CN106102091B - 一种无线传感器网络的实验***平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络的实验***平台，包括多个网络节点、汇聚节点Sink和上位机，其中各个网络节点依次通过SPI串行口、无线芯片相互连接，网络节点通过SPI串行口、无线芯片与汇聚节点Sink连接，汇聚节点Sink通过串口通信模块RS232与上位机连接；所述各个网络节点负责采集和监测数据信息，网络节点采集到的数据信息通过SPI串行口与无线芯片发送至汇聚节点Sink；汇聚节点Sink使用串口通信模块RS232将数据信息输送到上位机；上位机在监控界面上对数据信息进行处理分析，测试无线传感器网络的时效性和公平性。本发明能够用于无线传感器网络的网络拥塞的研究，通信效果好、稳定性强，满足了通信实验的检测需求。

Description

一种无线传感器网络的实验***平台

技术领域

本发明属于无线传感器网络控制技术领域，是一种无线传感器网络的实验***平台。

背景技术

无线传感器网络是一种多学科交叉、知识集中度高的前沿科学，目前已得到国内外学者和研究者的广泛关注。针对无线传感器网络研究中出现的问题以及各种不同的应用场合所设计的解决方案也取得了一定成就，为未来无线传感器网络应用提供了参考和进一步研究奠定了基础。无线传感器网络研究始于上世纪九十年代末，其研究历史并不长，但由于其重要的研究和应用价值，多国家研究机构相继开展了无线传感器网络研究项目，使其迅速发展。

无线传感器网络作为一门新兴技术，已成为信息技术领域中的研究热点，其发展历史虽不长，但发展速度很快。无线传感器网络应用领域广泛、涉及学科多，无线传感器网络研究热点所涉及的关键技术研究主要包括：网络拓扑控制、网络路由协议、网络安全、时间同步、定位技术、数据融合、节能技术。在无线传感器网络中，对于这些问题的研究，是需要一个很好地实验平台。实验平台的作用是采集相关数据，并对实验数据进行研究，对关键技术进行突破。近年来包含的无线传感器网络的实验平台主要有基于Zigbee的无线传感器网络教学实验***，基于TinyOS实验平台等。但是对于无线传感器网络中拥塞控制协议没有相关的教学实验平台，拥塞控制技术作为无线传感器网络研究热点的关键技术，其设计的是否合理，是直接影响到网络的性能。所以更需要搭建出一种相关的实验平台。

目前无线传感器网络拥塞控制协议的研究，没有将硬件设计、上位机界面开发和相关的软件设计结合起来，阻碍了无线传感器网络在教学中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线传感器网络的实验***平台，实现基于无线传感器网络中拥塞控制等协议研究的数据快速、可靠、高效的检测，并将得到的数据进行保存仿真出图，实现信息化的管理。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种无线传感器网络的实验***平台，包括多个网络节点、汇聚节点Sink和上位机，其中各个网络节点依次通过SPI串行口、nRF24L01无线芯片相互连接，网络节点通过SPI串行口、nRF24L01无线芯片与汇聚节点Sink连接，汇聚节点Sink通过串口通信模块RS232与上位机连接；

所述各个网络节点负责采集和监测数据信息，网络节点采集到的数据信息通过SPI串行口与nRF24L01无线芯片发送至汇聚节点Sink；汇聚节点Sink使用串口通信模块RS232将数据信息输送到上位机；上位机在监控界面上对数据信息进行处理分析，测试无线传感器网络的时效性和公平性。

进一步地，所述网络节点包括电源模块、单片机MSP430F5310、JTAG、8M晶振、nRF24L01无线芯片和数字传感器接口，其中JTAG接入单片机MSP430F5310的JTAG接口，8M晶振接入单片机MSP430F5310的XT2IN、XT2OUT接口，nRF24L01无线芯片接入单片机MSP430F5310的SPI接口；

单片机MSP430F5310采用3.3V的电源模块供电，工作时钟由内部振荡器和外部8M无源晶体振荡器组成，其中单片机MSP430F5310的P4.0、P4.4～P4.7分别作为SPI串行接口的SCK、MOUT、MIN、CSN、CE信号接口，该五个信号接口分别与nRF24L01无线芯片对应的SPI接口相连；nRF24L01无线芯片发出的IRQ作为外部中断信号，单片机MSP430F5310的P4.1、P4.2、P1.1作为预留传感器接口，RST和TCK分别与仿真器FET430USB对应的接口相连，用于下载程序和调试仿真。

进一步地，所述汇聚节点Sink包括电源模块、单片机MSP430F5438A、JTAG、8M晶振、nRF24L01无线芯片和MAX3232，其中JTAG接入单片机MSP430F5438A的JTAG接口，8M晶振接入单片机MSP430F5438A的XT2IN、XT2OUT接口，nRF24L01无线芯片接入单片机MSP430F5438A的SPI接口，MAX3232接入单片机MSP430F5438A的USART0接口；

所述单片机MSP430F5438A采用IAR集成开发环境，单片机MSP430F5438A采用3.3V的电源模块供电，工作时钟由内部振荡器和外部8M无源晶体振荡器组成；其中单片机MSP430F5438A的P9.1-P9.5分别作为SPI串行接口的MOUT、MIN、SCK、CSN、CE信号接口，该五个信号接口分别与nRF24L01无线芯片对应的SPI接口相连；nRF24L01无线芯片发出的IRQ作为外部中断信号，单片机MSP430F5438A的TXD2、RXD2接口与MAX2323对应的接口相连，用于和上位机进行通信；TDO、TDI、TMS、TCK和TEST接口分别与仿真器FET430USB对应接口相连，用于下载程序和仿真调试。

进一步地，所述上位机包括监控界面和网络拥塞控制协议模块，其中监控界面包括串口设置、网络数据接收区、备用节点、协同路径拓扑结构图、网络***运行状态以及协同路径；网络拥塞控制协议模块实现了网络节点初始化、网络节点组网过程、路由查询、邻居查询、节点加入网络、节点退出网络和路由修复过程。

进一步地，所述上位机的监控界面包括串口设置、网络数据接收区、备用节点、协同路径拓扑结构图、网络***运行状态以及协同路径，具体工作方式为：上位机与汇聚节点Sink之间使用串口进行通信，当汇聚节点Sink往上位机发送数据信息时，首先打包串口帧，然后发送到发数据缓冲区，之后由上位机进行分析处理；当上位机往汇聚节点Sink发送数据信息时，上位机首先调用数据函数、打包串口帧，之后调用发送函数往发送缓冲区发送数据；网络运行开始，汇聚节点Sink启动全局时钟，用于网络中时间信息校准，同时汇聚节点Sink周期性的往上位机发送数据信息，上位机主动查询网络节点中备用节点的数据信息、节点能量信息以及刷新协同路径拓扑结构图。

进一步地，所述网络拥塞控制协议模块的协议网络层帧格式包括网路层帧头和网络层的净载荷，网络层帧头包括帧校验码、帧类型、帧命令、帧长度和网络路由域信息，净载荷是数据信息；在网络层帧格式信息中：帧校验用于判断节点接收到网络信息帧的正确性；帧类型代表帧命令信息的使能信号；帧命令是指任务执行对应的指令；帧长度代表网络路由域的长度，用于解析路由信息；只有当帧类型信号使能后，帧对应命令才能执行；协同路径包含了网络节点，根据网络节点选择下一跳节点，分散无线传感器网络拥塞区域的数据流量。

进一步地，所述网络拥塞控制协议模块包括以下函数：

1)int AnaLyseReNetFrame函数，对接收信息帧内容进行分析，根据帧校验码检验信息的正确性，以及对帧类型和帧命令的解析，返回执行该命令对应的任务代码；

2)void ProcessReNetFrame函数，根据分析帧类型所返回任务代码，然后根据任务代码调用对应的子函数进行任务处理，不同任务具有不同的优先级，首先处理高优先级任务，之后再处理低优先级任务，任务是对路由表、邻居表、自身信息表和数据转发的处理；

3)void BuildNetFrame函数，构建执行帧命令所对应的网络帧，当该帧命令网络帧构建好之后，网络节点发送该网络帧，接收该网络帧的其它节点才能执行该帧命令对应的任务；组装帧命令信息包括帧校验码、帧类型、以及根据帧类型的不同确定路由域信息；

4)void UpdataNodeInfo函数，更新网络节点自身信息；随着网络运行，节点自身信息会发生变化，该函数对节点能量值、发送次数、跳数值进行更新；

5)void UpdataRoutingList函数，根据节点对接收网络帧命令分析所返回的不同任务代码信息，对路由信息表做不同的更新处理；对路由表信息进行增加、删除、修改操作；

6)void UpdataNeighborList函数，根据节点对接收网络帧命令分析所返回的不同任务代码信息，对邻居信息表做不同的更新处理；更新内容是邻居节点的个数、地址、能量、收发次数；

7)unsigned int FindRoutingList函数，根据参数值查询路由信息表中的目的节点、父节点和下一跳节点信息；

8)unsinged int FindNeighborList函数，查出指定邻居节点的信息，在邻居信息表中查出最优的邻居节点作为下一跳节点，在节点邻居信息表中选择下一跳节点。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)具有将无线传感器网络中理论化的结果转化为硬件平台，具有可操作性；(2)实现了基于无线传感器网络中拥塞控制等协议研究的数据快速、可靠、高效的检测，满足了通信实验的检测需求；(3)通信效果好、稳定性强，将得到的数据进行保存仿真出图，实现信息化的管理。

附图说明

图1是本发明无线传感器网络***平台结构体系示意图。

图2是本发明无线传感器网络***平台汇聚节点设计图。

图3是本发明无线传感器网络***平台网络节点设计图。

图4是本发明无线传感器网络***平台中上位机控制界面。

图5是本发明无线传感器网络***平台串口设置程序流程图。

图6是本发明无线传感器网络***平台上位机解析串口数据帧流程图。

图7是本发明无线传感器网络***平台上位机查询网络节点信息流程图。

具体实施方式

结合图1～4，本发明无线传感器网络的实验***平台，包括多个网络节点、汇聚节点Sink和上位机，其中各个网络节点依次通过SPI串行口、nRF24L01无线芯片相互连接，网络节点通过SPI串行口、nRF24L01无线芯片与汇聚节点Sink连接，汇聚节点Sink通过串口通信模块RS232与上位机连接；

所述各个网络节点负责采集和监测数据信息，网络节点采集到的数据信息通过SPI串行口与nRF24L01无线芯片发送至汇聚节点Sink；汇聚节点Sink使用串口通信模块RS232将数据信息输送到上位机；上位机在监控界面上对数据信息进行处理分析，测试无线传感器网络的时效性和公平性。

进一步地，所述网络节点包括电源模块、单片机MSP430F5310、JTAG、8M晶振、nRF24L01无线芯片和数字传感器接口，其中JTAG接入单片机MSP430F5310的JTAG接口，8M晶振接入单片机MSP430F5310的XT2IN、XT2OUT接口，nRF24L01无线芯片接入单片机MSP430F5310的SPI接口；

单片机MSP430F5310采用3.3V的电源模块供电，工作时钟由内部振荡器和外部8M无源晶体振荡器组成，其中单片机MSP430F5310的P4.0、P4.4～P4.7分别作为SPI串行接口的SCK、MOUT、MIN、CSN、CE信号接口，该五个信号接口分别与nRF24L01无线芯片对应的SPI接口相连；nRF24L01无线芯片发出的IRQ作为外部中断信号，单片机MSP430F5310的P4.1、P4.2、P1.1作为预留传感器接口，RST和TCK分别与仿真器FET430USB对应的接口相连，用于下载程序和调试仿真。

进一步地，所述汇聚节点Sink包括电源模块、单片机MSP430F5438A、JTAG、8M晶振、nRF24L01无线芯片和MAX3232，其中JTAG接入单片机MSP430F5438A的JTAG接口，8M晶振接入单片机MSP430F5438A的XT2IN、XT2OUT接口，nRF24L01无线芯片接入单片机MSP430F5438A的SPI接口，MAX3232接入单片机MSP430F5438A的USART0接口；

所述单片机MSP430F5438A采用IAR集成开发环境，单片机MSP430F5438A采用3.3V的电源模块供电，工作时钟由内部振荡器和外部8M无源晶体振荡器组成；其中单片机MSP430F5438A的P9.1-P9.5分别作为SPI串行接口的MOUT、MIN、SCK、CSN、CE信号接口，该五个信号接口分别与nRF24L01无线芯片对应的SPI接口相连；nRF24L01无线芯片发出的IRQ作为外部中断信号，单片机MSP430F5438A的TXD2、RXD2接口与MAX2323对应的接口相连，用于和上位机进行通信；TDO、TDI、TMS、TCK和TEST接口分别与仿真器FET430USB对应接口相连，用于下载程序和仿真调试。

进一步地，所述上位机包括监控界面和网络拥塞控制协议模块，其中监控界面包括串口设置、网络数据接收区、备用节点、协同路径拓扑结构图、网络***运行状态以及协同路径；网络拥塞控制协议模块实现了网络节点初始化、网络节点组网过程、路由查询、邻居查询、节点加入网络、节点退出网络和路由修复过程。

进一步地，所述上位机的监控界面包括串口设置、网络数据接收区、备用节点、协同路径拓扑结构图、网络***运行状态以及协同路径，具体工作方式为：上位机与汇聚节点Sink之间使用串口进行通信，当汇聚节点Sink往上位机发送数据信息时，首先打包串口帧，然后发送到发数据缓冲区，之后由上位机进行分析处理；当上位机往汇聚节点Sink发送数据信息时，上位机首先调用数据函数、打包串口帧，之后调用发送函数往发送缓冲区发送数据；网络运行开始，汇聚节点Sink启动全局时钟，用于网络中时间信息校准，同时汇聚节点Sink周期性的往上位机发送数据信息，上位机主动查询网络节点中备用节点的数据信息、节点能量信息以及刷新协同路径拓扑结构图。

进一步地，所述网络拥塞控制协议模块的协议网络层帧格式包括网路层帧头和网络层的净载荷，网络层帧头包括帧校验码、帧类型、帧命令、帧长度和网络路由域信息，净载荷是数据信息；在网络层帧格式信息中：帧校验用于判断节点接收到网络信息帧的正确性；帧类型代表帧命令信息的使能信号；帧命令是指任务执行对应的指令；帧长度代表网络路由域的长度，用于解析路由信息；只有当帧类型信号使能后，帧对应命令才能执行；协同路径包含了网络节点，根据网络节点选择下一跳节点，分散无线传感器网络拥塞区域的数据流量。

进一步地，所述网络拥塞控制协议模块包括以下函数：

1)int AnaLyseReNetFrame函数，对接收信息帧内容进行分析，根据帧校验码检验信息的正确性，以及对帧类型和帧命令的解析，返回执行该命令对应的任务代码；

2)void ProcessReNetFrame函数，根据分析帧类型所返回任务代码，然后根据任务代码调用对应的子函数进行任务处理，不同任务具有不同的优先级，首先处理高优先级任务，之后再处理低优先级任务，任务是对路由表、邻居表、自身信息表和数据转发的处理；

3)void BuildNetFrame函数，构建执行帧命令所对应的网络帧，当该帧命令网络帧构建好之后，网络节点发送该网络帧，接收该网络帧的其它节点才能执行该帧命令对应的任务；组装帧命令信息包括帧校验码、帧类型、以及根据帧类型的不同确定路由域信息；

4)void UpdataNodeInfo函数，更新网络节点自身信息；随着网络运行，节点自身信息会发生变化，该函数对节点能量值、发送次数、跳数值进行更新；

5)void UpdataRoutingList函数，根据节点对接收网络帧命令分析所返回的不同任务代码信息，对路由信息表做不同的更新处理；对路由表信息进行增加、删除、修改操作；

6)void UpdataNeighborList函数，根据节点对接收网络帧命令分析所返回的不同任务代码信息，对邻居信息表做不同的更新处理；更新内容是邻居节点的个数、地址、能量、收发次数；

7)unsigned int FindRoutingList函数，根据参数值查询路由信息表中的目的节点、父节点和下一跳节点信息；

8)unsinged int FindNeighborList函数，查出指定邻居节点的信息，在邻居信息表中查出最优的邻居节点作为下一跳节点，在节点邻居信息表中选择下一跳节点。

下面结合附图及具体实验方式对本发明做进一步详细描述。

结合图1，所示是无线传感器网络的实验***平台的网络结构体系示意图。在本发明专利中，我们设置了普通无线传感器网络的节点、汇聚节点。如图2和图3所示。汇聚节点主要对网络中传感器节点进行控制以及对数据信息进行分析处理，把信息处理结果通过串口传输到上位机。汇聚节点设计主要包括：电源模块、无线收发模块、单片机模块、JTAG下载调试模块和RS232串口模块。一般网络节点主要功能是采集监测区域数据信息，然后选择合适的路由路径把数据信息发送至汇聚节点。网络节点在功能上与汇聚节点有所差别，所以在设计无线传感器网络节点时也有所不同。网络节点主要有电源模块、CPU模块、JTAG下载调试模块、无线收发模块和预留传感器接口。

上位机监控界面是在Windows 7操作***下，使用Visual Studio 2010进行编写程序，用Serial串口类进行收发数据，开发的用户监控界面直观友好。如图4是上位机监控界面。其基本功能如下。

(1)串口设置主要使用Serial串口类对串口号、波特率、停止位和奇偶校验进行设置，然后选择打开和关闭串口按钮。本实验平台在串口设置初始化所使用的串口号为COM1、波特率为115200bit/s、停止位为1和无奇偶校验。

(2)网络数据接收区。网络中传感器节点把采集的信息传输到汇聚节点，汇聚节点对其信息分析处理后经串口传输到上位机，在监控界面上实时显示。由于没有用到传感器，这里的信息指的是传感器节点路由信息和备用节点信息。

(3)备用节点。初始化时，邻居表和路由表中只有一个汇聚节点。现以备用节点邻居表为例，其主要功能分为查询传感器节点邻居表、刷新、清除邻居表和邻居表信息显示区。网络中所有传感器节点与汇聚节点进行通信，把传感器节点自身邻居表信息和数据信息，都传输到汇聚节点，这样汇聚节点就获得网络中所有传感器节点的信息，上位机监控界面查询每个传感器节点的邻居表信息，只需在汇聚节点里查询该传感器节点就可获知其邻居表信息，然后显示在邻居节点显示区。路由表的实现原理与邻居表一样，只是在路由表里显示的是网络中传感器节点路由信息。

(4)协同路径拓扑结构图。无线传感器网络中的路由表显示的是传感器网络中协同路径的数据信息，这对用户观察网络中节点路由信息并不直观，所以监控界面中引入协同路径拓扑结构图，提供给用户直观的路由信息。在协同路径拓扑结构图中显示网络中所有传感器节点之间的关系，能够清楚的观察传感器节点地址、节点所在的梯度和节点的父节点。

(5)网络***运行状态。这部分主要对网络运行状态、网络时钟和全网络传感器节点个数进行监测。其中网络运行状态分为组网阶段和数据传输阶段。以方便用户对整个网络运行的观察。

汇聚节点拥有网络中所有传感器节点的信息，上位机只需与汇聚节点通信，就可获知网络节点的备用节点的邻居表、路由表和协同路径拓扑结构信息。上位机与汇聚节点之间使用串口进行通信。当汇聚节点往上位机发送数据信息时，首先打包串口帧，然后发送到发数据缓冲区，之后由上位机进行分析处理。当上位机往汇聚节点发送数据信息时，上位机首先调用建立数据函数、打包串口帧，之后调用发送函数往发送缓冲区发送数据。如图5上位机串口设置。

网络运行开始，汇聚节点启动全局时钟，用于网络中时间信息校准。同时汇聚节点周期性的往上位机发送数据信息。如图6所示上位机对串口数据桢的解析流程。

汇聚节点周期性的把相关数据传输至上位机，上位机可主动查询网络备用节点信息、协同路径信息以及刷新协同路径拓扑结构图。如图7所示上位机查询节点信息流程图。

软硬件实施

本发明通过以下几个方面对无线传感器网络的实验***平台进行详细说明。

1、硬件组成

本发明主要涉及的硬件部分主要包括了两个方面，汇聚节点和一般的网络节点。本发明在设计这两个硬件节点时，一般处理器除了单片机所具备的基本功能外，还需要具备高集成度、高性能和低功耗的特点。针对无线传感器节点设计要求，本文采用TI公司的MSP430F5310和MSP430F5438A单片机。

本发明硬件平台中汇聚节点的设计，采用了TI公司的MSP430F5438A低功耗单片机与nRF24L01高性能无线收发芯片的组合，通过MSP430F5438A单片机对nRF24L01无线收发芯片的控制，以满足无线传感器网络工作需求。对MSP430F5438A单片机的开发采用的是IAR集成开发环境，IAR不仅提供了可支持MSP430F5438A单片机运行环境，而且支持C语言开发，方便开发人员快速编程。除此之外IAR方便下载以及调试，且运行稳定。

无线射频模块采用nRF24L01无线芯片设计，nRF24L01是一款高性能的、工作在2.4GHz全球开放ISM频段免许可证使用的芯片，其芯片内部集成了晶体振荡器、调制器、解调器、频率发生器、功率放大器和增强型ShockBurst模式控制器。

在网络中所有传感器节点，只有汇聚节点需要与上位机监控界面进行通信，而网络节点只需通过无线模块与网络中其它节点进行通信，不需要与上位机进行通信。所以只在汇聚节点上设计了串口模块，使用MSP430F5438A的USART0串行口。

本发明硬件平台中网络节点使用MSP430F5310单片机、nRF24L01无线芯片设计。MSP430F5310单片机下载调试引脚TCK和RST可以直接与JTAG仿真器相连。网络节点的无线模块同样是使用nRF24L01无线芯片，处理器通过SPI串行口与nRF24L01无线芯片通信。网络节点SPI程序设计与汇聚节点大致相同。

2、软件组成

在Windows 7平台下使用Visual Studio 2010完成了对***软件的开发，实现了无线传感器网络实验***平台的智能检测，备用节点的路由表，邻居表，协同路径拓扑结构图，数据获取，数据的处理和存储等各个软件模块的功能。

软件协议在实现的过程中，主要工作内容包括：网络节点初始化、网络节点组网过程、路由查询、邻居查询、节点加入网络、节点退出网络和路由修复过程。当软件协议开始运行时，首先对网络中节点进行初始化操作，主要初始化节点自身信息表。当传感器节点一切准备就绪后，网络进入运行阶段，传感器节点会根据目前网络层帧中的网络命令类型、来执行对应的网络任务。

当网络中传感器节点初始化完成就绪后，网络运行进入组网阶段，这时首先由汇聚节点广播网络组网命令。网络中节点接收到广播组网命令后，先对广播组网命令进行解析。在运行一段时间后，重新由汇聚节点发起组网命令，更新网络中备用节点路由表和邻居表信息，以提高网络性能。

3、方法步骤

无线传感器网络的实验***平台的运作，包括如下步骤：

步骤一：搭载网络节点，汇聚节点，连接仿真器、计算机，将所有的硬件都连接成功。能够顺利的保持通顺。在电脑上打开网络的界面，保证上位机控制界面正常的运作。

步骤二：节点单跳通信测试。节点单跳通信是指节点之间点对点通信。数据源节点定时发送一定量数据，考核目的节点接收数据量。节点A每50ms发送一次数据桢到节点S，每帧数据11个字节，节点间距1m，无障碍通信。

1)当源节点A发送100帧数据到目的节点S，上位机接受显示目的节点S接收的数据量。

2)当源节点A发送500帧数据到目的节点S，上位机接受显示目的节点S接收的数据量。

3)当源节点A发送1000帧数据到目的节点S，上位机接受显示目的节点S接收的数据量。

步骤三：节点多跳通信测试。节点多跳通信是指源节点经过一个或多个中间节点到目的节点的通信。三个节点分别为源节点A、中间节点B和目的节点S，源节点A发送数据、由中间节点B转发、最后到达目的节点S。

场景设置1：节点间距1m，无障碍通信，源节点每50ms发送一次数据帧，每数据帧11个字节。

1)当源节点A发送100帧数据到目的节点S，上位机接受显示目的节点S接收的数据量。

2)当源节点A发送500帧数据到目的节点S，上位机接受显示目的节点S接收的数据量。

3)当源节点A发送1000帧数据到目的节点S，上位机接受显示目的节点S接收的数据量。

3)当源节点A发送2000帧数据到目的节点S，上位机接受显示目的节点S接收的数据量。

步骤四：场景设置2：节点间距1m，无障碍通信，源节点每100ms发送一次数据帧，每数据帧11个字节。

1)当源节点A发送100帧数据到目的节点S，上位机接受显示目的节点S接收的数据量。

2)当源节点A发送500帧数据到目的节点S，上位机接受显示目的节点S接收的数据量。

3)当源节点A发送1000帧数据到目的节点S，上位机接受显示目的节点S接收的数据量。

3)当源节点A发送2000帧数据到目的节点S，上位机接受显示目的节点S接收的数据量。

步骤五：节点多对一通信测试。传感器网络中在某一段时间存在多个节点发送数据，一个节点接收数据的情况。节点A、节点B、节点C和节点D是发射数据节点，节点S是接收数据节点。

在无线传感器网络的实验***平台中，将无线传感器网络的考察的具体性能指标进行量化。转化为简单的网络节点协同路径拓扑结构图。在无线传感器网络不同的工作模式下，在上位机控制界面协同路径拓扑图中转化为梯度值的模式。通过网络协同拓扑结构图和汇聚节点的路由表测试结果，验证无线传感器网络的实验***平台的实用性。

综上所述，本发明解决了无线传感器网络拥塞控制技术无法量化的问题，通过设计硬件和软件的方式，搭建了无线传感器网络实验***平台。在其实现平台上进行了测试分析。测试结果显示，软件协议实验平台在网络节点通信可靠性、节点组网、路由路径选择以及节点加入和离开网络的路由维护方面具有良好的性能。对无线传感器网络自动地进行检测，并且自动给出相应的判断结果，这为今后研究无线传感器网络提供了实验平台，也为教学使用提供了可行性。

Claims (6)

1.一种无线传感器网络的实验***平台，其特征在于，包括多个网络节点、汇聚节点Sink和上位机，其中各个网络节点依次通过SPI串行口、nRF24L01无线芯片相互连接，网络节点通过SPI串行口、nRF24L01无线芯片与汇聚节点Sink连接，汇聚节点Sink通过串口通信模块RS232与上位机连接；

所述各个网络节点负责采集和监测数据信息，网络节点采集到的数据信息通过SPI串行口与nRF24L01无线芯片发送至汇聚节点Sink；汇聚节点Sink使用串口通信模块RS232将数据信息输送到上位机；上位机在监控界面上对数据信息进行处理分析，测试无线传感器网络的时效性和公平性；

所述网络节点包括电源模块、单片机MSP430F5310、JTAG、8M晶振、nRF24L01无线芯片和数字传感器接口，其中JTAG接入单片机MSP430F5310的JTAG接口，8M晶振接入单片机MSP430F5310的XT2IN、XT2OUT接口，nRF24L01无线芯片接入单片机MSP430F5310的SPI接口；

单片机MSP430F5310采用3.3V的电源模块供电，工作时钟由内部振荡器和外部8M无源晶体振荡器组成，其中单片机MSP430F5310的P4.0、P4.4～P4.7分别作为SPI串行接口的SCK、MOUT、MIN、CSN、CE信号接口，该五个信号接口分别与nRF24L01无线芯片对应的SPI接口相连；nRF24L01无线芯片发出的IRQ作为外部中断信号，单片机MSP430F5310的P4.1、P4.2、P1.1作为预留传感器接口，RST和TCK分别与仿真器FET430USB对应的接口相连，用于下载程序和调试仿真。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络的实验***平台，其特征在于，所述汇聚节点Sink包括电源模块、单片机MSP430F5438A、JTAG、8M晶振、nRF24L01无线芯片和MAX3232，其中JTAG接入单片机MSP430F5438A的JTAG接口，8M晶振接入单片机MSP430F5438A的XT2IN、XT2OUT接口，nRF24L01无线芯片接入单片机MSP430F5438A的SPI接口，MAX3232接入单片机MSP430F5438A的USART0接口；

所述单片机MSP430F5438A采用IAR集成开发环境，单片机MSP430F5438A采用3.3V的电源模块供电，工作时钟由内部振荡器和外部8M无源晶体振荡器组成；其中单片机MSP430F5438A的P9.1-P9.5分别作为SPI串行接口的MOUT、MIN、SCK、CSN、CE信号接口，该五个信号接口分别与nRF24L01无线芯片对应的SPI接口相连；nRF24L01无线芯片发出的IRQ作为外部中断信号，单片机MSP430F5438A的TXD2、RXD2接口与MAX2323对应的接口相连，用于和上位机进行通信；TDO、TDI、TMS、TCK和TEST接口分别与仿真器FET430USB对应接口相连，用于下载程序和仿真调试。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络的实验***平台，其特征在于，所述上位机包括监控界面和网络拥塞控制协议模块，其中监控界面包括串口设置、网络数据接收区、备用节点、协同路径拓扑结构图、网络***运行状态以及协同路径；网络拥塞控制协议模块实现了网络节点初始化、网络节点组网过程、路由查询、邻居查询、节点加入网络、节点退出网络和路由修复过程。

4.根据权利要求3所述的无线传感器网络的实验***平台，其特征在于，所述上位机的监控界面包括串口设置、网络数据接收区、备用节点、协同路径拓扑结构图、网络***运行状态以及协同路径，具体工作方式为：上位机与汇聚节点Sink之间使用串口进行通信，当汇聚节点Sink往上位机发送数据信息时，首先打包串口帧，然后发送到发数据缓冲区，之后由上位机进行分析处理；当上位机往汇聚节点Sink发送数据信息时，上位机首先调用数据函数、打包串口帧，之后调用发送函数往发送缓冲区发送数据；网络运行开始，汇聚节点Sink启动全局时钟，用于网络中时间信息校准，同时汇聚节点Sink周期性的往上位机发送数据信息，上位机主动查询网络节点中备用节点的数据信息、节点能量信息以及刷新协同路径拓扑结构图。

5.根据权利要求3所述的无线传感器网络的实验***平台，其特征在于，所述网络拥塞控制协议模块的协议网络层帧格式包括网路层帧头和网络层的净载荷，网络层帧头包括帧校验码、帧类型、帧命令、帧长度和网络路由域信息，净载荷是数据信息；在网络层帧格式信息中：帧校验用于判断节点接收到网络信息帧的正确性；帧类型代表帧命令信息的使能信号；帧命令是指任务执行对应的指令；帧长度代表网络路由域的长度，用于解析路由信息；只有当帧类型信号使能后，帧对应命令才能执行；协同路径包含了网络节点，根据网络节点选择下一跳节点，分散无线传感器网络拥塞区域的数据流量。

6.根据权利要求3所述的无线传感器网络的实验***平台，其特征在于，所述网络拥塞控制协议模块包括以下函数：

1)int AnaLyseReNetFrame函数，对接收信息帧内容进行分析，根据帧校验码检验信息的正确性，以及对帧类型和帧命令的解析，返回执行该命令对应的任务代码；

2)void ProcessReNetFrame函数，根据分析帧类型所返回任务代码，然后根据任务代码调用对应的子函数进行任务处理，不同任务具有不同的优先级，首先处理高优先级任务，之后再处理低优先级任务，任务是对路由表、邻居表、自身信息表和数据转发的处理；

3)void BuildNetFrame函数，构建执行帧命令所对应的网络帧，当该帧命令网络帧构建好之后，网络节点发送该网络帧，接收该网络帧的其它节点才能执行该帧命令对应的任务；组装帧命令信息包括帧校验码、帧类型、以及根据帧类型的不同确定路由域信息；

4)void UpdataNodeInfo函数，更新网络节点自身信息；随着网络运行，节点自身信息会发生变化，该函数对节点能量值、发送次数、跳数值进行更新；

5)void UpdataRoutingList函数，根据节点对接收网络帧命令分析所返回的不同任务代码信息，对路由信息表做不同的更新处理；对路由表信息进行增加、删除、修改操作；

6)void UpdataNeighborList函数，根据节点对接收网络帧命令分析所返回的不同任务代码信息，对邻居信息表做不同的更新处理；更新内容是邻居节点的个数、地址、能量、收发次数；

7)unsigned int FindRoutingList函数，根据参数值查询路由信息表中的目的节点、父节点和下一跳节点信息；

8)unsinged int FindNeighborList函数，查出指定邻居节点的信息，在邻居信息表中查出最优的邻居节点作为下一跳节点，在节点邻居信息表中选择下一跳节点。