無線傳感器網(wǎng)絡開發(fā)環(huán)境

1、無線傳感器網(wǎng)絡技術無線傳感器網(wǎng)絡技術講義講義第十三章、開發(fā)環(huán)境2007年8月20日內(nèi)容提要1.概述 2.協(xié)議設計階段模擬器 3.協(xié)議設計階段仿真器4.實現(xiàn)驗證階段開發(fā)套件 5.實現(xiàn)驗證階段測試床6.本章小結7.主要參考文獻內(nèi)容提要1.概述 2.協(xié)議設計階段模擬器 3.協(xié)議設計階段仿真器4.實現(xiàn)驗證階段開發(fā)套件 5.實現(xiàn)驗證階段測試床6.本章小結7.主要參考文獻概述圖 13 1開發(fā)過程圖典型的開發(fā)過程如圖 13 1示。先是進行協(xié)議的處理流程設計，然后在模擬器中模擬，接著利用真實節(jié)點進行驗證，最后部署到實際的環(huán)境中。內(nèi)容提要1.概述 2.協(xié)議設計階段模擬器 3.協(xié)議設計階段仿真器4.實現(xiàn)驗證階段開

2、發(fā)套件 5.實現(xiàn)驗證階段測試床6.本章小結7.主要參考文獻模擬概述 模擬（Simulation）是指選取一個物理的或抽象的系統(tǒng)的某些行為特征，用另一個系統(tǒng)來表示它們的過程； 主要優(yōu)點：相對于形式化的分析方法以及實驗的方法，采用模擬的方式更加的經(jīng)濟和高效。這也是模擬方式在傳感器網(wǎng)絡研究中廣泛使用的主要原因。傳感器網(wǎng)絡對模擬提出的要求傳感器網(wǎng)絡對模擬提出的要求u大規(guī)模性高效模擬u資源受限對能耗的評估u環(huán)境相關對環(huán)境的建模(體現(xiàn)在不同的無線信道特征及傳感信道特征)u異構網(wǎng)絡模擬異構系統(tǒng)現(xiàn)有模擬器介紹1. NS-2NS(Network Simulator)-2是UC Berkly大學開發(fā)的一個面向?qū)ο?/p>

3、的網(wǎng)絡模擬器，本質(zhì)上是一個離散事件的模擬器。 它采用兩級體系結構，為了提高代碼的執(zhí)行效率，NS2 將數(shù)據(jù)操作與控制部分的實現(xiàn)相分離。NS2的前端是一個OTcl解釋器，稱為解釋層，主要功能是對模擬環(huán)境的配置和建立。網(wǎng)絡構件則利用C+進行實現(xiàn)。 圖 13 2 基于NS的模擬流程2. GloMoSimGloMoSim(Global Mobile Information Systems Simulator)，是由UCLA所開發(fā)的一套主要用于模擬無線網(wǎng)絡的模擬器?；谝呀?jīng)過驗證的PARSEC 并行仿真內(nèi)核，提供了一種靈活方便的仿真環(huán)境。最大的特點是提供對并行的支持。 對應于OSI模型，GloMoSim的

4、協(xié)議棧同樣也是分層設計的(如圖 13 3所示)，在層與層之間提供了標準的API接口函數(shù)，這樣就可在不同的層或開發(fā)人員之間建立快速的綜合集成。圖 13 3 GloMoSim結構圖LayersProtocolsMobilityRandom waypoint, Random drunken, Trace basedRadio PropagationTwo ray and Free spaceRadio ModelNoise AccumulatingPacket Reception ModelsSNR bounded, BER based with BPSK/QPSK modulationData L

5、ink (MAC)CSMA, IEEE 802.11 and MACANetwork (Routing)IP with AODV, Bellman-Ford, DSR, Fisheye, LAR scheme 1, ODMRP, WRPTransportTCP and UDPApplicationCBR, FTP, HTTP and Telnet表格 1 GloMoSim所支持的協(xié)議3. OPNETOPNET公司起源于美國麻省理工學院，成立于1986年。1987年OPNET公司發(fā)布了它的第一個商業(yè)化的網(wǎng)絡性能仿真軟件，提供了具有重要意義的網(wǎng)絡性能優(yōu)化工具，使得具有預測性的網(wǎng)絡性能管理和仿真成為

6、可能。至今OPNET已經(jīng)發(fā)行到了10.0以上版本。它的產(chǎn)品線主要有Modeler，IT Guru、SP Guru、OPNET Development Kit和WDM Guru等它的優(yōu)點是圖形化界面做得很好。OPNET進行網(wǎng)絡模擬的進行網(wǎng)絡模擬的6個步驟個步驟配置網(wǎng)絡拓撲結構(Topology)：通過OPNET提供的向?qū)Ш透飨嚓P編輯器完成建立場景、選擇設備和建立網(wǎng)絡拓撲結構的工作。配置業(yè)務量(Traffic)：通過選擇在該網(wǎng)絡上運行的應用程序并配置運行參數(shù)?？梢詾樗抡婢W(wǎng)絡配置業(yè)務量。這樣就完成了對系統(tǒng)流量的建模工作。收集統(tǒng)計量(Statistics)：統(tǒng)計量是用于對所仿真網(wǎng)絡進行性能測量和評價

7、的依據(jù)。通過選擇OPNET提供的各種統(tǒng)計指標完成配置和收集統(tǒng)計量的工作。運行仿真(Simulation)：通過前三步的工作，一個仿真場景已經(jīng)完全建立。需要通過運行仿真來得到仿真運行的數(shù)據(jù)。調(diào)試模塊再仿真(Re-Simulation)：通過分析仿真數(shù)據(jù)。可以找出所仿真網(wǎng)絡的性能瓶頸。此時可以復制先前網(wǎng)絡場景，通過修改拓撲、更新設備、調(diào)整業(yè)務量而得到新的仿真場景，再次運行仿真可得到優(yōu)化后網(wǎng)絡的運行數(shù)據(jù)。如果是對協(xié)議細節(jié)進行仿真，則可修改協(xié)議模塊的相關細節(jié)字段，通過再次仿真可得到修正后協(xié)議的運行數(shù)據(jù)。發(fā)布結果和拓撲報告(Report)：通過對一個項目的不同場景(對應著不同的方案)的仿真結果進行分析，

8、可以產(chǎn)生研究報告，并可以把相關圖表從OPNET中導出到文件中，以便于在報告中引用。4.TOSSIMTOSSIM是美國UC Berkly大學開發(fā)的，基于TinyOS的無線傳感器網(wǎng)絡模擬器。設計者在開發(fā)TOSSIM時主要進行了四方面的考慮：u規(guī)模性：模擬器必須能夠模擬擁有數(shù)千個傳感器節(jié)點的各種不同架構的網(wǎng)絡。在2003年的時候已經(jīng)部署的基于TinyOS的無線傳感器網(wǎng)絡的規(guī)模已經(jīng)達到了850個節(jié)點，設計出的模擬器必須能夠應對目前這樣大規(guī)模的網(wǎng)絡，以及將來的更大規(guī)模的網(wǎng)絡。u完整性：無線傳感器網(wǎng)絡是基于事件驅(qū)動的，也可以說是應用相關的，所以模擬器必須覆蓋各個層的需要，反映層次之間的交互。u精確性：模擬

9、器應該在一個合適的粒度上去捕獲網(wǎng)絡內(nèi)部的活動，獲取節(jié)點內(nèi)或節(jié)點間的精確的時序關系對于評估和測試網(wǎng)絡非常重要。同時模擬器應該盡可能準確的反映出那么網(wǎng)絡內(nèi)的各種活動，包括異常的活動。u橋梁作用：模擬器應該在網(wǎng)絡協(xié)議與實際應用之間充當一個橋梁作用，方便使用者開發(fā)和驗證運行于真實硬件上的程序。因為，有些理論上好的算法實現(xiàn)的時候并不盡如人意。圖 13 4 TOSSIM系統(tǒng)結構圖5.SensorSimSensorSim是一個基于NS-2的模擬器，它對NS-2主要進行了三方面的擴展。首先它擴展了能耗模型，對需要能量的模塊進行建模，研究影響能量消耗的因素，模擬能量消耗情況。其次是建立了傳感信道，因為目標信號源

10、傳播到傳感器節(jié)點需要通過如空氣、水、大地等媒介，這些媒體的物理特性會很大程度上影響傳感器節(jié)點的感知精度。最后是加入了與外界交互的功能，主要是與外界真實部署的無線傳感器網(wǎng)絡進行交互，這樣外界網(wǎng)絡的事件可以觸發(fā)模擬器中的事件。圖 13 5 傳感器網(wǎng)絡結構圖6. OMNeT+OMNeT+(Object Modular Network Test-bed in C+)是1992年開發(fā)的一個開源的、基于組件的模塊化離散事件模擬器，主要用于通信網(wǎng)絡及分布式系統(tǒng)方面的模擬，可以運行在Unix和windows環(huán)境下。仿真模型采用了混合式的建模方式，同時使用了OMNet+特有的NED（NEtwork Discri

11、ption）語言和C+進行建模。圖 13 7 基于OMNeT+的傳感器節(jié)點模型 SENSESENSE是美國倫斯勒理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute)針對無線傳感器網(wǎng)絡模擬，在COST 的基礎上而開發(fā)的，設計目標是為了解決可擴展、可重用性以及可伸縮性，同時也考慮了各種不同使用者的需求。圖 13 8 典型傳感器節(jié)點的內(nèi)部結構內(nèi)容提要1.概述 2.協(xié)議設計階段模擬器 3.協(xié)議設計階段仿真器4.實現(xiàn)驗證階段開發(fā)套件 5.實現(xiàn)驗證階段測試床6.本章小結7.主要參考文獻 模擬的不足灰色地帶問題很多無線信道的特征都不能在模擬方式中體現(xiàn) EmStar介紹Emstar是仿

12、真器的典型例子。它是由(美國)加利福尼亞大學洛杉磯分校CENS實驗室開發(fā)的，基于Linux操作系統(tǒng)的，用于仿真分布式系統(tǒng)的平臺。最大的特點是可以用真實的物理通信信道來代替模擬出的通信信真實的物理通信信道來代替模擬出的通信信道道。它支持異構網(wǎng)絡的仿真和模擬，網(wǎng)關節(jié)點采用的是克爾斯博的Stargate，也稱為微服務器節(jié)點(microserver)。微服務器節(jié)點采用的是X-Scale處理器，可以運行Linux操作系統(tǒng)，可作為網(wǎng)關節(jié)點，同時也可以外接普通節(jié)點(MICA2)，一方面可以在普通節(jié)點的基礎上再進行更多的計算處理，另一方面也可以使微服務器節(jié)點利用Mica2的通信信道。提高真實度的途徑：1.數(shù)據(jù)

13、注入（將地震局監(jiān)測到的數(shù)據(jù)注入到模擬器中）2.真實信道代替模擬信道，數(shù)據(jù)處理在模擬器中進行，而數(shù)據(jù)通信在真實無線信道中進行硬件平臺55個MICA節(jié)點內(nèi)容提要1.概述 2.協(xié)議設計階段模擬器 3.協(xié)議設計階段仿真器4.實現(xiàn)驗證階段開發(fā)套件 5.實現(xiàn)驗證階段測試床6.本章小結7.主要參考文獻 開發(fā)套件雖然無線傳感器網(wǎng)絡還沒有進入實用化階段，但目前已經(jīng)不少的科研團體和企業(yè)機構都實現(xiàn)了一些無線傳感器網(wǎng)絡的雛形，并研發(fā)了一些開發(fā)套件，包括傳感器節(jié)點和后臺可視化管理軟件。下面將分別從傳感器節(jié)點和可視化平臺兩方面進行一些簡要介紹。 圖 13 12 傳感器節(jié)點架構傳感器節(jié)點架構傳感器節(jié)點架構兩款國內(nèi)主要的節(jié)點

14、系列節(jié)點類型節(jié)點類型MICA2MICA2DOTMICAZGains3Gainsz節(jié)點實物微處理器芯片ATmega128lATmega128lATmega128lAtmega128lAtmega128lMCU時鐘/MHz7.3728487.38788程序空間/KB128128128128128內(nèi)存/KB44444板上非易失存儲器容量/KB512512512512512射頻芯片CC1000CC1000CC2420CC1000CC2420頻段/Hz315-916M315-916M2.4G433M2.4G帶寬/kbytes38.438.425019.238.4戶外通信距離/m15015075-1002

15、0050-100集成的傳感器外接集成溫度傳感器外接外接外接表格 2 Mica與Gains性能指標節(jié)點設計節(jié)點設計傳感器節(jié)點的設計要求正好體現(xiàn)出了整個無線傳感器網(wǎng)絡的特點，節(jié)點設計主要有以下三個目標：小型化：小型化始終是硬件發(fā)展技術的一個方向。無線傳感器未來的目標是做到智能塵埃，能懸浮在空氣中，去感知一些參數(shù)。借助SOC技術，無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的體積得以大大減小，MEMS技術的發(fā)展又使得傳感器節(jié)點向微型化發(fā)展。美國DARPA/MTO MEMS支持的研究項目Smart dust項目的目標是做出體積不超過1mm3的節(jié)點。低成本：無線傳感器網(wǎng)絡通過在一定區(qū)域內(nèi)布置大規(guī)模的節(jié)點，來監(jiān)測溫濕度等等各種各樣的

16、環(huán)境參數(shù)。這種超大規(guī)模的特性使得，只有做到低成本，才能發(fā)揮出無線傳感器網(wǎng)絡的優(yōu)點，也才能真正走向?qū)嵱没?。低功耗：目前，人們普遍認為：無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點在未來將是一次性的（就如同現(xiàn)在的一次性餐具一樣），而且由于體積的限制，不可能攜帶大的供能模塊，所以必須通過低功耗的設計，使得整個網(wǎng)絡的生命周期得以延長。 可視化平臺可視化平臺(Visualized platform)可視化技術也是無線傳感器網(wǎng)絡不可或缺的一項支撐技術。如何解釋網(wǎng)絡中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)以及如何管理網(wǎng)絡也是無線傳感器網(wǎng)絡走向應用所必須解決的一個難題。一個解決的途徑就是開發(fā)出一個可視化管理平臺。利用定制的可視化平臺，去觀測網(wǎng)絡內(nèi)部的活動，輔

17、助使用者監(jiān)測網(wǎng)絡行為，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中存在錯誤。 接下來介紹下可視化平臺所應具備的一些功能，為大家設計提供一些借鑒。(1)顯示網(wǎng)絡拓撲圖 13 13 Zigbee網(wǎng)絡拓撲圖可視化的首要問題是網(wǎng)絡拓撲發(fā)現(xiàn)，如果要管理一個網(wǎng)絡，那么首先必須要弄清楚這些傳感器節(jié)點在什么地方，知道所部署節(jié)點的方位才能更好的監(jiān)測網(wǎng)絡與定位錯誤。圖 13 13顯示的是國外Frontline Test Equipment公司的一款Zigbee分析軟件截圖。顯示的是Zigbee網(wǎng)絡的拓撲結構圖。拓撲結構對于研究數(shù)據(jù)的流向，診斷錯誤，評估網(wǎng)絡性能都有著很大的作用。但是由于無線網(wǎng)絡的特性使網(wǎng)絡拓撲的獲取往往不那么容易。首先是環(huán)境的影響

18、和節(jié)點能量的受限，使得網(wǎng)絡拓撲始終是動態(tài)變化。另外一方面節(jié)點的定位問題也懸而未決，使得顯示的拓撲很難與實際網(wǎng)絡節(jié)點建立對應關系。 （2）顯示通信路徑圖 13 14 數(shù)據(jù)包發(fā)送圖在顯示拓撲的基礎上，可以通過顯示數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程來可視化網(wǎng)絡內(nèi)部的活動。 （3）查看單個節(jié)點狀態(tài)雖然無線傳感器網(wǎng)絡強調(diào)的是面上的監(jiān)測，并且通過節(jié)點的冗余達到高可靠性，但是在研發(fā)的過程中，有時候也需要了解單個節(jié)點的一些信息，方便調(diào)試?；蛘咴诠芾砭W(wǎng)絡時，設置單個節(jié)點的一些諸如采樣率之類的工作參數(shù)，以使網(wǎng)絡更好的工作。查看單個節(jié)點狀態(tài)可以直接由收集到的數(shù)據(jù)包進行統(tǒng)計分析即可，設置節(jié)點工作參數(shù)則需要網(wǎng)絡本身的支持。圖 13 15

19、 實時傳感數(shù)據(jù)曲線圖 13 16 溫度場 （4）實時傳感數(shù)據(jù)觀測）實時傳感數(shù)據(jù)觀測(5)歷史數(shù)據(jù)查詢確定網(wǎng)絡以前的活動情況與監(jiān)測網(wǎng)絡當前的活動同等重要。通過歷史數(shù)據(jù)不僅可以統(tǒng)計分析網(wǎng)絡以前的性能，也可以用于診斷問題所在，為提高網(wǎng)絡性能提供參考。(6) 遠程可視化遠程可視化可以方便各地的用戶同時了解同一個網(wǎng)絡的狀況，真正的讓人們可以足不出戶的了解外面環(huán)境的變化。開放地理空間聯(lián)盟（Open Geospatial Consortium）為了讓無線傳感器網(wǎng)絡與Internet網(wǎng)絡更好的結合，制定了四項關于與傳感器網(wǎng)絡交互的接口以及傳感器數(shù)據(jù)的編碼方式的規(guī)范，以便于人們可以通過Internet觀察和控制

20、無線傳感器網(wǎng)絡。內(nèi)容提要1.概述 2.協(xié)議設計階段模擬器 3.協(xié)議設計階段仿真器4.實現(xiàn)驗證階段開發(fā)套件 5.實現(xiàn)驗證階段測試床6.本章小結7.主要參考文獻實驗驗證的步驟一般如下：實驗驗證的步驟一般如下：1.對協(xié)議進行修改后，將新的程序燒制到各個傳感器節(jié)點2.將傳感器節(jié)點部署到一定的環(huán)境中3.運行實驗，收集并存儲數(shù)據(jù)4.實驗完成后，將傳感器節(jié)點收回5.分析實驗數(shù)據(jù)，進一步修正協(xié)議6.重新回到步驟1步驟1、步驟2、步驟4總是令人心煩的，每次做一點小小的改動，可能就要重編程幾十個節(jié)點，然后再重新部署，實驗完了再重新回收，這樣的操作往往是耗時費力。步驟3也是一個難點。到底應該收集哪些調(diào)試信息，如何收

21、集這些調(diào)試信息，以及如何控制收集信息粒度，這些都是待解決的問題。接著分析數(shù)據(jù)的任務也是非常乏味的，需要有工具的輔助。通過搭建測試床可以一定程度上解決這些問題，提高實驗的效率。 測試床的兩種工作模式圖 13 17 全連接模式Testbed結構圖 測試床的兩種工作模式圖 13 18 Sniffer模式Testbed結構圖指標名指標描述鄰居表鄰居列表。每個鄰居節(jié)點由節(jié)點ID標識。鏈路質(zhì)量到所有鄰居節(jié)點的鏈路質(zhì)量。由從0(100%失敗)到100（100%成功）之間的傳輸成功率來表示。傳輸字節(jié)計數(shù)統(tǒng)計該節(jié)點發(fā)送的字節(jié)數(shù)與接收到的字節(jié)數(shù)。下一跳本節(jié)點所選的用于發(fā)送數(shù)據(jù)包的下一跳節(jié)點ID號路徑丟失路徑丟失與

22、鏈路質(zhì)量剛好相反：較低數(shù)值意味著較低的丟包率，就能提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸表格 3需要收集的指標利用測試床進行診斷和性能評估利用測試床進行診斷和性能評估利用測試床進行診斷和性能評估利用測試床進行診斷和性能評估事件名稱描述所需信息丟失的節(jié)點沒有任何節(jié)點的鄰居表包含該節(jié)點所有節(jié)點的鄰居表孤立的節(jié)點該節(jié)點鄰居被為空該節(jié)點的鄰居表路由改變該節(jié)點的下一跳節(jié)點改變，記錄與之前的和當前下一跳節(jié)點間鏈路的丟包率該節(jié)點的鄰居表鄰居表改變節(jié)點n2被節(jié)點n1加入或者移除鄰居表，記錄n1,n2間不同時期的鏈路質(zhì)量n1的鄰居表鏈路質(zhì)量改變節(jié)點n2到n1間鏈路質(zhì)量下降，并且超過一個閾值n1,n2的鄰居表表格 4通過收集指標偵

23、察到的事件內(nèi)容提要1.概述 2.協(xié)議設計階段模擬器 3.協(xié)議設計階段仿真器4.實現(xiàn)驗證階段開發(fā)套件 5.實現(xiàn)驗證階段測試床6.本章小結7.主要參考文獻圖 13 19WSN應用開發(fā)的生命周期一個典型的無線傳感器應用的開發(fā)過程應該是先在實驗室中進行模擬與仿真，初步驗證算法與協(xié)議的正確性。然后將設計好的算法或協(xié)議移植到具體的真實節(jié)點上，利用Testbed進行調(diào)試，之后再到真實的環(huán)境中進行驗證，最后就是實際部署。整個開發(fā)過程是不斷反復的，發(fā)現(xiàn)問題后可能會回溯到前面的某步重新設計與驗證。內(nèi)容提要1.概述 2.協(xié)議設計階段模擬器 3.協(xié)議設計階段仿真器4.實現(xiàn)驗證階段開發(fā)套件 5.實現(xiàn)驗證階段測試床6.本

24、章小結7.主要參考文獻1 The Network Simulator ns-2OL./nsnam/ns.2 X. Zeng, R. Bagrodia, M. Gerla. GloMoSim: A Library for Parallel Simulation of Large-Scale Wireless Networks, 12th Workshop on Parallel and Distributed Simulation (PADS98), 1998, 154-161.3 OPNETEB/OL.http:/ Philip Levis, Nelson L

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29、nsor Systems, Baltimore, MD, 2004. 11 L. Girod, J. Elson, A. Cerpa, T. Stathopoulos, N. Ramanathan, and D. Estrin. Emstar: a software environment for developing and deploying wireless sensor networks. In Proc. of the 2004 USENIX Tech. Conf., Boston, MA, 2004. USENIX Association.12 J. Elson, L. Girod

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