專(zhuān)利名稱(chēng)：一種針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信性能測(cè)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信性能的測(cè)試裝置，主要用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)容量、多跳、功耗等網(wǎng)絡(luò)性能的測(cè)試。可以為無(wú)線系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用方面提供一個(gè)性能測(cè)試平臺(tái)，為通信質(zhì)量分析提供必要數(shù)據(jù)。
背景技術(shù)：
無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為工業(yè)信息化的關(guān)鍵，在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用是必然趨勢(shì)，已經(jīng)成為信息化推動(dòng)工業(yè)化發(fā)展 的代表性技術(shù)，是國(guó)際技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)和科技的制高點(diǎn)。針對(duì)能耗高、資源利用率低的流程工業(yè)，采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建立監(jiān)控、調(diào)度和優(yōu)化分配等綜合管理系統(tǒng)，是解決能源介質(zhì)和主要設(shè)備在線監(jiān)測(cè)和調(diào)度優(yōu)化的有效措施。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近幾年興起的一種全新的自組織，低功耗的無(wú)線通信方案，因其采用ISM授權(quán)頻段，通信速率在250kbps，自組織及多跳的特性使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)領(lǐng)域充滿(mǎn)了生命力。尤其是在工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域。然而，目前國(guó)際上普遍采用的Zigbee標(biāo)準(zhǔn)是基于802. 15. 4協(xié)議構(gòu)架之上的通信標(biāo)準(zhǔn)，其協(xié)議應(yīng)用涉及到工業(yè)、醫(yī)療、智能家居等多個(gè)無(wú)線應(yīng)用領(lǐng)域。協(xié)議的復(fù)雜度高。盡管針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有三個(gè)，目前仍沒(méi)有一個(gè)可行的方案用來(lái)測(cè)試通信的可靠性。作為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性一直是工業(yè)監(jiān)控的基本要求，也是無(wú)線通信一直無(wú)法取代總線通信的重要原因。因?yàn)闊o(wú)線的通信介質(zhì)是空氣，其通信介質(zhì)會(huì)受到各種因素的干擾，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)這個(gè)復(fù)雜的環(huán)境下，無(wú)線通信可靠性受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。盡管人們對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有多年的研究，然而基于傳感器網(wǎng)絡(luò)性能方面的測(cè)試一直是一個(gè)盲區(qū)，研究者關(guān)注的是通信距離，定位問(wèn)題，功耗問(wèn)題，而一般采用的測(cè)試方法都是最普通的人工測(cè)試。沒(méi)有一個(gè)可行的整體性的測(cè)試平臺(tái)。在無(wú)線產(chǎn)品測(cè)試中，必不可少的一項(xiàng)測(cè)量就是產(chǎn)品的傳輸距離測(cè)試，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)測(cè)試，多跳測(cè)試，無(wú)線通信產(chǎn)品在實(shí)際協(xié)議驗(yàn)證的時(shí)候不可能做到實(shí)際空間距離測(cè)試，一是場(chǎng)地不允許，二是多個(gè)節(jié)點(diǎn)一起測(cè)試，各自信號(hào)會(huì)相互干擾，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確甚至根本無(wú)法進(jìn)行。

實(shí)用新型內(nèi)容為了實(shí)現(xiàn)在有限平臺(tái)上的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試，本實(shí)用新型提供了一個(gè)測(cè)試平臺(tái)，改平臺(tái)能夠測(cè)試無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信容量、通信速率、多跳等參數(shù)。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是裝置由Zigbee無(wú)線節(jié)點(diǎn)、衰減器、天線、FPGA多模塊通信板、功率測(cè)試板、屏蔽床及穩(wěn)壓電源組成。無(wú)線通信模塊可以采用CC2430和JN5139，模塊具有串口通信功能。衰減器采用了型衰減器設(shè)計(jì)，并可以通過(guò)調(diào)整可調(diào)電阻來(lái)改變衰減倍數(shù)。每個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)都放置于一個(gè)封閉的鐵質(zhì)盒形空間，盒形空間內(nèi)部采用工業(yè)吸波材料將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的射頻信號(hào)屏蔽，節(jié)點(diǎn)間的通信通過(guò)引出天線和其他模塊通信。FGPA多模塊通信信息板通過(guò)串口和無(wú)線節(jié)點(diǎn)通信，通過(guò)USB 口和上位機(jī)系統(tǒng)通信。具體描述為( I)射頻屏蔽測(cè)試床微波屏蔽測(cè)試床主要包括外部殼體的設(shè)計(jì)和屏蔽材料的選用。 外殼采用2mm厚鐵板，采用焊接方法，留出5X10的密封格子，用來(lái)放置無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，測(cè)試床的后邊留有可開(kāi)關(guān)的門(mén)，前邊通過(guò)打孔，可以將天線伸出外部。由于無(wú)線射頻本身的功率信號(hào)比較大，僅用鐵皮是無(wú)法屏蔽射頻信號(hào)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)測(cè)試和多跳測(cè)試。根據(jù)Zigbee的特性，要進(jìn)行多跳測(cè)試，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信半徑范圍內(nèi)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，將失去測(cè)試的意義。因此選用工業(yè)級(jí)屏蔽材料，可吸收高達(dá)40GHz的微波信號(hào)，使得每個(gè)通信節(jié)點(diǎn)都相互隔離，形成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的暗室。滿(mǎn)足測(cè)試的需求。(2)2. 4G可調(diào)無(wú)線射頻衰減器采用衰減器來(lái)模擬實(shí)際空間損耗，利用信號(hào)在空氣中的自由損耗計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的dB值，再用相應(yīng)的衰減器來(lái)代替，將空間距離縮短到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠承受的距離。衰減器可以通過(guò)調(diào)整電阻來(lái)選擇不同的衰減量，以滿(mǎn)足衰減的需求，衰減器的設(shè)計(jì)采用n型衰減器，當(dāng)阻抗為50Q時(shí)，根據(jù)衰減倍數(shù)的需求，計(jì)算需要的R值。衰減器連接射頻模塊的輸出天線，在衰減器之后再連接一個(gè)天線，為衰減后的射頻輸出。(3)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)燒程及數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)單元多節(jié)點(diǎn)的測(cè)試的工作量巨大，如果需要測(cè)試一次協(xié)議，給每個(gè)節(jié)點(diǎn)燒寫(xiě)程序，需要花費(fèi)大量的時(shí)間，不利于研究人員的開(kāi)發(fā)。測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)了一個(gè)可以給多個(gè)節(jié)點(diǎn)下載程序的處理器板卡和對(duì)應(yīng)的上位機(jī)軟件，一般的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采用的是SPI或者串口下載模式，板卡設(shè)計(jì)多串口模式，然后通過(guò)FPPA實(shí)現(xiàn)多通道的邏輯切換，上位機(jī)通過(guò)USB實(shí)現(xiàn)對(duì)下載代碼的傳輸。數(shù)據(jù)包上位機(jī)處理可以實(shí)現(xiàn)1、查看數(shù)據(jù)包序列的內(nèi)容，支持包的解析、過(guò)濾和排序。2、查看各信道在不同時(shí)刻的通信狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái)支持IEEEStd802. 15. 4-2006標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)能夠同時(shí)監(jiān)聽(tīng)多達(dá)20個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息。通過(guò)軟件配置，可以支持2. 4GHz波段的全部16個(gè)信道監(jiān)聽(tīng)。(4)測(cè)試平臺(tái)供電單元測(cè)試平臺(tái)供電主要用于節(jié)點(diǎn)的供電，節(jié)點(diǎn)供電可以采用電池供電和外部電源供電兩種方式。外部供電通過(guò)外接一個(gè)交/直變壓和AC/DC模塊實(shí)現(xiàn)。外部電源采用220V交流電，AC/DC將電源變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)5V。板載的板卡供電再采用穩(wěn)壓電路給芯片和工作單元供電。(5)測(cè)試平臺(tái)功率監(jiān)控單元功率測(cè)試。電流和電壓測(cè)試。AD，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。上位機(jī)數(shù)據(jù)分析。尋求最優(yōu)功耗管理與通信策略。提供基本的數(shù)據(jù)依據(jù)。本實(shí)用新型的有益效果是，可以在有限的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的模擬，可以用于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)容量、多跳及功耗方面的測(cè)試。測(cè)試方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的研究及相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供性能測(cè)試平臺(tái)。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

圖1為通信性能監(jiān)測(cè)硬件組成；[0023]圖2為通信性能測(cè)試與程序下載流程；圖3為衰減器原理圖；圖4為測(cè)試平臺(tái)后視圖；圖5為測(cè)試平臺(tái)前面板示意具體實(shí)施方式
下面，結(jié)合附圖，介紹本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
。圖1為本實(shí)用新型的通信性能測(cè)試單元的硬件組成，主要通過(guò)一個(gè)高性能的FPGA,擴(kuò)展多通道RS232接口，然后通過(guò)片選，可以連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)RS232接口傳給FIFO，USB芯片通過(guò)上位機(jī)的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)通信信息的讀取。上位機(jī)下載也是通過(guò)USB接口將下載程序代碼傳給每個(gè)節(jié)點(diǎn)。通信性能測(cè)試的具體工作流程如圖2所示。步驟101 :在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)算法程序的編譯，然后將程序通過(guò)環(huán)境編譯器編譯，生成可以在下位機(jī)運(yùn)行的代碼。步驟102 :檢測(cè)USB 口是否有設(shè)備。步驟103 :如果沒(méi)有檢測(cè)到USB設(shè)備，軟件報(bào)警。結(jié)束程序。步驟104 :如果檢測(cè)到USB，設(shè)備正常。下載程序。步驟105 :在傳送給每個(gè)節(jié)點(diǎn)程序后。上位機(jī)通過(guò)USB接口獲取每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息。包括檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，傳輸量信息，功率信息等。步驟106 :數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，將多節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。用于無(wú)線通信的性能分析。步驟107 :數(shù)據(jù)分析，主要通過(guò)分析數(shù)據(jù)，獲得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)性能、路由性能、擁塞狀況、功耗情況、定位性能等。圖3信號(hào)衰減板的電路示意圖，衰減板的衰減倍數(shù)是可調(diào)的，通過(guò)參數(shù)計(jì)算，需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠衰減26dBm-50dBm的衰減板，通過(guò)調(diào)整電阻RO和Rl實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和功率衰減。圖4和圖5是測(cè)試平臺(tái)的后視圖和前視圖。圖4表示的是將測(cè)試平臺(tái)的組成，平臺(tái)可容納50個(gè)節(jié)點(diǎn)的規(guī)模，每個(gè)節(jié)點(diǎn)和衰減板放在設(shè)計(jì)好的格子中，屏蔽材料將節(jié)點(diǎn)的射頻信息屏蔽在格子形成的“暗室”中。平臺(tái)的底層是供電系統(tǒng)，多通道信號(hào)監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)，功率測(cè)試系統(tǒng)，分別通過(guò)信號(hào)線和每個(gè)節(jié)點(diǎn)相連。圖5是測(cè)試平臺(tái)的前視圖，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)天線引出，然后采用吸盤(pán)天線，可以將天線固定在測(cè)試平臺(tái)上，在前面面板上，實(shí)驗(yàn)人員可以方便的實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，多跳等性能的測(cè)試。多通道性能測(cè)試單元和功率測(cè)試單元分別與主分析系統(tǒng)相連接。以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)范圍做任何限制。本行業(yè)的技術(shù)人用，在本技術(shù)方案的啟迪下，可租出一些變形與修改，凡是依據(jù)本實(shí)用新型技術(shù)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何修改、 等同變化與修飾，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)的技術(shù)方案的范圍。
權(quán)利要求1.一種針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信性能測(cè)試裝置，由Zigbee無(wú)線節(jié)點(diǎn)、衰減器、天線、FPGA多模塊通信板、功率測(cè)試板、屏蔽床及穩(wěn)壓電源組成。其特征是多個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)衰減器和屏蔽床來(lái)模擬長(zhǎng)距離通信的多跳及組網(wǎng)模式，功率測(cè)試板用于測(cè)試模塊的功耗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信性能測(cè)試裝置，其特征是無(wú)線通信模塊可以采用CC2430和JN5139，模塊具有串口通信功能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信性能測(cè)試裝置，其特征是衰減器采用了 π型衰減器設(shè)計(jì)，并可以通過(guò)調(diào)整可調(diào)電阻來(lái)改變衰減倍數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信性能測(cè)試裝置，其特征是每個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)都放置于一個(gè)封閉的鐵質(zhì)盒形空間，盒形空間內(nèi)部采用工業(yè)吸波材料將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的射頻信號(hào)屏蔽，節(jié)點(diǎn)間的通信通過(guò)引出天線和其他模塊通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信性能測(cè)試裝置，其特征是=FGPA多模塊通信信息板通過(guò)串口和無(wú)線節(jié)點(diǎn)通信，通過(guò)USB 口和上位機(jī)系統(tǒng)通信。
專(zhuān)利摘要一種針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信性能測(cè)試裝置。涉及對(duì)2.4GHz，433MHz頻段的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能測(cè)試。包括Zigbee無(wú)線節(jié)點(diǎn)、衰減器、天線、FPGA多模塊通信板、功率測(cè)試板、屏蔽床及穩(wěn)壓電源。無(wú)線節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)測(cè)試的需要選擇CC2430或JN5139等無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊。測(cè)試屏蔽床以鐵質(zhì)材料形成封閉盒形空間，可以用于放置無(wú)線模塊。采用信號(hào)衰減板來(lái)降低通信的能量，屏蔽床屏蔽射頻信號(hào)，穩(wěn)壓電源對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)采用統(tǒng)一的供電。FPGA多模塊通信板可以監(jiān)聽(tīng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送和接受的數(shù)據(jù)信息，功率測(cè)試板通過(guò)測(cè)試電流和電壓來(lái)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的功耗。通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)包監(jiān)聽(tīng)。測(cè)試平臺(tái)可以根據(jù)需要進(jìn)行平臺(tái)可以用于zigbee組網(wǎng)測(cè)試，多跳測(cè)試和功耗測(cè)試。使用方便，能夠滿(mǎn)足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試的需求。
文檔編號(hào)H04W84/18GK202889641SQ20122034219
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月13日
發(fā)明者李英偉, 李娜, 于莉娜, 黃春輝 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)