（计算机应用技术专业论文）工业无线网络簇间链路调度策略研究.pdf

0 l ? 时 1 l ， 云j 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 工业无线技术概述一2 1 3 课题研究的目的及意义5 1 4 国内外研究现状。5 1 5 论文研究内容及组织结构7 第2 章w i a p a 通信技术9 2 1w i a p a 网络9 2 2w i a p a 网络的特殊性13 2 3w 队一p a 通信资源概述1 5 2 4 本章小结18 第3 章w 认p a 簇间链路调度策略s c c t d m a 1 9 3 1w 认p a 簇间链路调度特点及现有策略的不足1 9 3 2w i a p a 簇间链路调度模型假设与问题描述2 0 3 3s c c t d m a 算法概述2 9 3 4 本章小结3 5 。第4 章基于s c c t d m a 的w 认p a 簇间链路调度实现3 6 4 1 链路调度资源描述。3 6 4 2t d m a 状态机3 7 4 3 基于数据优先级的调度缓存机制。3 8 4 4 簇间链路调度流程3 9 4 5 链路调度举例4 1 4 6 本章小结4 4 第5 章性能分析与仿真实验4 5 5 1 有效性分析4 5 5 2 仿真软件n s 2 介绍4 6 5 3 仿真实验4 8 5 4 本章小结5 3 第6 章总结和展望5 4 6 1 总结5 4 6 2 展望5 4 参考文献5 5 致谢- 5 9 攻读硕士期间参加项目和发表文章6 0 j i ， k ， 摘要 工业无线网络簇间链路调度策略研究 计算机应用技术专业硕士研究生何鸿 指导教师刘枫教授 摘要 近年来，工业无线网络成为工业过程自动化技术领域研究的热点之一。工业无线网络是在 传统无线传感器网络基础上发展而来，除继承了无线传感器网络的泛在感知、低成本、易维护 和低功耗特点之外，还具有抗干扰和实时通信等优点，能广泛运用于工业过程自动化的流程控 制与实时监测。 w 认p a ( w i r e l e s sn e t w o r k sf o ri n d u s t r i a la u t o m a t i o n p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 是在国家8 6 3 重点 课题支持下，由中科院沈阳自动化研究所牵头，联合西南大学、重庆邮电大学等1 0 余家单位 共同研究开发的用于过程自动化的工业无线网络协议标准。w 认p a 将无线通信技术引入工业 过程控制领域，其主要解决无线通信中的高可靠、实时通信、低能耗等关键问题。 链路调度用于建立可靠的点对点或者点对多点的通信连接，实现高效公平的共享通信资 源。w i a p a 网络采用星型( s t a r ) 和网状( m e s h ) 相结合的两层网络拓扑结构，每个星型网络构成 一个簇。在w 认p a 通信协议中，使用超帧来组织通信资源，星型网络对应于超帧周期的簇 内通信，m e s h 网络对应于超帧周期中的簇间通信。w i a p am e s h 网络通信在整个无线网络中 起着至关重要的作用，进行合理的簇间链路调度是保证整个网络可靠实时通信的关键技术之 一o w 认p a 簇间通信采用基于t d m a 的链路调度方式，将时间分割成周期性的帧，再将帧 分割成小的时隙。m e s h 网络中的节点通过相应的链路调度机制，获取属于本节点的通信时隙 进行数据发送或者接收。基于t d m a 机制的链路调度就是为m e s h 网络中的通信链路分配传 输时隙。作者在参与w 认p a 项目的研究开发工作中，深入分析w 认p a 簇间链路调度的特 点，提出了基于图顶点着色的空间重用集中式t d m a 簇间链路调度策略s c c t d m a ( s p a t i m r u s ea n dc e n t r a l i z e dt d m ai n t e r - c l u s t e rl i n ks c h e d u l i n gs t r a t e g yb a s e do ng r a p hv e r t e xc o l o r i n g ) 。 本文主要研究w 认p am e s h 网络的链路调度模型和算法。首先，分析了w 队p ：a 簇间链 路调度需要解决的三个关键问题：如何避免无线网络中存在的两类通信冲突问题，“聚播”通 信造成的流量不均衡问题以及如何提高信道利用率问题，并进行了调度问题的公式化描述，给 出了调度问题难解性证明。接着，针对上述问题，提出了w 认p a 簇间链路调度模型，即寻 找满足通信冲突约束和链路时槽数目约束条件下的最短超帧周期调度。其次，利用链路冲突图 将链路调度问题转化为图的顶点最小着色问题。针对图着色为典型的n p h a r d 问题，本文设 计了基于独立集的图顶点着色算法求取近似解。该算法复杂度低，执行效率高，适用于w 认一p a 两南人学硕十学伊论文 m e s h 网络链路调度。本文同时阐述了将s c c t d m a 调度算法运用于w 队p a 簇间链路调度 的实现方法。 为验证s c c t d m a 调度算法的性能，本文选择两个典型的t d m a 链路调度算法贪心算 法以及混合智能算法作为对比算法进行仿真实验，并选取着色色数、算法运行时间、网络吞吐 量和网络延时四个比较参数。仿真实验表明，对于着色色数与算法运行时间两个相互矛盾的性 能参数，本文算法取得了一个较好的折中，在将其运用于十个典型的w i a p a 网络拓扑结构 的簇间链路调度实验中，无论是所需时隙数目还是算法运行时间都能满足w n p a 协议需求。 最后，本文模拟了w i a p a 网关数据收集过程，结果表明，s c c t d m a 算法的网络吞吐量和 数据收集延时指标均好丁：贪心算法以和混合智能算法，且随着网络规模的增加，这种优势越明 显，在1 2 1 个节点的网络规模中，网络吞吐量相比贪心算法提高了1 9 2 ，相比混合智能算法 提高了1 2 8 ；数据采集延时分别提高了3 3 6 与2 2 0 ，从而验证了s c c t d m a 算法运用 于w 认p a 簇间链路调度的有效性。 关键词：工业无线网络链路调度图着色独立集s c c t d m a i i i ，蠢 a b s t r a c t r e s e a r c ho fi n t e r - c l u s t e rl i n ks c h e d u l i n g s t r a t e g yf o ri n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r k m a jo r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o n s u p e r v i s o r ： a u t h o r ：h eh o n g p r o f l i uf e n g a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s i n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r kh a sb e c o m eah o t s p o ti nt h er e s e a r c ho fa u t o m a t i o n f i e l d i n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r ki sb a s e do nt h et r a d i t i o n a lw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) t h e t e c h n o l o g yn o to n l yh a st h ea d v a n t a g eo fw s n ，s u c ha su b i q u i t o u ss e n s i n g ，l o wc o s t ，l o w p o w e r , e a s e du s ea n de a s e dm a i n t e n a n c e ，b u ta l s oa n t i i n t e r f e r e n c e ，h i g hr e l i a b i l i t ya n d r e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n s oi tc a nb ew i d e l yu s e di ni n d u s t r i a l p r o c e s sa u t o m a t i o nf o r m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g w l - p a ( w i r e l e s sn e t w o r k sf o ri n d u s t r i a la u t o m a t i o n p r o c e s sa u t o m a t i o n lp r o j e c tw i t h i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t si sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e db ya r o u n dl0o r g a n i z a t i o n s i n c l u d i n gt h es h e n y a n gi n s t i t u t eo fa u t o m a t i o n ，s o u t h w e s tu n i v e r s i t ya n dc h o n g q i n gu n i v e r s i t y o fp o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s i ti sat e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o no fi n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r kf o r p r o c e s sa u t o m a t i o n w i a - p au s e sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi n t o i n d u s t r i a lp r o c e s s c o n t r o lf i e l d ，w h i c hm a i nf o c u so nh o wt os o l v et h eh i g hr e l i a b i l i t y , r e a l t i m e ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o nc o m m u n i c a t i o na n do t h e rk e yi s s u e si nh a r s hi n d u s t r i a le n v i r o n m e n t s l i n ks c h e d u l i n gi sf o rar e l i a b l ep o i n tt op o i n to rm u l t i p o i n tc o m m u n i c a t i o nl i n k ，a n dt h e p u r p o s ei st oa c h i e v ee f f i c i e n ta n de q u i t a b l es h a r i n go fc o m m u n i c a t i o nr e s o u r c e s w i a p ah a sa d o u b l e l a y e rn e t w o r kt o p o l o g y , s t a rn e t w o r ka n dm e s hn e t w o r k e a c hs t a rn e t w o r kf o r m sa c l u s t e r i nt h ew i a p ac o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s i t u s e ss u p e r - f l a m et o o r g a n i z e c o m m u n i c a t i o nr e s o u r c e s ，t h es t a rn e t w o r k sc o r r e s p o n d i n gt ot h ec l u s t e rc o m m u n i c a t i o no ft h e s u p e r - f l a m e a n dt h em e s hn e t w o r k sc o r r e s p o n d i n g t ot h ei n t e r c l u s t e rc o m m u n i c a t i o n w l a p a m e s hn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sp l a y sav i t a lr o l ei nt h ee n t i r ew i r e l e s sn e t w o r k ；ar e a s o n a b l e i n t e r - c l u s t e rl i n ks c h e d u l i n gi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e st oe n s u r et h er e l i a b l ea n dr e a l t i m e c o m m u n i c a t i o n t h ei n t e r - c l u s t e rc o m m u n i c a t i o no fw i a - p aa d o p t st d m al i n ks c h e d u l i n g w h i c hd i v i d e dt h e t i m ei n t oc y c l i c a lf l a m e ，t h e nd i v i d e dt h ef l a m ei n t os m a l lt i m es l o t s t h en o d e si nm e s hn e t w o r kg e t t h ec o m m u n i c a t i o ns l o tf r o ma p p r o p r i a t es c h e d u l i n gm e c h a n i s mt or e c e i v ea n ds e n dp a c k e t s t d m a b a s e dl i n ks c h e d u l i n gm e c h a n i s mf o rw i r e l e s sn e t w o r k sa l l o c a t e st h es l o t st ot h e c o m m u n i c a t i o nl i n k s d u r i n gt h ep a r t i c i p a t i o no fw i a p ap r o j e c t , a f t e rd e e p l ya n a l y z i n gt h e i i i 两南大学硕十学位论文 f e a t u r e so fi n t e r - c l u s t e rl i n ks c h e d u l i n gi nw l 一p a t h i sp a p e rp r o p o s e st h es p a t i a lr u s ea n d c e n t r a l i z e dt d m ai n t e r - c l u s t e rl i n ks c h e d u l i n gs t r a t e g yb a s e do ng r a p hv e r t e xc o l o r i n ga l g o r i t h m ， t h a ti ss c c t d m a t h i sp a p e rm a i ns t u d i e st h es c h e d u l i n gm o d e la n da l g o r i t h m so fw i a - p am e s hn e t w o r k f i r s t l y , w ea n a l y z et h r e ek e yp r o b l e m so ft h el i n ks c h e d u l i n g ：h o wt oa v o i dt h ee x i s t e n c eo ft w ot y p e so f w i r e l e s sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nc o n f l i c t s ；h o wt os o l v et h eu n e v e nf l o wp r o b l e m sf o re a c hl i n k c a u s e db yc o n v e r g e c a s tc o m m u n i c a t i o n ；h o wt oi m p r o v et h ec h a n n e lu t i l i z a t i o ni s s u e s 1 1 1 i sp a p e r a l s og i v e st h ef o r m u l a t i o nd e s c r i p t i o no ft h es c h e d u l i n gp r o b l e m ，a n dp r o v e st h es c h e d u l i n gp r o b l e m w h i c hi sn p - h a r d t h e n ，w eb u i l dt h es c h e d u l i n gm o d e l ，w h i c hi st of i n dt h em i n i m u mf r a m ep e r i o d l e n g t hu n d e rm e e t i n gt h en e e d so fc o m m u n i c a t i o nc o n f l i c ta n dd e m a n dc o n s t r a i n t so ft i m es l o t sf o r e a c hl i n k s e c o n d l y , w et r a n s l a t et h es c h e d u l i n gp r o b l e mi n t ot h em i n i m u mg r a p hv e r t e xc o l o r i n g p r o b l e mu s i n gc o n f l i c tg r a p h g r a p hc o l o r i n gi s aw e l l - k n o w nn p - h a r dp r o b l e m t h i sa r t i c l e d e s i g n st h ea l g o r i t h mb a s e do na ni n d e p e n d e n ts e to fg r a p hv e r t e xc o l o r i n ga l g o r i t h mt os t r i k ea n a p p r o x i m a t es o l u t i o n w h i c hl o wc o m p l e x i t y , h i g he f f i c i e n c y , s u i t a b l ef o rw l a - p i am e s hn e t w o r k l i n ks c h e d u l i n g t h i sp a p e ra l s od e s c r i b e st h ef l o wd i a g r a mo fs c c t d m aa l g o r i t h mu s e di n w i a - p ai n t e r - c l u s t e rl i n ks c h e d u l i n g t ov e r i f yt h es c c t d m as c h e d u l i n ga l g o r i t h mp e r f o r m a n c e ，t h i sp a p e rs e l e c t st w ot y p i c a l t d m al i n ks c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，t h eg r e e d ya l g o r i t h ma n dt h eh y b r i di n t e l l i g e n ta l g o r i t h mf o r c o m p a r i n ga l g o r i t h m s ，w h i c hs e l e c t st h ec o l o rn u m b e r , a l g o r i t h mr u n n i n gt i m e ，n e t w o r kt h r o u g h p u t a n dn e t w o r kd e l a ya sf o u rc o m p a r i s o np a r a m e t e r s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en u m b e ro fc o l o r s f o rc o l o r i n ga l g o r i t h ma n dr u n n i n gt i m ea r et w oc o n f l i c t i n ga r g u m e n t s ，s c c - t d m aa l g o r i t h m a c h i e v e sab e u e rc o m p r o m i s e w eb u i l dt e nt y p i c a ln e t w o r kt o p o l o g yf o re x p e r i m e n t ，b o t ht h e n u m b e ro fr e q u i r e ds l o t sa n da l g o r i t h mr u n n i n gt i m ec a nw e l lm e e tt h en e e d so fw i a p i a f i n a l l y , t h i sp a p e ra l s os i m u l a t e st h ed a t ac o l l e c t i o np r o c e s so ft h eg a t e w a yf o rw i a - p a t h er e s u l t ss h o w t h a t ，t h en e t w o r kt h r o u g h p u ta n dd a t ac o l l e c t i o nd e l a yo fs c c t d m aa l g o r i t h ma r eb e a e rt h a nt h e g r e e d ya l g o r i t h ma n dt h eh y b r i di n t e l l i g e n ta l g o r i t h m a n dw i t ht h en e t w o r ks i z ei n c r e a s i n g ，t h e a d v a n t a g ei sm o r eo b v i o u s i nt h en e t w o r ks i z eo f121n o d e s ，t h en e t w o r kt h r o u g h p u ti si n c r e a s e db y 1 9 2 c o m p a r e dw i t ht h eg r e e d ya l g o r i t h m a n d1 2 8 c o m p a r e dw i t ht h eh y b r i di n t e l l i g e n t a l g o r i t h m ；t h ed a t aa c q u i s i t i o nd e l a yi s i n c r e a s e db y3 3 6 a n d2 2 0 w h i c h p r o v e st h a t s c c - t d m aa l g o r i t h mi se f f e c t i v et oa p p l yt ow i a - p a k e yw o r d s ：i n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r k s ；l i n ks c h e d u l i n g ；g r a p hc o l o r i n g ； i n d e p e n d e n ts e t ；s c c - t d m a 7 一 ，、 。“ 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着计算机技术、网络技术和通信技术的发展，工业控制技术在近半个世纪以来也得到了 迅猛发展，主要经历了3 个阶段：2 0 世纪六七十年代的模拟仪表控制系统( s c s ) 、2 0 世纪八 九十年代的集散控制系统( d c s ) 和2 0 世纪末的现场总线控制系统( f c s ) 1 lo 但由于工业控 制网络规模的不断扩大，以及市场上出现的众多测控产品标准造成了系统集成难度大，同时控 制网络往往需要运用于诸如石油、冶金等恶劣的工业现场导致布线困难且安装成本和布线成本 高。据统计，在传统有线网络中，布线成本平均3 0 1 0 0 $ m ，在恶劣的环境中，甚至可达 2 0 0 0 $ m 。因此，如何降低成本，提高系统的集成度成为了工业控制技术发展的迫切需求。 在此环境下，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 s ，w s n ) 因本身具有的低成本、易用性、 泛在感知等关键特征逐渐引起了人们的重视和关注。 无线传感器网络作为信息科学领域的一个新的研究方向，它集成了传感器技术、自动控制 技术、无线通信技术、数据存储、处理与分析技术等多种现代信息技术，m i t 技术评论 t e c h n p l o g yr e v i e w z 在预测未来技术发展的报告中，将其列为二十一世纪改变世界的十大新技 术之一。无线传感器网络的发展经历了以下三个阶段：智能传感器、无线智能传感器、传感器 网络阶段。无线传感器网络中的传感器节点由存储器、处理器、传感器、射频收发器和电池等 硬件组成，并通过无线通信技术和网络技术将众多的传感器节点形成自组织网络，使得传感器 不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机整体，由于其体积较小能方便的 部署在世界的各个角落，广泛运用于军事、安全监控、医疗健康、工业生产和物流控制等领域 【2 】o 工业无线网络的产生得益于无线传感器网络技术的发展，它具有了无线传感器网络的微型 化、低功耗、低成本、自组织、以数据为中心、大规模网络以及多跳路由数据传输等特点，同 时又结合工业过程自动化的需求，是一种面向自动化控制仪表与设备间短程和低速率数据通信 的无线通信技术。工业无线网络因其运用于工业测控场合，为满足工业闭环控制的高可靠和强 实时性需求，重点研究工业无线通信过程中的抗干扰、实时性、低能耗等关键技术。 工业无线技术是继现场总线之后，工业自动化控制领域的又一新的热点技术，将成为未来 几年工业过程自动化产品新的增长点1 。w 认p a ( w i r e l e s sn e t w o r k sf o ri n d u s t r i a la u t o m a t i o n p r o c e s s a u t o m a t i o n ) 是我国用于过程自动化的工业无线网络通信规范，目的在于构建中国的 自动化流程工业的监测和控制网络h 1 。目前，国外也十分重视工业无线技术，相关科研机构和 企业投入了大量的人力和财力进行工业无线技术研究，但还没有实现广泛市场化运用阶段。因 此，在当前环境下，开展工业无线网络相关技术的研究对于我国掌握自动控制系统前沿技术， 增强产品国际竞争力具有重要的意义1 5 。 两南大学硕十学位论文 1 2 工业无线技术概述 1 2 1 工业无线标准 工业无线技术与传统的有线测控网络相比，具有低成本、高可靠性、高灵活性、易使用 和易维护、低能耗和强实时性等优点1 6 。随着信息技术和无线通信技术的不断发展，工业无线 网络将会得到迅猛的发展。就目前而言，国际上相关组织机构和企业主要围绕相关的工业无线 标准和协议规范的制定和实施展开了激烈的竞争。2 0 0 8 年底，以美国h o n e y w e l l 为主导的i s a s p l 0 0 i 7 1 和以美 e m e r s o np r o c e s s 公司主导的w i r e l e s sh a r t 8 】标准，得到了国际上大多厂商的 支持，相继成为两种国际标准。同年l o b 3 1 日，我国提出的具有自主知识产权的用于过程自动 化的工业无线标准w 认p a ，以9 6 的支持率通过i e c 的审查，成为继s p l 0 0 ，w i r e l e s sh a r t 之后的第三大工业无线国际标准p j 。 ( 1 ) i s as p l 0 0 标准 2 0 0 4 年1 2 月，美国仪表系统和自动化学会( i s a ) 成立了工业无线网络标准s p l 0 0 委员会， 负责用于工业领域的无线通信的标准化制定工作。s p l 0 0 是一个覆盖整个工业自动化的无线标 准。近期，i s as p l 0 0 委员会又成立了两个新的工作组，s p l 0 0 1 l 和s p l 0 0 1 4 。自此，s p l 0 0 委员一共拥有1 2 个工作小组，负责s p l 0 0 标准的制定、推广、实施和运用。 为保证工业无线产品的供应一致性，s p l 0 0 将工业无线测量与控制划分为监控、控制和安 全3 个大类应用，并进一步细分成了6 个小类：其中0 类至1 类属于安全应用，主要功能为紧急动 作和闭环调节控制；其中2 类至3 类属于控制应用，主要功能为闭环监督控制和开环控制；其中 4 类至5 类属于监测控制应用，主要功能为标记产生短期操作结果和记录和下载上载不产生直 接的操作结果：这种分类既考虑了无线通信在实际使用条件下必须满足的要求，又体现了这些 无线通信应用的时间属性l l 。 i s as p l 0 0 主要的研究内容包含：有规划使用于工业场合自动化设备的无线网络；无线网 络的构架；设计实用工业现场的人员a dh o c 通信系统；人与周围现场设备临时通信方法：网 络健壮性，共存性以及与现有网络的互操作性等j 。 ( 2 ) w i r e l e s sh a r t 标准 2 0 0 4 年底，h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ，高速可寻址远程变换器) 通信 基金会宣布制定w i r e l e s sh a r t 协议，致力于满足过程检测和控制的无线通信标准。w i r e l e s s h a r t 协议要求h a r t 无线技术保证支持产品的开放性和可互操作性，与现有的有线h a r t 仪 表能实现无缝的连接，使用户可以方便的为已使用传统h a r t 仪表提供无线访问方式【1 2 1 。 传统h a r t 仪表一直是过程控制的领域自动化仪表的领跑者，已有超过2 0 年的历史， w i r e l e s sh a r t 通信协议吸取了传统h a r t 仪表应用于工业过程自动化的经验，是一种专门为 过程自动化应用而设计的无线网络通信标准。w i r e l e s sh a r t i 作在2 4 g h z 的i s m 频段上，采 用i e e e8 0 2 1 5 4 作为链路层协议的基础兼容直接序列扩频d s s s 和调频技术f h s s 进行数据的 传输。w i r e l e s sh a r t 通信基于t d m a 时分多址通信机制，来保证网络无干扰和冲突的进行数 据传输川。 2 产 m 第1 章绪论 w i r e l e s sh a r t 整个网络采用m e s h 拓扑结构，主要有以f 3 种网络设备构成：w i r e l e s s h a r t 网关设备( g a t e w a y ) ，w i r e l e s sh a r t 路由设备( r o u t e r ) 年t l w i r e l e s sh a r t 现场设备( f i e l d d e v i c e ) 。 同有线h a r t 一样，w i r e l e s sh a r t 支持全部的过程自动化检测和控制应用，主要包含：过程 监控、资产管理安全、能源管理和环境监控等【1 4 1 。 ( 3 ) w i a 标准 w i a 标准体系包含3 种工业无线网络技术规范：用于过程自动化的w 认系统结构与通信规 范w i a p a ( w i r e l e s sn e t w o r k sf o ri n d u s t r i a la u t o m a t i o n p r o c e s sa u t o m a t i o n ) ，用于工厂自动化 的w i a 系统结构与通信规范w i a f a ( w i r e l e s sn e t w o r k sf o ri n d u s t r i a la u t o m a t i o n - f a c t o r y a u t o m a t i o n ) 和用于工厂资产管理的w l a 系统结构与通信规范w n r f i d ( w i r e l e s sn e t w o r k sf o r i n d u s t r i a la u t o m a t i o n - r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) ，同时w 队标准体系还包含了互操作和安 全规范。 w i a 标准的设计主要追求以下3 个目标：网络性能高可靠、高稳定；实现方式低成本，并 可以在现有的商业器件上实现；构建低成本的工业无线监控系统，并且易于使用和维护。 w 认p a 通信协议作为w n 标准体系的子标准，是中国无线联盟为满足过程自动化的迫切 需求而提出。w 认p a 标准采用m e s h 和s t a r 两层网络构成，主要包含网关设备、路由设备、现 场设备和手持设备等构成。 为方便学习和研究，表1 - 1 给出了上述三种工业无线标准的简略对比。 表1 - 1三种工业无线标准比较 1 2 2 应用前景 传统的有线控制网络往往因成本过高而无法对工业过程参数进行在线实时检测，工业无线 网络提供了一种新的途径，可以以低成本实现对工业流程的全面监测。企业利用这些过程参数 以优化生产过程，提高产品质鼍和能源利用率。美国能源部( d o e ) 于2 0 0 4 年发布的“未来工 业计划”( i o f ) 中曾指出：工业无线技术的低成本测控系统是保证至1 j 2 0 2 0 年实现美国工业整 3 两南大学硕十学何论文 体能耗降低5 目标的主要手段之一。上业无线技术给自动控制系统的发展带来新的机遇和前 景，成为了当今工业自动化控制系统发展的新方向，将在降低生产成本、提高产品质量、降低 工业生产过程中的跑冒滴漏、提高能源利用效率等方面发挥重要作用。美国总统科技顾问委员 会在“面向2 1 世纪的联邦能源研究与发展规划”中指出：工业无线技术的广泛应用将使工业生产 效率提高1 0 ，并使排放和污染降低2 5 。所以，随着工业无线技术的不断发展和成熟，将 在工业过程自动化( i n d u s t r i yp o r c e s sa u t o m a t i o n ) 、环境监测( ( e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ) 、楼宇 自动化( b u l i d i n ga u t o m a t i o n ) 以及能量管理( e n e r g ym a n a g e m e n t ) 等领域取得广泛运用。 ( 1 )工业领域 将先进的无线通信技术引入自动控制网络是研究工业无线技术的主要目的之一。目前，世 界上主要的仪表生产厂商和系统集成厂商女n h o n e y w e l l 和e m e r s o np r o c e s s 等公司都将目光转向 了工业无线技术，希望利用工业无线技术来优化生产流程，提高生产效率，达到生产低成本高 产出。工业无线技术将广泛应用于石油、电力、污水处理、电机检测、石化、工厂自动化、冶 金及采矿业等高能耗、高污染的工业领域。其主要应用方面包括温度、压力等数据采集，石油、 石化及天然气管道泄漏检测，工业流程控制和工业安全监测等。 ( 2 )环境监测 工业无线技术同无线传感器网络一样，可利用其微型化和泛在感知的能力对环境进行实时 监测和数据采集，比如水质状况、空气污染程度、相对湿度、光照强度、太阳辐射强度、工厂 定位、大气压力等。其主要的应用方面包括区域气体检测、水及其大气排放物检测、冷藏温度 检测和腐蚀检测等。 ( 3 )智能楼字 随着人们生活水平的提高，楼宇智能化逐渐引起了人们的关注。利用有线网络，具有安装 费用昂贵和后期维护代价较高的特点。无线传感器网络采用简单的点对点通信不能满足在恶劣 射频环境下的可靠、实时的通信。工业无线网络可以有效的避免上述缺点，通过该技术可以对 楼宇进行安全监控、供热通风系统控制、能量管理、照明控制等。工业无线网络还可以和现有 的控制设备、楼宇自动化网络和i p 网络进行互操作，从而提高整体的楼宇自动化系统性能和智 能水平。 ( 4 )能量管理 如何高效的使用能源一直是人们关心的热点问题，特别是在工业领域，耗电量大，据统计 工业领域用电占据整个发电量的7 0 。高效的使用能源能极大的减少工业成本，提高产品的竞 争力。但是就目前而言，虽然相关企业一直在研究节能技术也采用了许多的节能方法，但效果 不明显。特别是我们国家，单位g d p 能, 耗是日本的6 8 倍，是欧洲国家的3 - 4 倍，所以在这方面 还有较大的改善空间。将工业无线技术运用于工业控制和生产管理中，能大大的提高能源利用 率和能源循环利用率。工业无线网络能够提供一个高可靠详细的能量使用分布图，供用户进行 参考和分析，方便用户进行及时调节系统和提出相应的节能策略。其主要应用方面包括功率测 量、能源监控和能源二次利用等。 4 第1 章绪论 1 3 课题研究的目的及意义 工业无线网络在使用成本和易用性等方面相比传统工业测控网络具有明显的优势。工业无 线技术作为我国十一五“8 6 3 ”计划先进制造领域“上业无线技术及网络化测控系统研究与开发” 的重点研发项目。由中科院、浙江大学、西南大学、重庆邮电大学等共同参与研发的w 认p a 工业无线技术己成为国际标准，并获得国际电工委员会i