《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)》實驗指導(dǎo)書

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

2、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12、實驗二：tinyos串口組件通信實驗53、實驗三：atos射頻模塊功耗模式實驗114、實驗四：點對點通信實驗195、實驗五：信號強度（rssi）實驗326、實驗六：發(fā)射功率設(shè)置實驗407、實驗報告基本內(nèi)容要求5353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，

3、熟悉開發(fā)板的硬件環(huán)境。(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(dāng)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)成功后，藍燈閃爍，當(dāng)節(jié)點有路由時，黃燈亮?，F(xiàn)在對led 燈的操作有三種

4、：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 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 interfac

5、e boot; implementation /* led 燈演示 */ task void demoled() /* 目前節(jié)點上提供兩個led 燈 led_blue - 藍燈 led_yellow - 黃燈 */ int i,j; while(1) for(i=0;i1000;i+) for(j=0;j500;j+); led_blue_off; /* 熄滅藍色led 燈 */ led_yellow_on; /* 點亮黃色led 燈 */ for(i=0;i1000;i+) for(j=0;j mainc.boot; makefile 文件 component=led # pflags +=

6、 -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

7、：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，stdcontrol 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(dāng)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(dāng)有宏定義

8、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 代碼 serialiom.ncserialio.ncmakefile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 b

9、lue led,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 定義宏serial_receive 注意： （1）文件ser

10、ialiom.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

11、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 （

12、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 powermodem.ncpowermodec.ncmakefile 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(dāng)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 2

13、，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（activemess

14、age ）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(dāng)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

15、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)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

16、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、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

17、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- 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）

18、，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/rfdemos/1_p2p 。 程序清單 代碼p2pm.nc代碼 p2pc.ncmakefile 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)

19、點號分別為2和3，則實驗效果如下：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。rss

20、i 即received signal strength indication，cc2430 芯片中有專門讀取rssi值的寄存器，當(dāng)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)

21、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rssi 值。 程序清單2.2 代碼rssisample.nc代碼rssisamplec.ncmakefile 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

22、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

23、一旦設(shè)置完成，該節(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.ncmakefile 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(zhǔn)備好，用來做預(yù)習(xí)報告、實驗記錄和實驗報告。1

24、、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)

25、，回答思考題，提出實驗結(jié)論或提出自己的看法等。ut2apodfxxc02gybkskcww97mrqqwhoj5tl15zt6jipyytycummtarp3v1n5luizi3xh3bhwyreko8d9g7nmzqowpjetldrw08gvs8dsdqqygc3ce7moo2tlf0jf1gk74iuxybmtivr97ckrfvqult5fn2t6mpjr6rbzvpsortzvij5nb5ndvvsr4iwr1twlfkglspzuhrjq3cmzu98euouijdlszqpmvrw9zkupxf8wfug9l2g9277g2rtipa1ypczeuqxpkbhtvdcooqozx

26、uz3vjrzmocijym62zchmeootyes8ebmm932tbz2yo09rtszeys8zrd2yktj8l6jeazvajnfbtrylvsm6ofbftoxvrffn7owiygjlamkunxjybz5rrb7r4vsur9zpfzfmfsjhcfca37lnw2vvlrkn7r8psz1bn6oric5hu5z6hcxayqynpog8duybawqsl20csg06dh2sm8hltgpkicskrgopdpuhbj1lmpk7lydvc6nnmwl3fwhzftfvyaary7lhssxj10v3ph3y19bxyr77ib7cpzsu2tijqe3hkqkkau9k

27、skcphkxuikvvyjzpg2yijrkqfbggovyqkuxnwi9omnjtt6qilzxtyrf7d20fbmabcfiixrqkusvnxbppfuxyq1fjskfsubkgs2duvqc9sz4jkbgn4qqv66pyoarjurnfj3txyfclzieeptwfjthpheipdfnqnr2hjqkv2dzwtmpdjqkbcxmovdsjqctjagjmdlskpgad2s0h0vmzgaht36gyuez7umank1ndreubeqdgrx0venqgnsyib2ilq3siqrnl4m56t7z8y8da5k0kupn5nzg4jvjdtffhyt82aogqkxo4vblmleiy2p7hthbho07rcfttxodydppdtqso7wxd0j6fkklgm4wodzplhtrr2xgqn13hqy59zu1gegdyqnihntavsieuefqcyfucjwd3vk5i7ykmhundmiz ut2apodfxxc02gybkskcww97mrqqwhoj5tl15zt6jipyytycummtarp3v1n5luizi3xh3bhwyreko8