面将无线传感器节点的TTL电平转化成RS-485电平, 同时也为无线传感器节点供电。在电平转换的实现中, 我们使用了MAX1487芯片, 该芯片能完成TTL电平到RS485电平的转换。节点在发送数据前只需将该芯片的2号管脚置为高电平就可以发送数据到总线上。

2) 测试数据管理软件

测试数据管理软件由用户接口、SQL server 2000数据库以及用户界面等组成。用户接口通过RS-485总线提供终端采集软件与无线传感器节点的接口。SQL server 2000数据库存数采集到的各类传感器数据, 用于查询、分析和调度。用户界面是基于Microsoft Visual C++6.0的应用程序界面, 由一些C++类和一些用户程序组成, 主要包括以下内容:

(1) 用户界面的图形接口;

(2) 无线传感器节点的基本信息;

(3) 解析采集结果;

(4) 显示无线传感器节点的实时数据变化;

(5) 存储传感器节点采集的数据。

2.2 平台实现的关键技术

一下是实现该测试平台的关键:

1) 通讯协议

在该平台的实现过程中, 一方面无线传感器节点要将采集到的数据通过辅助网络发送给上位机, 同时上位机也需要通过指令控制有限辅助网络上的无线传感器节点[8]。为此通讯协议的制定显得非常重要。我们在仔细研究了无线传感器节点通过串口收发数据机制的基础上开发了用于支持无线传感器节点和上位机双向通讯的通讯协议。

(1) 无线传感器节点发送给上位机的数据格式

GetSensorDataM实现了SendMsg和ReceiveMsg组件, 其中SendMsg接口提供了32个字节的载荷, 上层应用程序可以将要发送的数据封装到该32个字节中的任意字段。

GetSensorData组件中定义的数据传输格式和数据结构如图4。

传感器节点发送数据的数据结构:

(2) 上位机发送给无线传感器节点的数据格式

在该平台运行的过程中, 上位机以轮询的方式通过辅助网络采集无线传感器节点发送的数据。在轮询的过程中, 上位机在通过指令通知当前轮询到底节点后, 该节点才可以获得在辅助网络上发送数据的能力, 然后无线传感器节点才可以将数据发送出去。

上位机发送命令的数据结构:

2) 基于RS-485线辅助网络的搭建

在搭建有线网络的过程中, 为每个无线传感器节点配备了一个集供电、电平转换于一体的电路板。利用MMX 1487芯片将无线传感器节点的TTL电平转化为RS-485电平。考虑到该芯片的接收和发送数据时的电平要求, 在上文设计的通讯组件中, 当发送数据时, 将该芯片的控制管脚置为高电平, 发送结束后将控制管脚置为低电平, 从而为上位机实时控制无线传感器节点提供了条件。

3) 数据管理

测试平台最重要的就是获取数据, 然后对数据进行分析, 所以数据的管理就异常重要。该测试平台利用了SQL server 2000数据库, 实现对无线传感器数据的管理。

3 通讯组件与平台的测试实例分析

为了验证上文中介绍的GetSensorDataM组件和测试平台的可用性, 我们设计了一个小型的测试系统。在该测试系统中, 利用Mica2节点[9]自带的温湿度传感器, 编写了采集温度和湿度的应用程序, 并在该应用程序中调用了GetSensorM组件。

3.1 温度与湿度的采集

在平均室内温度为28℃, 湿度26, 面积为8m×7m的实验室中布置3个无线传感器节点 (mica2) , 实验环境如图6所示。

为了保证测试的正确性, 我们分别在窗口、门口和实验室内部布置了3个无线传感器节点, 他们的编号分别为001, 002和003。首先, 上位机以轮询的方式将数据发送权依次授予各个节点, 然后各个节点就循环发送数据, 循环周期大约为800ms。同时, 上位机采集各个节点发送的数据, 存储到数据库中并实时显示。

1) 正常情况下温度和湿度的采集

我们在实验室机房不同位置放置3个无线传感器节点按1秒钟的时间间隔采集温湿度变化, 到的数据如图7-8所示。

从图7-8中我们可以看出, 即使是在同一个房间中, 温度和湿度值也是不同的。在窗口的无线传感器的温度值略高于门口和室内的, 而湿度则略低于其他两者。该实验也从侧面显示了Mica 2节点采集数据的精确性。

2) 局部地区采集点的温湿度采集

在正常情况下, 特定采集点的温度和湿度的变化很小, 很难显示出该测试平台的实时性, 为此, 我们给003号无线传感器节点用吹风机对其加热。某一时刻各个传感器节点采集的数据如图9-10所示。

从图9-10可以看出, 用吹风机给003号节点加热后, 其采集到的温度值攀升, 而由于吹风机吹出的热风, 其采集到的湿度值下降。相比之下, 001号和002号节点采集到的数据没有什么变化。与此同时, 采集软件的实时数据显示窗口中, 003号节点的数据也不断变化。

从图11显示的测试中可以看到, 该测试平台运行状况良好, 达到了预期的结果。

4 结束语

本文针对无线传感器网络相关系统在开发过程中的测试需要, 研制了一套用于实时采集无线传感器数据的有线辅助网络系统。该系统基于RS-485图5上位机发送命令的格式标准和TinyOS操作系统, 包括一套基于TinyOS的通讯组件及其相关的硬件电路板和一套用VC++6.0开发的上层采集软件。对该系统进行初步实验测试的结果表明该系统能实时动态的采集无线传感器节点发送的数据。

目前, 本系统的研究采用获取MAC层数据包并解析的方法获取无线传感器网络运行数据, 可以部分的截获网络中无线数据丢失的情况。在大量的数据中, 进行了初步的分析。未来进一步工作将集中在如何采用有效的手段, 尽可能分析出更多有用的信息, 为无线传感网络的实验提供有力的辅助手段。可以预见, 本系统最终的成功实现, 将极大的方便无线传感器网络开发人员在测试阶段的工作, 缩短测试时间, 提高开发效率。

参考文献

[1]Akkaya K, Younis M.A survey on routing protocols for wireless sensornetworks, AdHoc Networks, in press, 10.1016/j.adhoc.2003.09.010.

[2]Deshpande A, Guestrin C, Madden S.Model-driven data acquisition in sensor networks[M].VLDB, 2004.

[3]Levis P, Madden S, Polastre J, et al.TinyOS:An Operating System for wireless Sensor networks[J].Ambient Intelligence.Springer-Verlag, 2005.

[4]Yick J, Mukherjee B, Ghosal D.Wireless Sensor Network Survey[J].Science Direct-Computer Networks, 2008, 52 (12) :2292-2330.

[5]Arora A, Dutta P, Bapat S, et, al.A Line in the Sand:A Wireless Sensor Network for Target Detection, Classification, and Tracking[J].Com-put.Networks, 2004, 46 (5) :605-634.

[6]Werner-Allen G, Swieskowski P, Welsh M.MoteLab:a wireless sensor network testbed[M].ISPN, 2005.

[7]Nandagopal T, Kim T, Gao X.Achieving MAC layer fairness in wireless packet networks[M].Proceedings of the ACM MobiCom'00, Boston, MA, 2000.

[8]Ramanathan N, Chang K, Kapur R.Sympathy for the Sensor network Debugger[M].SenSys, 2005.

[9]Crossbow, Inc.Wireless sensor networks (mica motes) [EB/OL].http://www.xbow.com.

篇5：TATbed无线自组织网络测试平台设计与实现

【摘要】随着计算机网络、信息技术的发展，对教育环境的要求得到进一步的提升。目前，在各个领域几乎都有基于web的考试系统。尤其是英语学习，由于学生从小学到大学，甚至出国留学，英语在各种考试中的地位举足轻重，为此也出现了各种各样的在线学习。然而，几乎所有的英语学习系统，都无法提高学员的兴趣和效率。本系统基于项目反应理论和英语二级题库，通过过关才可进入下一环节的学习提高学员的兴趣，而且可以自动评估学员的英语能力进行在线诊断，进而进行相应的测试习题的选择，使得学员寓学于乐，不能自已。

【关键词】计算机网络 信息技术 项目反应理论 考试系统 题库

我国的学生学习英语是一个长期艰巨的过程，一般很多学生从幼儿园开始接触英语，然后在小学、初中、高中、大学英语的课时占有很大的比例。英语的学习时间长和接触英语低龄化，一方面说明國家和家长对英语的重视；另一方面说明学生学习英语感觉比较难。由于没有语言环境，多数学生花了很多的时间和精力，英语往往是今天学，明天忘，或者是考试考得很好，但是说不出来。

一、目的和意义

本系统是针对四川省英语二级考试设计自适应学习与测试平台。对于高职院校的学生来说，由于层次低，底子薄，大部分学生又希望能在毕业前拿到一个英语证件以便加大日后在社会的竞争力，所以在高职院校，有70%左右的学生会倾向于报考英语二级。而在每次接近2000人的报名中，二级通过率却并不理想。开发本系统的主要目的就是开发出自适应的二级学习平台，在平台上融入通关、积分如游戏规则，提高学生的自主学习能力。同时由于该平台是一个基于二级难度的题库，系统根据学生的英语能力自动调整学生练习题的难度，该平台采用WEB方式，最终能使用PC或手机终端都能访问，而学习测试的内容限制10分钟为一个单元，使得学生能随时随地，只要有网络，都能完成一个单元的练习。通过该题库的练习和不断调整难易程度，学生在学习和测试过程中英语能力逐渐提高。每一次学习测试完后，会给学生成绩单与诊断报告，分析出学生的优点与薄弱环节，并建议学生需要继续努力的方向。该平台的最大意义在于能够在短时间内提高学生的英语能力，学生也自愿登录该平台进行学习，从而提高学生的自主学习能力。

二、需求分析

自适应英语学习平台分两种用户，分别为学生和管理员。学生用户主要有个人登录、个人中心、自主学习和在线测试功能；管理员用户主要有用户管理、试题管理、考试设置、统计分析、导入导出和权限管理功能。

自适应项目反应理论重点体现在在线测试模块，将二级的听力、语法、词汇和阅读理解都使用自适应项目反应理论来设计。

三、自适应项目反应规则设计

本论文以听力A呈现规则为例，由于篇幅原因，在此不一一列举：

规则1：if 听力难度系数为0.5的错题数大于等于5 then 抽取难度系数为0.25的10道题。

规则2：if 听力难度系数为0.15的2道题回答正确 then 抽取难度系统为0.5的10道题。

规则3：if 难度系数为0.25的10道题5次操作错误 then 停止本次考试，总分为答对的总分。

规则4：if 难度系统为0.5的10道题5次答对 then 抽取难度系统为1的10道题。

规则5：if 难度系数为1的10道题5次操作正确与否 then 退出本部分考试，总分为答对题的总分累加。

四、数据模型设计

本平台设计的数据模型如图1，而核心表设计如表1和表2。重点是实现了学生基本信息表、专项信息、试题模板、试卷信专项分值信息、试卷和试卷模板中间表之间的对应关系。

五、界面、测试和总结

本平台的首页实现了听力练习、语法练习、阅读理解、翻译训练等功能。

听力页面实现了听力各个级别训练，即听力A、B、C的自适应测试。

学习诊断页面实现了学生通过测试所得成绩及针对薄弱环节进行分析诊断。

通过单元测试和集成测试来验证了自适应项目反应英语学习平台满足核心功能需求，即自适应听力、语法、词汇、阅读理解功能，学生通过练习，达到了提高学习兴趣和提升了英语能力。由于是B/S架构，可以上线运行。

自适应项目反应理论目前在国外的托福考试有对应的在线测试系统，而在国内，各个级别的英语学习系统还没能实现自适应，为此，此系统可以在后续工作中向三级、四级、六级进行延伸。并可以改版为基于Android的自适应项目反应学习平台，可以向全省、全国推广使用。

参考文献：

[1]叶翠英.大学英语考试对教学反拨作用的调查与思考[J].广西教育学院学报，2004（3）：58-60.

[2]梁瑾麟.基于项目反应理论的计算机自适应测试系统研究[D].湖南大学，2010.

[3]蔡翔.新型在线英语学习系统的设计与实现[J].电子科技大学，2013.

[4]叶海明，周绍磊，王昆平.基于ATML标准的测试系统数据模型设计[J].计算机测量与控制，2015，18（9）.

*该论文项目基金来源于成都农业科技职业学院教改课题“自适应项目反应理论在英语学习平台中的应用与设计”，编号JG2015-14。

篇6：TATbed无线自组织网络测试平台设计与实现

在这样的背景下, 我们分析了国内外自组网测试平台的实现, 对设计过程中的几个问题进行分析比较后, 提出了自己的方案, 主要思想是通过在电机上部署节点, 设计自组网协议栈及上位机控制软件, 并以丢包率为指标测试网络性能。

1移动自组网协议栈测试系统

如图1所示, 自组织网络通信、转台运动控制、以及上位机软件是构成系统的三大部分。系统上位机采用一台工控机作为主控室的监控主机, 下位机则为由运动控制卡及伺服驱动器组成的运动控制设备, 运动控制卡和伺服驱动器协同控制伺服电机旋转。系统一共设计了两台伺服电机, 每台电机的负载端部署有四个Zigbee无线通信节点, 分别作为转发节点和源节点, 在上位机一侧连接Sink节点。 Sink节点、转发节点与源节点之间通过路由协议形成高速移动自组网。为了安全起见, 在两台电机的上方均安装有摄像头, 用户可以在监控室远程观察电机运转状况。

2系统详细设计

2.1转台运动控制

如图2所示, 一个典型的现代运动控制系统的硬件主要由上位计算机、运动控制器、功率驱动装置、电动机、反馈检测装置和被控对象等几部分组成［６］。系统利用运动控制卡来控制电机运动, 伺服驱动器具有功率放大和伺服驱动作用, 通过电机与伺服驱动器之间的编码器检测电机位移变化, 形成半闭环反馈运动控制系统。

基于PCI总线的运动控制卡利用计算机硬件和操作系统, 并结合用户开发的运动控制应用程序来实现被控对象的运动, 具有高速的数据处理能力和灵活的工作能力［６］。运动控制卡完成运动控制的所有细节, 且工作期间内不占用上位机CPU, 可以控制多台电机独立或者联动运转［７］。 图3是ADT850运动控制卡的功能结构图。

2.2自组网通信

2.2.1硬件模块

所有节点选用MC13213芯片, 该芯片主要包括微控制单元 (mirco control unit, MCU) 、功率放大器 (power amplifier, PA) 、射频天线和通信接口等。 MCU用来控制和协调整个片上系统, 保证节点的正常工作和运转, PA将MCU输出的数据包放大转化通过射频天线发送出去, 通信接口用来与其他设备相连。MC13213工作在IEEE802.15.4标准下, MAC层使用经典SMAC协议, 射频模块工作频段为2.4 GHz, 有效传输距离为50m, 供电电压范围4~5.5 V, 由于sink节点布置在控制室中, 可采用稳压电源供电方案, 考虑到实验场所特殊性, 转发节点与源节点采用干电池供电。图4为MC13213结构框图。

2.2.2路由协议设计

由于节点个数少, 传输距离短, 故采用静态路由协议。算法1给出了三种节点各自工作流程。源节点在固定周期内发送数据包至网络中, 转发节点一直监听网络数据包, 待收到有效数据包后转发给Sink节点, Sink节点接收有效数据包后发送给上位机。为了节省能耗, 源节点与转发节点在未工作时处于休眠状态, 直到被定时器或中断信号唤醒, Sink节点由于采用稳压电源供电, 故一直处于工作状态。

3上位机软件

系统软件设计重点为运动控制模块实现及PC机数据包处理。图5阐述了网络数据包处理过程及电机控制流程。

软件实现了如下功能:

(1) 用户能够设置伺服电机初始速度, 加速度, 运行速度和电机旋转方向;系统显示电机运行状态; 为防止意外发生, 系统还提供了紧急停止功能。

(2) 可实时显示网络拓扑结构, 实时显示网络数据包总数及丢包数, 系统后台存储收到的数据包, 这样有利于用户后期分析网络丢包率和延迟等。

(3) 在摄像头运行正确情况下, 用户可以远程实时观测电机运转状态。

4实验结果与分析

由于转发节点与源节点分别部署在不同转台上, 为使丢包因素单一化, 使两转台速度大小一致。 实验基本方案为:在使用静态路由, 且节点供电稳定的环境下, 通过系统软件设置, 保持两转台运转速度一致, 依次以0、500、1 000、1 500、2 000、2 500、 3 000r/min七组不同转速运转, 每组速度分别实验10次, 得到平均丢包率。 系统运行界面如图6所示。

一共使用9个节点, 节点部署在10 m×10 m平面区域内, 电机转动角度范围为0°~360°, 电机初始速度为0×10６ (pps) , 加速度为50×10６ (pps) /s, 数据报的大小为90B, 源节点发送间隔为3 000 ms, 实验时间2h。经实验, 所用干电池在上述环境下能连续使用4h, 保证了实验正常进行, 去除了电源能耗影响丢包率这一因素。在更换PA模块后, 相同转速下丢包率有所下降, 图7为某一日实验所得平均丢包率曲线图。

从实验数据知, 在节点静止时, 丢包率为0, 说明节点协议栈工作正常, 随着转速越大, 丢包率急剧增大。增大节点PA模块后, 丢包率与之前相比有一定幅度下降, 但也不能完全克服丢包。

5结语

利用伺服电机及Zigbee无线传输节点等, 搭建了一种高速移动自组网协议栈测试平台, 设计了一种轻型协议栈, 以丢包率为指标, 完成了协议栈性能测试。应用表明, 该平台具有操作简单、安全, 扩展性好等特点, 目前国内外还没有这样的平台。不足之处在于路由协议设计还不够完善, 协议栈性能分析指标较单一。

参考文献

[1] Perkins C E.Ad Hoc networking.Addison-Wesley Educational Publishers Inc.2000

[2] 夏海轮.无线Ad hoc网络MAC协议及相关技术的研究.北京:北京邮电大学, 2007

[3] 韩露.移动自组网路由协议研究.Diss.武汉:华中科技大学, 2006

[4] 李勇, 黄均才, 王凤碧.Ad hoc网络体系结构研究.计算机应用, 2005;5 (1) :163—175

[5] 杨路明, 李谢华.网络仿真软件比较分析及仿真过程探讨.计算技术与自动化, 2002;21 (4) :65—70

[6] 舒志兵.交流伺服运动控制系统.北京:清华大学出版社, 2006

篇7：TATbed无线自组织网络测试平台设计与实现

摘 要：通过对典型WLAN定位方法的研究与分析，本文设计并实现了一种基于位置指纹的WLAN室内定位系统。同时，将NNSS、KWNN和基于概率密度三个经典WLAN定位算法应用于该系统中，进行了实际测试和分析，结果表明，本文所实现的系统具有很好的可靠性和实用性。

关键词：WLAN；室内定位；RSSI；位置指纹

中图分类号：TN929.5

1 前言

基于位置的服务（LBS）越来越受到人们的关注，越来越多的定位直接利用现成的无线通讯模块来估计对象节点的位置，应运而生的WLAN定位技术以低成本、低功耗成为室内定位的主要方法之一。

2 基于WLAN的定位算法

基于WLAN的定位算法主要有到达角度定位（Angle 0f Arrival，AOA）、到达时间定位（Time Of Arrival，TOA）、信号强度分析法（Received Signal Strength，RSS）以及位置指纹定位法（Location Fingerprint）。AOA和TOA需要专门的设备支持，而且受非视距以及多径影响比较严重；RSS对信道传输模型的依赖性非常强，多径效应、墙壁的遮挡以及环境条件的变化都会使其精度严重恶化。采用位置指纹定位技术则可以有效地克服以上定位算法的缺点。基于位置指纹的定位方法主要包括两个阶段：（1）构建指纹图（Radio Map）；（2）定位阶段。

3 基于位置指纹的WLAN定位的实现方法

3.1 定位网络构建

基于位置指纹的WLAN系统的实现，首先需要搭建一个室内无线局域网环境，使每个可能出现移动用户的位置被三个或三个以上AP信号覆盖。在初始情况下，根据经验和推测将AP放置在适当位置，保持一定的发射功率，然后选取一些关键点进行测量，如果发现盲区，则调整AP的位置，或者提高AP的发射功率，再进一步测量，直至可能出现移动用户的位置没有盲区为止 。定位网络系统由多个AP、多个移动客户端和一个定位服务器组成。移动客户端通过网卡获取其到各个AP的RSSI，并发送到定位服务器进行处理。

3.2 RSSI采样

参照室内平面图选择适当的采样点，在各个采样点多次测量和记录相应AP的RSSI值，并根据采样数据分析环境的无线信道情况。由于实验是构建环境RadioMap，因此必须采集尽可能多的数据。这就要求从多角度、多方面在同一采样点测量多次。

3.3 计算RadioMap

RadioMap是元组（ap，x，y，s）的集合，其中ap是某个特定的AP，（x，y）是每个采样点的平面坐标，s是（x，y）处ap的RSSI特征量，它被用作定位匹配算法的参考，直接影响定位精度，因此要求其中必须包含尽可能多的元组，而这些元组可以通过经验值法全部采样得到，也可以通过数学模型计算得到。

3.4 定位阶段（OnLine阶段）

当建立完RadioMap后，就可以运用相应的定位匹配算法，把实时测量的RSSI特征值和RadioMap中的位置指纹进行比较，找出最佳匹配，获得最佳定位效果。

4 定位算法

目前，在位置指纹定位算法中，典型的定位算法包括最近邻算法NNSS、加权k近邻KWNN和基于概率密度的方法。

4.1 最邻近算法

NNSS（Nearest Neighors in Signal Space）有n个AP，m个采样点。直接把RSSI平均值作为上述位置指纹，计算测量点的RSSI值和采样点的RSSI值之间的欧几里得距离，即假定第i个采样点的对各AP信号强度元组为（si1，si2…sin）用户当前位置测量得到的信号强度为（s1，s2……sn）。则测量点和第i个采样点的RSSI欧几里得距离为disi，i从1到m中，取dis最小的值所对应的采样点的位置为测量点的估计值。

4.2 加权K邻近算法（KWNN）

需要注意选择恰当的k值。因为如果k选取太大，则会将离用户实际位置并不是很近的点也包括进来，反而降低了定位精度。首先求测量点RSSI和各个采样点RSSI间的欧几里得距离，再取出k个欧几里得距离最小时对应的k个位置，求出该k个位置坐标的平均值作为该测量点的位置：

但直接求k个坐标的平均值作为测量点位置并不是很合适，应该距离越近的位置权值越大。根据该理论权值计算方法如下：

上述公式中k和q为两个参数，本系统中q被设为2。由此得出测量点坐标估计值为：

4.3 基于概率密度的定位算法（ProbabilityMethod）

在该定位方法中，一个采样点1处的位置指纹是RSSI值在该采样点上对各个AP的联合的概率密度。由于各个AP独立，因此联合概率可由各AP的边缘概率求得：

上式中 表示在l处AP1的RSSI为S1、AP2的RSSI为S2...APn的RSSI为Sn的联合概率密度， 表示在i处APi的RSSI为Si发生的边缘概率密度。

假设AP的所有RSSI样本都属于区间[min，max]，其中min和max是RSSI样本的最小值和最大值。该区间被划分成k个子区间，k是一个可调参数，影响着对概率密度估计的准确性。为了简化问题，把k个子区间设为等宽，每个子区间宽度w为：

而子区间的样本数量n的计算方法如下：

如图1所示，Si、Si+1、...、Si+j+1、Si+j+2都为RSSI样本，子区间宽度为w，由w1、w2、w3三部分组成，w1、w3为小数部分，w2为整数部分。

用上述直方图法求可求出采样点对各个AP的边缘概率密度进而求出各采样点的联合概率密度。在算法实现中为避免概率为0，在用直方图估计概率密度前给每个值设为1/N。测量点估计坐标为：

5 基于WLAN的定位系统实现

本系统的定位数据处理过程中，客户端核心工作是获取RSSI和发送RSSI，而服务器端的核心工作是接收RSSI，通过分析RSSI数据，计算并且形成RadioMap，最后通过定位计算，将位置呈现给用户。

5.1 系统服务器端

系统服务器端划分成如下。

实时定位模块：用户可以选择定位算法，接收来自数据采集的OnLine数据并根据用户选择的定位算法进行定位计算，然后将计算出的位置结果呈现给用户。

数据采集模块：负责与客户端的服务器通信模块进行通信，从客户端接收并解析RSSI数据包，将OnLine数据分发到实时定位模块，OffLine存入RSSI数据库，以便数据分析模块进行分析。

数据分析模块：分析数据采集模块得到的OffLine数据，计算RadioMap并用图表形式向用户呈现结果。

设备管理模块：负责AP以及移动终端的管理。

系统配置模块：用户可以配置数据库，SuperMap服务器，以及数据此采集模块的通信端口等。

5.2 系统客户端

系统客户端分为如下四个模块。读取RSSI模块：负责从网卡中读取RSSI值；服务器通信模块：负责和服务器进行通信，发送RSSI数据，解析服务器的发给客户端的配置信息。配置信息将影响读取RSSI模块的采集行为；客户端配置模块：读取本地配置文件；本地存取RSSI模块：当服务器通信模块发送RSSI数据失败时，负责将发送失败的RSSI数据存入本地文件中，以便后期处理。

6 实验结果与分析

本系统构建的定位区域为750cm*780cm的室内环境，为减少复杂环境对定位效果的影响，把每次数据采集布置成一个任务，每个任务对应一个位置指纹。定位所采用的指纹库是在上述定位环境内的13个采样点的指纹组成，共6个待测位置进行了定位实验。每个采样点采样次数为100次，采样周期为300ms，每个待测位置采集定位数据500-600次共3400次。

用三种定位算法进行定位，当取K=5时，三种算法的误差比较如图2所示。

从图中可以看出：基于概率密度的误差较小，NNSS的误差最大，KWNN次之。在位置6处的误差比其他位置处的误差要大一些，原因是该点处距离每一个AP的距离都比较远，因此误差较大。

7 结束语