一种增强型高保真、高可靠性的无线传感器网络测试平台

技术领域

本发明涉及网络技术领域，具体涉及一种增强型高保真、高可靠性的无线传感器网络测试平台。

背景技术

近年来，无线传感器网络在军事、环境监控、医疗保健和安全领域的广泛应用引起了全世界的关注，将无线传感器网络视为近十年来最具有价值的领域之一并不是夸大其词，因为它具有较低的成本、可靠性、准确性和灵活性等优点，无线传感器网络可以看做是传感器节点的微型设备网络，这些设备在空间上分布并且可以协同工作，以通过无线链路传达从监视现场收集的信息。由各种节点收集的数据被发送到接收器，接收器要么在本地使用数据，要么连接到其他类型的网络。但是众多应用程序集中在几个设计约束条件上，包括网络大小、拓扑结构、部署以及资源约束条件，例如能量受限、通信范围短、宽带低以及每个节点中的处理能力和存储空间有限，无线传感器网络研究的目的是通过引入新的设计策略，提高协议效率和开发新的算法来解决上述设计和资源限制，研究问题在于诸如路由、数据收集、节能、本地化、安全性和应用等领域。

全世界的研究人员都尽力解决上述问题，但是为无线传感器网络实际的解决方案需要面对现实世界的复杂性，因此捕捉现实世界的实验已成为研究过程中必不可少的部分，并且已经部署了多个实验测试平台来提供多种多样的服务和工具。大多数现有的测试平台都提供Web门户用于诸如计划实验作业、安排所需资源、设置和编程节点以定义其行为和要收集的数据等目的，因此最重要的是使平台更加异构并服务于多个设计目标。

为此公开号为CN104104488A的中国专利公开了一种无线传感器网络协议一致性测试系统及方法，以一台CPCI工控机作为系统平台，软件模块包括虚拟端口模块、测试数据生成模块、数据导入/导出模块、数据侦听模块、数据分析模块，硬件模块包括数据收发模块、数据存储模块，其中，数据收发模块包括以太网模块和无线信号收发模块。本发明的测试系统和方法，结构简单，不需要考虑测试设备的同步问题，容易操作；将系统软件和硬件的操作分别设计为不同的测试模块，降低了系统开发和维护的难度。

上述方案使得测试系统不需要考虑测试设备的同步问题同时降低了系统开发和维护的难度，但是上述测试平台并没有呈现出强大的实现可靠的实验结果，在规模，行为，环境和约束方面，它也没有设计尽可能逼真的WSN实验。

为此需要一种增强型高保真、高可靠性的无线传感器网络测试平台，使得无线传感器网络测试平台具有更高的可靠性和更高的保真性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增强型高保真、高可靠性的无线传感器网络测试平台，使得无线传感器网络测试平台具有更高的可靠性和更高的保真性。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种增强型高保真、高可靠性的无线传感器网络测试平台，包括集群传感器节点、服务器中心、集群控制中心，

所述集群传感器节点用于运行用户的程序和应用程序以验证算法，并向服务器中心上传实验输出数据；还用于对采集信息的传感器进行连接；

所述服务器中心上设有高度集成的Web门户，用于计划和监视作业，通过Web门户获取作业执行状态，并记录集群传感器节点上传的实验输出数据；所述Web门户上集成有运行状况诊断工具，用于对集群传感器节点进行诊断；

所述集群控制中心，用于执行服务器计划的作业，用户通过集群控制中心对服务器中心上的高度集成的Web门户进行访问，在获取作业执行状态后对集群传感器节点进行编程，同时调用运行状况诊断工具对集群传感器节点进行诊断，具体诊断逻辑：若诊断出集群传感器节点编程失败，则取消当前作业并使用无法访问的标志标记节点，若诊断出集群传感器节点编程成功，则集群传感器节点之间会同步进行当前作业，并向服务器中心上传实验性输出数据。

本方案的技术原理是：Web门户的设置引导用户配置，安排，监视和继续在工作的整个生命周期内进行工作，同时无缝集成了运行状况诊断工具，在节点编程阶段执行节点运行状况诊断，当计划运行作业时，将使用远程编程执行诊断服务，运行状况诊断工具根据编程是否成功来接收节点是否健康的节点状态，根据诊断结果，用户可以决定继续还是取消此当前作业，以避免获得不可靠的实验输出，从而提高了测试平台的可靠度。在诊断出节点编程成功后，节点之间会同步进行当前工作，同一工作节点之间的同步精度更高，用户期望获得更高精度的实验结果，从而提高了测试平台的保真度。

本方案的技术效果是：通过在节点之间采用运行时同步，来避免获得不可靠的实验输出，以此来提高无线传感器网络测试平台的可靠性，使得无线传感器网络测试平台具有高可靠性。同时通过开发一些策略即高度集成的Web门户以及运行状况诊断工具来提高无线传感器网络测试平台的可靠性，使得无线传感器网络测试平台具有高可靠性。

进一步的，所述Web门户还集成有自动替换故障节点工具，用于对诊断故障的集群传感器节点进行替换。如果一个节点被诊断为故障节点并报告给服务器，无线传感器网络测试平台将搜索并编程一个健康的邻居节点，以最小的实验拓扑变化和最小的结果影响来替代它，所有这些动作将自动执行并报告给用户，使得实验输出更加可靠，将实验失真降低到最小程度。

进一步的，所述Web门户还集成有数据日志记录服务，用于记录实验数据并将日志上传到服务器中心。如果实验中包含大量节点，则对所有节点进行编程将花费一些时间，这可能会延迟实验，为了加快编程过程，记录实验数据并将日志上传到服务器中心，使得更快知晓对应节点的实验数据以及及时了解实验进程，从而使得无线传感器网络测试平台更加可靠。

进一步的，所述日志上传到服务器中心是采用TDMA机制上传数据文件。采用TDMA机制上传数据文件可以解决由于长期运行时间的作业将产生大量要记录的数据输出从而导致有限的TCP连接上载数据文件的竞争的问题，从而避免竞争引起的实验传输故障，进一步加强了无线传感器网络测试平台的可靠性。

进一步的，每个所述集群传感器节点都有一个高速且独立的USB端口，所述集群控制中心通过USB端口与集群传感器节点进行电连接。USB端口实现了集群控制中心与集群传感器节点的连接，使得集群控制中心可以通过USB端口来对集群传感器节点进行编程和诊断，从而使得编程和诊断过程更为简便。

进一步的，所述服务器中心配置有两个网络接口卡，一个用于与群集控制中心连接的所述服务器中心的内部网，另一个用于公共Internet访问所述服务器中心。

进一步的，所述服务器中心还提供并行编程服务。并行编程服务可以加快编程过程，减少实验延时。

进一步的，所述服务器中心上设有及时迁移任务模块。及时迁移任务状态，使得计划的作业将缩短每个阶段的等待时间。

进一步的，所述服务器中心可安全地保留在具有重叠的作业执行时间窗口的多个作业中使用的节点。安全地保留在具有重叠的作业执行时间窗口的多个作业中使用的节点可以有效的避免作业调度死锁问题。

附图说明

图1为本发明实施例一种增强型高保真、高可靠性的无线传感器网络测试平台系统架构图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例一

实施例一基本如附图1所示：一种增强型高保真、高可靠性的无线传感器网络测试平台，包括服务器中心、集群控制中心和集群传感器节点。

集群传感器节点用于运行用户的程序和应用程序以验证算法，还用于对采集信息的传感器进行连接。

本实施例中集群传感器节点由运行Contiki的130个节点组成，可以轻松扩展以与运行TinyOS的TelosB节点兼容，该设计为程序提供了相当严格的时序保证，该节点部署了积极的电源管理，支持完全对等网络应用程序的无线链路协议，高频缓冲ADC和丰富的闪存，以支持长期存在的应用程序，这些应用程序会随着时间的推移收集数据并进行更复杂的算法验证。

在本实施例中将130个节点放置在9*17矩形网格木凳的顶部，在任意两个最接近的微粒之间间隔约2英尺，以形成一个网络。可以在不久的将来集成的其他130种TelosB尘埃可以放置在木板凳的第二层，与上层尘埃约2英尺距离，以形成另一个网络。上面的130个节点分为15个群集，这些群集通过USB端口连接到群集中心笔记本电脑。可以对130个TelosB微粒的下层进行操作。位于同一位置的上、下群集都通过USB集线器连接到同一群集中心笔记本电脑，并且全部由同一笔记本电脑控制。

服务器中心用于计划和监视作业，并记录实验输出数据。

本实施例中服务器中心使用Dell Inspiron 15系列，Ubuntu OS，Intel Celeron-N3050处理器，在具有第六代Inter i7-6700、16GB DDR4内存和1TB 7200rpm硬盘的DellXPS 8900上运行，服务器中心配置有两个网络接口卡，一个用于与群集控制中心连接的所述服务器中心的内部网，另一个用于公共Internet访问所述服务器中心，服务器的功能主要是为用户提供一个高度集成的Web门户，以访问测试平台以安排他们的实验，并提供在后台运行的工具来监视作业。

服务器中心上设有使用PHP和JavaScript开发的基于Web的门户，该门户用作实验Web门户，运行状况诊断工具、自动替换故障节点工具和数据日志记录服务工具都与网页无缝集成，以实现对作业的配置、计划和数据收集，通过网页引导用户配置，安排，监视和继续在工作的整个生命周期内进行工作。作业执行的所有阶段都可以调用相应工具的服务，而不会给用户带来任何不便。

运行状况诊断工具在节点编程阶段(而不是专用守护程序)执行节点运行状况诊断。当计划运行作业时，将使用远程编程执行诊断服务。诊断服务根据编程是否成功来接收节点是否健康的节点状态。编程工具将报告错误内容，包括USB端口无法访问，闪存写入失败或无法重新启动嵌入式系统。诊断服务收到这些实时反馈信息后，将更新实验日志并在门户上刷新节点状态。根据诊断结果，用户可以决定继续还是取消此当前作业，以避免获得不可靠的实验输出。采用这种策略，诊断服务将不会占用专用的测试台资源，并且避免与实验性工作竞争。

自动替换故障节点工具，实验期间的一个普遍问题是，如果此计划作业的某些节点在作业开始时失败，则拓扑可能会更改。如果用户没有注意失败的节点并继续进行实验，将会导致不可靠的实验输出数据，并误导实验的回归和数据分析。为了解决此问题并将实验失真降低到最小程度，无线传感器网络测试平台提供了一种策略，可以将故障节点自动替换为健康的邻居节点，如果一个节点被诊断为故障节点并报告给服务器，无线传感器网络测试平台将搜索并编程一个健康的邻居节点，以最小的实验拓扑变化和最小的结果影响来替代它，所有这些动作将自动执行并报告给用户。

数据日志记录服务工具用于记录实验数据并将日志上传到服务器，如果实验中包含大量节点，则对所有节点进行编程将花费一些时间，这可能会延迟实验。

为了加快编程过程，服务器中心还使用了并行编程服务，与没有多线程编程方法的10个节点上花费的340s相比，130个节点的并行编程时间可以缩短到40s。

服务器中心上设有及时迁移任务模块。及时迁移任务状态，使得计划的作业将缩短每个阶段的等待时间。服务器中心可安全地保留在具有重叠的作业执行时间窗口的多个作业中使用的节点。安全地保留在具有重叠的作业执行时间窗口的多个作业中使用的节点可以有效的避免作业调度死锁问题。

集群控制中心，用于执行服务器计划的作业，还用于对传感器节点进行编程和诊断。

本实施例中集群控制中心为笔记本电脑，共计15台笔记本电脑，组成15个集群控制中心，由Dell Inspiron 15系列，Ubuntu OS，Intel Celeron-N3050处理器，4GB RAMDDR3L内存和500GB硬盘驱动器部署。15台笔记本电脑中的每台都充当集群控制中心，以对相应集群的节点进行编程，控制和监视。它通过以太网连接到服务器，以接收作业配置，报告节点的健康状况并上传实验性输出数据。从服务器获取作业执行状态后，它将对USB端口连接的节点进行编程和诊断。作为集群控制中心，便携式计算机维护本地数据库，以将节点与相应的USB端口映射，记录节点是被作业保留还是被占用的状态，以及有关当前正在运行的作业的时间信息。

具体实施过程如下：

用户通过集群控制中心对服务器中心上的高度集成的Web门户进行访问，Web门户上集成有运行状况诊断工具、自动替换故障节点工具和数据日志记录服务工具，从Web门户中获取作业执行状态后，对集群传感器节点进行编程。

与此同时集群控制中心会调用运行状况诊断工具对节点进行诊断，若诊断出节点编程失败，则取消当前作业并使用无法访问的标志标记节点，

若诊断出节点编程成功，则节点之间会同步进行当前作业，并向服务器中心上传实验性输出数据。

在这个过程中，自动替换故障节点工具会对被判断为故障节点的传感器节点报告给服务器中心，服务器中心会搜索并编程一个健康的邻居节点，以最小的实验拓扑变化和最小的结果影响来替代它，此动作将自动执行并报告给用户。

之后数据日志记录服务工具会对实验数据进行记录并使用TDMA机制来上传数据文件给服务器中心。

实施例二

实施例二与实施例一不同之处仅在于：所述服务器中心还设有虚拟节点，用于接收某些高要求的集群传感器节点的数据，并对数据进行运算。

对于集群传感器节点来说，有一些对于传感器节点的硬件要求比较高，为了在不增加成本的前提下，我们需要在服务器中心本身上开设虚拟节点，在要进行模拟智慧社区的前提下，利用集群传感器节点对每一户人家中的门窗等进行采集和运算，但是在需要一个路由器来进行整体的统筹协调时，这时的通讯协议计算量就比较大，对于硬件的要求也就更高了，为此在服务器中心上预设虚拟节点，使得虚拟节点接收集群传感器节点中对应传感器节点上的数据，让整个数据在服务器中心上进行运算，这就保证了在不增加设备成本的前提下完成了对高要求的运算量的运算。

以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。