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第9期 王沁等：一种混合方式的无线传感器网络测试调试系统 ,1201, 合式的无线传感器网络的仿真方法，从而达到反映 信息却无法在不影响原程序的情况下大量地提取出 嵌入式系统与网络行为之间关系的目的，进而高效 来，哈佛大学的MoteLab1o]是早期尝试物理测试 地对无线传感器网络的应用进行调试和测试， 平台的实例之一，由30个MicaZ节点经过以太网连 1相关研究工作分析 接到一个中央服务器上组成，SNIF(sensor network inspection framework)架构山通过在传感器网络中 在流程工业设备故障监测应用系统的设计、部 再部署另外一个检测网络，通过监测网络来收集传 署和现场测试中[3]，发现由于得到的信息有限，在 感网络的信息，从而对其进行验证和调试， 调试过程和应用过程中出现的一些问题难以定位， DSN2]、EmStar[13]也是测试WSN应用程序的实际 或者需要大量的时间去测试以排除各种可能，因此 环境测试平台，实际网络的难以控制，外界环境的 需要一个新的测试调试平台.一个目的是对已知类 千变万化使实验难以重现；反映网络行为和嵌入式 型的错误加快调试和定位，另一个目的是通过极端 行为的信息通过应用程序中注入附加代码实现，得 情况的设置去发现并解决应用中难以发现的问题， 到的信息有限；实际环境测试的方法无法满足大规 下面主要从WSN的调试方法、仿真平台和实际环 模的需要，而且一旦布设，硬件平台便固定，灵活性 境测试平台三个方面对相关的研究工作进行总结； 受限 然后给出新的测试调试平台的实现思想 纯粹软件的仿真在功能层上提供了很好的测试 目前，调试WSN的程序的手段一般包括串口 调试方法，但是得出的结果并不能被当作完全可靠 调试、指示灯(LED)调试和嵌入式平台模拟器调试， 的依据去直接部署节点，往往还需要通过实际环境 串口调试通过串口输出节点中程序的执行状态信 测试进一步验证，实际环境测试，由于信道和嵌入 息，该方法能够观测的节点数目非常有限，且当节点 式系统信息的不可见、不可控性，灵活性不足、耗时、 内部程序发生死锁或崩渍时该方法将失效，指示灯 耗力，当面向异构仿真、环境仿真、仿真并行性和硬 调试靠节点上数量有限的LED提供的信息进行调 件错误检测时这两种方法都没很好地达到需求.本 试，因此无法调试逻辑比较复杂的程序，嵌入式平 文提出的系统，主要目的是验证实际WSN的实现， 台模拟器（主要指微处理器的模拟器）可以在嵌入式 其保留了真正的嵌入式系统，同时提供一种嵌入式 系统前期有效地诊断软件的功能缺陷；但WSN的 系统信息收集机制，应用程序中不需要注入过多的 程序行为高度依赖于应用环境，因此嵌入式平台模 调试代码便可定位其他平台难以快速定位的错误； 拟器上的仿真结果不能完全反映实际实现时的实时 为了能够控制信道并使网络信息可视化，用一种更 性和事件突发性，应用中的一些问题是很难通过该 真实的手段一同步数字电路模拟网络和信道.这 类平台定位的， 种混合的方式能够调试WSN应用程序，对协议的 通用的网络仿真软件是网络领域研究算法和协 实现进行验证，并且能在不影响原WSN应用程序 议的主要工具，主要有OPNET[、Ns-2和G1o 的前提下收集到开发者感兴趣的性能评价参数，从 MoSim[6]等.这些平台大部分要重新为仿真编写代 而进行性能优化或评估 码，而且该类平台的抽象层次比较高，不适用于实际 实现的验证，因此，出现了WSN的专用仿真器. 2混合方式的SN测试调试系统的体系结构 TOSSIM],TOSSIF[8]是TinyOS开发的专用平台， 与传统网络仿真主要在协议栈层次上进行体系 它们在支持异构网络的仿真上具有一定的局限性， 结构划分不同，本文根据实际WSN的实现进行器 WSNSim[通过对网络模型和抽象算法的描述来进 件级上的体系结构划分.实际WSN的结构可以抽 行网络级的抽象算法仿真，其主要贡献是添加了更 象成如图1左侧所示，由信道和接在其上的实际传 加真实的能耗分析模型.这些纯粹软件的仿真方 感器节点组成.实际的传感器节点由传感器模块、 式，用软件实现各层的网络协议，简单地抽象信道特 处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成 征，从而评价各种协议的性能，如网络的吞吐量、端 为了对实现进行验证，需要平台运行实际程序并具 对端延迟和丢包率等指标. 有和实际一样的并行效果，本文保留实际传感器节 另一种WSN开发的常用方法是用多个实际传 点的传感器模块、处理器模块和能量供应模块，称其 感器节点布置成真实网络，通过收集节点上的输出 为RES(real embedded system),实际传感器节点中 信息，了解网络和嵌入式系统的运行状况，这种方 的通信模块如CC2420和CC1100,本文用同步数字 法比较真实地体现了WSN的行为，但真实的行为 电路进行器件级上的模拟，称其为VRF(virtual合式的无线传感器网络的仿真方法从而达到反映 嵌入式系统与网络行为之间关系的目的进而高效 地对无线传感器网络的应用进行调试和测试． 1 相关研究工作分析 在流程工业设备故障监测应用系统的设计、部 署和现场测试中［3］发现由于得到的信息有限在 调试过程和应用过程中出现的一些问题难以定位 或者需要大量的时间去测试以排除各种可能因此 需要一个新的测试调试平台．一个目的是对已知类 型的错误加快调试和定位另一个目的是通过极端 情况的设置去发现并解决应用中难以发现的问题． 下面主要从 WSN 的调试方法、仿真平台和实际环 境测试平台三个方面对相关的研究工作进行总结； 然后给出新的测试调试平台的实现思想． 目前调试 WSN 的程序的手段一般包括串口 调试、指示灯（LED）调试和嵌入式平台模拟器调试． 串口调试通过串口输出节点中程序的执行状态信 息该方法能够观测的节点数目非常有限且当节点 内部程序发生死锁或崩溃时该方法将失效．指示灯 调试靠节点上数量有限的 LED 提供的信息进行调 试因此无法调试逻辑比较复杂的程序．嵌入式平 台模拟器（主要指微处理器的模拟器）可以在嵌入式 系统前期有效地诊断软件的功能缺陷；但 WSN 的 程序行为高度依赖于应用环境因此嵌入式平台模 拟器上的仿真结果不能完全反映实际实现时的实时 性和事件突发性应用中的一些问题是很难通过该 类平台定位的． 通用的网络仿真软件是网络领域研究算法和协 议的主要工具主要有 OPNET ［4］、Ns-2［5］ 和 GloMoSim ［6］等．这些平台大部分要重新为仿真编写代 码而且该类平台的抽象层次比较高不适用于实际 实现的验证．因此出现了 WSN 的专用仿真器． TOSSIM ［7］、TOSSIF ［8］是 TinyOS 开发的专用平台 它们在支持异构网络的仿真上具有一定的局限性． WSNSim ［9］通过对网络模型和抽象算法的描述来进 行网络级的抽象算法仿真其主要贡献是添加了更 加真实的能耗分析模型．这些纯粹软件的仿真方 式用软件实现各层的网络协议简单地抽象信道特 征从而评价各种协议的性能如网络的吞吐量、端 对端延迟和丢包率等指标． 另一种 WSN 开发的常用方法是用多个实际传 感器节点布置成真实网络通过收集节点上的输出 信息了解网络和嵌入式系统的运行状况．这种方 法比较真实地体现了 WSN 的行为但真实的行为 信息却无法在不影响原程序的情况下大量地提取出 来．哈佛大学的 MoteLab ［10］ 是早期尝试物理测试 平台的实例之一由30个 MicaZ 节点经过以太网连 接到一个中央服务器上组成．SNIF（sensor network inspection framework）架构［11］通过在传感器网络中 再部署另外一个检测网络通过监测网络来收集传 感 网 络 的 信 息从 而 对 其 进 行 验 证 和 调 试． DSN ［12］、EmStar ［13］也是测试 WSN 应用程序的实际 环境测试平台．实际网络的难以控制外界环境的 千变万化使实验难以重现；反映网络行为和嵌入式 行为的信息通过应用程序中注入附加代码实现得 到的信息有限；实际环境测试的方法无法满足大规 模的需要而且一旦布设硬件平台便固定灵活性 受限． 纯粹软件的仿真在功能层上提供了很好的测试 调试方法但是得出的结果并不能被当作完全可靠 的依据去直接部署节点往往还需要通过实际环境 测试进一步验证．实际环境测试由于信道和嵌入 式系统信息的不可见、不可控性灵活性不足、耗时、 耗力．当面向异构仿真、环境仿真、仿真并行性和硬 件错误检测时这两种方法都没很好地达到需求．本 文提出的系统主要目的是验证实际 WSN 的实现． 其保留了真正的嵌入式系统同时提供一种嵌入式 系统信息收集机制应用程序中不需要注入过多的 调试代码便可定位其他平台难以快速定位的错误； 为了能够控制信道并使网络信息可视化用一种更 真实的手段———同步数字电路模拟网络和信道．这 种混合的方式能够调试 WSN 应用程序对协议的 实现进行验证并且能在不影响原 WSN 应用程序 的前提下收集到开发者感兴趣的性能评价参数从 而进行性能优化或评估． 2 混合方式的 WSN 测试调试系统的体系结构 与传统网络仿真主要在协议栈层次上进行体系 结构划分不同本文根据实际 WSN 的实现进行器 件级上的体系结构划分．实际 WSN 的结构可以抽 象成如图1左侧所示由信道和接在其上的实际传 感器节点组成．实际的传感器节点由传感器模块、 处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成． 为了对实现进行验证需要平台运行实际程序并具 有和实际一样的并行效果本文保留实际传感器节 点的传感器模块、处理器模块和能量供应模块称其 为 RES（real embedded system）．实际传感器节点中 的通信模块如 CC2420和 CC1100本文用同步数字 电路进行器件级上的模拟称其为 VRF （virtual 第9期 王 沁等： 一种混合方式的无线传感器网络测试调试系统 ·1201·