2015无线传感器网络实验报告.docx

郑州航空工业管理学院无线传感器网络实验报告（第1版）20 14 2015 第2学期赵成 编著院系：电子通信工程姓名： 专业：物联网工程 学号： 电子通信工程系2015年6月制实验一WSNs开发环境的建立一、实验目的了解基于TI CC2431/CC2530的WSNs基础知识，熟悉WSNs的开发环境，掌握Cygwin、TinyOS、SDCC、SmartRF Studio 7等软件的安装方法。二、实验内容1认识并观察WSNs节点模块的电路板；2WSNs开发环境的建立：（1）Cygwin仿真软件的安装；（2）TinyOS 2.x操作系统的安装；（3）SDCC小型设备C编译器的安装；（4）SmartRF Studio 7编程软件的安装；三、预备知识了解无线传感器网络的基本概念；熟悉无线传感器网络的结构及开发环境的建立。四、实验设备1. 硬件环境配置计算机：Intel(R) Pentium(R) 及以上；内存：1GB及以上；实验设备：CC2431无线传感器网络节点模块；2. 软件环境配置操作系统：Microsoft Windows 7 Professional Service Pack 1；WSNs开发环境：Cygwin、TinyOS、SDCC、SmartRF Studio 7。五、实验分析1安装的Cygwin仿真软件时选择Install from Internet还是Install from Local Directory。（在正确的前面打勾）2在安装Cygwin时，需要选择安装包，如下图所示，在箭头所指向的位置，表示对所有（All）包的操作，点击循环按钮，观察四种安装方式格式什么？写在下面。图1 Cygwin Setup Select Package安装方式：Default、Install、Reinstall、Uninstall。 3安装TinyOS 2.x操作系统时采用了shell脚本自动安装，请在下面写出执行shell脚本的指令。运行指令：./Install_TinyOS2.x.sh 4在下面写出SDCC默认指定安装在Windows系统中的路径，安装在其它路径编译时会出现错误提示。 默认指定安装路径：C：Progarm FilesSDCC 5安装TI Flash编程软件SmartRFProgr之后，系统成功安装设备的驱动程序，接着，打开编程软件，发现无法找到CC2431芯片，也就无法下载程序。请问，出现这样情况的原因是什么？你是怎么解决的？首先检查接口是否拨到对应位置，进行正确连接。无检查无误，需要检查cc2431芯片供电是够正常，不正常需要更换节点电池或者连接电源，如还是不可以使用，检查SmartRFProgr软件版本是否太低，升级至高版本。我当时是因为SmartRFProgr版本太低，后来在网上下载了最新的版本，问题自动消失。 6写出删除Cygwin程序的步骤。（1）找到setup-x86.exe安装包,双击运行,到安装界面.默认选项,下一步.（2） 到Select Packages界面,Category 选择Uninstall点击下一步. （3）等卸载完成.点击确定即可 六、遇到的问题及解决方法 找不到指定路径，需要建立指定路径的文件夹。安装TI Flash编程软件SmartRFProgr之后，系统成功安装设备的驱动程序，接着，打开编程软件，发现无法找到CC2431芯片，也就无法下载程序。首先检查接口是否拨到对应位置，进行正确连接。无检查无误，需要检查cc2431芯片供电是够正常，不正常需要更换节点电池或者连接电源，如还是不可以使用，检查SmartRFProgr软件版本是否太低，升级至高版本。我当时是因为SmartRFProgr版本太低，后来在网上下载了最新的版本，问题自动消失。 实验二WSNs节点模块LED灯的控制操作一、实验目的应用LED控制组件和Timer组件，掌握对节点模块上LED进行开关控制。LED的通断时间采用摩尔斯编码，使用灯光输出“hello, world”信息。二、实验内容1使用cd指令将路径切换到opttinyos-2.xcontribcc2431Helloworld下，查看其中的HelloWorld.nc源码和HelloWorldM.nc源码；2切换到/opt/tinyos-2.x/contrib/cc2431/Helloworld路径下，编译HelloWorld工程；3下载app.hex到节点模块；4观察并记录运行效果。三、预备知识了解WSNs开发软件的相关知识；了解TinyOS操作系统的编程及工程基本的编译方法。四、实验设备1. 硬件环境配置计算机：Intel(R) Pentium(R) 及以上；内存：1GB及以上；实验设备：CC2431无线传感器网络节点模块；2. 软件环境配置操作系统：Microsoft Windows 7 Professional Service Pack 1；WSNs开发环境：Cygwin、TinyOS、SDCC、SmartRF Studio 7。五、实验分析1HelloWorld.nc是（ ）；HelloWorldM.nc是（ ）。(A) 模块文件，实现LED程序的运行部分代码。 (B) 配置文件，用于声明使用的各个组件及相互之间的连接关系。 2HelloWorld.nc源码中声明使用了四个模块，分别是：（1）MainC（2）HelloWorldM（3）LedsC（4）new TimerMilliC()其中，HelloWorldM模块是本工程自定义的程序模块。3从HelloWorldM.nc源码可知，LED闪烁的基本时长是1000ms，其中:（1） 保持2000ms;（2）.常亮1000ms，长闭1000ms;（3）-常亮3000ms，长闭1000ms。4观察程序的运行效果，对比HelloWorldM.nc源码，试分析：（1）Timer.startOneShot()函数与Timer.fired()函数是事件驱动的么？ 是（2） Timer.startOneShot()函数触发Timer.fired()函数的执行么？ 是 （3）Timer.startOneShot()函数与Timer.fired()函数是顺序执行的，还是并发执行的？ 是顺序执行的 六、遇到的问题及解决办法 基本没出现什么问题，就是在下载hex文件的时候 节点的开关位置得适当调整 实验三 节点模块的串行通信一、实验目的熟悉TinyOS操作系统；熟悉message_t结构体，并解析实际传输的串行数据；掌握上位机与节点间的串行通信，尝试测试传输数据的获取。二、实验内容1. 理解TinyOS中的串行通信格式-message_t结构体；2. 区分串行通信使用的message_t结构体和无线通信使用的message_t结构体的差异；3. 尝试通过实际的串行通信，分析message_t结构体传输数据的意义。三、预备知识了解TinyOS操作系统的基本结构；了解基于TinyOS操作系统基本的程序开发方法。四、实验设备1. 硬件环境配置计算机：Intel(R) Pentium(R) 及以上；内存：1GB及以上；实验设备：CC2431无线传感器网络节点模块；2. 软件环境配置操作系统：Microsoft Windows 7 Professional Service Pack 1；WSNs开发环境：Cygwin、TinyOS、SDCC、SmartRF Studio 7、GCC。五、实验步骤1编译节点模块程序在Cygwin环境下，切换至/opt/tinyos-2.x/contrib/cc2431/Serial_Echo_Test路径，运行make cc2431指令，得到hex文件，将其下载到节点模块。2在/opt/tinyos-2.x/contrib/cc2431/Serial_Echo_Test路径下，按实际使用的串口号调整Serial_Echo_PC_Program.h源代码中的ttySX值（X用实际数字替代）后，编译上位机的串行通信源代码“Serial_Echo_PC_Program.c”，可以得到可执行的run程序。输入的编译指令为：gcc o run Serial_Echo_PC_Program.c./run3 将节点模块连接至计算机，同时，在计算机上运行run可执行程序，观察并记录一批串行通信数据（23组即可），解释这些数据的意义。(1)在TinyOS中想要串行发送的数据: FF FF 20 27 0A xx 7E xx实际被传送的数据: 7E 45 00 FF FF 20 27 0A xx 7D 5E xx CRC1 CRC2 7E(2)在TinyOS中想要串行发送的数据: FF FF 20 27 0A xx 7D xx实际被传送的数据: 7E 45 00 FF FF 20 27 0A xx 7D 5D xx CRC1 CRC2 7E(3)在TinyOS中想要串行发送的数据: FF FF 20 27 0A xx 7E 7D xx实际传送的数据: 7E 45 00 FF FF 20 27 0A xx 7D 5E 7D 5D xx CRC1 CRC2 7E在TinyOS中，通过串行通信向PC传送数据时，在数据的开始部分，总是0x7E值先被输入，其后没有ACK的数据类型 0x45值被输入。(在TinyOS 1.X中，0x42值是没有ACK的数据类型。)接下来，表示串行消息的DispatchID 0x00被输入。接着，对应TinyOS定义的串行消息格式的数据和2bytes CRC字段被输入。最后， 作为完成通信的意义，0x7E被输入4. 在opttinyos-2.xtostypes路径下的message.h源代码中定义了message_t结构体，在下面列出该结构体的定义。typedef nx_struct serial_header nx_am_addr_t dest; nx_am_addr_t src; nx_uint8_t length; nx_am_group_t group; nx_am_id_t type;serial_header_t;第一字段dest字段表示收到串行消息的硬件的地址，一般使用0xFFFF。Src字段写入发送数据包的节点的地址。Length字段出现在header 字段后表示data区域的长度。Group和type字段表示编译时设定的组ID和SerialActiveMessageC接口数组中放入的数字。(在TinyOS 2.X中，串行通信时，不填满group字段，以值0x00传送。)6、 遇到的问题及解决办法没有调整Serial_Echo_PC_Program.h 文件的ttySX的值后，导致gcc编译出现错误，调整之后能正常编译。 实验四节点模块温湿数据采集一、实验目的熟悉温湿一体化传感器SHT11的工作原理，基于TinyOS编程实现温湿数据采集，并利用TinyOS的Oscilloscope程序分析采集的数据。二、实验内容1. 了解SHT11的工作原理及电气接口；2. 熟悉控制SHT11的程序代码；3. 基于TinyOS操作系统编译运行于CC2431节点模块上的温湿数据采集程序，并编译运行上位机程序，以图形化的方式观察数据。三、预备知识了解TinyOS nesC软件编程；了解CC2431节点模块基本的应用方法。四、实验设备1. 硬件环境配置计算机：Intel(R) Pentium(R) 及以上；内存：1GB及以上；实验设备：CC2431无线传感器网络节点模块；2. 软件环境配置操作系统：Microsoft Windows 7 Professional Service Pack 1；WSNs开发环境：Cygwin、TinyOS、SDCC、SmartRF Studio 7、GCC、JAVA。五、实验步骤1观察并绘制SHT11与CC2431的接口电路。2TinyOS操作系统中，控制SHT11传感器的源代码分别是：（1）SensirionSht11C.nc（2）SensirionSht11LogicP.nc3节点模块温湿数据采集应用工程为opttinyos-2.xcontribcc2431OscilloscopeSHT11路径下的OscilloscopeC组件工程。OscilloscopeC组件由以下5个组件组成：（1）MainC（2）TimerC（3）SensirionSht11C（4）SerialActiveMessageC（5）LedsC4切换到/opt/tinyos-2.x/contrib/cc2431/OscilloscopeSHT11路径下，为了编译得到CC2431运行的app.hex，需要执行以下指令：Make CC2431使用Java程序启动SerialForwarder服务器程序，需要执行以下指令：路径：/opt/tinyos2.x/contrib/Oscilloscope/java指令：java net.tinyos.sf.SerialForwarder -comm serialCOMX:57600切换到/opt/tinyos-2.x/contrib/cc2431/OscilloscopeSHT11/java路径下，分别执行以下指令:（1）make（2）./run显示运行效果：六、遇到的问题及解决办法没有在设备管理器中找到当前节点使用的COM编号，设置好上面的命令。根据在设备管理器中找到当前节点使用的COM编号并在命令java net.tinyos.sf.SerialForwarder -comm serialCOMX:57600更改好X的值，就能编译成功。 实验五 基本的无线通信协议一、实验目的了解无线传感器网络中使用的MAC协议的特性及其应用方法；通过简单的无线发送接收实例，熟悉TinyOS中基本的RF无线通信原理。二、实验内容1. 了解节点的基本无线MAC协议 CSMA/CA；2. 理解TinyOS操作系统中提供的无线通信ActiveMessageC，AMSenderC以及AMReceiverC组件；3. 利用BasicMAC实例了解Broadcast和Unicast无线通信；三、预备知识了解TinyOS操作系统程序开发的原理；了解Broadcast和Unicast无线通信原理。四、实验设备1. 硬件环境配置计算机：Intel(R) Pentium(R) 及以上；内存：1GB及以上；实验设备：CC2431无线传感器网络节点模块；2. 软件环境配置操作系统：Microsoft Windows 7 Professional Service Pack 1；WSNs开发环境：Cygwin、TinyOS、SDCC、SmartRF Studio 7、GCC。五、实验步骤1切换路径到opttinyos-2.xcontribcc2431BasicMAC目录，打开BasicMACM.nc源程序，观察BasicMACM模块由哪些TinyOS操作系统模块组成？（1）MainC（2）TimerMilliC（3）PhotoSensorC（4）ActiveMessageC （5）PhotoSensorC（6）AMSenderC（7）AMReceiverC2为了得到具有0号，1号，2号ID的hex文件，需要在Cygwin下依次执行以下指令：（1）make cc2431 （2）make cc2431 reinstall.0（3）make cc2431 reinstall.1（4）make cc2431 reinstall.23在BasicMACM.nc源代码中，修改DataMsg.send函数的首个参数：event void Photo.readDone(error_t result,uint16_t data) if (call DataMsg.send ( ToAddr , &sendmsg,call Packet.payloadLength (&sendmsg) = SUCCESS)call Leds.led2On();（1）DataMsg.send函数的首个参数为AM_BROADCAST_ADDR，表示：Broadcast通信Unicast通信（2）DataMsg.send函数的首个参数为特定节点的地址(ID)，表示：Broadcast通信Unicast通信4写出实验中观察到的无线通信的运行效果。 如果打开2个传感器节点的电源，则会看到每隔1秒Green LED和Yellow LED指示灯闪烁。此外，一边Yellow LED瞬间闪烁时(发送完数据后),通过另一边节点的Red LED (发送的数据全都收到后)反复打开/关闭，可以确认数据的发送接收运行没有异常。六、遇到的问题及解决办法基本实现了预期目标，就是在运行“make cc2431 reinstall.X” 指令时，忘记更改X的值为0,1,2，而出现错误。改变之后就观察到预期的实验现象。 实验六 WSNs节点射频功率及信道控制一、实验目的掌握CC2431节点模块的射频功率控制，以控制数据的覆盖范围；掌握CC2431节点模块的信道控制，以避免不同模块间的传输冲突。二、实验内容1. 理解Power control 及 Multichannel；2. 了解CC2431上提供的Power 级别及信道信息；3. 通过实践掌握CC2431节点模块的power control及multichannel控制。三、预备知识了解TinyOS操作系统程序开发的原理；了解CC2431的功率控制；了解CC2431的多信道切换控制。四、实验设备1. 硬件环境配置计算机：Intel(R) Pentium(R) 及以上；内存：1GB及以上；实验设备：CC2431无线传感器网络节点模块；2. 软件环境配置操作系统：Microsoft Windows 7 Professional Service Pack 1；WSNs开发环境：Cygwin、TinyOS、SDCC、SmartRF Studio 7、GCC。五、实验步骤1CC2431可以传送从最高0.6dBm（1.1482mW）到最低-25.2dBm（0.003mW）的电波，接收侧接收的电波强度在-94dBm（3.981e-10mW）以上时可以接收电波。2CC2431 RF部分支持26个Multichannel中2.4 GHz频带的16个信道。各信道的频带由下面的公式定义：F = 2405 +5(k-11) MHz, k = 11, 12 263在路径/opt/tinyos-2.x/contrib/cc2431/MCH_PTRSSI下，MCH_PTRSSIM模块调用了TinyOS操作系统模块： MainC、 TimerMilliC、BusyWaitMicroC、ActiveMessageC、AMSenderC、ActiveMessageC、HAL_CC2430ControlC及SerialActiveMessageC等8个模块。4在MCH_PTRSSIM.nc源代码中，修改task void RF_Configuration_Setting () 任务中的代码切换RF功率及信道，写出以此执行的编译指令，并观察运行效果（附运行时接收的数据图）。cd /opt/tinyos-2.x/contrib/cc2431cd MCH_PTRSSI运行结果：六、遇到的问题及解决办法基本完成了预期的现象，了解了SHT11的工作原理及电气接口， 熟悉控制SHT11的程序代码， 基于TinyOS操作系统编译运行于CC2431节点模块上的温湿数据采集程序，并编译运行上位机程序，以图形化的方式观察了数据。 实验七 多传感器数据测量一、实验目的了解如何依次采集、处理节点上安装的光敏传感器，温湿一体化传感器，红外线传感器的数值；基于前面实验中使用过的组件和接口，现实依次采集且串行传送节点上安装的4种传感器测量值。二、实验内容1. 了解各传感器的组件和接口；2. 理解依次获得4种传感器的测量值的方法；3. 尝试通过SerialTest程序，直接确认串行传入的数据。三、预备知识了解TinyOS操作系统程序开发的原理；了解各类型传感器的控制。四、实验设备1. 硬件环境配置计算机：Intel(R) Pentium(R) 及以上；内存：1GB及以上；实验设备：CC2431无线传感器网络节点模块；2. 软件环境配置操作系统：Microsoft Windows 7 Professional Service Pack 1；WSNs开发环境：Cygwin、TinyOS、SDCC、SmartRF Studio 7、GCC。五、实验步骤1将路径切换至/opt/tinyos-2.x/contrib/cc2431/Allsensors目录下，打开AllsensorsAppC源代码，查看AllsensorsC模块调用了哪些模块？AllsensorsC, MainC, LedsC，TimerMilliC，SensirionSht11C， PhotoSensorC，UltraredSensorC，SerialActiveMessageC2编译Allsensors工程程序，安装app.hex至节点模块，运行SerilTest.exe程序，观察并记录采集的传感器数据（附图）。运行cygwincd /opt/tinyos-2.x/contrib/cc2431cd Allsensors编译make cc2431首先将下载了Allsensors例题的HBE-Ubi-CC2431节点通过USB连接线与PC连接，使USB MCU开关指向RS232一侧。运行SerilTest.exe文件，可以看到如右图所示画面。在SerilTest上单击 Port Configuration，设定Port 及Baud 值。Port是设备管理器中设定的节点的COM编号，Baud值为57600。单击Ok按钮。单击Ok按钮后，如果单击SerialTest程序的Open Port按钮和Binary Type Display，可以得到如右图所示结果。上面图中显示的数据是在Allsensors 程序中存储的Seq, Temp, Humi, Photo, Ultrared 值。运行结果如下：六、遇到的问题及解决办法在SerilTest上单击 Port Configuration，设定Port 及Baud 值时。Port是设备管理器中设定的节点的COM编号与PC不一致导致错误，进行重新设定后，再设定Baud值为57600。单击Ok按钮，即出现预期结果。 实验八 WSNs树形网络的多跳路由一、实验目的采集节点上的光敏传感器，温湿传感器以及红外线传感器的数值，之后，通过Tree路由构成的多跳网络，将采集的数据传给Sink节点，再由上位机程序显示。通过该实践项目，熟悉利用节点的USN编程算法。二、实验内容1. 按顺序调用节点的多个传感器的方法；2. 对Tree路由的理解及应用；3. 建立利用多个传感器节点的多跳路由网络。三、预备知识了解TinyOS操作系统程序开发的原理；了解各类型传感器的控制；了解路由算法。四、实验设备1. 硬件环境配置计算机：Intel(R) Pentium(R) 及以上；内存：1GB及以上；实验设备：CC2431无线传感器网络节点模块；2. 软件环境配置操作系统：Microsoft Windows 7 Professional Service Pack 1；WSNs开发环境：Cygwin、TinyOS、SDCC、SmartRF Studio 7、GCC。5、 实验步骤1切换路径至opttinyos-2.xcontribcc2431Hanback_TestTree目录，打开应用程序源代码Hanback_TestTreeAppC.nc，查看Hanback_TestTreeAppM模块调用了哪些模块？Boot，Timer， Leds，StdControl ，AMSend， Receive 2Hanback_TreeRouting组件是为了Tree协议的实现而创建的配置文件。3Tree 路由为了周期性地向周围节点报告自身的跳数信息需要传送Beacon(= hello)数据包。4完成信道设定后， sink节点直接传送Beacon数据包。其它节点向周围节点请求Beacon。为了构成Tree拓扑，需要以Sink为中心形成拓扑。在一般节点上，如果听到了sink发送的beacon数据包，则得知自身周围存在sink，认作是距离sink一（填数字）跳的节点。且将自身的ID和距离sink为一跳的信息放入到自身的beacon数据包中周期性传送。如果虽然不属于sink的传送范围，但从sink一跳内的其它节点听到beacon，则判断此节点为距离sink两（填数字）跳的节点，并同样周期性传送记录了两跳信息的自身的beacon。也就是，0号的sink节点直接传送Beacon，非0号节点需要从sink