（信号与信息处理专业论文）工业无线网络在线升级的研究与实现.pdf

摘要 摘要 无线网络应用于工业控制自动化领域是无线通信领域的一次重大进步，由于工 业无线网络对于整个网络的低能耗、高可靠性、可操控性等方面的要求较之其他网 络更高，因此如何方便快捷地升级维护网络节点成为研究工业无线网络的关键问题 之一。 本文首先简述工业无线技术的产生背景和发展状况，然后介绍了无线传感器网 络在线升级技术实现机制和发展现状，并对i s a l 0 0 1 l a 标准支持远程在线升级的 相关技术作了分析。在对i s a l 0 0 1 l a 标准及其通信特点深入理解和分析的基础上， 结合i s a l 0 0 1 l a 产品开发的实际需求，以作者在i s a l 0 0 1 l a 工业无线协议栈应用 层部分的开发工作为基础，提出了基于c c 2 5 3 0 和i s a l 0 0 1 l a 的工业无线网络远 程在线升级的总体设计方案，阐述了其应实现的主要功能，并对在线升级的几种关 键技术进行了程序设计。在线升级涉及的关键技术主要包括： 分区存储：在线升级包括参数更新和固件升级两个功能，它们涉及的升级数 据必须被保存在f l a s h 中，而且不能互相重叠也不能覆盖正常运行的应用程序。本文 对数据分区存储的方法进行了详细分析和设计。 参数更新：节点运行时依赖多个参数( i s a l 0 0 1 1 a 中主要指对象的属性) ，服务 器根据需要将更新目标节点参数。本文主要针对参数的传输、更新方法进行了详细 分析和程序设计，同时设计了在f l a s h 上查找、保存、读写参数的方法。 预配置服务：设备加入目标网络时需要通过预配置服务获得目标网络信息和 安全信息。本文对预配置过程进行了详细分析和程序设计。 数据分块传输：固件升级时要下载大量数据，数据被分块传输。本文对分块 传输过程中数据分块方法、传输过程中的握手机制和数据重传机制等进行了程序设 计。 固件升级程序：固件升级中镜像下载到目标节点后，需要替换掉原有镜像。 本文结合c c 2 5 3 0 芯片特点，设计了新的引导程序并对节点软件升级程序进行设计 和实现。同时，对整个固件升级过程中的可靠性也作了分析和设计。 在文章的最后，对上述的关键技术的设计进行了验证与结果分析，总结了主要 工作内容，并在分析方案不足的基础上提出了未来的工作计划。 关键词：在线升级，工业无线，预配置，块传输，i s a l 0 0 a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s sw e t w o r kf o ri n d u s t r i a lc o n t r o la u t o m a t i o ni sas i g n i f i c a n tp r o g r e s si nt h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sf i e l d i n d u s t r yw i r e l e s sn e t w o r ks h o u l dc o n s i d e rt h el o w c o n s u m p t i o n , h i 曲r e l i a b i l i t ya n do p e r a b l ec h a r a c t e rm o r et h eo t h e rn e t w o r k s h e n c e ，t h e r e s e a r c ho no n - l i n eu p g r a d eo ft h ew h o mn e t w o r ki sak e yp r o b l c r no ft h ei n d u s t r y w i r e l e s sn e t w o r k i nt h i sp a p e r , w ei n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r yw i r e l e s s t e c h n o l o g ya n dt h es i g n i f i c a n c eo fo n - l i n eu p g r a d ef i r s t i nc o m b m ew i mt h ee x p l o i t a t i o n w o r ko fa p p l i c a t i o nl a y e ra n do n - l i n eu p g r a d e , w oa n a l y z e dt h ep r o c e s so fd a t at r a n s f e r a n dt h es u p p o r ts u b m i t t e db yt h es p e c i f i c a t i o nf o ro n - l i n eu p g r a d e , d e s i g n e dt h es t r u c t u r e o fl o n g - d i s t a n c eo n - l i n eu p g r a d e ，a n dw ed e s i g n e dt h ep r o c e d u r eo fs e v e r a lk e y t e c h n o l o g yo ft h eo n - l i n eu p g r a d e t h ek e yt e c h n o l o g yt h i sp a p e rr e s e a r c h e di n c l u d e s ： m e m o r i z ed a t ab yp a r t i t i o n ：o n - l i n eu p g r a d ei n c l u d et h et w of u n c t i o no f p a r a m e t e r u p d a t ea n df l l t n w a r ou p g r a d e ，d a t au s e di nu p d a t ep r o c e s sm u s tb es t o r e di nf l a s h , f u r t h e r m o r et h ed a t an e i t h e ro v e r l a pe a c ho t h e rn o rc o v e rt h en o r m a la p p l i c a t i o np r o g r a m i nt h i sa r t i c l e , w ea n a l y z e dc l o s e l ya n dd e s i g n e dt h em e a n so fs t o r i n gd a t ab y p a r t i t i o n p a r a m e t e rr e n e w ：w h e nn o d ei so n - r u n , i tn e e dt ou s em u l t i - o b j e c tp r o p e r t i e s ， 圈g l v e rs h o u l du p d a t eo b j e c tp r o p e r t i e sa sr e q u i r e d i nt h i sp a p e r , w ea n a l y z e dc l o s e l yt h e r e l 臣e s hm e t h o do fs u b j e c ta t t r i b u t i v e sa n dd e s i g n e di t sp m g r a m , a tt h es a m ot i m e , w e d e s i g n e dt h em e a n so f k e e p i n g , r e a d i n g , w r i t i n g , s e a r c h i n go b j e c tp r o p e r t i e s0 1 1f l a s h p r o v i s i o ns e r v i c e ：j o i n i n gt h et a r g e tn e t w o r k , d e v i c e sg e tt h en e t w o r ki n f o r m a t i o n a n ds e c u r i t yi n f o r m a t i o no ft a r g e tn e t w o r kv i ap r o v i s i o ns e r v i c e i nt h i st e x t , w ea n a l y z e d t h es p e c i f i cp r e c o n f i g u r a t i o np r o c e s so f d e v i c ea n dd e s i g n e dt h ec o n f i g u r a t i o np r o c e d u r e o f p r o v i s i o n - b u l kt r a n s m i s s i o no fd a t a ：i ni n d u s t r yw i r e l e s sn e t w o r k s ，f i w n w a r eu p g r a d eo rt h e t r a n s m i s s i o no fs l a t h e rs a m p l e dd a t an e e db l o c kt r a n s m i s s i o n i nt h i sa r t i c l e ，w ea n a l y z e d t h ep r o c e s so f b l o c kt r a n s m i s s i o na n dd e s i g n e dt h ep r o c e d u r eo f b l o c kt r a n s m i s s i o n t h ef u n c t i o no fs 0 1 r a r eu p g r a d eo nn o d e ：a f t e rt h ei m a g eo ff i r m w a r eu p g r a d e b e e nd o w n l o a d e dt ot h ee n dp o i i l t ，w en e e dt or e p l a c eo f ft h eo l di m a g eo nf l a s hu s i n gt h e l l e wi m a g e i nt h i sp a p e r ，i n c o r p o r a t i o nw i t ht h es p e c i a l i t yo ft h ee l t i po fc c 2 5 3 0 ，w e a n a l y z e da n dd e s i g n e dt h ep r o c e d u r eo fs o r w a r eu p g r a d e i nt h ee n d ，w ev a l i d a t e dt h es o l u t i o no ft h ek e yt e c h n o l o g y , m a d eac o n c l u s i o na n d i i i a b s t r a c t a d v a n c e dt h ef u t u r ew o r kp l a n k e y w o r d s ：o n - l i n eu p g r a d e ，i n d u s t r yw i r e l e s s ，p r o v i s i o n i n g , b u l kt r a n s m i s s i o n , i s a l0 0 i v 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 工业无线网络是由大量带有传感器的无线网络节点通过无线通信技术自组织构 成，融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术。网络中节点不但要从外界 环境采集数据，还要接收邻近节点的数据并进行处理和转发，通过无线通信合作执 行环境感知任务。工业无线网络是信息技术中的一个新的领域，在工业应用领域有 着非常广泛的应用。 工业无线网络集成了微电子技术、计算技术、传感技术和无线通信技术等技术。 由于工业无线网络特性，如节点数目多、节点配置困难、节点受电池限制、工作环 境恶劣、而网络的任务也可能动态的变化等等，深入研究这些特性就表明工业无线 网络与a dh o e 网络和传统无线网络的技术要求有着显著区别 1 1 盎 工业无线网络的应用程序以数据为中心或以数据为驱动的，节点有相应的机制 支持选择性地睡眠或激活；激活后的节点能够支持协作完成感知任务：适当的数据 融合处理；节点需要时刻监视设备的状态变化，并把发生的事件即时报告给用户等 等；这些应用都是通过工业无线网络协议栈来实现的。 工业无线协议栈为基于各种传感器的应用程序的开发、维护、配置和运行提供 支持，是高层任务服务提供的基础。然而，工业网络节点的硬件能力是非常有限的， 因此节点上的协议栈必须满足在有限的物理空间内实现对硬件的高效管理；同时由 于工业无线网络应用的多样性，节点的协议栈必须能够根据内存、处理器以及能量 等限制满足应用的严格需求；也必须能够灵活地允许多种应用同时使用系统资源， 如通信，计算和存储需要有主动计算的能力；同时有与环境很好交互的能力，而这 是传统的面向实时控制的嵌入式操作系统所缺乏的能力【2 】。 因此，一个高效地协议栈对于工业无线网络的正常运行非常重要，协议栈的更 新升级将是经常性的任务。而目前关于工业无线网络的研究主要集中在如何实现相 关监控功能上，对节点协议栈代码的升级维护很少关注。本文通过研究工业无线网 络的在线升级技术为工业无线网络协议栈升级维护提供可行机制。 1 2 论文研究的目的和意义 工业无线网络可以被认为是拥有大量的嵌入式、无线设备和资源有限的网络， 工业无线网络的主要功能在于收集信息、执行操作、报告设备信息给监控用户。 工业无线网络研究目标就是用户能够在一个范围内有拥有各种灵活的应用节点 重庆邮电大学硕士论文 资源的能力，也就是说着工业无线节点的协议栈必须有能力区别工业无线网络的不 同运行状态和该状态所涉及的功能，同样也意味着节点部署后协议栈需要有足够的 灵活度以接收新的程序和新的任务。 现有的工业无线应用仅仅只考虑某个具体的现场环境，其软硬件的选取和开发 都紧紧围绕确定的监测目的展开。但是，实际应用中现场环境状况不断的发生变化， 而监测的目的也随之改变，为让它更好地发挥作用、更多地利用自身资源、更好地 满足实际需要，因此需要赋予更大的灵活性给工业无线网络。这里的灵活性主要是 指在监测过程中工业无线网络节点能够根据环境状况或是人为指令改变监测任务、 增加新的功能。因此需要解决几个问题： 首先，在不确定的环境中预测传感器节点遇到的所有事件集是不可能的。例如， 在设备检测中，预先部署的传感器节点能对设备进行监控或者周期性检测，但如果 遇到未知事件时则临时根据需要进行配置或软件升级。同样，随着对被测设备的应 用的增加或有新的科技进步，配置或软件可能需要做相应的修改。例如，在工业设 备监控研究中，目前还不确定什么样网络拓朴最能提高网络的可靠性和效率因 此，面对不断变化的的应用，在传感器节点布置后，节点不可避免地要对原有的应 用程序修改或增加新的应用程序或配置新的参数。同时，相比一般无线网络，工业 无线网络运行环境更为恶劣，面临的干扰更多，造成部署在设备上的传感器节点应 用程序被破坏的概率更高。因此，工业无线网络在线升级技术的研究是必要的、也 具有重要意义。 其次，传感器节点的发展趋势，在不断的持续的向更小、更廉价的方向发展。 不久的将来，很小的设备将同时拥有传感、计算、存储和通讯能力在能力不断加 强的同时，这些设备将变得更小也更加的便宜，而计算能力和能源的限制将不断削 弱。这样拥有数目众多、能力多样的无线传感器节点将够构成各种应用的复杂网络。 对编程人员而言意味着网络应用增加，代码维护将更加的频繁，而传感器节点的硬 件资源总体上来说是比较稀缺的，不可能采取比较复杂的编程方法来维护代码所 以，研究工业无线网络时，需要确定合适编程方式来更新节点程序 最后，嵌入式程序代码一般在具有资源丰富的主机上开发，然后下载到传感器 节点，程序代码通常通过并口或串口被装载到直接连到主机上的传感器节点。然而， 随着工业无线网络的部署，直接收集传感器节点并使用手工进行代码更新不切实际， 不但拆卸工业设备工作量极大，还会造成工业生产的停顿，影响工业无线网络的部 署，这样的升级方式不再实用。因此，需要研究适合工业无线网络的远程在线升级 机制。 本论文的任务就是研究支持工业无线网络终端节点进行更新的在线升级技术， 使节点能够不断适应环境和应用变化，促进工业无线网络更广泛的应用。 2 第一章绪论 1 3 课题的研究环境 1 3 1 硬件环境 无线模块采用的是以c c 2 5 3 0 为核心的无线通讯模块。如图1 1 所示为带有传感器 的工业无线终端节点设备，终端设备直接与工业现场设备进行数据交互，终端设备 采用有线供电和电池供电两种方式。 图1 1 带传感器的终端节点 如图1 2 所示为分别为带有r j 4 5 网络接口的系统管理器节点和带有u s b 接口的 系统管理器节点，两种接口都可使系统管理器与主机应用进程进行高效的通讯，方 便了用户对系统的监控。 图1 2 各种接口的系统管理节点 1 3 2 软件环境 i a re m b e d d e dw o r k b e n c h - - - 下载调试软件 i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 开发平台是瑞典i a r 公司开发的基于最新c c + + 编译 和调试技术的综合开发平台。该平台是一套完整的集成开发环境，可以完成创建工程、 编辑文件、编译、汇编、连接和调试应用程序的所有工作；同一个工作空间可放多 个工程；可针对单个源文件，一组源文件或者全部源文件进行配置；提供工程模板， 支持5 1 内核；提供a n s i 标准c 编译器、i s o a n s ic 和嵌入式c 抖库；支持包括 w i g g l e rj t a g 接口等多种j t a g ；提供了多种代码优化方式。t a g 生成的目标代码分 为调试版本( d e b u g ) 和发行版本( r e l e a s e ) 两种。其q b d e b u g 目标代码的地址定义在 s r a m 中，将被下载到s r a m 中执行；r e l e a s e 标代码的地址定义在f l a s h 中，最终 3 鬻，-钿摇雷-飘尉r，卜，栅强善疆懑鹱 重庆邮电大学硕士论文 大部分在f l a s h 中执行。在程序编译之前需要根据模板编写d e b u g x e l 和r e l e a s e x e l 这 两个内存分配文件。 p a c k e ts n i f f e rf o rc c 2 5 3 d 无线协议分析软件 p a c k e ts n i f f e r 协议分析软件是一款由t i 公司免费提供的用于分析基于 i e e e 8 0 2 1 5 4 技术的无线数据包的协议分析软件，可用于实时监控无线数据包，从 分析软件可以较直接分析 a m a c 层到a p s 层无线数据包。 1 4 论文的主要研究内容与结构安排 本文共分为六章，以下是各章的介绍： 第一章，绪论，介绍了课题背景、课题研究意义及软硬件平台。 第二章，对工业无线网络i s a l 0 0 1la 协议栈、w i a - p a 协议栈和w i r e l e s s h a r t 协议 栈结构进行了分析，论述各种工业无线网络的网络结构，以及协议栈中各层与整个 协议栈的关系，介绍了系统管理的结构与基本功能。 第三章，对在线升级技术进行了概述，研究了无线传感器网络的常用在线升级 技术，总结了i s a l 0 0 1 1 a 规范为支持在线升级所提供的相关支持，并其中的关键技 术进行详细叙述 第四章，对在线升级的总体架构进行了规划，研究在线升级涉及的主要内容， 并对参数更新和固件升级的实现机制进行了设计。主要对在线升级涉及的几种关键 技术进行详细设计：首先，分析c c 2 5 3 0 芯片的闪存存储特性，根据在线升级的需要 确定数据分区存储的方法并对闪存读写、擦除的方法进行了程序设计；其次，设计 了参数更新的机制，对a t 命令、数据查找与保存、预配置服务进行了程序设计；最 后对固件升级机制给出设计方案，主要对数据分块传输、软件升级、升级可靠性等 进行了设计与实现。 第五章，对上述几种关键技术的设计实现情况进行t a d 试与验证，并对验证结 果进行了分析 第六章，总结，对全文做一个概要性的总结，并对下一步的工作做了简要说明。 1 5 本章小结 本章首先介绍在线升级的研究背景，详细说明研究工业无线网络中在线升级的 目的和意义，然后归纳了本文的主要研究内容和结构 4 第二章工业无线技术 第二章工业无线技术 2 1 工业无线技术简介 工业无线技术是继现场总线之后，工业控制领域的又一个热点技术，是降低工 业测控系统成本、提高工业测控系统应用范围的革命性技术，也是未来几年工业自 动化产品新的增长点。 工业无线技术是2 1 世纪新兴、面向设备间短程、低速率信息交互的无线通信技 术，适合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通 信等技术特征，是对现有无线技术在工业应用方向上的功能扩展和技术创新，并将 最终转化为新的无线技术标准，是从新兴的无线传感器网络技术中发展演变而来的。 无线传感器网络技术具有应用特异化的特点，针对军事、医疗、智能家居等不同应 用领域，工业无线技术则是为满足工业应用中高可靠性、低能耗、硬实时性等特殊。 需求而产生的。 基于工业无线技术的测控系统，与传统的有线测控系统相比，具有以下优势： ( 1 ) 低成本：在传统的有线系统中，布线的成本是3 0 - , 1 0 0 美元米，在一些恶劣 ， 环境下，可达到2 0 0 0 美元，米测控系统运行期间需要不断检测系统状态，发现错 误，更换电缆。使用工业无线技术将使测控系统的安装与维护成本降低9 0 ，是 实现低成本测控系统的关键 ( 2 ) 高可靠、易维护：在有线系统中，绝大部分系统故障是由电缆的连接接器件 损坏而引发的，其维护复杂度高且费用多，使用无线技术将彻底杜绝此类错误的发 生。 ( 3 ) 高灵活、易使用：使用无线技术后，现场设备摆脱了电缆的束缚，从而增 加了现场仪表和被控设备的可移动性、网络结构的灵活性以及工程应用的多样性， 用户可以根据工业应用需求的变化快速、灵活、方便、低成本地重构测控系统。 利用基于工业无线技术的测控系统，人们可以以较低的投资和使用成本实现对 工业全流程的“泛在感知，获取传统上由于成本原因无法在线监测的重要工业过 程参数，并以此为基础实施优化控制，来达到提高产品质量和节能降耗的目标。 美国能源部( d o e ) 在2 0 0 4 年发布的“未来工业计划0 0 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至f j 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技术的发展方向，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 2 3 1 。 5 重庆邮电大学硕士论文 2 2 工业无线协议 大部分工业无线协议，例如无线删、i s a l 0 0 1 l a t 别、w i a - p a ( w i r e l e s s n e t w o r kf 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 ) 6 等，都只规定t m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 层以上各层，在物理层和m a c 层，都采用的是i e e e 8 0 2 1 5 4 协议，其 原因在于：i e e e 8 0 2 1 5 4 的短程无线通信技术以其数据传输安全可靠、组网简易灵 活、设备成本低、电池寿命长等优势，在工业控制领域中展现了深厚的发展潜力， 已经逐渐成为工业无线测控系统首选通信方式。 在物理层，i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了2 4 g h z 和8 6 8 9 1 5 m h z 两个物理层标准【9 】，它们 都采用t d s s s ( d i r e c ts e x l u e n e es p r e a ds p e 咖m ，直接序列扩频) 。2 4 0 m i t 段为全 球统一的无需申请的i s m 频段，有助于设备的推广和生产成本的降低，2 4 g h z 物理 层通过采用高阶调制技术能够提供2 5 0 k b p s 的传输速率，能够获得更高的吞吐量、更 小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。 i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 层支持多种l l c ( l l c ：l o g i e a ll i n kc o n t r 0 1 ) 标准，通过 s s c s ( s e r v i c e s p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b l a y e r ，业务相关的会聚子层) 协议承载 i e e e 8 0 2 2 类型的l l c 标准，同时也允许其他l l c 标准直接使用i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 层的服务。i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 协议包括以下功能：设备间无线链路的建立、维护 和结束：确认模式的帧传送与接收；信道接入控制；帧校验；预留时隙管理；广播 信息管理。m a c 子层通过两个服务访问点( s a p ：s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) 与高层联系。通 过m a c 公共部分子层s a p ( m c p s s a p ) 访问m a c 数据服务，用m a c 层管理实体 s a p ( m l m e s a p ) 访问m a c 管理服务，这两个服务为网络层和物理层提供接口灵 活的m a c 帧结构适应不同的应用及网络拓扑的需要，同时也保证协议的简洁性f 刀。 2 2 1i s a l 0 0 1 l a 协议 o i s a i0 0 1 la 概述 5 1 i s a l 0 0 1 1 a 是由i s a l 0 0 无线工作组定义的标准，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。i s a l 0 0 1 l a 为低数据传输率 的无线连通设备定义了o s i 堆栈、系统管理、网关和安全规范。i s a l 0 0 1 l a 的研究 焦点定位于周期性监测和过程控制的性能需求，这些周期性的监测和过程控制只能 容许大约l o o m s 的延时；还定位于低功耗设备。i s a l 0 0 1 1 a 系统提供了现场设备的无 线基础结构、与旧设备的接口、应用程序、安全与系统管理需求，其中应用程序、 安全与系统管理需求的功能是可升级的 i s a l 0 0 特点如下： ( 1 ) 各层次之间的相互独立性：i s a l 0 0 1 1a 允许不同的层次进行独立修改，比如， 6 第二章工业无线技术 定义了一个新的物理屋，可以将其加入到协议中，标准的其他部分受到最小的影响； ( 2 ) 设备的可交换性：来自于不同厂商的具有相同结构和功能，并符合 i s a l 0 0 1 1 a 标准的设备之间是可交换的。i s a l 0 0 1 1 a 规定了一组所有设备都支持的 必需功能和一组少数设备支持的可选功能。设备执行的任何一个可选功能都能够被 设置成无效，这样就使所有的设备具有相容性和互通性。 ( 3 ) 世界范围的适应性：i s a l 0 0 1 1 a 标准旨在支持所有世界主要领域的已建立标 准。i s a l 0 0 1 1 a 设备必须能够支持具体领域的规定，不能执行那些会阻止它在该领 域操作的特性，i s a l 0 0 1l 标准提供了一些可选项使设备用于未指定领域。 ( 室) i s a l0 0 1 1a 网络结构 i s a l 0 0 11 a 规范根据不同应用程序支持大部分的网络拓扑结构，如：星形、m e s h 、 s t a r - m e s h 混合结构等。i s a l 0 0 1 l a 定义的设备类型包括：现场设备和基础设施设备， 每一个设备具有特定的逻辑角色，包括系统管理器、网关、主干路由、系统时间源、 非路由设备等。一个典型的i s a l 0 0 1 l a 网络结构如图2 1 ，终端设备包括各种现场设 备( 例如：传感器，阀门，执行器等等) ，路由设备包括支持网络基础结构功能的骨 干设备。 工 厂 网 络 图2 1i s a l 0 0 1 l a 网络结构 i s a l 0 0 1 1 a 协议栈结构 i s a1 0 0 11 a 协议栈由物理层、媒体访问控制层、数据链路层、网络层、传输层、 表示层、应用支持子层、用户应用进程和设备管理应用进程组成【1 1 。i s a1 0 0 1 1 a 协 7 重庆邮电大学硕士论文 议栈是一个性能完备、各层功能强大、扩展性能良好、易于与其他协议互联的协议 栈，如图2 2 ： 图2 2i s a l 0 0 1 1 a 协议栈结构 其中各层的功能如下： 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) ：这一层采用8 0 2 1 5 4 的物理层，负责传送比特流，它从 第二层m a c 层接收数据帧，并将帧的结构和内容串行发送即每次发送一个比特，然 后这些数据流被传输给接收端的m a c 层重新组合成数据帧。 媒体访问控制( m a c ) 子层：这层采用采用8 0 2 1 5 4 的m a c 层，负责数据成帧、 帧检测、介质访问和差错控制，并实现载波侦听的冲突检测重发机制。 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) ：主要功能是实现i s a1 0 0 1l ad l l ( d a t al i n kl a y e r ) 子网内的通信、地址表管理、子网路由、设备调度，调频，子网信息校验等功能。 其中i s a1 0 0 11 a 支持三种工作模式：( 1 ) 时隙跳频；( 2 ) 慢跳频：( 3 ) 混合跳频，即时 隙跳频和慢跳频相协同。 网络层( n e t w o r kl a y e r ) ：负责骨干网的路由功能。这一层本身没有任何错误检测 8 第二章工业无线技术 和修正机制，因此，网络层必须依赖于端端之间的由数据链路层提供的可靠传输服 i 务，另外，网络层还具有网络地址的转换、分片重组等功能。 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) ：支持u d p c o s e td a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 协议，为了实现设备 与其他网络的统一编址和网络的互通，传输层支持口地址为p 版本6 即口v 6 。 应用支持子层( a p p l i c a t i o ns u b - l a y e r ) ：它不包含任何用户应用，只在应用和网络 服务间提供接口，即给用户应用进程和设备管理进程提供各种服务，i s a1 0 0 1 1 a 中 共有7 种服务，分别为读服务、写服务、发布服务、执行服务、隧道服务、报警服务、 报警接收服务。 设备管理应用进程d m a p ( d o v i c em a n a g e m e n ta p p l i c a t i o np r o c e s s ) 与用户应用进 程u a p ( u s 盯a p p l i c a t i o np r o c e s s ) ：设备管理应用进程可以看成是一个特殊的具有管 理功能的u a p ，u a p 主要是根据用户的需要运行在设备中的具有特定功能的程序， d m a p 的功能就是完成整个协议栈中各层的管理工作网 2 2 2w i a p a 协议一 w i a - p a 概述 w l a - - p a l 6 1 是基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的、用于工业过程测量、监视与控制的无 线网络系统。它是为了满足我国工业需求而推出的具有自主知识产权的技术，是面 一 向设备间短程、低速率信息交互的无线通信标准，由于使用了扩频通信、多跳通信、 m e s h 网络等技术，具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通信等技术特征，适合 部署在恶劣的工业现场环境和人不宜到达的区域。工业无线网络w i a - p a 标准是由 。 中国工业无线联盟推出的具有自主知识产权的技术体系，目前已形成了国家标准草 案，并正在成为与w i r e l e s sh a r t 、i s a l 0 0 1 l a 并列的主流工业无线技术体系。 与国外同类技术相比w i a - p a 的主要技术特征有以下几点： ( 1 ) 现场设备构成s t a r 网络和路由设备构成m e , s h l 雨l 络形成s t a r - m e s h 两层拓扑结 构，分层的组织模式对网络拓扑的维护更加灵活、快速； 。 ( 2 ) t d m a c s m a 混合接人模式，支持周期性和非周期性通信负载； ( 3 ) 多种措施结合保证通信可靠性：t d m a 、自适应的跳频模式、自动重传机制、 m c s h 路由、设备冗余、支持网内报文聚合，有效地降低了网络开销、延长电池寿命； ( 3 ) w i a - p a 网络的物理层和链路层基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，兼容无线h a r t 标 准，很容易升级传统仪表，为其增添无线通信功能； ( 4 ) m e s h 结构中采用集中式管理，s t a r 结构中采用分布式管理，用户可以方便地 使用、管理，无需较高的专业知识。 ( 窑) w i a - p a 网络结构 w i a - p a 采用星型和网状结合的两层网络拓扑结构，第一层是网状结构，由网关 9 重庆邮电大学硕士论文 及路由设备构成；第二层是星型结构，由路由设备及现场设备或手持设备构成。标 准共定义了7 种逻辑设备：网关、冗余网关、网络管理者、安全管理者、簇首、冗余 簇首、簇成员。网络的物理结构如图2 3 所示： 冗余簇酋 自手持蝴员 答 簇成员 图2 3 网络逻辑结构 w l a p a 协议栈结构 w i a - p a 网络的协议栈结构遵循i s o o s l 的层次结构，但只定义了数据链路层、 网络层、应用层【刀其中，数据链路层主要完成子网的通信，包括子网发现、时隙 控制、调频、子网安全等技术网络层主要的功能是网络的路由、寻址、长数据帧 的分段重组等。在应用子层，真持三种通信模式即c l i e n t - s a - v c r 模式、 p u b l i s h e r - s u b s c r i b e r 模式、s o u r c e s i n k 模式。设备管理进程中包含了设备管理、网络 管理、安全管理、网络管理代理、安全管理代理等功能【6 】，如图2 4 。 1 0 第二章工业无线技术 竺! 竺三竺三二：二二二二】 图2 4w l a - p a 协议栈结构 2 2 ；3 咖e s s h a r t 标准 w i r e l e s s h a r t 概述 4 1 无线h a r t 是一种专门为过程自动化应用设计的无线网格型网络通信协议。它 采用工作于2 4 g h z i s m 射频频段，具有安全、稳健的网格拓扑联网技术，将所有 信息统统打包在一个数据包内，通过与i e e e s 0 2 1 5 4 兼容的直序扩频d s s s 和跳频 技术f h s s 进行数据传送：无线h a r t 的架构是按以下原则设计的，即易于使用、 可靠、以及与无线传感网格型协议相兼容。它强制规定所有的兼容设备必须支持可 互操作性，这就是说不同制造厂提供的无线h a r t 仪表和设备，无需进行系统操作 就能实现互换，即连即用。再者，无线h a r t 要向后兼容h a r t 的核心技术，诸如 h a r t 的命令结构和设备描述语言d d l ，所有的h a r t 设备( 例如网管、网关、现 场设备等等) 都应支持d d l 。 无线h a r t 的特点如下： ( 1 ) 可靠性：通过网状网络、跳频技术和时钟同步通信等技术，在干扰的情况下 也能保证可靠性，确保了无线h a r t 与其他无线网络的共存。 ( 2 ) 安全性：无线h a r t 通过加密、校验、密码管理、认证等各种安全措施保证 网络和数据时刻处于保护状态。 一 重庆邮电大学硕士论文 ( 3 ) 供电特性：无线h a r t 允许用户和设备设计者根据自己需要选择供电模式。 w i r e l e s s h m ) 网络结构 标准的无线h a r t ( w i r e l e s s h a r t ) 架构是属于网格状的拓朴结构，主要构成包 括： 连接过程或工厂设备的无线现场装置 实现现场装置与上位主应用程序通信的网关，主应用程序则与高速骨干网或其 他现有工厂级网络连接。 负责网络配置、设备间通信调度、报文路由管理和网络状态诊断的一个网络管 理器。这个网络管理器可以集成到网关、主应用程序或过程自动化控制器当中。 无线h ar t 适配器，以便将现有的h ar t 设备接入无线h a r t 网络。 无线h a r t 手持设备，以便就近接入相邻的无线h a r t 设备 值得注意的是，在无线h a r t 网络中，网关仅承担现场无线h ar t 仪表与主应 用系统之间的通信，它既支持一个或多个接入点，又和其接入点都包括在每个无线 h ar t 网络中；另外也支持冗余网关的结构。网络管理器负责网络的组态、无线 h a r t 网络设备之间的通信调度、路径表的管理和无线h a r t 网络健康状况的报告。 这特点与许多无线短程网规定的网关又承担网络的组态有显著的不同，较好地解 决了工业控制系统要求以冗余机制获取可靠传输的要求 w i r e l e s s h a r t 协议栈结构 h a r t 是主从式协议，按i s o o s l 7 层模型的规定，其协议栈架构如图2 5 所示【4 】： 图2 5w i r e l e s s h a r t 协议栈结构 1 2 第二章工业无线技术 2 3 工业无线技术应用领域 通过监控生产过程中物料及设备的状态来优化生产过程，提高作业效率，降低 故障发生率是工业界增加产量及降低消耗、减少污染排放的一项关键措施。目前， 在工业界广泛应用的生产过程监控系统可分为3 种【8 】，即： 对位置非常分散的生产站点和设施进行远程监控的s c a d a ( s u p c r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，数据采集与监视控制) 系统，如油气开采行业的油井及管 道监测系统。这些油井和输送管道可以分布在几百、甚至几千平方公里的范围内。 s c a d a 系统级应用针对s q 心a 系统中监控终端分布散远的特点，利用工业无 线技术具有的低成本、中短距离通信的特点，可以实现分散监控装置间的相互通信 和组网，利用网络完成监测数据的收集和汇总后，再通过高带宽和高功率的远程无 线通信设备把数据传送到油田监控中心。这种利用工业无线通信装置替换现有 s c a d a 系统中的大功率数传电台等传统通信装置的方法，可以减少高成本通信设 备的使用数量，实现对油田的低成本大范围监控 謦- 。 典型的应用范例是墨西哥油气公司管道泄漏监测系统。墨西哥油气公司具有 6 0 0 多公里长的油气输送管道，这些管道由于自然腐蚀及人为的打孔盗窃等原因， 会发生破损，引发油气泄漏并造成巨大的物料损失、环境污染和安全威胁墨西哥一 油气公司由于监测中成本的限制，却一直没有实现对这些管道进行全面的实时监测。 v m o m t o r 公司在2 0 0 7 年利用工业无线技术实现了低成本的管道监测系统。这一系统 利用墨西哥油气公司原有的基于u h f ( u m ah i g hf r e q u e n c y ) 通信的通信网作为骨干 网，并以短距离电池供电的无线仪表构成底层网络底层网络内多个仪表问可以多 跳通信，监控数据通过网关汇总后再利用原有s c a d a 系统内的u i - i f 远距离通信设备 传送到监控中心p j 。 ( 2 ) 对位置相对集中的生产装置的生产过程进行监控的d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ，集散控制系统) 系统，如化工、水泥等行业中的工厂自动控制系统。这些 系统可以拥有几百个到几十万个i o 测控点，测控点分布范围可达数平方公里。 传统d c s 系统的使用中存在两方面问题：一方面是由于有些d c s 系统投产较早， 只能传输模拟的4 - - 2 0 m a 信号，而由于生产作业环节的扩展和改进，现场已经使用 了很多智能仪表，如h a r t 仪表。这些仪表不仅仅能够采集温度、压力等过程参数， 并利用6 - , 2 0 m a 信号进行传输，其内部还收集和保存关于仪表自身性能及其所在的 生产过程的大量非常有价值的数据信息，而这些信息却因无法通过模拟线路进行传 输而不能被监控系统利用；另一方面，无论是早期的只能传输模拟信号的d c s 系统， 还是先进的基于现场总线技