（计算机应用技术专业论文）工业无线网络wiapa多径路由协议研究.pdf

。 j 譬 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 工业无线网络2 1 2 1 工业无线网络技术2 1 2 2 工业无线网络技术标准3 1 2 3 工业技术应用挑战5 1 3 论文研究的目的及意义5 1 4 论文研究的内容6 1 5 论文组织结构7 第2 章工业无线网络w i a p a 标准概述8 2 1 工业无线网络标准提出背景8 2 2w 认p a 体系结构8 2 2 1w i a p a 网络拓扑结构8 2 2 2w i a p a 协议体系结构。1 0 2 3w 认p a 关键技术特征及应用领域10 2 3 1w i a p a 关键技术特征1 0 2 3 2w 队p a 应用领域【1 8 】12 2 4w 队p a 路由技术分析1 2 2 4 1w 认p a 可靠性技术保障1 2 2 4 2w 认p a 路由通信存在的问题1 3 2 4 3w 认p a 路由策略要求【1 9 】1 3 2 5 本章小结1 4 第3 章自组织网络路由协议和多径路由技术1 5 3 1a dh o c 网络的体系结构【2 1 】1 5 3 2 自组织网络a dh o c 单径路由技术1 5 3 2 1 自组织网络a dh o c 单径路由协议分类1 6 3 2 2 几种典型的单径路由协议1 7 3 2 3 路由协议比较2 1 3 3 多径路由技术概述。2 2 3 3 1 多径路由技术的定义及相关概念。2 2 3 3 2 多径路由的独立性l 列2 2 3 3 3 多径路由的使用模式2 3 3 3 4 多径路由的选择准则【2 2 1 2 3 3 3 5 多径路由的优点2 3 3 4 几种典型d s r 多径路由协议介绍2 3 3 4 1s m r 协议2 3 3 4 2o n d e m a n dm u l t i p a t hr o u t i n g 协议2 4 3 4 3m s r 协议2 4 3 5 本章小结。2 6 第4 章工业无线网络w 认p a 多径路由协议w m rd s r 研究2 7 4 1m s r 协议存在的问题2 7 4 1 1 路由应答开销大2 7 4 1 2 独立路径数量过多2 7 4 1 3 按需路由延迟大2 7 4 1 4 网络节点能量问题2 8 4 2 工业无线网络w 认p a 多径路由协议w m rd s r 研究2 8 4 2 1w m rd s r 的基本思想2 8 4 2 2w m rd s r 模型建立2 8 4 3w m rd s r 协议优化策略2 9 4 3 1 中间节点的利用策略2 9 4 3 2w 认p a 节能策略2 9 4 3 3 提前按需路由策略31 4 3 4 独立路径选择算法31 4 4w m rd s r 协议实现。3 2 4 4 1 路由发现3 3 4 4 2 路由维护3 6 4 5 本章小结3 7 第5 章n s 2 实验仿真及性能分析3 8 5 1 仿真平台简介3 8 5 2 仿真具体步骤3 8 5 3w m rd s r 协议添加3 9 5 3 1w m rd s r 新协议的添加3 9 5 4 能量模型设计4 1 5 5 仿真实验以及性能分析。4 2 5 5 1 性能参数评价4 2 5 5 2 性能分析及结论4 3 5 6 本章小结5 0 第6 章总结与展望5 1 6 1 总结51 6 2 展望5 l 参考文献5 2 致谢5 6 攻读硕士期间发表的论文与参加的项目5 7 叫 l 织、自治愈智能m e s h 网络路由机制的工业无线网络，能够适应网络的动态变化，保证网络的 可靠性和实时性。w 认p a 主要由中科院、西南大学、重庆邮电大学等国内1 0 余家单位在国 家8 6 3 重点项目的支持下共同研究开发。通过工业无线网络工业生产中的应用，在一定程度 上降低成本，避免了有线布线的复杂度和危险度，为恶劣的工业环境提供了安全、可靠、便 捷的工业生产方式进行监控。工业无线网络w 认p a l 除应用到工业自动化控制系统外，还可 以应用到楼宇自动化，环境、健康与安全监控，资产管理及能量管理等领域。工业无线网络 w 认p a 节点设备采用电池供电，但电池能量供电有限，如何有效地降低网络通信能耗，提高 网络的可靠性、实时性，延长网络的工作时间仍是w 认p a 研究的重点，这对于工业无线网 络w i a p a 的研究能否成功具有决定性意义。 对于m e s h 网络通信来说，网络整体性能的好坏主要取决于路由技术。目前对于w 从一p a 路由算法的研究还在进行，现有的比较成熟的无线网络算法主要是无线自组织网路由算法如 d s d v 、a o d v 、d s r 等。本文通过参与w 认p a 项目的研究开发工作，针对w i a p a 网络特 点及需求，结合现有无线路由算法的特点，基于多径、源路由、按需路由的思想，提出一种 适合工业无线网络w 认p a 多径路由协议。 本文首先简要分析了工业无线网络发展的背景及课题研究的意义，对工业无线网络 w 从p a 的结构、关键技术、技术领域等进行概括性的概述。其次介绍了几种典型的单径路由 协议以及多径技术的特点和优势，并对几种经典的d s r 多径扩展算法进行了深入的分析。针 对m s r 协议应用到w 认p a 网络上存在的问题，如：w 认p a 网络通信可靠、实时及能耗等 问题，本文基于多径、源路由、提前按需路由的思想，建立工业无线网络w n p a 多径路由 两南人学硕十学位论文 协议w m rd s r 网络模型，并针对路由发现和路由维护进行改进：在路由发现过程中，结合 节点剩余能量和端到端的时延构建独立路径选择函数；路由发现过程中以节点能量分级、r 1 盯 值、备份路径剩余条数以及路由更新周期为权值，提出一种提前按需路由机制，形成w 认p a 网络的路由策略，以提高w 从p a 网络通信的可靠性及实时性，并在一定程度上降低能耗， 延长了整个网络的生存时间。 通过n s 2 仿真平台对本文提出的工业无线网络w i a p a 路由协议w m rd s r 从路由可靠 性、数据分组投递率、端到端平均时延、网络生存时间等性能和m s r 协议、d s r 协议进行比 较，仿真结果表明，本文提出的w m rd s r 路由协议算法在提高网络可靠性、实时性，降低 功耗方面取得了较好的效果，并能很好的应用的w 认p a 网络中去，最终有效地延长了整个 网络的生存时间。在静止的网络环境下，w m rd s r 路由协议算法够延长w n p a 网络5 左 右的生存时间。 i i 关键词：w 认p a ；a dh o c 网络；提前按需路由；多径路由技术；w m rd s r ，i j a u t o m a t i o n i n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r k sw i l lb e c o m eat r e n do fi n d u s t r y 协t h ef u t u r e w i t hs e l f - o r g a n i z a t i o n , s e l f - h e a l i n gs m a r tm e s hn e t w o r kr o u t i n gm e c h a n i s m s 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 ) i sak i n do fs p e c i a li n d u s t r i a l w i r e l e s sn e t w o r k s ，w h i c hc o u l da d a p tt ot h ed y n a m i cc h a n g e si nt h en e t w o r ka n de n s u r en e t w o r k r e l i a b i l i t ya n di n s t a n t a n e i t y w i t ht h es u p p o r to f “8 6 3n a t i o n a lk e yp r o j e c t ，t h i st e c h n i q u ei s c o m p l e t e db ym o r et h a n 10d o m e s t i ci n s t i t u t i o n s ，i n c l u d i n gc h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s ， s o u t h w e s tu n i v e r s i t y ，c h o n g q i n gu n i v e r s i t yo fp o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a t i o n s ，e t c t h r o u g ht h e a p p l 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 k ，t oac e r t a i ne x t e n t , c o u l dr e d u c ec o s t sa n da v o i dt h e c o m p l e x i t ya n dp e r i l so fw i r er o u t i n ga n dp r o v i d eas a f e ，r e l i a b l ea n dc o n v e n i e n tw a yf o rh a r s h i n d u s t r i a le n v i r o n m e n t st om o n i t o ri n d u s t r i a lp r o c e s s e s h e r e o n , t h ei n d u s t r i a lw i r e l e s sw l 一p ac a l l n o t o n l yb ea p p l i e dt o i n d u s t r i a la u t o m a t e dc o n t r o ls y s t e m ，b u ta l s o b u i l d i n ga u t o m a t i o n , e n v i r o n m e n t , h e a l t ha n ds a f e t ym o n i t o r i n g ，a s s e tm a n a g e m e n ta n de n e r g ym a n a g e m e n tf i e l d s i n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r kw 认p an o d e se q u i p m e n t sa r ep o w e r e db yb a t t e r i e s ，w h i c hh a sa l i m i t e dp o w e rs u p p l y h o w e v e r , i ti ss t i l la ni m p o r t a n tq u e s t i o nf o rw l 气- p ar e s e a r c h e r st or e d u c e t h ec o n s u m p t i o no fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na n di m p r o v en e t w o r kr e l i a b i l i t ya n di n s t a n t a n e i t y ，a n d p r o l o n gt h ew o r k i n gh o u r so ft h en e t w o r k i ti sa l s oq u i t es i g n i f i c a n tf o rt h ew i d e s p r e a du s eo f i n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r kw i a - p a f o rt h em e s hn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，t h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r kd e p e n d so nt h e r o u t i n gt e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，w i a p ar o u t i n ga l g o r i t h mi sn o tm a t u r ee n o u g h , a n dt h ee x i s t i n g m a t u r ew i r e l e s s n e t w o r ka l g o r i t h m sa r es e l f - o r g a n i z i n gw i r e l e s sn e t w o r k ss u c ha sd s d v ，a o d v ， d s i la n ds oo n t h r o u g hp a r t i c i p a t i n gi nw l 一p as t u d y i na l l u s i o nt ot h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d i i i 两南人学硕十学何论文 曼皇曼鼍曼曼曼! ! 曼曼蔓曼曼曼曼曼邑璺曼曼曼笪曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼i 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼! 曼曼曼曼蔓皇曼曼曼曼皇曼笪曼曼曼曼曼曼皇皇 r e q u i r e m e n t so fw i a p an e t w o r k , c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x i s t i n gw i r e l e s sr o u t i n g a l g o r i t h m ，a n db a s e do nm u l t i p a t h ，s o u r c er o u t i n g ，o n d e m a n dr o u t i n gi d e a , t h ea u t h o ro ft h i sp a p e r h a sp r o p o s e dam u l t i p a t hr o u t i n gp r o t o c o lf o ri n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r kw l - p a i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rf i r s tb r i e f l ya n a l y z e st h eb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo ft h e d e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r k , a n dg e n e r a l l yd e s c r i b e st h es t r u c t u r e ，k e yt e c h n o l o g i e s ， t e c h n i c a lf i e l do fi n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r k , e t c t h e ni n t r o d u c e sa n dm a k e sac o m p a r a t i v ea n a l y s i s o fs e v e r a lt y p i c a l s i n g l e p a t hr o u t i n gp r o t o c o la n dm u l t i - p a t ht e c h n o l o g ys h o r t c o m i n g sa n d a d v a n t a g e s a tt h es a m et i m e ，s e v e r a lt y p i c a le x t e n s i o na l g o r i t h m so fm u l t i - p a t ho fd s ra r e a n a l y z e d f i n a l l y ，b a s e do nt h ei d e ao fm u l t i p a t h ，s o u r c er o u t i n ga n dt h eo n - d e m a n dr o u t i n gi n a d v a n c ea n dt h ea n a l y s i so ft h ep r o b l e m so fa p p l y i n gm s r p r o t o c o lt ow i a - p an e t w o r k t h ea u t h o r c o n s i d e r st h er e l i a b i l i t y ，i n s t a n t a n e i t y ，a n de n e r g yc o n s u m p t i o no fw l 气一p an e t w o r kc o m m u n i c a t i o n , t ow h i c ht h ed s rr o u t i n gp o l i c yh a sb e e ni m p r o v e dt oa c c o m m o d a t e 。i no r d e rt om a k et h ew l 气p a n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o r er e l i a b l ea n dr e a l - t i m e ，a n dt oac e r t a i ne x t e n lr e d u c et h ee n e r g y c o n s u m p t i o ns oa s t op r o l o n gt h es u r v i v a lt i m eo ft h ee n t i r en e t w o r k t h i sp a p e rf o c u s e so n i m p r o v i n gr o u t ed i s c o v e r ya n dm u t i n gu p d a t em e c h a n i s m i nt h er o u t ed i s c o v e r yp r o c e s s ，as e p a r a t e p a t hs e l e c t i o nf u n c t i o nh a sb e e nb u i l tw i t ha c c o r d a n t eo fn o d er e s i d u a le n e r g ya n dt h ee n dt oe n d d e l a y ；i nt h er o u t em a i n t e n a n c ep r o c e s s ，a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o n so fn o d ee n e r g yl e v e l ，r t tv a l u e a n dt h en u m b e ro fb a c k u pp a t hr e m a i n i n g ，e t c ，t h ea u t h o rc a r r i e so u tt h eo n d e m a n dr o u t i n gi n a d v a n c et oe n s u r et h er e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h er o u t e i nt h el a s tp l a c e ，o nt h en s 2s i m u l a t i o n p l a t f o r m ，t h ea u t h o rc o m p a r e st h ew m a d s r ( w 认一p am u l t i - p a t hr o u t i n g - d s r ) ，m s ra n dd s r p r o t o c o l so nt h ep r o p e r t i e so fr o u t i n gr e l i a b i l i t y ，d a t ap a c k e td e l i v e r yr a t i o ，e n dt oe n da v e r a g ed e l a y , n e t w o r kl i f e t i m e ，e t c s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tg o o de f f e c t sc o u l db ea c h i e v e db yt h ep r o p o s e dm u t i n gp r o t o c o l a l g o r i t h mw m r d s ri ni m p r o v i n gn e t w o r kr e l i a b i l i t y ，i n s t a n t a n e i t y ，a n dc o n s u m i n gr e d u c t i o n ，e t c t h i sr o u t i n gp r o t o c o la l g o r i t h mc o u l da l s ob ew e l la p p l i e dt ow l a p an e t w o r k , a n df i n a l l yt h e s u r v i v a lt i m eo f t h ee n t i r en e t w o r kh a sb e e ne f f e c t i v e l ye x t e n d e d i nt h es t a t i cn e t w o r ke n v i r o n m e n t , w m r d s rr o u t i n ga l g o r i t h mc o u l dp r o l o n gt h es u r v i v a lt i m eo ft h ew 认一p an e t w o r ka sl o n ga s a p p r o x i m a t e l y5 i v k e y w o r d s ：w i a - p a ；a dh o en e t w o r k ；d e m a n dr o u t i n gi na d v a n c e ； m u l t i - p a t hr o u t i n gt e c h n o l o g y ；w m r d s rp r o t o c o l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 随着计算机、通信和网络技术的发展，工业控制技术也从2 0 世纪6 0 7 0 年代的模拟仪表 控制系统向集散控制系统( d c s ) 、现场总线控制系统( f c s ) 发展，且其智能化程度不断提 高、系统结构更趋复杂、成本更加昂贵i i j 。现场总线具有数字化、网络化通信、互可操作性和 系统结构高度集散等特点，但同时也带来了多种总线共存、系统难度加大，并增加了在恶劣 的工业环境下布线的难度和成本，使工业自动控制系统的发展处于瓶颈状态【1 1 。 无线技术成熟的发展，无线传感器网络技术也开始走进工业自动化、工业控制技术等的各 个领域，并成为引领工业自动化领域未来发展方向的核心技术。无线传感器网络具有低成本、 低功耗、高可靠等特征，同时可以通过各类集成化的微型传感器之间的相互作用协作、传递 信息，从而监测、感知和采集各种实时数据，并通过无线网络进行传输池1 。其在工业控制、军 事、环境监测、医疗健康、以及高危险局域安全监测和优化控制等领域得到广泛的应用。如 在工业控制应用中，无线传感网络可以对恶劣环境边缘位置、危险地带和人难以控制位置的 现场设备实时监控，改善了传统工业自动控制系统对此种情况的不可监控性。同时，无线传 感网络通过多跳路由技术进行节点之间的信息传递，无需复杂的网络布线，在一定程度上降低 了工业控制系统的投资和维护成本。但是，同其它传统的应用领域如军事、商业、医疗相比， 在工业控制领域应用无线传感器网络仍需要面临巨大的挑战。 为此，一种新兴的、面向设备间信息交互的工业无线网络技术产生。它使无线传感器网络 在工业应用方面得到拓展和提升。其网络技术不但可以高可靠、低功耗的监控工业现场的运 作，并把实时获得的数据通过无线传输到用户，还可以降低工业控制系统的投资成本，实现 广而便捷的工控监测系统。并且这种技术将引起传统工业测控模式的变革，使工业自动化系 统向着低成本、高可靠、高灵活的方向发展1 3 1 。在欧美国家政府发展规划中曾多次指出，工业 无线技术将在提高产品质量和降低生产成本提高能源效率，同时保证网络高可靠实时的通信。 美国能源部还将工业无线技术列为实现到2 0 2 0 年美国工业整体能耗降低5 目标的主要技术手 段之一p j 。然而，工业无线网络技术工作环境恶劣，网络设备采用电池供电，这使工业无线网 络通信面临着高可靠、高实时、低能耗通信等一系列技术问题需要解决，并成为工业无线技 术进一步研究的挑战。 为发展我国工业自动化领域，中国科技学院、西南大学、重庆邮电大学等1 0 余家单位于 2 0 0 7 年在国家科技部8 6 3 计划的支持下，启动了“工业无线技术及网络化测控系统研究与开 发”重点项目，提出具有国家自主知识产权的用于工业过程自动化的工业无线网络( w i t l e s s n e t w o r k sf o ri n d m t r i ma m o m m i o i l ，p r o g e s sa m o m m i o n ，w 认p a ) 技术规范。并开展工业无线网 络测控系统的关键技术的攻关与示范应用工作，旨在解决抗干扰技术，路由技术，能量和安全 等关键技术，并建立“测量、控制无线通信技术”国家标准体系。 同时，由于工业无线网络网络通信主要通过多跳m e s h 网络传递数据实现，因此，路由技 术成为工业无线网络关键技术和重要支撑。但目前国外对工业无线网络的技术研究有w i t l e s s h a r t 、s p l 0 0 ，但都处于起步阶段，还没有比较成熟的路由技术，尤其是多径路由技术更是 两南大学硕+ 学何论文 挑战。就我国而言，基于w 从p a 技术的测控系统的发展还处于关键技术攻关和实验室测试 验证阶段，工业无线网络技术的关键技术难题正在被逐渐攻克，市场需求非常旺盛1 3 1 。因此， 国内外的技术水平差距不大的情况下，开展工业无线网络的研究对我国自动控制系统前沿技术 的研究还是具有重要的意义【1 9 】。 1 2 工业无线网络 2 0 世纪9 0 年代，无线网络技术走进工业自动化领域，并成为其领域主要发展方向之一【4 】。 美国能源部d o e 也于2 0 0 2 年发布的“i n d u s t r i a lw i r e l e s st e c h n o l o g yf o rt h e2 1 mc e n t u r y ”白皮 书中首次提出了工业无线技术的概念【4 1 。它是继工业现场总线之后，工业自动测控领域的又一 个研究前沿热点。 1 2 1 工业无线网络技术 工业无线网络技术是一种新兴、面向设备间信息交互的无线通信技术，适合在恶劣的工业 现场环境下使用的特殊无线传感网络1 5 】。由于此技术采用了扩频技术、多跳通信、m e s h 型网 络等技术，使其具有很强的抗干扰能力、高可靠、超低能耗、实时安全通信等技术特点，在恶 劣的工业现场环境中也能保证可靠的通信。而无线传感器网络技术具有应用特异的特点，主要 应用于军事、环境监测、健康护理、智能家居等领域，对不同领域的应用，其实现技术完全不 同。工业无线技术是满足工业现场应用的一类特殊的无线传感器网络技术【5 】。 与传统的有线工业测控系统相比，工业无线测控系统具有以下优势【6 】： 1 ) 成本低。在有线测控系统中，需要通过现场布线，将传感器或执行器的信息转送到工 厂控制室，而布线的成本比较高，特别是在一些恶劣的工业现场环境下，其布线的成本往往比 线缆本身的成本还要高。同时，线缆还容易出现破损和老化现象，检测、维修这些线缆需要大 量时间和维修费用，增加了工厂运营成本。由于无线网络监控系统的布置和安装方便快捷，使 得整个施工周期短，为工厂节省了成本。在使用了工业无线技术后，工业测控系统的安装与维 护成本将会降低9 0 左右。 2 ) 易使用、灵活性高。没有线缆的约束，工厂可以更好的配置生产设备，并使现场设备 的移动和安装较为灵活，方便现场设备的布设，而且通过无线多跳方式进行数据收发，使工厂 从繁杂的线缆中解放出来。用户可根据工业应用需求的变化，快速、灵活、方便、低成本地重 构工业测控系统。 3 ) 高可靠、易维护。在有线系统中，电缆间的连接器易损坏，并且线缆容易被误操作所 破坏，检修起来非常不方便，增加了维护的难度和维护成本。另外，新材料等技术的发展使传 感器能够适应恶劣的工业现场的要求。通过无线技术以后，此类事故可以彻底杜绝或发生的概 率较低。 美国能源部( d o e ) 在2 0 0 4 年发布的“未来工业计划”( i o f ) 中指出：这种基于工业无 线技术的低成本测控系统是实现到2 0 2 0 年美国工业整体能耗降低5 目标的主要手段，代表 着工业自动化系统的发展方向，将在提高产品质量、降低工业生产过程中的跑冒滴漏、提高能 源效率等方面发挥重要作用，在石油天然气开采、石化、冶金、污水处理等高耗能、高污染行 业有广泛的应用前景。美国总统科技顾问委员会在“面向2 l 世纪的联邦能源研究与发展规划” 2 第1 章绪论 皇曼寡曼曼曼曼曼蔓曼曼皇曼皇曼皇曼舅曼鼍曼曼皇曼曼曼曼i i1 1 1 ii l l 量曼曼曼璺曼詈皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼鼍 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 t 6 | 。 1 2 2 工业无线网络技术标准 目前，随着节能、抗干扰、实时通信等关键技术难题被逐渐攻克，工业无线技术正处于一 个发展的黄金时段。据美国网络技术市场分析机构o nw o r l d 公司对工业无线技术市场调研结果 显示，阻碍用于工业环境的无线通信技术发展的关键在于缺乏统一的国际标准，因此，工业无 线技术的标准化工作是其获得推广应用的基础。 目前国内外工业无线网络标准主要有：w i r e l e s s h a r t 、i s a s p l 0 0 和w 认p a 。前面两种已 经获得国际上许多厂家的支持，而w 认p a 技术是我国2 0 0 7 年刚推出，目前已列入国家标准制 定计划。我国科技人员开发的工业无线网络w l a p a 技术是中国具有自主知识产权的技术体 系，以9 6 的得票率获得i e c 全体成员国的认同，使得工业无线技术国际标准形成 w i r e l e s s h a r t ( h a r t 基金会) 、i s a l 0 0 1 1 a ( i s a ) 和w i a p a ( 中国) 三足鼎立的局面【6 5 1 。 1 2 2 1w ir e i e s s h a r t w i r e l e s s h a r t 是基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的无线m e s h 型网络通信协议，可应用在全球通用 的2 4g h zi s m 射频频段，具有信道跳频、鲁棒性、低功耗、安全性等特点。它主要应用在过 程自动化领域，为过程自动化应用设计提供有足够确定性、并提供可互操作性的无线通信标准。 除此之前，w i r e l e s sh a r t 协议具有可靠性、安全性和保密性、低功耗、广泛应用的特点。 w i r e l e s s h a r t 规定了三种主要的设备类型：w i r e l e s s h a r t 现场设备、网关、网络管理器。 同时还支持w i r e l e s s h a r t 网络适配器和手持设备，便丁：就近对网络进行维护。w i r e l e s s h a r t 是将无线通信技术与h a r t 规范有机结合，进一步提升h a r t 现场仪表和h a r t 控制系统的 技术能力。它与有线h a r t 除了通信介质不同以外，都使用了同样的h a r t 命令结构、同样 的开发工具【7 】。工厂现有的h a r t 应用( 包括控制系统、可编程控制器软件等) ，无需进行任 何软件升级，就可以利用w i r e l e s s h a r t 通信协议1 7 j 。图1 1 完整表现了无线h a r t 的网络结 构【13 1 。 图1 1 无线h a r t 的网络结构 据美国a r c 咨询公司的数据显示，截至2 0 0 8 年止，世界上已安装的现场仪表约6 0 0 0 多 万台，其中采用4 - - 2 0 m a 信号的非智能型仪表约为2 0 ，采用h a r t 协议的智能型仪表约占 3 0 1 9 】，且用户都对h a r t 变送器抱有强烈信心，因此无线h a r t 协议无疑具有极好的技术前 景和商业前景。 3 两南人学硕十学何论文 1 2 2 2i s a $ p 1 0 0 2 0 0 4 年1 2 月，美国仪表系统和自动化学会成立了工业无线网络标准s p l 0 0 委员会，启动 了用于工业领域的无线通信的标准化工作。近期，s p l 0 0 委员会成立了两个新的工作组， s p l 0 0 1 4 和s p l 0 0 1 l 。s p l 0 0 1 4 工作组主要负责用于各种工业监控、记录与报警应用的工业 无线标准，而s p l 0 0 1 1 则负责各种控制应用的工业无线标准，如闭环控制系统与开环控制系 统。s p l 0 0 1 1 下的s p l 0 0 1 1 a 工作组，力争推出一个面向过程控制应用的工业无线技术子标准， 用于向非关键性的监测、警报、预测控制、开环控制、闭环控制提供安全可靠的操作。 s p l 0 0 1 1 a 定义的主要设备类型包括：支撑设备和现场设备，其网络结构如图2 所示【1 5 】。 其中，网络支撑设备在逻辑上分为网关和骨干网路由器，现场设备在逻辑上又分为无路由能力 的设备、现场路由器和现场调试设备。 s p l 0 0 1 l a 和无线h a r t 都是面向过程自动化应用的工业无线标准，二者最显著的差别是： w i r e l e s s h a r t 的开发仅是为了支持h a r t 协议，而i s as p l 0 0 标准则可以支持h a r t 、p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 、c i p ( c o n t r o la n di n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 、f o u n d a t l o nf i e l d b u s 等多个 协议1 5 j 。目前，h a r t 基金会已经与i s as p l 0 0 委员会展开合作，共同制定无线h a r t 和 s p l 0 0 1 1 a 的互连、互操作技术方案。 图2s p l 0 0 1 1 a 网络结构 s p l 0 0 具有的特点如下i l o j ： ( 1 ) 协议层次的独立性：s p l 0 0 1 l a 支持对协议的各层进行独立修改，例如重新定义一个 新物理层并允许其加入到s p l 0 0 的协议中，协议的其他部分不会受到太大的影响。 ( 2 ) 设备的可交换性：不同厂家生产的设备，只要遵循相同结构、功能并符合i s a l 0 0 1 l a 标准，那么这些设备之间就可进行交换，不会影响设备间的通信。 ( 3 ) 世界范围的适应性：s p l 0 0 1 1 a 标准希望其协议能够支持所有世界主要领域的已建立 4 第1 章绪论 标准。但是正是其需要兼容其他网络通信标准，使得s p l 0 0 面l 临的开发难度较大。 1 2 2 3w i a - p a 标准 工业无线网络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 g r e s s a u t o m a t i o n ) 技 术是由中国无线工业联盟推出的具有自主知识产权的高可靠、超低功耗的智能多跳无线传感器 网络技术，用于构建符合中国微功率( 短距离) 无线电设备的技术要求的流程工业无线监 控网络。它主要应用于工业监测和控制，例如历史数据的采集、为预防性维护而进行的周期性 数据采集、基于事件的维护而必须采集的数据、现场执行器的直接控制，频繁的串级控制等。 其技术详细介绍见第2 章。 1 2 3 工业技术应用挑战 工业无线技术应用取得了一定成绩并具有很好的发展前景，由于起步较晚，各项关键技术 都处在研究探索阶段，各种标准还处在制订和完善中。所以目前最大的应用市场主要集中在无 线数据采集及监控、检测系统。随着技术的不断完善，它可以广泛应用于工业自动化，楼宇自 动化，环境、健康与安全监控能量管理等领域。 现阶段，工业无线技术在工业领域中的应用主要停留在工厂管理层和远程遥测方面，除了 面临无线传感器网络的一些传统挑战之外，还有待解决或完善网络通信的可靠性、实时性