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新传感网产业物联网(The Internet of Things)的再一次盛行和IBM“智慧地球”的提出，将再一次把无线传感器网络(Wireless Sensor Network)的发展推向新的高潮。良好的WSN仿真模拟技术对于WSN的研究具有重要的意义。WSN作为典型的网络化嵌入式系统，其多学科高度交叉、技术高度集成、应用高度相关性的特点，使其验证和测试变得尤为困难和复杂。为解决此问题，本文对WSN的仿真模拟技术进行了研究，提出了一种WSN半实物仿真系统，以此为基础，围绕WSN半实物系统实现中的关键技术，对通信模块和信道进行数字电路建模的研究，并进一步在系统中进行WSN能耗行为的模拟。本论文的主要贡献如下：
1)在体系结构上，提出一种WSN半实物仿真系统——HybridWSNSim。解决了纯粹软件仿真掩盖太多实际器件实现的细节，而实际环境测试中嵌入式系统行为和网络行为不可见不可控的问题。该系统在仿真回路中保留实际的嵌入式系统，利用数字电路对通信模块和信道进行仿真建模，通过上位机软件程序对仿真过程进行控制。在程序运行时收集嵌入式系统和网络的信息提高了嵌入式系统行为和网络行为的可观察性，上位机软件对虚拟信道的控制提高了网络的可控制性。基于FPGA对HybridWSNSim的实现，证明了HybridWSNSim具有以下特性：能够仿真模拟WSN的实时性和并发特性；能够观察节点间相互作用；支持实时运行和调试；仿真具有完整性；能够测试协议并验证其实现；支持软硬件两个级别上的异构网络仿真等。仿真规模在单个FPGA上能达到80个，通过多块FPGA板的级联可以完成大规模的仿真模拟。
2)在HybridWSNSim系统子系统的设计上，本文提出一种可重构可复用的通信模块比特级仿真子系统VRF(Virtual RF)和虚拟信道子系统VCH(Virtual Chanel)。对通信模块的各个子功能模块进行可重构可复用性设计，在支持多种通信模块器件仿真的同时，有效地减少了硬件资源的占用，扩大了系统的仿真规模。VRF的可重构可复用方案与直观实现各个器件进行器件顶层选择的传统方案相比，综合频率相当，但是硬件资源的占用减少了20％左右。VCH设计中，使用高频同步电路实现了数据传输的异步特性模拟；理论分析了合理进行软硬件划分对有效节省硬件资源的重要性；实现了一种面积优化的硬件BER(Bit Error Rate)的正态分布注入，并通过理论和实验证明了BER注入的良好统计特性。
3)提出了一个基于器件规程的精确的无线传感器网络能耗行为模拟子系统。用EFSM(Extended Finite State Machine)进行网络能耗行为的描述，将能耗行为描述转译成矩阵，并且用可重用性FSM(Finite State Machine)进行数字电路建模的实现，然后将该子系统集成到HybridWSN系统中。MCU(Micro Control Unit)程序执行时间的准确获取和通信模块器件的准确模拟保证了能耗行为模拟的逼真度。本文MCU时间获取方法与指令级分析结果比较具有±10μs的误差。
4)由于在整个系统的开发过程中，广泛采用FSM建模技术，在实现层面上，本文提出一种基于SRAM、状态机引擎和动作执行单元的通用FSM实现结构。通过将FSM四要素状态、事件、状态机动作、状态变迁规则进行编码，将FSM的实现过程简化成表格填写，解决了在用硬件描述语言实现FSM时的不通用性和轻微状态改变就导致状态机需要重新实现和重新验证的现状。