無線傳感器網絡實驗教學方法實踐與探討

劉 濤，錢 良，王新兵，田曉華

(上海交通大學電子工程系，上海200240)

0 引言

“無線通信原理與移動網絡”是我校面向信息工程專業本科生開設的一門重要的專業主干課程。該課程主要講授蜂窩網絡及無線移動網絡的基本傳輸技術、網絡架構及主流傳輸網絡協議等，為學生今后從事無線通信相關的工作或研究打下扎實的理論基礎。

無線傳感器網絡作為新興物聯網產業的熱門技術之一，也是“無線通信原理與移動網絡”課程中需要講授的主要知識點之一。但該部分內容如果單純通過課堂講解，則比較抽象和枯燥，特別是其中的協議流程方面的內容。因此，開設相關課程實驗，不僅可以幫助學生更好地理解理論內容，還能培養學生的實踐能力和創新精神，提高學生的綜合素質。

目前國內外高校開設的“移動通信”和“無線網絡”等課程中也涉及一些關于無線傳感器網絡的實驗[1]，但很多都是驗證性實驗。學生完成實驗后雖然鍛煉了動手能力，但對協議規范及組網流程等理論內容的理解并無多大幫助，對分析和解決無線傳感器網絡能力問題的培養也無太大意義。本文提出的課程實驗較好地解決了這些問題。

1 無線傳感器網絡課程實驗

在我?！盁o線通信原理與移動網絡”課程關于無線傳感器網絡知識點的教學中，我們對這部分實驗內容的設置及教學模式進行了改革，其具體內容如下:

(1)課堂教學中介紹無線傳感器網絡基本概念、拓撲結構、組網方式、特點及優勢以及目前在物聯網中的一些具體應用等，使學生對其無線網絡有個初步的認識。

(2)課程實驗中采用基于CC2530芯片的開發套件，要求學生以小組為單位首先完成基本的實驗內容，包括:了解ZigBee協議以及掌握IAR軟件，完成點到點通信，學習使用sniffer節點與嗅探網絡節點之間通信數據包傳輸并通過分析數據包畫出流程圖等。

(3)在完成基本實驗的基礎上，增加路由節點，搭建多跳傳感器網絡，同樣通過抓包方式分析從組網到數據傳輸過程中的協議流程，比較其與點到點通信的異同點，畫出流程圖。

(4)支持學生完成開放性實驗，即可以選擇溫度傳感器、加速度傳感器等進行數據采集并將數據傳到主節點，實現簡單的物聯網應用。

該課程實驗內容綜合了驗證型、設計型和開放型實驗的要素，使學生從基本功能做起，調動學習傳感網絡知識的積極性，并能拓展和深入，提高學生的工程技術能力。課程實驗要求學生以2-3人為一組，既要求每個組員有明確分工，又要求組員間合作協調，從而培養學生的團隊精神。

2 實驗硬件平臺及軟件使用

本實驗采用基于TI公司的CC2530芯片為核心的開發板套件作為課程實驗平臺。CC2530是一個兼容IEEE 802.15.4的包含8051MCU內核的片上系統，它支持 ZigBee、ZigBee PRO和 ZigBeeRF4CE標準[2]。CC2530還可以配備TI的一個標準兼容或專有的網絡協議棧(RemoTI，Z-Stack，或Simplici-TI)來簡化開發。CC2530目前廣泛應用于包括遠程控制、智能家庭控制、計量和智能能源、樓宇自動化和智能醫療等領域。實驗時，每組學生配置一套開發套件，包括4-5個無線傳感器節點、燒錄器以及鋰電池等。

在實驗中，學生需要熟悉并安裝IAR Embedded Workbench?for 8051 from IAR Systems開發環境，該環境提供了C語言的程序編寫、編譯連接、程序下載以及仿真調試等全部功能。同時，在實驗中學生還需要掌握利用仿真器進行仿真、調試和Flash編程，學會采用SmartRF studio進行RF測試，以及采用SmartRF Packet Sniffer進行包探測和分析。

3 課程實驗內容實例

3.1 簡單組網通信及協議分析

學生在熟悉硬件平臺、軟件開發環境及程序燒錄方式等基本工具和方法之后，需要了解并修改Zstack協議棧程序，燒錄一個協調器節點(Coordinator)和一個終端節點(End Device)。對協調器節點和終端節點先后上電，通過串口助手工具，觀察是否收到數據，判斷點到點通信是否成功。接著，燒錄另外一個節點作為嗅探器，利用SmartRF Packet Sniffer軟件對上述兩點之間通信的過程進行抓包分析，如圖1所示。學生對抓取的數據包進行逐條分析，結合IEEE802.15.4協議，可以了解數據包的協議通信格式，如廣播幀、探詢幀、確認幀等，并熟悉ZigBee協議基本組網流程[3]。學生根據分析結果畫出在兩點通信過程中協調器和終端節點之間的信令流程圖，加強對協議的理解。

圖1 SmartRF Packet Sniffer軟件抓包界面

對實驗中出現的問題，如兩節點無法通信傳輸，也可利用嗅探器的抓包來分析原因。對協調器和終端節點單獨上電抓包分析每個節點的無線功能是否正常，再根據兩者都上電后抓取雙方的通信幀情況來查找問題出現的原因，如PANID等參數是否設置正確等。利用這種方法，很多學生都找到了問題并成功解決。

學生通過組網通信與協議分析的實驗，了解了無線傳感器網絡中從協調器節點建立網絡，到終端節點加入網絡開始傳輸數據的過程，對802.15.4規范所定義的協議流程有了更清楚的認識。同時，學生可以掌握如何修改傳感器網絡的一些常用參數，以及在調試過程中如何發現和解決問題，培養了工程實踐的能力。

3.2 多跳組網及傳感器數據采集實驗

該部分實驗內容為拓展性實驗，屬于設計型及開放型實驗[4]。

在該部分實驗中，首先設法使協調器節點與終端節點無法進行通信，這可以采用改變傳輸條件，降低發送功率等方法來實現。接著，在網絡中加入路由節點，并使路由節點與上述兩個節點進行可靠無線傳輸。這時，終端節點將會通過入網的路由節點和協調器節點進行通信。同樣，利用另外一個節點作為包嗅探器節點，將網絡中傳輸數據過程進行抓包記錄，分析傳輸中的數據包幀格式并畫出信令流程圖。通過與上節中兩點傳輸流程的比較，學生可以對多跳傳輸的協議流程有更直觀的了解。同時，學生還可以在網絡中加入兩個路由節點，進行路由選擇策略等拓展性實驗。

最后，學生可以通過開發套件中預留的接口，連接溫度傳感器、濕度傳感器或光感傳感器等，修改Z-Stack協議棧應用層程序，完成一個基本的物聯網工程應用。

通過該部分實驗內容，學生對組建較復雜的傳感器網絡及實現具體的解決方案有了更深入的了解。而學生在完成基本實驗時所掌握的技能與方法，也在該部分實驗中得到了進一步的鍛煉和加強。

4 結語

教學實踐表明，本文所介紹的無線傳感器網絡方面的課程實驗方法能充分調動學生學習無線傳感器網絡的積極性和主動性，激發學生的創新思維，增強學生的工程專業技能。學生能有效地掌握傳感器網絡的入門知識并可持續性學習，提高了無線傳感器網絡應用及解決實際問題的能力，為今后從事無線通信相關的工作或后續的研究生階段的深造進行了有效的鋪墊。本文提出的方法也可以集成到相關課程，包括研究生課程的系統性教學實驗中。

[1]潭志，黎學超，徐志勇.多功能網絡化控制實驗系統的教學[J].南京:電氣電子教學學報，2013，35(1):78-80，83.

[2]http://www.ti.com/product/cc2530

[3]http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4-2011.pdf

[4]袁焱，周玲玲，龍滬強.構建信息工程實驗教學新體系[J].南京:電氣電子教學學報，2010，32(6):98-100.