《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》實驗指導(dǎo)書

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1、 《 — 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) —》 實 驗 指 導(dǎo) 書 編 寫 適用專業(yè)：_通信工程__ 閩江學(xué)院_計算機科學(xué) 系 2010年9月 前 言 《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》系統(tǒng)地介紹無線傳感網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)，包括物理層無線通信，MAC層能量管理、網(wǎng)絡(luò)層路由算法、數(shù)據(jù)融合、安全協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理、應(yīng)用等。通過本課程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生樹立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)概念，使學(xué)生能夠從系統(tǒng)的角度，認識整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的全局觀念。并結(jié)合不同領(lǐng)域的實際應(yīng)用，學(xué)會設(shè)計出相應(yīng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，鍛煉學(xué)生學(xué)以致用

2、的能力。通過跟蹤本學(xué)科的最新發(fā)展，來啟發(fā)培養(yǎng)學(xué)生能具備適應(yīng)未來一些新的交叉學(xué)科發(fā)展的綜合創(chuàng)新能力。 為了使學(xué)生更好地理解和深刻地把握這些知識，增強學(xué)生的實踐動手能力，本實驗部分主要培養(yǎng)學(xué)生對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感性認識，通過實驗，加強對理論知識的理解，為將來從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的研發(fā)及相關(guān)工作打下必要的基礎(chǔ)。 本實驗指導(dǎo)書針對通信工程專業(yè)而編寫。 目 錄 1、實驗一：LED組件實驗???????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 2、實驗二：Tin

3、yOS串口組件通信實驗???????????????????????????????????????????????????????5 3、實驗三：ATOS射頻模塊功耗模式實驗?????????????????????????????????????????????????11 4、實驗四：點對點通信實驗???????????????????????????????????????????????????????????????????????19 5、實驗五：信號強度（RSSI）實驗????????????????????????????????????????????????????

4、???????????32 6、實驗六：發(fā)射功率設(shè)置實驗???????????????????????????????????????????????????????????????????40 7、實驗報告基本內(nèi)容要求????????????????????????????????????????????????????????????????????????53 53 實驗一：LED組件實驗 實驗學(xué)時：2 實驗類型：驗證 實驗要求：必修 一、實驗?zāi)康? (1) 學(xué)會LED 燈的使用方法。 二、實驗內(nèi)容 (1) 熟悉ATOS實驗儀，熟悉開發(fā)板的硬件環(huán)境。

5、 (2) 安裝必要的開發(fā)軟件，熟悉開發(fā)軟件環(huán)境。 (3) 通過LED 燈的使用方法實驗平臺開發(fā)流程。 三、實驗原理、方法和手段 教師演示，學(xué)生自主驗證操作。 四、實驗組織運行要求 采用集中授課形式。 五、實驗條件 （1）每2位同學(xué)為1組，每組一臺PC機、一臺ATOS實驗儀。 （2）配套的軟硬件設(shè)備：下載仿真器線、編譯環(huán)境、配套軟件工具等。 六、實驗步驟 （一）熟悉ATOS開發(fā)環(huán)境硬件平臺。 （略） （二）LED 燈的使用 目前節(jié)點上有紅、藍、黃3 個LED 燈，其中，紅燈時工作指示燈，藍燈和黃燈主要用于程序調(diào)試，如當節(jié)點發(fā)送

6、數(shù)據(jù)成功后，藍燈閃爍，當節(jié)點有路由時，黃燈亮?，F(xiàn)在對LED 燈的操作有三種：點亮、關(guān)閉、閃爍（由亮變暗或者由暗變亮），相對應(yīng)的命令分別為：LED_BLUE_ON 、LED_BLUE_OFF、LED_BLUE_TOGGLE、LED_YELLOW_ON、 LED_YELLOW_OFF、 LED_YELLOW_TOGGLE。這些命令都是宏定義，詳見文件/opt/atos/tos/lib/antc3/common/antled.h 實驗流程： 節(jié)點啟動后，黃燈和藍燈輪流點亮，點亮和變暗的間隔用for 循環(huán)延時實現(xiàn)。 程序清單1.1

7、 1.1代碼LedM.nc /** LED 示例程序的實現(xiàn)模塊，簡單的點亮2 個LED 燈 */ module LedM { uses interface Boot; } implementation { /** LED 燈演示 */ task void DemoLed() { /** 目前節(jié)點上提供兩個LED 燈

8、 LED_BLUE -> 藍燈 LED_YELLOW -> 黃燈 */ int i,j; while(1) { for(i=0;i<1000;i++) for(j=0;j<500;j++); LED_BLUE_OFF; /* 熄滅藍色LED 燈 */ LED

9、_YELLOW_ON; /* 點亮黃色LED 燈 */ for(i=0;i<1000;i++) for(j=0;j<500;j++); LED_BLUE_ON; /* 熄滅藍色LED 燈 */ LED_YELLOW_OFF; /* 點亮黃色LED 燈 */ } } /** 啟動事件處理函數(shù)，在LED.nc 已經(jīng)關(guān)聯(lián)到MainC.B

10、oot 接口 系統(tǒng)啟動后會調(diào)用此函數(shù) */ event void Boot.booted() { post DemoLed(); } } 1.2代碼Led.nc /** LED 示例程序，簡單的點亮3 個LED 燈 */ configuration Led { } implementation { co

11、mponents LedM; /* LED 模塊程序，用于實現(xiàn)LED 代碼 */ components MainC; /* TinyOS2 主模塊，這里用于關(guān)聯(lián)系統(tǒng)啟動 */ /* LED 模塊程序的Boot 接口與系統(tǒng)Boot 接口關(guān)聯(lián) 這樣系統(tǒng)啟動時會調(diào)用LedM 的Boot 接口 */ LedM.Boot -> MainC.Boot; } Makefile 文件 COMPONENT=

12、Led ###################### PFLAGS += -DUSE_MODULE_LED ###################### include $(MAKERULES) 實驗演示 LED 藍燈和黃燈依次點亮、熄滅。 七、思考題 1）燈為什么會出現(xiàn)依次點亮、熄滅的現(xiàn)象？ 八、實驗報告 要求及格式見本手冊末尾說明。 九、其它說明 實驗二：TinyOS串口組件通信實驗 實驗學(xué)時：2 實驗類型：驗證 實驗要求：必修 一、實驗?zāi)康? (1) 本實驗通

13、過一個簡單的例子來說明串口通信模塊的使用方法。。 二、實驗內(nèi)容 (1) 串口發(fā)送與接收。 三、實驗原理、方法和手段 教師演示，學(xué)生自主驗證操作。 四、實驗組織運行要求 采用集中授課形式。 五、實驗條件 （1）每2位同學(xué)為1組，每組一臺PC機、一臺ATOS實驗儀。 （2）配套的軟硬件設(shè)備：下載仿真器線、編譯環(huán)境、配套軟件工具等。 六、實驗步驟 ANTc3 平臺提供了串口通信模塊組件PlatformSerialC，該組件提供了三個接 口：StdControl、UartStream 以及CC2430UartControl，其中，StdContr

14、ol 用于控制串口通信模塊的開關(guān)，UartStream 提供了串口收發(fā)功能；CC2430UartControl接口用于設(shè)置串口通信得到波特率。 實驗流程： 該實驗實現(xiàn)了兩種功能：一種是當不定義SERIALIO_RECEIVE 宏時，節(jié)點啟動后，顯示菜單，選擇菜單鍵[1]則藍燈閃爍，選擇菜單鍵[2]黃燈閃爍，選擇其它鍵則輸入錯誤，重新回顯菜單；當有宏定義SERIALIO_RECEIVE 時，節(jié)點啟動后，等待輸入10 個字節(jié)的字符，然后顯示出來。 程序清單

15、 代碼 SerialIoM.nc SerialIo.nc Makefile文件 實驗演示 (1) 在文件 SerialIoM.nc 文件中不定義宏 SERIALIO_RECEIVE,用 make antc3 install 命令將程序燒入節(jié)點，用串口線將節(jié)點和電腦串口連接，使用串口調(diào)試工具調(diào)試，節(jié)點啟動后首先會顯示菜單： Demo of Serio I/O [1] Toggle BLUE LED [2] Toggle YELLOW LED 然后，用鍵盤輸入1，則顯示You choose to toggle BLUE L

16、ED,輸入2，則顯 示You choose to toggle YELLOW LED, 輸入其它，顯示Error Key,接著顯示菜單。 （2）在文件SerialIoM.nc文件中定義宏 SERIALIO_RECEIVE, 使用命令make antc3 install 命令將程序燒入節(jié)點，用串口線將節(jié)點和電腦串口連接，使用串口調(diào)試工具調(diào)試，節(jié)點啟動會顯示菜單： DEMO of serial I/O, input 用鍵盤輸入10 個字符后，串口會回顯到串口上。 實驗效果如下圖所示： 沒有SERIALIO_RECEIVE 宏定義

17、 定義宏SERIAL_RECEIVE 注意： （1）文件SerialIoM.nc 中開始會設(shè)置波特率，文件中的波特率必須要與串口調(diào)試助手中的波特率一致。 （2）串口接收模式下，輸入的字符數(shù)必須滿10個后，串口才會回顯。詳見程序。 七、思考題 八、實驗報告 要求及格式見本手冊末尾說明。 九、其它說明 實驗三：ATOS射頻模塊功耗模式實驗 實驗學(xué)時：2 實驗類型：驗證 實驗要求：必修 一、實驗?zāi)康? (1) 本實驗演示CC2430 各種功耗模式之間的切換。 二、實驗內(nèi)容 (1) 在各個功

18、耗模式之間進行切換并進行比較。 三、實驗原理、方法和手段 教師演示，學(xué)生自主驗證操作。 四、實驗組織運行要求 采用集中授課形式。 五、實驗條件 （1）每2位同學(xué)為1組，每組一臺PC機、一臺ATOS實驗儀。 （2）配套的軟硬件設(shè)備：下載仿真器線、編譯環(huán)境、配套軟件工具等。 六、實驗步驟 CC2430 芯片有4 種功耗模式：PM0、PM1、PM2 和PM3。PM0 為全功能模式，32MHz和16MHz振蕩器中至少有一個在工作，32KHz低頻RC 或晶體振蕩器中也至少有一個在工作；從PM0 到PM3 功耗逐級降低，PM3 是功耗最低的模式，詳見表 3.1所

19、示。 與功耗模式相關(guān)的寄存器有PCON 和SLEEP，詳見表3.2和表3.3. 表3.1 幾種功耗模式比較 表3.2 PCON 電源模式控制器 表3.3 SLEEP功耗控制器 表3.4 CLKCON 時鐘控制器 功耗模式的設(shè)置包括2步：（1）設(shè)置SLEEP.MODE （2）設(shè)置PCON.IDLE = 1 實驗流程： 節(jié)點啟動后依次進入PM1、PM2 后退出。 程序清單1.9 代碼 Pow

20、erModeM.nc PowerModeC.nc Makefile 文件 實驗演示 ： 使用命令make antc3 install 將程序下載到節(jié)點，節(jié)點啟動后，顯示菜單 （1）顯示“節(jié)點當前處于PowerMode 0，3秒后進入PowerMode 1”； （2）3秒后顯示“PowerMode 1”； （3）3秒后顯示“節(jié)點退出PowerMode 1，3秒后進入Powermode 2”； （4）3秒后顯示“PowerMode 2” （5）3秒后顯示“節(jié)點退出PowerMode

21、 2，結(jié)束”。 實驗效果如下圖所示： 七、思考題 八、實驗報告 要求及格式見本手冊末尾說明。 九、其它說明 實驗四：點對點通信實驗 實驗學(xué)時：2 實驗類型：驗證 實驗要求：必修 一、實驗?zāi)康? (1) 了解節(jié)點點對點通信過程。 (2) 學(xué)會活動消息（ActiveMessage ）模型的使用。 二、實驗內(nèi)容 (1) 學(xué)會節(jié)點點對點通信過程。 (2) 學(xué)會活動消息（ActiveMessage ）模型的使用。 三、實驗原理、方法和手段 方法和手段：教師演示，學(xué)生自主驗證操作。 實驗原理： 點對點通信是無線傳感器

22、網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的基礎(chǔ)，該實驗只用兩個節(jié)點通信，所以 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中不包含路由協(xié)議。 本實驗使用TinyOS 中的活動消息（ActiveMessage ）模型實現(xiàn)點對點通信，活動模型組件ActiveMessageC 包含了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中路由層以下的部分。在ANTc3平臺下，ActiveMessageC 包含的主要功能有：CSMA/CA、鏈路層重發(fā)、重復(fù)包判斷等機制。其中，CSMA/CA 機制使節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先去偵聽信道狀況，只有在信道空閑的情況下才發(fā)送數(shù)據(jù)，從而避免了數(shù)據(jù)碰撞保證了節(jié)點間數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸；鏈路層重發(fā)機制是當節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送失敗時，鏈路層會重發(fā)，直到發(fā)送成功或重發(fā)次數(shù)到達設(shè)定

23、的閾值為止，提高了數(shù)據(jù)成功到達率；重復(fù)包判斷機制是節(jié)點根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)包的源節(jié)點地址及數(shù)據(jù)包中的 dsn域判斷該包是不是重復(fù)包，如果是重復(fù)包，則不處理，防止節(jié)點收到同一個數(shù)據(jù)包的多個拷貝。 ActiveMessageC 向上層提供的接口有AMSend、Receive、AMPacket、Packet、Snoop 等。AMSend 接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，Receive 接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，Snoop是接收發(fā)往其它節(jié)點的數(shù)據(jù)，AMPacket 接口用于設(shè)置和提取數(shù)據(jù)包的源節(jié)點地址、目的地址等信息，Packet接口主要是得到數(shù)據(jù)包的有效數(shù)據(jù)長度（payload length ）、最大有數(shù)據(jù)長度、有效數(shù)

24、據(jù)的起始地址等。AMSend、Receive、Snoop 都是參數(shù)化接口，參數(shù)為一個8 位的id 號，類似于TCP/IP 協(xié)議中的端口號。兩個節(jié)點通信時，發(fā)送節(jié)點使用的 AMSend 接口的參數(shù) id必須與接收節(jié)點的Receive 接口的參數(shù)id 一致。 在TinyOS 操作系統(tǒng)下，所有的數(shù)據(jù)包都封裝到一個叫message_t 的結(jié)構(gòu)體中。message_t 結(jié)構(gòu)體包含四個部分：header、data、footer、metadata 四個部分。其中header 中包含了數(shù)據(jù)包長度、fcf、dsn、源地址、目的地址等信息；metadata 包含了rssi 等信息，詳見cc2420.h、

25、Message.h、platform_message.h 。其中，metadata 部分不需要通過射頻發(fā)送出去，只是在發(fā)送前和接收后提取或?qū)懭胂鄳?yīng)的域。 四、實驗組織運行要求 采用集中授課形式。 五、實驗條件 （1）每2位同學(xué)為1組，每組一臺PC機、一臺ATOS實驗儀。 （2）配套的軟硬件設(shè)備：下載仿真器線、編譯環(huán)境、配套軟件工具等。 六、實驗步驟 實驗流程： 本實驗演示兩個節(jié)點之間如何進行通信，基本流程為： 發(fā)送節(jié)點： 節(jié)點啟動 -> 開啟射頻收發(fā)器、串口通信模塊, 顯示菜單，等待串口輸入目的節(jié)點號->

26、 目的地址輸入完畢，顯示菜單，等待輸入要發(fā)送的數(shù)據(jù)–> 發(fā)送的數(shù)據(jù)輸入完畢，開始發(fā)送，同時藍燈閃。 接收節(jié)點: 節(jié)點啟動 ->開啟射頻收發(fā)器、串口通信模塊，顯示菜單、等待接收數(shù)據(jù)–> 收到數(shù)據(jù)后通過打印顯示收到的數(shù)據(jù)，同時黃燈閃。 一般應(yīng)用程序包含三個文件，一個模塊組件（后綴為.nc），描述所要實現(xiàn)的具體功能；一個配置組件(后綴為.nc)，描述組件之間的連接關(guān)系；一個Makefile 文件，定義一些編譯規(guī)則。實驗的這三個文件見程序清單或文件夾/opt/atos/apps/DemosV2/RF

27、Demos/1_P2P 。 程序清單 代碼P2PM.nc 代碼 P2PC.nc Makefile 文件 實驗演示： 編制完上述程序后，使用make antc3 install NID=XX GRP=XX 命令將程序下載到節(jié)點中，其中NID 指定了節(jié)點的序列號，GRP 制定節(jié)點通信的組號，相互通信之間的節(jié)點組號必須一致，而節(jié)點號不能重復(fù)，節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點號一一對應(yīng)。下面我們假設(shè)燒錄程序的兩個節(jié)點號分別為2和3，則實驗

28、效果如下： 發(fā)送節(jié)點（3 號節(jié)點） 接收節(jié)點（2 號節(jié)點） 七、思考題 八、實驗報告 要求及格式見本手冊末尾說明。 九、其它說明 實驗五：信號強度（RSSI）實驗 實驗學(xué)時：2 實驗類型：驗證 實驗要求：必修 一、實驗?zāi)康? (1) 學(xué)會RSSI 值的獲取方法。 (2) 更加熟練地使用ANTc3 平臺下的底層協(xié)議棧。 二、實驗內(nèi)容 (1) RSSI 值的獲取。 (2) 學(xué)習(xí)使用ANTc3 平臺下的底層協(xié)議棧。 三、實驗原理、方法和手段 方法和手段：教師演示，學(xué)生自主驗證操作。 實驗原理： RSSI指接收信號

29、的強度，在無線定位、無線測距方面有廣泛的應(yīng)用。本實驗通過點對點或者一點對多點通信測定 RSSI的值。 RSSI 即Received Signal Strength Indication，CC2430 芯片中有專門讀取RSSI值的寄存器，當數(shù)據(jù)包接收后，CC2430芯片中的協(xié)處理器將該數(shù)據(jù)包的RSSI值寫入寄存器。如圖5.1所示。RSSI值和接收信號功率的換算關(guān)系如下： P = RSSI_VAL + RSSI_OFFSET [dBm] 其中，RSSI_OFFSET 是經(jīng)驗值，一般取-45，在收發(fā)節(jié)點距離固定的情況下， RSSI 值隨發(fā)射功率

30、線性增長，如圖5.2 所示。 圖5.1 RSSI 的產(chǎn)生過程 圖5.2 RSSI 隨發(fā)射功率的變化曲線 四、實驗組織運行要求 采用集中授課形式。 五、實驗條件 （1）每2位同學(xué)為1組，每組一臺PC機、一臺ATOS實驗儀。 （2）配套的軟硬件設(shè)備：下載仿真器線、編譯環(huán)境、配套軟件工具等。 六、實驗步驟 實驗流程： 節(jié)點1 為接收節(jié)點，其它節(jié)點為發(fā)送節(jié)點，節(jié)點啟動后，開啟射頻，射頻開啟完畢后，其它發(fā)送節(jié)點啟動定時器，每2 秒向節(jié)點1 發(fā)一次數(shù)據(jù)，節(jié)點1 接收到數(shù)據(jù)后，通過串口打印顯示接收信號的RS

31、SI 值。 程序清單2.2 代碼RSSISample.nc 代碼RSSISampleC.nc Makefile 文件 實驗演示： 上次程序編寫完成后，使用命令make antc3 install NID=01 GRP=XX 燒錄接收節(jié)點，發(fā)送節(jié)點選擇其它節(jié)點號，本實驗使用2 號節(jié)點發(fā)送，實驗效果如下： 接收節(jié)點效果圖 發(fā)送節(jié)點效果圖 七、思考題 八、實驗報告 要求及格式見本手冊末尾說明。 九、其它說明 實驗

32、六：發(fā)射功率設(shè)置實驗 實驗學(xué)時：2 實驗類型：驗證 實驗要求：必修 一、實驗?zāi)康? (1) 了解CC2430 芯片的8個輸出功率等級。 (2) 掌握節(jié)點輸出功率的設(shè)置方法。 二、實驗內(nèi)容 (1) 實現(xiàn)CC2430 芯片的8個輸出功率等級。 (2) 掌握節(jié)點輸出功率的設(shè)置方法。 三、實驗原理、方法和手段 方法和手段：教師演示，學(xué)生自主驗證操作。 實驗原理： ANTc3 平臺下節(jié)點輸出功率的設(shè)置有多種方法，可以在Makefile 中通過宏定義設(shè)置；也可以通過該實驗中接口的方式設(shè)置。這兩種方法都是全局性的設(shè)置，即發(fā)射功率一旦設(shè)置完成，該

33、節(jié)點所有的數(shù)據(jù)包發(fā)射功率相同。此外，還可以針對每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包設(shè)置不同的發(fā)射功率。 四、實驗組織運行要求 采用集中授課形式。 五、實驗條件 （1）每2位同學(xué)為1組，每組一臺PC機、一臺ATOS實驗儀。 （2）配套的軟硬件設(shè)備：下載仿真器線、編譯環(huán)境、配套軟件工具等。 六、實驗步驟 下面的代碼使用全局發(fā)射功率組件進行功率設(shè)置。 程序清單 代碼SetTransmitPowerM.nc 代碼 SetTransmitPowerC.nc

34、 Makefile 文件 七、思考題 八、實驗報告 要求及格式見本手冊末尾說明。 九、其它說明 學(xué)生實驗報告基本內(nèi)容要求 學(xué)生實驗報告應(yīng)事先準備好，用來做預(yù)習(xí)報告、實驗記錄和實驗報告。 1、實驗預(yù)習(xí) 在實驗前每位同學(xué)都需要對本次實驗進行認真的預(yù)習(xí)，并寫好預(yù)習(xí)報告，在預(yù)習(xí)報告中要寫出實驗?zāi)康?、要求，需要用到的儀器設(shè)備、物品資料以及簡要的實驗步驟，形成一個操作提綱。對實驗中的安全注意事項及可能出現(xiàn)的現(xiàn)象等做到心中有數(shù)，但這些不要求寫在預(yù)習(xí)報告中。 設(shè)計性實驗要求進入實驗室前寫出實驗方案，并經(jīng)指導(dǎo)教師審閱后實施。 2、實驗記錄 學(xué)生開始實驗時，應(yīng)該將記錄本放在近旁，將實驗中所做的每一步操作、觀察到的現(xiàn)象和所測得的數(shù)據(jù)及相關(guān)條件如實地記錄下來。 實驗記錄中應(yīng)有指導(dǎo)教師的簽名。 3、實驗報告 主要內(nèi)容包括對實驗數(shù)據(jù)、實驗中的特殊現(xiàn)象、實驗操作的成敗、實驗的關(guān)鍵點等內(nèi)容進行整理、解釋、分析總結(jié)，回答思考題，提出實驗結(jié)論或提出自己的看法等。