（检测技术与自动化装置专业论文）工业无线控制网络的节能算法研究与实现.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞邮电太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 套确 签字日期：脚年钿，阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重麽邮电太堂 有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重废邮电太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 巷椭 签字日期：抽孑年月7 谰 导师签名：乡坪 签字日期： 甜年歹月f 乙日 重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 工业自动化领域的控制网络技术从上个世纪7 0 年代开始，经历了集散控制系 统和现场总线控制系统，工业以太网系统等重要阶段。随着计算机技术、微电子 技术和信息管理技术的不断进步，无线网络技术开始渗透到工业控制的各个领域， 并迅速成为工业控制领域发展的热点之一。 但由于工业无线网络通常布设在环境恶劣、人员不易到达的地方，再加上无 线节点几乎全部采用电池供电，这样就使得更换电池成为几乎不可能的事情。所 以，如何节约能量，最大化节点和网络的生命周期，也就成为工业无线网络研究 的热点和难点。 本文的出发点和主要目标是分析工业环境中的能量消耗，研究无线控制网络 节能策略和节能算法，在基于8 0 2 1 5 4 物理层的工业无线通信协议栈中加入节能 算法，搭建适用于工业无线控制网络的节能系统。 本文在基于8 0 2 1 5 4 物理层的工业无线通信协议栈上，针对工业控制网络的 具体应用环境和技术难点，在全功能设备组网过程中，实现了功率可控的组网方 案，减少了数据碰撞的概率，节约了数据重传的能量消耗；在数据传输过程中， 根据反馈理论来调节节点的发射功率，使得全功能设备和简化功能设备都能够以 到达目的设备的最小功率等级来发送数据，减少了簇内节点的数据碰撞，节约了 节点能耗；而在应用层数据的处理上，则使节点能够根据不同的情况进入不同的 监测状态，结合休眠机制，节约了能量。另外还分别就功能实现和节能效率两个 方面对协议栈进行了测试，介绍了测试目的和测试过程，最后对测试结果进行了 分析。 通过实验结果可以看出，加入节能算法的协议栈能在一定程度上节约节点的能 量，为工业无线更加广泛的应用奠定了基础。 关键词：工业无线控制网络，功率控制，节能，8 0 2 1 5 4 ，无线通信 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t s i i l c e 19 7 0 s ，c 0 曲o ln 咖o r k m gi ni i l d u s 仃i a la u | t o m a t i o n d o m a i n ，l 脚a l 陀a d y e x p e r i e n c e di i 印o r t a 咀ts t 2 喀es u c h 觞d i s t r i b u t i o nc o n 仃o ls y s t c ma n df i e l db u sc o n 仃0 l s y s t e m ，i 1 1 d l l s l 哆e t h e m e t w i t 重l a d v a n c e m e n t so f c o m p u t e rt e c l l l l o l o g y m i c r 0 - e l e c t r 0 i l i c st e d m o l o g ya i l d 证f o r m a d o nm a n a g e m 髓tt e c l l r l 0 1 0 9 y ，t h ew i l e l e s s 咖r k t c c h n o l o g ) rb e g a i lt 0m o v et 0 坝耐a l la r e 懿o fa _ u t o m a t i cc o n 仃o ld o m a i l l 锄d q u i c h yb e c 锄1 e0 n eo fm e h o tp o i n t so f 砌u s 仃i a lc o n ：昀ld e v e l o p m e 吐a n d 、i 1 1b e 缸： n e w 掣o w mp o 血f o r i n d l 倒b r i a la u t o m a t i o np r o d u c t si i l 也e 如：t u r e h 0 w e v e r 雒 i l l d u s t r i a lw i r e l e s sn e “，o f k sa r e髑u d l yp l 跹t e di nt h e p 0 0 r e n v i r o m n i e n t ，w k 舅= ；em es t a 簋i sd i m c u l tt 0g e tn e 甜b y ，c o u p l e dw i mt h ew i r e l e s sn o d e a 佗a l m o s ta l lk 吐时p o w e r e d ，i ti si l e a r l y 脚o s s i b l et 0r e p l a c eb a 廿i 谢e s 【 h l l s ，i th 觞 b e c o m eb o tr e s e a r c ha n dd i 伍砌tp o i l l tt 0c o n s e r v ee n e 理ya n dm a x i l l l i z et ：i l e1 i f ec y c l e o f n o d e sa i l dn e r ki i li n d u s 倒甜w i r e l e s sn e t w o f k s h l 也i sp a p e r ，也e 触gp o i n t 锄dm cm a i l lo 场e 舐v ei st 0s t u d y 嘲龇dp o w 贸 c o n s u l n p t i o no fh b 砸a l 、) l ，i r e l e s sc 0 n 仃0 l 肼t 、v 0 咄晒w e n 邪e n e r j g y s 撕n gs t r a t e 西e s a n da r i m m e t i c w | ea l s ob l l i l de n e 曙y - s a v i n g 、) v i r e l e s ss y s t e mb 嬲e d0 n 廿：屺8 0 2 15 4 p h y s i c a ll a y e fa p p 蛐gt 0 廿1 ei n d u 妯a lc o n 们l 咖如砌c h 谢l lm d k e e i ：吼韵，- s a v i n gs 仃a t e g i e si nt 1 1 ew i r e l e s se r l v i 】n m e n tt 0b ea p p l i e dv e d rw e l l b a s e do nn 圮8 0 2 1 5 4p h y s i c a l l a y e ro fi n d u s t r i a l 、i r e l e s sc 0 i i 蚰u l l i c 撕o i l s p t o c o ls t a c l ( i i lr e s p o n s et 0m ei n d u s 仃i a lc o m r o ln c t w o r ks p e c i f i ca p p l i c a t i o 璐锄d t e c b n i c a ld i 】五c u l t i e s ，w em a ：k ee n e 鼍g y s a v i i l gs t r a t e g i e s 弛de n e r g yc o n s e r v a t i o n 黜 仃l j e m r o u g l lf 0 加：l i i l g 玳棚，0 】岵胁乜a n s m i s s i o n ，觚dd a t ap r o c e s s i n g w ba l s o r e s p e c t i v e l yt e s tn l ep r o t o c o ls t a c ko n 铆oa s p e c t s ，f h n c t i o i l sa c l l i e v e 玎n ta i l de n c f g y e 伍c i e n c y a sw e l l 嬲m et e s 如gp u r p o s ea n dp r o c c s si n t r o d u c e d ，r c s u l t so ft h et c s t s w c r ea n a l y z e di nt l l ee n d f r o mn l et e s t 陀s l l l t sw ec a i l g e tm ec o n c l u s i o nt l l a tb ya d d i n ge n e f g y s a v i n g 触西e sm ep r o t o c o ls t a u c kc a ne 妇e c t i v e l ye x t e n dt ：h e1 i f e c y c l eo fn o d e s ni sr e a l l yt h e l o wp o w 盯c 0 1 1 s m n p t i o na n dl l i 曲r e l i a b i l 埘谢r e l e s sc 0 删c a t i o ns y s t e i i l sf o r i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ，w k c hl a y sm o r ee x t e i l s i v cf o u n d a t i o nf o rt l l e a p p l i c a t i o ni n w i r e l e s si n d l l s t 嘎 n k | e yw o r d s ：砌谢a lw l e s sc o n 们ln e 觚。咄p o w e rc 0 n 仃o l ，e n e 唧s a v i n g ， 8 0 2 1 5 4 ，w 妇e l e s sc o m m u n i c a ：t i o n i 重庆邮电大学硕士论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ii 目录1 v 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 工业无线控制网络的产生背景1 1 3 国外工业无线的研究现状2 1 3 1z i g b e e 技术概述2 1 3 2i s a l o o 标准简介3 1 3 2 无线h a n 概述5 1 4 中国工业无线的研究现状6 1 5 工业无线控制网络节能技术的研究现状7 1 5 1 姒c 层的节能技术8 1 5 2 网络层的节能技术9 1 5 3 传输和应用层的节能技术9 1 5 4 跨层优化1 0 1 6 本文研究的内容11 1 7 本章小结11 第二章工业无线网络中的节能技术研究1 2 2 1 工业无线控制网络中的节能技术1 2 2 1 1 组网过程中的能耗分析1 3 2 1 2 数据传输过程中的能耗分析15 2 1 3 应用层的节能算法1 8 2 2 工业无线控制网络软件架构19 2 3 开发环境介绍2 1 2 3 1 硬件平台2 1 2 3 2 软件平台2 2 2 4 本章小结2 2 第三章组网过程中的节能技术2 4 3 1 组网流程概述2 4 重庆邮电大学硕士论文 目录 3 2 发射功率可调的组网方案2 6 3 3 方案实现流程2 7 3 4 功能测试3 2 3 4 1 实验环境设置3 2 3 4 2 实验结果3 2 3 4 3 数据分析及结论3 3 3 5 本章小结3 5 第四章数据传输过程中的节能算法3 6 4 1 基于反馈理论的节能算法3 8 4 2 算法实现流程3 8 4 3 效果验证3 9 4 3 1 实验数据设置3 9 4 3 2 实验结果4 0 4 3 3 数据分析及结论4 1 4 4 本章小结4 2 第五章自适应应用层数据处理算法4 3 5 1 数据处理思想概述4 3 5 2 协议栈应用层数据处理流程概述4 4 5 3 休眠机制介绍4 5 5 4 算法实现流程4 6 5 5 效果验证4 8 5 5 1 实验数据设置4 8 5 5 2 实验结果4 9 5 5 3 数据分析及结论5 0 5 6 系统展示5 0 5 7 本章小结5 1 第六章结论及未来的工作5 2 6 1 工作结论5 2 6 2 未来的工作5 2 致谢5 3 参考文献5 4 附录研究生期间主要工作成果5 6 v 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 工业自动化领域的控制网络技术从上个世纪7 0 年代开始，经历了集散控制系 统和现场总线控制系统，工业以太网系统等重要阶段。随着计算机技术、微电子 技术和信息管理技术的不断进步，无线网络技术开始渗透到自动控制的各个领域， 并迅速成为工控领域发展的热点之一，也是工业自动化产品未来新的增长点。 无线工业控制网络应用在自动控制领域是无线通信领域的一次重大进步，在全世 界范围内得到了广泛的研究，有着广阔的应用前景，特别是对工业自动控制系统 有着深远的影响。无线工业控制网络是一种节点可移动、拓扑结构高度动态变化、 没有预设的网络基础设施的无线网络。同传统网络相比，无线工业控制网络具有 节点能量、计算能力、存储空间、网络带宽和通讯能力非常有限、网络规模较大、 拓扑动态变化等特点。 在工业自动化领域，把成千上万的感应器，检测器，计算机，读卡器等设备， 通过无线技术组成通信网络，使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络 上传输、发布和共享。无线控制网络技术能够在工厂环境下，为各种现场设备以 及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结 构。在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足，进一步完善了工业控制网 络的通信性能。 1 2 工业无线控制网络的产生背景 在工业现场，某些环境禁止、限制使用电缆，或很难布设和使用电缆，还有 一些工业环境要求完全把电缆屏蔽起来以高度防止来自大多数工业设施中的机器 或其它无线电控制设备的干扰，更有一些高速旋转的设备根本无法通过电缆来传 输数据信息，工业无线通信技术的应用为解决这些问题提供了一条新的途径。 无线技术应用于工业控制领域的优势主要体现在： 成本低廉 传统的有线工业测控网络，其安装、维护、故障诊断和升级配线的成本会随 着时间逐步上升，采用无线技术以后，网络成本下降，尤其在无线的安装和维护 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 方面。 可靠性高 在有线网络中大部分的故障是由连接器引起的，而无线系统则排除了这样的 可能。此外，原材料技术的不断进步使集成无线通信系统能够满足艰苦工业环境 所要求的持久性和可靠性。 灵活性高 由于摆脱了电缆的约束，管理者可以方便的配置节点的位置来适应变化了的 用户需求，以更好地跟踪生产过程。 安全性 生产商和用户越来越关注来自工业间谍和计算机恐怖分子的威胁。随着技术 的发展和新威胁的不断出现，安全维护的升级能力是必不可少的。新的加密策略 和隐蔽的数据传送预示着无线的安全级别将超过有线系统。 正是由于以上所列的各项优势，无线技术必将很快进入工厂控制层和设备层 网络，引起工业自动化领域的深层次变革。 1 3 国外工业无线的研究现状 1 3 1zig b e e 技术概述 现在在工业环境下建立可靠的数据传输网络已成为一个迫切的需求。因此， 在工业控制环境下的短距离无线网络技术已成为近年来业界的研究热点之一，基 于b l u 鼬o o t l l ( i e e e 8 0 2 1 5 1 ) 、w i f i ( i e e e 8 0 2 1 1 ) 和z i g b e e ( i e e e 8 0 0 2 1 5 4 ) 等 协议的无线网络技术相继问世。其中8 0 2 1 5 4 短程无线网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【l j 。 2 0 0 4 年1 2 月，由8 家电气设备生产公司( e m b e r ，f r e e s c a l e ，h o n e y w e l l ， i n v e 璐y s ，m i t s u b i s l l i ，m o t i d r o l a ，p l l i l i p s 和s a m s 吼曲联合发起的z i g b e e 联盟， 在m e e 8 0 2 1 5 4 低速无线个域网协议的基础上通过了z i g b e e 标准，进而推出符合 该标准的芯片和开发平台，旨在弥补低速率无线通信市场的空缺。z i g b e e 标准包 括i e e e8 0 2 1 5 1 4 协议制定的物理( p h 层和介质访问a c ) 层标准，以及 z i g b e e 联盟制定的网络层和部分应用层标准【1 1 ，其主要特点如下： 传输速率低：z i 庐e e 通信在2 4g h z 工业、科学、医学频带( i s m ) 的最高传 输速率为2 5 0k b p s ，适用于报文吞吐量较小的通信应用场合； 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 功耗低：由于z i g b e e 通信的传输速率低，发射功率约为1 m w ，在休眠模式下， 电池寿命可长达数年： 成本低：z i g b e e 通信模块的单位成本在几美元左右，并且z i g b e e 协议是免专 利费的。 工业控制领域对通信设备有特定的要求，包括数据通信的可靠性、实时性和 同步性，控制网络的可扩展性和经济性。无线通信在数据传输过程中容易受到外 界噪声的干扰而发生衰变，为了尽可能减小或消除这些干扰，保障数据传输的可 靠性，z i g b e e 协议在各个层面上分别采用了不同的安全保障机制。在工业控制系 统中，实时性是另一项重要指标。z i g b e e 无线通信网络新增节点的典型网络参与 时间为3 0m s ，节点从休眠状态激活进入工作状态的典型时延为1 5m s ，处于工作状 态的节点的典型存取时间为1 5m s ，对于最长等待时间在1 0m s 量级以上的控制环 境，z i g b e e 技术完全可以满足实时性的要求。z i g b e e 技术的灵活性主要体现在自 身组网的可扩展性以及与其他通信设备之间的共存性。作为无线通信设备，基于 z i g b 技术的通信模块几乎无须布线，可随意摆放。无线通信网络建立之后，在 信号覆盖区域内任何一个位置都可以无缝接入网络，并且可以“漫游”。因此，z i g b e e 无线通信网络具有很强的可扩展性。同其他无线协议如b l u e t o o m ( i e e e8 0 2 1 5 1 ) 和w i f i ( i e 髓8 0 2 1 1 ) 相比，z i g b e e 协议比较简单，其设备的安装和调试无需精 通无线通信的专业人员参与，而且无论是生产线初期的设计还是后期的改造都可 以引入。由于z i g b e e 协议本身的低成本定位，引入z i g b e e 无线通信网络的成本是 比较低的。同时，基于z i g b e e 技术的设备能耗低、电池寿命长的特点，通信设备 的维护成本也比较低【2 】。 z i g b e e 无线网络技术的应用含盖了工业、民用和医疗等各个领域，包括住宅安 防系统、病房警报系统、远程抄表、p c 机外设以及工业控制网络等。z i g b e e 无线 协议不仅提供了低复杂性、缩减资源的通信解决方案，而且提供了一组标准化的规 范。对于工业控制网络而言，无线化是一个不可避免的发展趋势，有效地利用z i g b e e 无线网络技术，将会优化整个工业控制网络，从而达到提高生产力的效果【3 】。 1 3 2i s a l o o 标准简介 目前，国际上对无线通信进入工控领域的现场设备层的探索正进行得如火如 荼，一些国际上著名的自动化与仪器仪表公司都推出了各自的方案与产品。如： h o n e ”e l l 推出基于z i g b e e 无线传输协议的无线变送器x y r5 0 0 0 系列；a b b 公 司基于无线网络通讯的现场设备互联解决方案；o m r o n 推出无线连接d e v i c e n e t 现场总线主站w d 3 0 m e 和从站w d 3 0 s e ；德国s c h n dk n e c h t 公司推出的无线 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 p r o f j l b u s - d p 产品d e3 0 0 0 系列。 但是目前，将无线技术应用于工业自动化领域对现场设备进行检测和控制还 没有一个成熟的标准，然而市场、用户和设备制造商都迫切需要相关标准来规范 这方面的产品，为此，i s a ( i i l 5 饥l i n e n ts o c i e 哆o f a m 耐c a ，美国仪器仪表协会) ，专 门成立了一个由终端用户和技术提供者组成的i s a l o o 委员会，i s a l 0 0 委员会主 要任务是制定标准、提议操作规程、起草技术报告，来定义工业环境下的无线系 统相关规程和实现技术。 i s a ( b s t r u m e n ts o c i e t yo f a m 耐c a ，美国仪器仪表协会) 起初是一个美国国内 协调各个仪器仪表企业的国家性组织，后来随着仪器仪表行业的发展，它担任起 制定仪器仪表类相关标准的职责。在接下来的几年中，i s a 继续扩大它的产品和服 务，增加i s a 会议和展览的范围。i s a 理事会同意将协会名字i s a 重新定义为 i n s 饥咖e n t a t i o 玛s y s t e i n sa n d a u t o m a t i o ns o c i e t ) r ( 仪器、系统与自动化协会) 。如今， i s a 已经成为一个全球性的、领导性的、非赢利的组织，i s a 的品牌已经得到全世 界范围内的高度认可。 无线传输在工控领域涉及的重要概念有：无线系统与现有系统的共存性 ( c o e x i 啦n c e ) ，不同厂家设备的互操作性( i n _ t e r o p e a b i l 蛔) 以及系统之间的相互 协作性( i i i t 删o d d n g ) ，这些都有赖于制定能被普遍接受的无线通信协议。目前， 将无线技术应用于工业自动化领域对现场设备进行检测和控制也还没有一个成熟 的标准。而市场、用户和设备制造商都迫切需要相关标准来规范这方面的产品。 为此，i s a 专门成立了一个由终端用户和技术提供者组成的i s a l 0 0 委员会，通 过制定标准、建议操作规程、起草技术报告，来定义工业环境下的无线系统相关 规程和实现技术。为保证工业无线技术的完整性，目前i s a l 0 0 委员会成立了图1 1 所示的1 1 个研究小组，每个小组的目标是形成相关文档来帮助用户在工业无线应 用时做出正确的选择。这些工作组是制定标准的重要组成部分之一。 i s a l o o 标准希望工业无线设备以低复杂度、合理的成本和低功耗、适当的通 信数据速率去支持工业现场应用。i s a l 0 0 标准定义的工业无线设备包括：传感器、 执行器、其他自动化设备与无线工作手持设备。主要内容包括工业无线的网络构 架、共存性、健壮性、与有线现场网络的互操作性等。 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 综合组 s p l o o 1 1 a 组 共存组 1 r i 也c 组 物理层射频组 商业组 s p l 0 0 用户组 市场组 互操作性组 用户向导组 物理层网络组 r 册系统组 图1 1s p l 0 0 委员会研究小组结构 这些工作组也打算在工业工作空间中定义与其他技术和协议的互操作性与互 使用性的适合等级。工业的用户需要一个值得信任的无线技术家族，提供者需要 知道怎样构建他们的技术，系统综合者需要知道在哪里怎么样去使用它们。i s a l 0 0 则满足各种团体的需求。 i s a l o o 委员会制定标准、操作规程、技术报告等相关信息，以定义应用于自 动化和控制环境中的无线系统，将主要聚焦于0 级工业现场水平。i s a l o o 委员会 的重点是提高用于制造业或控制系统的部件或系统的可靠性、完整性和实用性。 此外，也为控制系统环境中获得和实现无线技术提供标准。委员会的指导性文件 将把精力贯注于整个生产周期( 包括设计、制造、运行的维持、可量测性或管理 制造业、控制系统) ，标准将适用于用户、系统综合者、从业者、控制系统的厂商 和买主等。委员会提供的指导性文件将会改善制造业和控制系统的性能，有助于 识别和克服弱点，减少系统降级或故障的危险。 1 3 2 无线h a r t 概述 2 0 0 7 年h a r t 基金会公布了无线h a r t 协议，无线h a r t 工作于2 4 g h zi s m 频段，采用安全稳健的网格拓扑结构。无线h a r t 通过信道跳频，使用m e e 8 0 2 1 5 4 兼容的d s s s 直接序列扩频技术，传送数据。无线h a r t 架构基于以下原 则设计：易用，可靠，与无线传感器网络协议兼容。它强制要求，兼容设备必须 支持互操作性，如不同制造商的无线h a r t 装置类型，无需系统操作即可被替换。 此外，无线h a r t 向后兼容核心h a r t 技术，比如h a r t 命令结构和设备描 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 述语言( d d l ) 。所有的h a r t 设备( 如网络管理器、网关、现场装置等) 都支持 d d l 。 传统h a r t 协议是一种支持主从通信和过程数据发布的令牌传送网络。而无 线h a r t 则额外增加了物理层i e e es t d8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 和t d m a 数据连接层。它 的完整的网络层规范，支持全无线网格网络( m e s h ) 部署。无线h a r t 支持标准 h a r t 应用层，聚焦于h a r t 所最擅长的灵巧的过程现场设备间通信。 1 4 中国工业无线的研究现状 2 0 0 6 年7 月，s p l 0 0 标准委员会面向全球征集技术提案，国内的重庆邮电大 学、沈阳自动化所、浙江大学等研究机构与h o n e y 、阳l l 、g e 、s i e m e n s 等国际著名 公司均向i s as p l 0 0 提交了自己的技术提案，并于同年1 0 月进一步提交了技术白 皮书，在s p l o o 引起广泛的关注与重视，提交的部分建议文档已列入i s as p l 0 0 a 的相关草案。 重庆邮电大学自动化学院以院长王平教授为代表，多位重庆邮电大学的老师 积极地参与美国仪器仪表协会下属的工业无线通信委员会( i s a l o o ) 的标准制定 工作，2 0 0 6 年9 月制定了重庆邮电大学的无线工业控制网络技术提案和白皮 书，并提交给了i s a l o o 委员会。鉴于我校向i s a l o o 标准委员会提交的技术白皮 书具有自身的特点，引起广泛的关注。 此外，重庆邮电大学自动化学院多次派老师出国参加i s a l o o 的标准化会议， 与到会的各个公司和机构( 包括z i g b e e 联盟、w h l e s sh a r t 联盟) 、专家、学者等 进行了广泛的技术交流，并向i s a l o o 委员会提交了：t l l ee n c 帅t i o na l g o r i t b j ：i l s 1 呦i sa u 心o r i i z c db ym ec h a g o v e n l m e n t 、s e c u r i t ) ，c o l l f i g u r a t i o n - c q u p t 、 钕h n i c a lr e 州r e m e n t sf o rm i c r o p o w 贸( s h o r td i s t a n c e ) r a d i o州p m 觚 o p e r a 缸gi l lc h i l l a 、t h cr e a l i 刎0 no fz i g b e ew i r e l e s si n d u s 仃yc o n 仃0 ls y s t e m c q u p t 等多个文档，并针对最新发布的i s a l o o 1 1 a 操作原则文档，提交3 4 条 建议和意见，其中多达2 7 条被i s a l 0 0 1 1 a 委员会完全接受并采纳。 除此之外，国内的其他一些科研单位和大学，如清华大学、中国科学院沈阳 自动化所等也己经初步开展了在工业无线网络方而的研究工作。从总体来讲，国 内关于传感器网络的研究还处于起步的阶段，但是由于无线网络是一门新兴技术， 国内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿 科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 5 工业无线控制网络节能技术的研究现状 长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。 自从b l u e t o o m 出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃 不已，但是b l u e t i d 0 也的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。 z i g b 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无 线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距 离无线连接。它依据8 0 2 1 5 4 标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通 信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传 感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。由于z i g b e e 技术的低数据 速率和通信范围较小的特点，也决定了z i g b e e 的主要应用领域包括工业控制、消 费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。 目前，无线技术在工业领域的应用主要停留在工厂管理级和远程遥测方面， 其主要的优势并未充分发挥。关键问题是因为无线通信技术应用在工业控制领域 还有一些关键技术有待解决，如安全性问题、可扩展性问题、兼容性与互操作性 问题、能耗问题、共存问题、时间同步问题、调度问题等等。 表1 - 1 功能需求分析 l 网络安全，具有针对故意攻击和人为错 误的保护能力 安全需求2 数据安全，具有保护数据的保密性、完 整性、实效性和进行数据认证的能力 1 每个控制中心最少可连接1 0 0 0 个无线 可扩展需求设备 2 系统可同时容纳多个覆盖区域重叠的 网络 1 可与现有的工厂办公网络和控制网络 共存 兼容性与互操作需求2 可与现有的控制系统互联，从用户的角 度实现控制应用的底层通信网络无关性 节能需求无线设备依靠电池供电可工作5 年 l 在一个干扰区域内，同时存在的多个 8 0 2 1 5 4 网络之间相互不干扰 共存需求2 在一个干扰区域内，同时存在的 8 0 2 1 5 4 网络与8 0 2 1 1 b 网络之间相互不 7 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 干扰 同步需求任意两个子网设备之间的同步误差不大 于o 2 5 毫秒 调度需求对实时设备完成确定性调度 1 带无线模块的智能设备要达到互相控 自动控制需求制的目的 2 无线智能设备内应具有控制算法程序 模块，以适应工业领域的需要 工业无线技术中的挑战性问题之一就是能耗问题，因为节点一般利用电池来 供电，与普通的网络设备使用电源线供电有着显著差异。而且在当前技术条件下， 电池的容量每1 0 年只能提高约2 0 左右。因此，对于无线节点来说，电池能量 是一种宝贵的资源，在电池容量技术没有取得突破性进展前，减少节点的能量消 耗是一个现实可行的途径，也是一个重要的研究课题。具体来说，研究工业无线 网络的节能问题的主要目标是在满足通信要求的前提下尽量减少无线节点的能量 消耗，延长节点和网络的寿命，提高网络的吞吐量。通常这两个目标是相辅相成、 不可分割的。 1 5 1m a c 层的节能技术 链路层节能技术主要通过m a c 协议完成，其方法是在给定发送功率条件下， 根据每个报文目的节点的距离、信道状况等条件来动态调整发射功率，以达到尽 量节省节点能耗和提高信道的空间复用度的目的。下面介绍几种m a c 协议： m e e8 0 2 1 lm a c 协议 他是无线自组织网络中m a c 层的一种事实上的标准，支持两种功率模式：活 跃模式和功率节省( p s ) 模式。但是各节点的时钟不同步问题和不准确的邻居信息问 题使整个网络被分隔为几个不相连的子网络，造成路由算法的失效，使得该协议 乃至后来对其功率控制进行改进的协议d p s m 算法、e c l m a c 协议仍然难以适 用于工业现场。 c s m a 的m a c 协议 他是基于任一节点的发送都能被其他节点听到这样的事实。但由于工业无线 网络中通信距离的限制，不是所有节点都能听到，他带来了两个问题：隐终端问 题和裸终端问题。解决的办法是采用冲突避免机制，形成冲突避免的载波侦听多 路访问( c s m a ，c a ) m a c 层协议。 p c m a 的m a c 协议 8 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 他提出了利用功率控制的多址接入的机制实现冲突避免，将开关型的固定功 率发射模型推广为功率可变的发射模型。实现这种模式的核心问题就是正确估计 传输功率可调整的范围，保证新的传输的建立既不会干扰正在进行的其他传输， 又可以尽可能地限制传输所占的区域。链路层功率控制机制不会影响网络拓扑结 构，因此也不会增加报文在转发过程中所经历的平均跳数。 1 5 2 网络层的节能技术 路由是网络层的主要功能，在路由协议中考虑节能，可以提高其有效性，这 就是节能路由。因此网络层功率控制所关心的问题是如何通过改变发射功率动态 调整网络的拓扑结构和选路，最终使全网性能得到优化【1 9 】。但是，当功率调整后， 相邻结点间的链路通、断状态可能会发生改变，这通常会导致许多路由协议发起 路由更新过程。如果功率调整次数较多，则随之产生的路由信息可能会消耗大量 网络带宽资源。r r 锄锄a ：c l 】锄等人运用图论方法，研究了网络全连通条件下的节 点最小发射功率问题，节点每一次功率调整都是在节点当前的发射功率基础上进 行的，尽量减小了路由更新所带来的额外开销，较好地解决了这一问题。 为了节省功耗，路由算法应该将功耗作为一个约束条件来选择最佳路由，同 时应将转发负载平均分配到各个节点，从而使得网络寿命和出现网络分割的时间 尽可能地延长。 下面介绍几种网络层的节能路由协议【9 】：最小总传输功率路由( m t p r ) 是从所 有可能的路由集合中选择总传输功率最小的路由；最小电池消耗路由( c r ) 是从 使用最小电池耗费量作为路由选择的出发点；最小最大电池消耗路由( m m b c r ) 则 尽量避免使用剩余电池容量较低的节点转发报文，可使网络的整体寿命延长；受 限的最大最小电池容量路由( c m m b c r ) 虽然很大程度上克服了上述3 种的缺陷， 既考虑到了总的传输功率又考虑到了网络中节点的剩余能量，但是无论使用哪种， 公平性和网络的平均寿命不可能同时满足，必须进行折衷。此外，还有 s n a r a y a n a s w 掘l y 等人提出的c o m p o w 协议，他是根据网络拓扑选择一个供网 络内所有节点共同使用的发送功率。网络内所有节点使用同一发送功率的好处是 他能保证链路的双向连通性。总之，功率路由的目标是选择这样的路径：最小化 传输分组的能耗和最大化单个节点的寿命。 1 5 3 传输和应用层的节能技术 传输层广泛采用的是专门为有线网络设计的传统的传输层协议，这些协议在 9 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 无线环境下性能明显下降。因此在工业无线网络中，无线信道的衰落、干扰、节 点移动等因素都会造成报文冲突和丢失，这将严重影响网络层的性能。因此，在 工业无线网络中要对传输层的服务进行修改以满足数据传输的需要。 应用层包含了所有的高层协议，在无线网络中，还担负起对业务分类的任务。 对于工业无线网络的应用层，可以根据节点当前的能量状况以及无线链路状况， 采用合适的压缩编码方法，或者对业务进行取舍来节能。 1 5 4 跨层优化 功率控制决定了节点信号的传输半径，直接影响到邻居发现，显然这是网络 层的问题；另一方面，功率控制决定了节点传输所需的最小传输区域，这是m a c 层的问题。到现在为止，上述所提到的功率控制与节能都侧重于对各个部分独立 的研究，缺乏相互之间的相关性。而新的研究方法如跨层优化等为更好地实现节 能提供了新的思路。 如图1 2 所示，无线网络协议设计是基于传统的分层结构的，该模式大大地简 化了网络设计，并具有很好的鲁棒性。但是该模型的严格分层摒弃协议层之间跨 层交互，而且不同协议层中存在一定的信息冗余，从而使得无线网络性能很差， 而且能量受限也迫切要求可以从各层综合地节省能量，而具有自适应性和协议栈 多层全局优化的跨层协议设计可以克服这一问题。 在图1 3 的自适应跨层协议栈中，协议栈各层不是独立设计的，而是在一种整 体协调的框架下设计，充分利用他们之间的相关性。例如链路层能调整速率、功 率和编码，以适应特定网络条件下应用的要求，m a c 层能够根据底层链路和干扰 的情况，调整时延限制和优先级等。因此在跨层协议栈中，每层的自适应机制应 基于自身参数变化进行自适应调节。 一应用层k 一 上t 跨 系 一网络层k 一 层 统 上t 自 约 一m a c 层k 一 适 束 土t 应 一链路层k 一 图1 2 分层模型图1 3 跨层模型 研究表明，跨层设计在无线网络中具有很明显的优点，能使人们广泛关心的 i o 度地提高资源使用效率，用什么样的模拟和试验来验证跨层系统的优越性等。 1 6 本文研究的内容 本文的出发点和主要目标是研究工业无线控制网络环境中的节能技术，提出 适用于工业无线控制网络的节能策略，搭建适用于工业无线控制网络的低功耗系 统，使基于功率控制和休眠技术的节能算法能够在无线环境中得到应用，能够形 成一个低功耗的工业无线控制网络，并切实形成现实生产力。 本文通过对无线通信环境、8 0 2 1 5 4 技术进行充分而深入的研究，结合8 0 2 1 5 4 协议栈，深入研究其节能策略，并在此基础上设计和实现了基于8 0 2 1 5 4 物理层 的工业无线节能通信协议栈，针对工业控制网络中所面临的组网过程中的节能问 题、数据传输过程中的节能问题、以及应用层数据的处理及休眠问题，实现了工 业无线的低功耗、自适应、可靠性功能。形成一种适合工业无线系统的解决方案， 降低了基于8 0 2 1 5 4 物理层的工业无线网络的能量消耗。 在实现基于z i g b e e 的工业无线通信协议栈的基础上，设计并实现了组网过程 中节能算法、数据传输过程中的节能算法、以及应用层数据的处理算法，从协议 的节能效率或自适应功能两个方面对协议栈进行了测试，介绍了测试目的和过程， 最后对测试结果进行了分析。 1 7 本章小结 本文首先介绍了工业网络的产生背景和国内外研究现状及其发展趋势。接着 在介绍了节能概念的基础上，分析了各层的节能特点及研究现状。并概述了本论 文的主要研究内容。 重庆邮电大学硕士论文 第二章工业无线网络中的节能技术研究 第二章工业无线网络中的节能技术研究 2 1 工业无线控制网络中的节能技术 在工业现场，为了更好的对环境进行监测控制，一般采用分簇网络，即若干 设备节点把各自采集的信息汇聚到中心节点。 囝 1 中心节点 毒 2 设备节点