无线传感器网络功耗测试平台

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【摘 要】一般针对无线传感器网络的测试往往注重单个设备的性能指标，这些测试比较单一，不能对如网络生存周期、数据传输延迟等指标进行测量，并且这些指标需要在被测网络节点之间相互协作通信的情况下完成。为改善测试方法，提出了一种解决无线传感器网络功耗测试平台，设计了一种测试网络，其包括测试设备和协调器，整个测试网络采用类似TDMA方式进行信道访问和时间同步，实现了对被测网络生命周期进行推算及通过各个设备状态的变化来验证网络的通信协议。

【关键词】无线传感器网络 功耗 测试 时间同步

无线传感器网络综合了微电子技术、嵌入式计算技术、无线通信技术等先进技术，以多跳和自组织方式形成网络，其作用是协作感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。作为物联网的重要组成部分，无线传感器网络越来越受到重视。

一般针对无线传感器网络的测试往往注重单个设备的性能指标，如某个设备的发射功率、接收灵敏度、设备功耗等。这些测试比较简单，使用到的测试仪器比较常见。而无线传感器网络通常工作时需要通过设备和设备之间进行通信交互来完成的，整个网络是个多跳自组网络，通过单个设备的测量不能完全反映网络的性能。如网络生存周期、数据传输延迟等的测试需要在被测网络正常工作情况下，通过节点之间相互协作完成。

本文提出了一种无线传感器网络功耗测试的平台，设计了一种测试网络，包括测试设备和协调器，整个测试网络采用类似TDMA的方式进行信道访问和时间同步。测试网络对整个被测无线传感器网络内节点的工作电流进行实时监测，来反映当前被测网络内节点设备所处的状态，这些状态包括发送、休眠、接收、射频关闭等。通过对这个测试网络平台收集到被测网络功耗信息的分析，可以实现 对被测网络生命周期进行推算及通过各个设备状态的变化来验证网络通信协议。

1 系统结构及组成部分

整个系统包括被测网络、测试网络、上位机三部分。

（1）被测网络：是需要经行测试认证的无线传感器网络，本身可以是一个自组织网络，包括被测设备。

（2）测试网络：包括测试设备、协调器。测试设备给被测网络设备供电，同时采集供电电流，当检测到供电电流发生变化时通过无线传输电流值给协调器。协调器和测试设备之间通过类TDMA的方式进行信道的访问和时间同步。

（3）上位机：通过串口和协调器通信，对采集到的数据进行分析并控制整个测试网络的时间同步。

整个系统结构如图1所示。

2 硬件设计

2.1 测试设备模块

测试设备由采集芯片、处理器、电源模块和通信模块4个主要部分组成，如图2所示。

处理器通过SPI串行接口连接通信模块，电源模块通过220V交流转换为5V，为处理器、采集芯片、通信模块提供电源。

（1）处理器

8MSP430F53288是德州仪器的MSP430系列超低功耗微控制器，配置有1个集成3.3-V LDOs，4个16位定时器，1个高性能12位模数转换器（ADC），2个通用串行通信接口（USCI），硬件乘法器，DMA，具有报警功能的实时时钟模块。

（2）通信模块

该CC2520是TI的第二代的ZigBee?/IEEE 802.15.4标准的2.4GHz的射频无牌ISM频段收发器，CC2520提供了广泛的硬件支持帧处理、数据缓冲、突发传输、数据加密技术、数据验证、清晰信道评估、链路质量指示和帧定时信息。其中：

1）工作频段：2.4GHz

2）信道：16个（间隔5M）

3）发射功率：4.5dBm

4）接收灵敏度：-97dBm

（3）采集模块

ADS131E08是多通道、同步采样、24位和16位三角积分（ΔΣ）的模数转换器（ADC）。

其特性如下：

1）8个差分电流和电压输入

2）每秒千次采样率（ksps）上的动态性能：118dB

3）串扰：-110dB

4）总谐波失真（THD）：50Hz和60Hz时为-90dB

5）模拟：+3V至+5V（单极），±2.5V（双极，允许直流耦合）

6）数字：+1.8V至+3.6V

7）低功耗：每通道2mW

8）数据速率（kbps）：1，2，4，8，16，32和64

9）可编程增益：1，2，4，8，12

10）故障检测和器件测试功能

11）SPI数据接口和四个通用输入输出接口（GPIO）

2.2 协调器

协调器由处理器、电源模块、射频模块和串口芯片4个主要部分组成，如图3所示。处理器通过SPI串行接口连接通信模块，电源模块通过220V交流转换为5V，为处理器、通信模块提供电源。

3 软件设计

（1）时间同步设计

协调器每30ms发送一次时间同步帧，测试设备接收到时间同步帧后，对时间进行同步，通过测试设备ID来判断当前时间槽是否为自己使用，流程如图4所示：

时间同步帧格式如表1所示：

（2）测试设备程序设计

测试设备上电后开始采集被测设备的工作电流，当采集到的工作电流值发生变化时，说明被测设备工作状态发生变化，测试设备等待自己的时间槽，发送当前采集到的电流值和当前同步时间戳给协调器，如图5所示。

（3）协调器程序设计

协调器上电后初始化相应的串口、通信、定时器等模块，定时器设置30ms为中断周期，通信模块为接受状态。定时器产生中断时发送相应的时间同步帧，接收到测试设备发送过来的数据帧后通过串口传输给上位机，如图6所示。

4 总结

以上介绍的无线传感器网络功耗测试平台，可以很方便地对被测网络功耗进行实时监测。通过对测试网络采集到的数据进行分析，可以达到对被测网络生命周期进行推算及通过各个设备状态的变化来验证网络的通信协议的效果。后期需要完善的是时间同步精度，现在设计的时间同步精度大约为1ms，后期硬件设计时需要增加一个精度更高的定时器。

参考文献：

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