专利名称：一种应用于无线传感器网络测试中的记录设备及使用方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于无线传感器网络中的测试记录设备及使用方法，所述的设备经布设后能够用于定位无线传感器网络中的传输与融合错误。该设备包括了挂接设备和終端设备集成软件。
背景技术：
随着微机电系统、无线通信和数字电路的不断飞速发展，具有低功耗，低成本，多功能特性的传感器节点大量出现。基于大量传感器节点部署的传感器网络也因其广泛的应用前景，越来越受到重视。无线传感器网络可以广泛地应用于军事和民用环境，进行信息的收集和处理、对象跟踪和网络环境的检测，尤其适合配置在野外、交通要道、医疗和安全部门等场合。随着无线传感器网络应用领域的不断扩大和深入，其可靠性成为不可忽视的重要因素。而传感器网络中不可避免地会出现ー些错误，比如感知错误、传输错误、融合错误、传输错误和决策错误等。当网络自身出现这些错误时，有可能会导致数据丢失、判断错误，甚至是网络失效，因此一种能够定位传感器网络本身错误的方法或者设备应运而生。目前国内外传感器网络错误定位问题的研究方法按照结构差异，大致可以分为两类集中式结构和分布式结构。集中式结构的代表是Linnyer Beatrys Ruiz等人提出的MANNA结构,在此结构中，选择ー个节点作为独立的管理者，此管理节点负责从所有节点处收集信息、控制整个网络和运行复杂的管理任务。集中式结构的问题主要有两个一是在数据轮询的过程中会产生高额的信息开销；ニ是要求管理节点资源不受限，不需要考虑能量消耗。分布式结构由Arun K. Somani等人提出，在此结构中，将整个网络分割成几个子区域，每个子区域都有ー个管理节点，每个管理节点负责监测和检测本区域中的故障情況。分布式结构也存在缺点，节点进行本地决策工作时的计算消耗是很昂贵的，会很快耗尽其能量，从而导致网络分崩离析。无论是集中式结构还是分布式结构，都是依靠节点本身的资源来定位错误，这不可避免受到节点本身资源上的限制，具体表现在I、无大规模存储能力2、无GPS全局定时3、增加存储会提高成本和功耗4、若固定在节点记录存储，完成测试后难以移除除此之外，在无线传感器网络测试中，要快速定位错误通常还会遇到如下问题I、大規模测试中人力消耗大2、长时间虚警测试中不可能3、部分错误转瞬即逝4、部分错误需要长时间数据综合判断
5、部分错误需多个传感器联合判断因此，我们需要一种新的定位传感器网络错误的方法或设备，既能避免节点自身资源的限制，又能高效地、低人力成本地实现错误定位要求。从而引导出本发明的目的。
发明内容
缘此，本发明的目的在于提 供了ー种应用于无线传感器网络测试中的测试记录设备，此记录设备通过调试接口和节点相连，记录下节点传过来的状态和事件信息。所提供的测试记录设备由挂接设备硬件、終端设备集成软件及传输数据格式等部分組成。其中，I、所述的测试记录设备中的挂接设备的硬件如图1(a)所示，包括电源模块、微控制器模块、存储模块、接ロ模块、调试模块、GPS模块和无线模块。同时具有低功耗休眠处理和接ロ解析等功能模块，各硬件模块的说明分别如下I)电源模块使用可充电的锂离子电池供电，通过LDO转换成3. 3V工作电平，以有效降低电源模块的功耗损失，延长电池单次充电的使用时间；2)微控制器模块使用MSP430单片机作MCU，此款芯片达到了性能和功耗上的平衡，并且提供了低功耗模式，进ー步提高了电池的使用时间；3)存储模块使用大容量FLASH芯片，提供至少32MByte的存储空间，而每次记录的数据只有若干个Byte，所以在长时间测试中也能满足存储的要求；4)接ロ控制模块有SPI和I2C两种接ロ可供选择，方便与不同的节点进行有线对接；并提供UART模块，可以和计算机的DB9串ロ连接传输数据。5)调试模块用于调试和烧写程序。使用标准JTAG接ロ，配合常见的JTAG转USB转换线，可以和普通的计算机(包括便携式计算机)相连进行调试，使用便携式计算机进行调试较大地提升了测试的便利性。6)GPS模块使用商用GPS模块，其传输协议和帧结构对外透明，用户可以避免涉及这些过于繁琐的细节问题。7)无线模块选用和节点不同的频点，避免了和节点无线收发之间的互相干扰。其中，电源模块为整个设备提供电源；微控制器模块对定时模块、无线模块和接ロ控制模块进行配置和控制，并对存储模块进行读写操作；无线模块负责将数据通过无线发送到监测站；接ロ控制模块负责与节点和计算机之间的有线通信。2、所述的测试记录设备还包括有如图I (b)所示的下述功能模块I)低功耗休眠处理模块节点传输数据过来时，记录设备才需要工作。所以在空闲时，记录设备进入低功耗休眠状态，当节点向记录设备发送数据时，由SPI产生中断信号，使记录设备退出休眠状态。可以通过软件设置记录设备空闲多长时间进入休眠模式。2)接ロ解析模块主要指节点传输给记录设备数据的格式。3)设备控制模块主要指各位设备的驱动程序。4)上层还提供了終端设备集成软件，运行在分析上报数据的监测站上，该集成软件提供了传感流量分析、传感趋势分析、传感分布分析、传感质量分析、异常标记和报警、融合过程回放、感知数据监视、感觉数据统计、链路统计分析等功能，并提供了二次开发接ロ，满足个性化的需求。其中，低功耗休眠处理模块对各个模块进行调度，决定何时休眠和唤醒个模块；终端设备集成软件与其他功能模块相对独立，运行在监测站的系统中3、数据帧格式I)节点传给记录设备的数据帧格式考虑到通用性,所述的测试记录设备SPI使用motorola模式,ー个SPI巾贞最大长度为16个比特。一次传输数据最多使用3个SPI帧。3个SPI帧的帧结构分别见图5节点传给记录设备的第一个SPI帧格式、图6节点传给记录设备的第二个SPI帧格式，和图7节点传给记录设备的第三个SPI帧格式。其中第一个SPI帧的头部分配了 2个bit表示“本次数据占据的SPI帧数”，2个bit表示“本帧的编号”;第二、第三帧的头部都分配2个bit表示“本帧的编号”。记录的时间使用“时、分、秒”的格式，第一个SPI帧的后11个bit表示“吋”和“分”，第二个SPI帧的bit2到bit7为“秒” ，第二个SPI帧的后8个bit位表示“事件类
型”、“融合結果”和“报警类型”，其中“融合結果”只有当“事件类型”为“融合报警”是才有效，“报警类型”用户可自行分配；第三个SPI帧的后14个bit位可用来表示“节点编号”，用户可自行设置其有效位宽。2)记录设备上报数据的帧格式上报数据的帧格式见图8记录设备上数据的帧格式。将I)中的三个SPI帧合并成一个长帧上传。其中最后8bit代表“测试设备ID”，可支持256个测试设备。如果超过256个设备，可相应增加bit数。其中，节点传给记录设备的数据帧格式对应硬件模块中的“接ロ控制模块”和功能模块中的“接ロ解析模块”，定义了设备通过接ロ模块与节点有线通信时的帧格式；记录设备上报数据的帧格式对应硬件模块中的“无线模块”和功能模块中的“无线协议栈”，定义了设备通过无线和监测站通信的帧格式。综上所述①测试记录设备接收自节点的数据帧格式。通过SPI接ロ传输，采用通用motOTola模式，ー个SPI帧最大长度为16个比特；一次传输数据最多使用3个SPI帧；记录设备上报数据的帧格式为三个SPI帧合并成的一个长帧；②将测试记录设备具备两种串行接口和节点相连，记录节点传来的状态、事件、时间和节点编号信息，无线传感器网络测试中，给每个感知节点、汇聚节点和决策点配备ー个所述的测试记录设备，由测试记录设备将记录数据汇聚到检测站进行分析，用于帮助快速定位传输和融合各类错误；③本发明公开了ー种应用于无线传感器网络测试中的记录设备及使用方法。无线传感器网络测试中，要快速定位错误发生的位置，存在以下问题节点资源和能力受限导致定位困难,大規模测试中的人力成本和时间成本等方面的开销太大。本发明提供的测试记录设备用于解决此类问题。本测试记录设备具备两种串行接口和节点相连，记录节点传来的状态、事件、时间和节点编号信息，在大規模无线传感器网络测试中，给每个感知节点、汇聚节点和决策节点配备ー个本测试记录设备，由测试记录设备将记录数据汇聚到监测站进行分析，用于帮助快速定位传输和融合等各类错误。本发明提供的设备是由挂接设备硬件、終端设备集成软件及传输数据格式等部分组成。
图1(a)记录设备硬件结构图，(b)功能模块结构图。图2点对点网络中加入Sniffer设备帮助定位错误。图3记录设备在无线传感器网络中的布设。图4本记录设备的定时分析应用模式示意图。图5节点传给记录设备的第一个SPI巾贞格式。图6节点传给记录设备的第二个SPI帧格式。图7节点传给记录设备的第三个SPI巾贞格式。图8记录设备上报数据的帧格式。图9定位网络错误的流程图。具体实施方法I、测试原理与布设方法在无线点对点网络测试中，传输失败的错误原因可能有两种A、由于网络协议设计不正确，导致没有发送或发送错误；B、由于网络协议设计不正确或链路太差，导致接收失败。为了快速定位错误发生的位置，本发明在网络中加入探測器设备(Sniffer)如图2，当Sn i ffer检测到对应数据时，表明错误A发生，当Sn i ffer没有检测到对应数据时，我们可以认为是错误B发生。在具有信息融合功能的无线传感器网络中，可能会存在多种错误类型，包括感知错误、传输错误、融合错误、传输错误和决策错误等。本记录设备作为Sniffer，在此网络中的布设方式如图3所示，每个感知节点、汇聚节点和决策节点都配备ー个记录设备，这样配置虽然会増加成本，但换来的是定位错误所花费的时间的減少。2、应用模式本记录设备的应用模式有三种延时分析、实时分析和定时分析。延时分析使用有线上报数据，记录设备先将从节点接收到的数据保存在存储模块，测试结束后，计算机通过有线和记录设备的接ロ模块相连，取回所有记录数据后作定位判断。实时分析和定时分析使用无线上报数据。实时分析是指相应记录被实时通过无线发送到监测站，定时分析是指记录设备定时通过无线发送到监测站。二者都用到无线模块来发送数据，当记录设备从节点接收数据的速度大于起发送到监测站的速度，或者无线发送处于等待状态时，需要暂时讲数据保存到存储模块。在无线传输的定时分析和实时分析两种模式中，定时分析模式的优势是可以使用分时复用的方式，避免信道上的冲突和干扰，并且若干个数据可以合并上报，节省了无线传输功耗。而实时分析模式相对定时分析模式的优势是能更加快速的定位到错误。3、使用方法
使用下面的流程来定位传感器网络的错误假设图4中的A设备、B设备、C设备分别连接A节点、B节点、C节点，其中A节点和B节点是感知节点，C节点是汇聚节点，负责感知融合，监测站汇总设备A、B、C的上传的记录数据。那么我们可以按照图9错误！未找到引用源。定位网络发生错误的位置。具体步骤如下I)激励源产生激发报警的事件；2)等待上报完毕，监测站汇总上报的信息；
3)监测站检查A、B是否发现报警，如果有则进入下一歩，如果没有则报告感知错误；4)检查A、B是否上报警报，如果有则进入下一歩，如果没有则报告感知节点程序错误;5)检查C点是否收到A、B报警，如果有则进入下一歩，如果没有则报告传输错误；6)检查C点融合结果有无报警，如果有则报告未发现错误，如果没有则报告融合错误。
权利要求
1.一种应用了无线传感器网络测试中的测试记录设备，其特征在于所述的记录设备包括挂接设备硬件、终端设备集成软件，其中， ①所述的测试记录设备包括电源模块、微控制器模块、存储模块、接口模块、调试模块、GPS模块和无线模块； 其中，电源模块为整个设备提供电源；微控制器模块对定时模块、无线模块和接口控制模块进行配置和控制，并对存储模块进行读写操作；无线模块负责将数据通过无线发送到监测站；接口控制模块负责与节点和计算机之间的有线通信； ②所述的终端设备集成软件包括传感流量分析、传感趋势分析、传感分布分析、传感质量分析、异常标记和报警、融合过程回放、感知数据监视、感觉数据统计、链路统计分析，以及二次开发接口 ；所述的终端集成软件运行在监测站的系统中。
2.按权利要求I所述的设备，其特征在于 a)所述的电源模块使用可充电的锂离子电池供电，通过LDO转换成3.3V工作电平，以有效降低电源模块的功耗损失，延长电池单次充电的使用时间； b)微控制器模块使用MSP430单片机作MCU，并且提供了低功耗模式； c)存储模块使用至少提供32MByte的存储空间的大容量FLASH芯片，而每次记录的数据只有若干个Byte，所以在长时间测试中也能满足存储的要求； d)接口控制模块有SPI和I2C两种接口可供选择，方便与不同的节点进行有线对接；并提供UART模块，和计算机的DB9串口连接传输数据； e)调试模块用于调试和烧写程序使用标准JTAG接口，配合常见的JTAG转USB转换线，以和包括便携式计算机在内普通的计算机相连进行调试； f)GPS模块使用商用GPS模块，使传输协议和帧结构对外透明； g)无线模块选用和节点不同的频点，避免了和节点无线收发之间的互相干扰。
3.按权利要求I所述的设备，其特征在于记录设备还包括具有低功耗休眠处理和接口解析模块在内的功能模块。
4.按权利要求I或2所述的设备，其特征在于测试记录设备接收自节点的数据帧格式。通过SPI接口传输，采用通用motOTola模式，一个SPI帧最大长度为16个比特；一次传输数据最多使用3个SPI帧；记录设备上报数据的帧格式为三个SPI帧合并成的一个长帧。
5.使用如权利要求1-3所述的设备的方法，其特征在于将测试记录设备具备两种串行接口和节点相连，记录节点传来的状态、事件、时间和节点编号信息，无线传感器网络测试中，给每个感知节点、汇聚节点和决策点配备一个所述的测试记录设备，由测试记录设备将记录数据汇聚到检测站进行分析，用于帮助快速定位传输和融合各类错误。
6.按权利要求5所述的方法，其特征在于所述的测试记录设备的应用模式有三种延时分析、实时分析和定时分析； a)延时分析使用有线上报数据，记录设备先将从节点接收到的数据保存在存储模块，测试结束后，计算机通过有线和记录设备的接口模块相连，取回所有记录数据后作定位判断； b)实时分析和定时分析使用无线上报数据，实时分析是指相应记录被实时通过无线发送到监测站，定时分析是指记录设备定时通过无线发送到监测站；两者都用到无线模块来发送数据，当记录设备从节点接收数据的速度大于起发送到监测站的速度，或者无线发送处于等待状态时，需要暂时将数据保存到存储模块。
7.按权利要求5所述的方法，其特征在于在无线传输的定时分析和实时分析两种模式中，定时分析模式使用分时复用的方式，避免信道上的冲突和干扰，并且若干个数据合并上报；而实时分析模式相对定时分析模式是能更加快速的定位到错误。
8.按权利要求4所述的方法，其特征在于定位网络发生错误的位置时的步骤为 1)激励源产生激发报警的事件； 2)等待上报完毕，监测站汇总上报的信息； 3)监测站检查A设备和B设备是否发现报警，如果有则进入下一步，如果没有则报告感知错误； 4)检查A、B是否上报警报，如果有则进入下一步，如果没有则报告感知节点程序错误； 5)检查C节点是否收到A、B报警，如果有则进入下一步，如果没有则报告传输错误； 6)检查C节点融合结果有无报警，如果有则报告未发现错误，如果没有则报告融合错误。
所述的A设备、B设备、C设备分别连接A节点、B节点、C节点，其中A节点和B节点是感知节点，C节点是汇聚节点，负责感知融合，监测站汇总设备A、B、C的上传的记录数据。
全文摘要
本发明公开了一种应用于无线传感器网络测试中的记录设备及使用方法。无线传感器网络测试中，要快速定位错误发生的位置，存在以下问题节点资源和能力受限导致定位困难，大规模测试中的人力成本和时间成本等方面的开销太大。本发明提供的测试记录设备用于解决此类问题。本测试记录设备具备两种串行接口和节点相连，记录节点传来的状态、事件、时间和节点编号信息，在大规模无线传感器网络测试中，给每个感知节点、汇聚节点和决策节点配备一个本测试记录设备，由测试记录设备将记录数据汇聚到监测站进行分析，用于帮助快速定位传输和融合等各类错误。本发明提供的设备是由挂接设备硬件、终端设备集成软件及传输数据格式等部分组成。
文档编号H04W84/18GK102625333SQ201110369089
公开日2012年8月1日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者付耀先, 周磊磊, 王翔, 解永生 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所, 中国科学院嘉兴无线传感网工程中心