（检测技术与自动化装置专业论文）低功耗工业无线传感器网络研究与开发.pdf

浙江人学硕士学位论文低功耗工j i p 无线传感器网络研究与丌发 摘要 e p a 标准已经成为正式的国际标准，为我国工业以太网的发展提供了良好的平台和 技术支持。工业以太网的发展的进程表明紧紧跟随技术潮流，把先进的技术引入工业生 产过程中，将极大地提高生产力。 随着无线传感器网络技术的快速发展，无线进入工业生产过程也逐渐显示处不可阻 挡的趋势。紧随当前国际技术潮流，研究无线进入工业领域的技术问题，将无线传感器 网络技术纳入e p a 标准中，发挥无线传输技术的优势，避免有线网络在工业生产过程 中的一些不足，对于工厂自动化有着重要的意义。对e p a 标准的发展也同样具有深远 的意义。 本文分析了无线传感器网络技术的一些传输标准，指出了在工业生产中应用存在的 技术问题。并且对于其中的无线仪表的功耗问题迸行了深入分析，按照低功耗设计的一 些原则进行了适合于工业现场使用的仪表的无线传输模块的设计。 本文第一章主要是对无线传感器网络的背景知识的介绍以及工业现场使用的无线 网络的一些概括。第二章分析了工业生产现场的特点，介绍了目前对于工业生产现场无 线传感技术的研究热点，如z i g b e e ，无线h a r t ，以及s p l 0 0 等技术，并且对各种技术 进行了分析，指出了各自的特点和不足，提出了工业界无线传感网络协议的研究方向， 即i e e e 8 0 2 1 5 4 技术将会主导工业无线领域。第三章介绍了低功耗无线通讯模块和控制 模块的设计，介绍了其工作的原理。第四章对于无线传输的能耗问题进行了研究，分别 对数据处理部分和数据传输部分的能量消耗进行了研究，针对无线数据传输部分的能量 消耗提出了防止产生广播风暴的基于分簇的能量控制路由算法，并且对此方法进行了实 验验证。第五章对课题研究做了总结并且提出了作者对进一步研究方向的意见。 【关键字】e p a ，无线传感器网络，z i g b e e ，无线h a r t ，i e e e 8 0 2 1 5 a ， 低功耗，s p l 0 0 ，m s p 4 3 0 f 1 6 1 2 ，c c 2 4 2 0 浙江人学硕士学位论文低功耗工q k 无线传感器网络研究与丌发 a b s t r a c t e p as t a n d a r dh a sb e c o m eaf o r m a li n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s ，i tp r o v i d e sap e r f e c tp l a t f o r ma n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ed e v e l o p m e n to fc h i n a si n d u s t r i a le t h e r n e t 1 n d u s t r i a le t h e m e td e v e l o p m e n tp r o c e s sc l e a r l yi n d i c a t e st h a tc l o s e l yf o l l o w st h et r e n do ft e c h n o l o g y , i n t r o d u c et h ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e si n t oi n d u s t r i a lp r o c e s s ，w i l lg r e a t l ye n h a n c ep r o d u c t i v i t y a sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g y sr a p i dd e v e l o p m e n t ，w i r e l e s sa c c e s st oi n d u s t r i a lp r o d u c t i o np r o c e s si s g r a d u a l l yr e v e a l e dt h a tt h ei r r e s i s t i b l et r e n d f o l l o w i n gt h e c u r r e n ti n t e r n a t i o n a lt r e n do ft e c h n o l o g y , r e s e a r c h i n gt h et e c h n o l o g yp r o b l e m st h a tw i r e l e s st e c h n o l o g yi n t ot h ei n d u s t r i a la r e aw i l lm e e t , d e f i n i n gt h ee p as t a n d a r do fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g y , u s i n gt h ea d v a n t a g e so fw i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ，o v e r c o m i n gs o m es h o r t c o m i n g so fc a b l en e t w o r ki n i n d u s t r i a lp r o d u c t i o np r o c e s s ，h a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rt h ef a c t o r ya u t o m a t i o n ，i ta l s oh a sf a r - r e a c h i n gs i g n i f i c a n c e f o rd e v e l o p m e n to fe p as t a n d a r d t h i sp a p e ra n a l y z e st h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g yi nan u m b e ro ft r a n s m i s s i o ns t a n d a r d s ，p o i n t i n go u ts o m et e c h n i c a lp r o b l e m st h a tt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n i nt h ea p p l i c a t i o no fe x i s t i n gt e c h n o l o g y , a n dh a si n - d e p t ha n a l y s i st h ep o w e rc o n s u m p t i o np r o b l e mo fw i r e l e s si n s t r u m e n t ，a c c o r d i n gt ot h en u m b e ro fl o w - p o w e rd e s i g np r i n c i p l e so ft h ei n d u s t r i a lp r o c e s s ，d e s i g nt h ew i r e l e s si n s t r u m e n tm o d u l e t h ef i r s tc h a p t e ri nt h i sp a p e ri sm a i n l yo nt h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n ds o m eg e n e r a lu s eo fi n d u s t r i a lp r o c e s sw i r e l e s sn e t w o r k c h a p t e r1 i a n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，i n t r o d u c i n gt h er e s e a r c hf o c u s o fw i r e l e s ss e n s et e c h n o l o g yf o ri n d u s t r yp r o c e s ss u c ha sz i g b e e ，w i r e l e s sh a r t , a n d s pi0 0 ，a n a l y s i se v e r yt e c h n i c a l ，p o i n t i n go u tt h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ew e a k n e s sf o ri n d u s t r yp r o c e s s a tt h ee n do ft h i sc h a p t e ra u t h o rp o i n t so u ti e e e 8 0 2 15 4w i r e l e s s t e c h n o l o g yw i l lb el e a d i n gt r a n s f e rp r o t o c o li ni n d u s t r i a la r e a s c h a p t e ri l li n t r o d u c e d t h ed e s i g no fl o w - p o w e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dt h ee o n t r o lm o d u l e ，i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo fi t sw o r k c h a p t e ri v , r e a c h i n gf o rt h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o no f e n e r g yc o n s u m p t i o n ，t h ed a t ap r o c e s s i n ga n dd a t at r a n s m i s s i o no ft h ee n e r g yc o n s u m p t i o nw a sr e s e a r c h e d a u t h o rd e v i s e sar o u t i n ga l g o r i t h mf o re n e r g yc o n s e r v a t i o ni nd a t et r a n s m i s s i o n t h i sr o u t i n ga l g o r i t h mc a na v o i db r o a d c a s t i n gs t o r m a n dt h i sm e t h o di se x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n a tl a s t ，t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h ew h o l ew o r ka n dp r o s p e c t st h el a t e rw o r k i k e y w o r d s 】e p a ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s , z i g b e e ，w i r e l e s sh a r t , i e e e 8 0 2 1 5 4 ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , s p l 0 0 ，m s p 4 3 0 f1 6 1 2 ，c c 2 4 2 0 浙汀人学硕上学位论文 低功耗工业无线f 之感器网络研究与丌发 第一章绪论 无线传感器网络是近年来得到迅速发展和普遍重视的新型网络技术，它的出现和发 展对现代科学技术产生了极其深刻的影响。与传统的网络技术不同，无线传感器网络技 术将现代无线通信技术、微型传感器技术和网络技术有机地融为一体，在很多领域有着 广阔的应用前景和极高的应片j 价值1 。 1 1 本课题的研究背景 e p a 作为中国制定的自动化行业的第一个国际标准，对我国的自动化行业产生的深 远的影响，表明了我国在工业实时以太网的技术研究方面与国际的先进技术处于同一起 跑线上。与此同时，国际上与实时以太网相关的无线通信技术的研究也成为了成为重点 研究的热点新技术，紧跟国际新技术的研究步伐，掌握相关技术的研究动态，研究自动 化新技术的发展动向，对今后的研究工作有着非常重要的意义2 。 工业领域在现代化进程中通过引入各种先进技术，实现了劳动生产率的提高和生产 成本的下降。特别是数字电子技术和通信技术的发展和应用，工业自动化系统水平得到 更大进步。许多大型企业，例如石油化工企业，生产地域分散，业务分工复杂；生产环 境恶劣，甚至气体污染、易燃易爆十分危险等，在这些环境下，采用无线通信方式是非 常好的解决问题的优化方案。这样，可以使得控制中心的安装、维护管理更为简单，生 产控制系统更为稳定，从而达到提高石油化工产品的生产效率和安全性3 。 1 1 1 无线传感器网络的产生及特点 微电子技术、计算机技术和无线通讯等技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的 快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通讯等多种功能。无 线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 就是由部署在监测区域内大量的廉价微型 传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协 作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器 网络除了具有无线网络的移动性、断接性等共同特征以外还具有很多其他鲜明的特点4 。 l 、传感节点体积小，成本低，计算能力有限。无线传感器网络是在m e m s 技术、 数字电路技术基础上发展起来的，传感节点各部分集成度很高，因此具有体积小的优点， 当然从应用角度讲，减小节点尺寸也是必须考虑的设计要素。传感网络是由大量的传感 浙汀人学硕上学位论文 低功耗工业无线f 0 感器网络研究与丌发 节点组成的，单个节点的成本直接影响到网络的总体成本，如果总体成本比使用传统传 感器的成本高，势必会影响无线传感网络的竞争力。由于体积、成本以及能量的限制， 嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限，冈此传感器节点的计算能力十分有限。 2 、传感节点数量大、易失效，具有自适应性。根据应用的不同，传感器节点的数 量可能达到几百万个，甚至更多。此外，传感器网络工作在比较恶劣的环境中，经常有 新节点加入或己有节点失效，网络的拓扑结构变化很快，而l i 标网络一旦形成，很少人 工干预其运行，因此，传感器网络的硬件必须具有高强壮性和容错性，相应的通信协议 必须具有可重构和自适应性。 3 、通信半径小，带宽很低。无线传感器网络是利用“多跳”来实现低功耗下的数 据传输，因此其设计的单个节点的通信覆盖范围只有几十米。和传统无线网络不同，传 感器网络中传输的数据大部分是经过节点处理过的数据，因此流量较小。根据目前观察 到的现象特性来看，传感数据所需的带宽将会很低( 1 1 0 0 k b w s ) 。 4 、电源能量是网络寿命的关键。无线传感器网络通常运行在无人值守的恶劣甚至 危险的远程环境中，能源可能无法替代，甚至只能选择电池供电，电源能量极其有限， 网络中的传感器会由于电源能量的原因失效或废弃，因此电源效率是设计考虑的关键因 素。 5 、数据管理与处理是传感器网络的核心技术。对于观察者来说，传感器网络的核 心是感知数据，而不是网络硬件。比如在智能家居应用中人们可能希望知道“现在客厅 的温度室多少”，而不会关心“2 号节点感测到的温度是多少”。以数据为中心的特点要 求传感器网络的设计必须以感知数据的管理和处理为中心，把数据库技术和网络技术紧 密结合，从逻辑概念和软、硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系 统，使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上 进行感知数据的管理和处理。 1 1 2 无线传感器技术的应用与研究 目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域： 环境的监测和保护，随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境 数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还 可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。无线传感器网络被广泛地应用于 生态环境监测、生物种群研究、气象和地理研究、洪水、火灾检测，比较常见的应用有： 可通过跟踪珍稀鸟类、动物和昆虫的栖息、觅食习惯等进行濒临种群的研究等；可在河 流沿线分区域布设传感器节点，随时监测水位及相关水资源被污染的信息；在山区中泥 石流、滑坡等自然灾害容易发生的地方布设节点，可提前发出预警，以便做好准备，采 取相应措施，防止进一步的恶性事故的发生：可在林区铺设这些传感器节点来监测森林 2 浙汀人学硕：l j 学位论文低功耗t q k 无线f 譬感器网络研究与丌发 火警，一旦有危险，可立刻发出警报，消防人员也可以利用个人数字助理- ( p d a ) 生成监 测区域的温度梯度场，以确定高温区域；类似的应用还包括化工厂的事故监控等。在这 类应用中，对传感器的需求量很大，所以必须降低传感器的制造成本。 医疗护理，罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用 微尘来测量居住者的重要征兆( 血压、脉搏和呼吸) 、睡觉姿势以及每天2 4 小时的活动状 况。无线传感器网络在检测人体生理数据、老年人健康状况、医院药品管理以及远程 医疗等方面同样发挥出色的作用。在病人身上安置体温采集、呼吸、血压等测量传感器， 医生可以远程监测病人的情况。利用无线传感器网络可以长时间地收集人的生理数据， 这些数据在研制新药品的过程中将非常有用。美国英特尔公司目前正在研制家庭护理的 无线传感器网络系统。该系统在鞋、家具、以及家用电器等嵌入传感器，帮助老年人、 患者及残障人士独立地进行家庭生活，必要时通过w s n 向医务人员、社会工作者请求 帮助。研究人员开发了基于多个加速度传感器的无线传感器网络系统，用来进行人体行 为模式监测，如坐、站、躺、行走、跌倒、爬行等。该系统使用多个传感器节点，安装 在人体几个特征部位。系统实时地把人体因行动而产生的三维加速度信息进行提取、融 合、分类，并在监控界面显示受测人的行为模式。这个系统稍加产品化，便可成为一些 老人及行动不便的病人的安全助手。同时，该系统也可以应用到一些残障人士康复中心， 对病人的各类肢体恢复进展进行精确测量，为设计康复方案带来宝贵的参考依据。 军事领域，由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用 于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多 方面用途。另外军事应用方面与灾难预警的应用有相似之处，只是传感器的监测对象是 敌军情况而非意外灾难。比如2 0 0 5 年，美国军方成功测试了由美国c r o s s b o w 产品组建 的枪声定位系统。这些节点被安置在建筑物周围，能够有效地按照一定的程序组建成网 络进行突发事件( 如枪声、爆炸源等) 的检测，为救护、反恐等行动提供了强力手段。 煤矿、石化、冶金行业对工作人员安全威胁程度以及易燃、易爆、有毒物质的监测 成本一直居高不下。通过无线传感器网络的应用，可以把部分操作人员从高危环境中解 脱出来，同时提高险情的反应精度和速度。北京邮电大学的研究人员开展了煤矿瓦斯报 警和矿工定位无线传感器网络系统的研究，一个节点上包括了温湿度传感器、瓦斯传感 器、粉尘传感器等。传感器网络经防爆处理和技术优化后，可用于危险工作环境，随时 监控在煤矿工作的员工及其周围环境。 在交通控制方面，无线传感器网络也有一片用武之地。通过综合运用大量传感器网 络，配合g p s 系统、区域网络系统资源，使所有车辆都能保持在高效、低耗的最佳运 行状态，前后自动保持车距，推荐最佳路线，并就潜在的故障发出警告。中科院沈阳自 动化研究所开展了基于无线传感器网络的高速公路交通监控系统方面的研究。利用该技 术充分弥补了传统设备的一些缺陷，如在能见度低、路面结冰等情况下，图像监视系统 3 浙汀人学硕1 j 学位论文 低功耗：l l q k 尤线f 簟感器网络研究与丌发 无法对高速路段进行有效监控，大大减少因关闭高速路而产生的出行不便等负面影响。 另外，对一些天气突变性强的地区，该项技术能极人地降低汽车追尾等恶性交通事故。 无线传感器网络应用于农业领域，有着卓越的技术优势。它可用于监视农作物灌溉 情况、上壤及空气的变更、牲裔和家禽的生活状态以及大面积的地表检测。根据需要， 人们可以在待测区域安放不同功能的传感器并组成网络，长期大面积地豁测微小的气候 变化，包括温度、湿度、风力、大气、降雨量，收集有关土地的湿度、氮浓缩量和土壤 p h 值等，进行科学预测，从而获得较高的农作物产量。2 0 0 2 年，英特尔公司率先在俄 勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一 分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量，以确保葡萄可以健康生长。研究 人员发现，葡萄园气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的质量。通过长年的数据记录以 及相关分析，便能精确的掌握葡萄洒的质地与葡萄牛长过程中的日照、温度、湿度的确 切关系。这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。 无线网络已经成为工控领域中迅速发展的热点之一，也是工业自动化产品未来的新 增长点。显而易见，在配置、安装、修改和扩展等方面，无线网络的成本都低于有线网 络。特别是通过无线网络可以很方便地接入移动设备，例如在物流过程中的装载和运输 如若采用无线网络，将大大提高工作人员的工作效率和精确性。 近年来，美国能源部( d o e ) 所属能源效率和可再生能源办公室( e e r e ) 一直在与美国 工业界合作提高能源和材料利用率。通过协调研发、验证及应用，e e r e 的工业技术计 划0 t p ) 致力于建立未来的美国工业体系，在能源密集型工业领域推广节能技术。这些能 源密集型行业主要指：电解铝、木材加工、采矿、化工、玻璃、钢铁及重金属加工行业。 美国能源部希望利用低功耗、高可靠性的工业级无线变送器，大范围地实时跟踪和监测 这些行业的生产过程，减少甚至杜绝跑冒滴漏，以获得显著的节能效果。传感器及自动 化技术的研发是e e r e 整个战略计划的一个重要组成部分。2 0 0 2 年7 月，l t p 主办了一 个“工业无线技术研讨会”。研讨会上，超过3 0 家与会公司就未来无线技术在工业中的 应用统一了认识，定义了技术发展目标及挑战性问题。1 1 1 p 在2 0 0 2 年发布的报告“2 l 世纪工业无线技术”第一页中引用了总统科技顾问的断言：无线传感器可将能源利用率 提高1 0 ，将能源损耗减少2 5 。 一 w f f 2 0 0 6 无线工厂应用高峰论坛发布的数据显示，无线技术已经成为工控领域的 核心技术，它将改变工业自动化的格局。对于工业无线目前飞速的增长，a r c 和i m s 公司均进行了发展预测：全球自动化领域的无线通讯应用市场预计在今后5 年将以2 8 1 的速度增长。市场将从2 0 0 5 年底的1 0 5 亿美元增加到2 0 1 0 年的1 3 亿美元。无线接 入点设备在2 0 0 5 年为1 2 ，0 0 0 台，这一数字将在2 0 1 0 年达到1 8 万台5 。 4 浙汀大学硕：l j 学位论文低功耗工业无线f 之感器网络研究与丌发 1 1 3 工业现场所使用的无线网络技术 无线介质不像有线介质那样处在一种受保护的传输环境之下。在传输过程中，它常 常会衰变、中断和发生各种各样的缺陷，诸如频散，多径时延，t 扰，与频率有关的衰 减以及节点休眠、节点隐蔽和与安全等有关的问题。不过这些影响无线传输质量的因素， 都可以通过在i s o 通信7 层模型的各层中采用适当的机制加以克服或减轻。要注意的是， 并不是所有的机制都可以与其他的机制相兼容：或者说，有可能对关键性能和属性产生 负面影响。因此，通信系统必须根据其具体的应用现实环境，对各层所采用的机制进行 组合优化，以求得最好的综合通信性能。最近几年，要求设备( 包括移动设备) 的无线连 接的呼声日趋强烈，这也使得无线系统的增长呈指数增长，预示无线通信也实质性地进 入工业控制领域。 无线通信网络在流程工业中的应用受到越米越广泛的重视，美国仪表与系统学会( 1 s a ) ，成立了专门的工作组s p l 0 0 ，负责制定工业无线传感器网络的相关标准，并计划 将该标准作为提案，提交i e c ，促进工业无线传感器网络相关国际标准的制定工作。i s a s p1 0 0 主要目的是建立标准、推荐应用实践、形成技术报告及相关信息，定义在控 制与自动化环境实施无线系统的过程，主要关注现场层应用。s p 1 0 0 的内容包括：规划 适用于工业场合自动化设备的无线网络、设计工业场合的人员问多跳无线通信系统：人 员与周围设备间的临时通信方法。标准着重于无线网络在工业环境的应用需求，即误操 作非授权访问可导致工厂损失的关键场合，不考虑广域工业设旌( 如电力网络) 中的应用 情况。该标准总结了最终用户的需求，提出了无线监控系统的解决方案、通信模式、工 业无线通信系统的分级及s p 一1 0 0 的要求。目前，该标准的第一稿草案已经发布。h a r t ，f f 等现场总线标准也正在研究推出符合自身特点，能与自身设计的现场总线系统实 现无缝连接的无线标准。其中无线h a r t ，已经在工业现场得到应用和验证。a b b 公司 在2 0 0 3 年就开始了在无线网络运用于开环控制和闭环控制的工厂试验；b p 公司也从2 0 0 4 年起在化工产品铁路槽车的远程信息处理、大型运油船引擎的振动温度等参数的监 控、油气管线的腐蚀检测、润滑油供应链、液化天然气罐远程监控、油气管线侵人者检 测报警、液化天然气容器跟踪以及炼油过程的无线测量平台等多个不同的应用场合进行 了许多工业实验。e m e r s o np r o c e s sm a n a g e m e n t 在2 0 0 6 年第四季度宣布，在历经三年 对多种无线传输技术的评估和工业应用实验后，正式决定采用d u s tn e t w o r k s 的网格拓 扑时间同步协议t s m p 技术，作为其工厂智能无线现场网络和解决方案。这一创新的自 组织无线网络技术的采用，使它的著名品牌r o s e m o u n t 测量变送器和a t m 智能设备管 理程序和预测维护套件实现了无线通信的能力，并完全与d e l t a v t 和o v a t i o n 的d c s 产 品系列或其它传统主机构成无缝连接6 。 作为现场总线国际标准之一的e p am 业以太网国际标准，也迫切需要进行e p a 无 5 浙汀人学硕上学位论文 低功耗：i ：业无线f 阜感器网络研究与丌发 线技术的研究，制定并开发出棚关的无线e p a 标准，支持e p a 标准的系列化进程，并 提供针对特殊现场应用的无线解决方案。工业生产的现场相对来说存在更多的干扰因 素，冈此对于无线网络的抗干扰能力有更高的要求。适应于流程工业生产现场的无线网 络系统具有自身独有的一些特点，如节点位置比较固定、通信链接关系比较确定、实时 性要求高、信息集中度高、安伞性、可靠性要求高。同时，在流程工业生产现场所使用 的无线传感器网络，是一个局部自组织和自修复的网络，其次，它会就近地接入工厂网 络( p l a n tn e t w o r k ) 中，因此它的多跳路山传输也比较简单。对于可用于现场设备层的无 线短程网，采用的主流协议是i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e ；而对于适应较大传输覆盖面和较 大信息传输量的无线局域网，采用的主流通信协议则是i e e e8 0 2 1 l 系列。 1 2 本课题研究的意义和研究目标 基于i e e e 8 0 2 1 5 4 技术的无线传输技术的研究与开发工作是e p a 科研项目的子项 目，其研究的内容是无线现场设备间的数据传输以及无线现场设备与e p a 网络间的通 讯。而研究的重点是研究无线通讯的可靠性，与其它同频段无线设备的共存性和无线设 备之间的时钟同步，低功耗传输等问题。研究内容包括i e e e 8 0 2 1 5 4 技术实现的机理以 及样机的开发验证。 本课题研究的目标主要包括以下几点： 构建基于i e e e 8 0 2 15 4 技术的无线通信实验平台。平台的构建包括设计接入e p a 网络的无线网关设备以及普通的无线节点设备。实现适合工业现场应用的无线网络拓 扑。 对无线通信技术进行深入分析，研究无线通信技术在工业领域应用所存在的问题， 并进行方案的验证，主要关键问题包括： l 、信号传输的可靠性与共存性问题：频散、多径时延引起的干扰，信号衰减，导 致信号传输不稳定，提出信号稳定传输的应用方案。无线传输的频率从2 7 m 到1 0 g ， 其中2 4 g h z 是国际上通用的i s m 免申请频段，指无需申请使用执照，i e e e 8 0 2 1 5 4 采 用2 4 g h z 的免申请频段，这样在空问肯定存在同频率信号，如何与已存在的信号共存。 2 、通信的实时性：由于无线传输存在传输的不确定性，信息何时发出需要采用有 效的通信调度机制，确保信息传输。 3 、组网技术：研究主设备如何发起网络，从设备如何接入、离开网络，研究网络 设备复位重起到正常工作的流程：研究设备的地址分配机制，研究路由机制，保证无线 节点都能够找到合适的传输路径，传输到路由或网关节点，并在路由技术的基础上构建 无线网络 4 、能量管理技术：对于无线现场设备，可能存在能量供应系统的瓶颈，比如无法 6 浙汀大学硕上学位论文低功耗： 业无线f 擘感器网络研究与丌发 使用传统的供电方式，需要使用电池或者其他的能量供应。在这些情况下，使用适当的 能量管理技术，降低系统的功耗，延长设备的工作时问，有很重要的意义。 ，1 3 本论文的任务和结构 本课题的研究是国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题：基于e p a ( e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 的分布式网络控制系统研发的子课题，主要任务是完成现场无线仪表至 e p a 网络的接入，解决无线传输在复杂现场环境下的可靠性、稳定性问题，降低仪表以 及无线传输的功耗，实现依靠电池的仪表持续地工作，为基于e p a 的无线通讯标准搭 建方便可靠的试验平台。 本文主要研究适用于流程工业的无线传感器网络的低功耗无线通讯问题，在分析工 业生产的现场环境和无线传感器网络的特点后，研究适合于流程工业的传感器网络。本 文设计了可用于工业现场的无线通讯模块，可以根据需要配合不同的现场仪表，组成工 业无线传感器网络，提高了现场设备的安装调试效率并且可以降低生产中的维护成本。 本文的第一章主要介绍研究背景、内容和意义。一般的无线传感器网络和适合在工 业现场的环境中使用的无线网络技术以及在工业生产中应用的意义，并且列举了一些工 业无线应用的例子来说明研究的意义和价值。第二章介绍了主流的适合于工业现场应用 的i e e e 8 0 2 1 5 4 协议和s p l 0 0 协议，以及相关的无线协议如z i g b e e 和无线h a r t 等， 并对这些协议进行了分析，指出了这些协议各自的特点。第三章主要内容是介绍符合i e e e 8 0 2 1 5 a 标准的无线网络平台的设计。第四章的主要内容是能量管理技术，介绍了 低功耗问题的研究方法，对无线传输的节能路由提出了一个可靠的基于分簇的节能路由 方法，可以有效降低消耗在无线通讯路由上的能量。第五章对于所做的研究做了一个总 结，并且对于将来的研究方向提出了作者自己的看法。 7 浙汀人学硕i i j 学位论文 低功耗 ：业无线化感器网络研究与丌发 第二章适合于工业现场的无线通讯协议 2 1 概要 工业无线技术在很多应用场合具有有线技术无法或很难取代的优势，从节省连接线 到改进操作有效提高用户在资产管理、设备诊断、监督与控制等领域的效率。其实工业 无线通讯技术并不是新话题，因为无线技术数十年来一直是石油、天然气和电力能源领 域s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统的一部分。无线作为既古老又 崭新的技术从上世纪年代8 0 就开始普及应用的数传电台与远程r t u ( r e m o t et e r m i n a l u n i t ) ，到近几年开始崛起的中、短程无线通讯技术，它正在加快渗透到工业控制领域。 工业自动化应用对无线技术的需求包括：可靠、安全、实时、可扩展、互操作、节 能等多个方面。根据对各项性能指标的不同要求，工业自动化领域的应用可以分为以下 6 个级别： 1 、级别0 ：突发控$ l j ( e m e r g e n c ea c t i o n ) ，针对工业现场的突发性事故，无线通信 作为现有通信手段的有效补充，在通信线缆不能正常工作的条件下，实现应急控制动作。 这类应用一般采用事件触发的通信模式，要求1 0 0 的通信可靠性和通信的实时性； 2 、级别l ：闭环调节控$ i j ( c l o s e al o o pr e g u l a t o r yc o n t r 0 1 ) ，实现对主要执行器的控 制，建立高频的级联控制回路。对于过程控制系统，在每个闭环控制循环中都要周期性 地发起数据通信。若在预先设定的n 个循环中连续丢失或不能按时发送数据将导致系统 进人备份控制模式，造成经济损失。此类应用一般采用由时间驱动的通信模式，通信的 可靠性和实时性要求由循环周期和n 决定； 3 、级别2 ：闭环监督控$ 1 ( c l o s c dl o o ps u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 ) ，建立低频的级联控制 回路和多变量控制回路。此类应用的数据通信特征与级别l 类似，但由于通信错误不会 造成严重的经济损失，因此对无线通信的可靠性和实时性的要求较级别l 低； 4 、级别3 ：开环控制( o p e nl o o pc o n t r 0 1 ) ，由人工来实现对过程状态的响应，对通 信的实时性要求通常在秒级； 5 、级别4 ：报警( a l e r t i n g ) ，向系统或操作员报告一个反映短期操作结果的状态数据， 用于系统维护。该类应用采用事件驱动或时间驱动的通信模式，通常表现为周期性的采 样； 6 、级别5 ：监测、日志和上传下载( m o n i t o r i n g ，l o g g i n ga n dd o w n l o a d i n g u p l o a d i n g ) ， 其中，监测应用将感知的过程状态信息发送给系统，通常采用时间驱动的通信模式，其 8 浙汀火学硕l 学位论文低功耗 ：业无线f 簟感器网络研究与丌发 对通信速率的要求由被监测过程的状态变换频率决定；日志应用是将每个设备记录的日 志信息传给系统专用的日志记录设备，通常采用事件触发的通信模式，其对通信速率的 要求由每个设备日志信息存储空间的大小决定；上传应用一般由设备将少量的配置数据 传给系统，而下载应用一般将大量的代码数据传给设备，需要较高的通信速率和可靠性。 除了上述针对不同应用对无线通信可靠性和实时性的需求分析外，对无线通信安全 性、可扩展和互操作等方面的需求分析如表2 1 所示7 。 表2 一l 无线通信安全、可扩展、互操作和节能需求分析 网络安全：具有针 设备身份认证 对故意攻击和人 通信关系认证( 通常由配置数据库发起) 为错误的保护能自动密钥管理 安全需求 力，包括： 推测、记录和报告可能的攻击。 具有保障数据的保密性、完整性，时效性和 数据安全 进行数据认证的能力。 可扩展每个控制中心最多可连接1 0 0 0 个无线设备 需求 系统可同时容纳多个覆盖区域重叠的网络 兼容性与可与现有的工厂办公嘲络和控制刚络共存 互操作需 可以与现有的控制系统互联，从用户的角度实现控制应用的底 求 层通信网络无关性。 节能需求无线设备依靠电池供电可工作5 年甚至更长的时间。 分析工业现场的特点可以发现，适合使用的无线协议必须首先满足其对安全性和实 时性的要求，其次才是对传输速率的要求。无线通信网络技术按照不同的传输距离可分 为无线j 1 “域网w w a n 、无线城域网w m a n 、无线局域网、无线个人区域网w p a n 。无 线个人区域网是短距离无线通信，也称无线短程网。目前这个领域中主要应用的通信网 络有b l u e t o o t h ( 蓝牙) 、i r d a ( 红外技术) 。2 0 0 2 年下半年，针对b l u e t o o t h 市场推广 不理想的现实，由美国m o t o r o l a 、日本m i t s u b i s h i 、荷兰p h i l i p 、英国i n v e n s y s 等公 司联合成立了z i g b e e 联盟。目标是提出一种低复杂度、低功耗、低成本、低数据速率、 短距离双向通信技术。目前已获得上百家公司的支持，这些公司中既有半导体生产商、 i p 服务提供商，也有消费类电子产品厂商、o e m 商等。现在对于短距离的无线通讯协 议还有基于超宽带( u w b ) 技术的无线u s b 等。 本节主要介绍了工业自动化应用对于无线通讯技术的一些要求，下一节将介绍适合 于工业自动化应用的一些无线通讯技术。 9 浙汀人学硕上学位论文 低功耗工业无线f 感器网络研究与丌发 2 2i e e e 8 0 2 1 5 4 无线通讯标准 i e e e 8 0 2 15 4 是i e e e 针对低速率无线个人区域网( l o w r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s ，l r w p a n ) 佑i j 定的无线通信标准8 。该标准把低能量消耗、低速率传输、低 成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭内不同设备之间低速率无线互连提供统一标 准。该标准定义的l r w p a n 网络的特征与无线传感器网络有很多相似之处，很多研究 机构把它作为无线传感器网路的通信标准。目前，i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 已经被z i g b e e 联 盟采用，成为整个z i g b e e 无线解决方案的一部分。i e e e 8 0 2 1 5 4 - 2 0 0 6 于2 0 0 6 年9 月6 日正式发布，同i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 相比，新版本对于可选的安全性做了更多的规定。 新版本的标准对于旧版本是向前兼容的。z i g b e e 联盟在2 0 0 7 年底已经发布其标准的第 三个版本( z i g b e ep r o ) ，保持兼容性的条件下，采用了安全和性能都增强的i e e e 8 0 2 1 5 4 - 2 0 0 6 标准。同时，i e e e s 0 2 1 5 4 2 0 0 6 还被i s a 协会的s p l o o 工作组部分采用，作为 i s a l 0 0 1 l a 草案标准的底层规范。i e e e 8 0 2 1 5 4 标准包括两个部分：物理层( p h y ) 规范 和媒体访问控制层( m a c ) 规范。 2 2 1 物理层 物理层在开放系统互联( o s l ) 参考模型中，主要任务是在物理媒介上透明的传输比特 流。i e e e 8 0 2 15 4 的物理层定义l r w p a n 网络的物理信道、调制方式、扩频方式等。 表2 2 对此做了详细的说明。 表2 - 2 物理层频率波段和调制方式以及数据速率 物理层频睾 频谱参数 数据参数 片速率位速率符号速率 ( m h z )( m h z )调制方式 符号 ( k c h i p s )( k b s )( k s y m b o y s ) 8 6 8 8 6 8 63 0 0b p s k2 02 0二进制 8 6 8 9 1 5 9 0 2 9 2 86 0 0b p s k4 04 0二进制 8 6 8 9 1 58 6 8 8 6 8 64 0 0a s k2 5 01 2 52 0 位p s s s ( o p t i o n a l )9 0 2 - 9 2 81 6 0 0a s k2 5 05 05 位p s s s 8 6 8 9 1 58 6 8 8 6 8 64 0 0 o - q p s k l o o 2 51 6 位正交 ( o p t i o n a l ) 9 0 2 9 2 81 0 0 0 o - q p s k 2 5 06 2 5 1 6 位正交 2 4 5 0 2 4 5 c l l 2 4 8 3 52 0 0 0 o - q p s k 2 5 0 6 2 51 6 位正交 物理层要完成的任务如下： l 、激活和休眠无线收发器； 2 、当前信道的能量检测( e d ，e n e r g yd e t e c t i o n ) ； 3 、对收到的数据包进行链路质量指示( l q i ，l i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ) ； 4 、为带冲突避免的多路载波侦听( c s m a - c a ，c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c