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摘要 基于贝叶斯估计的工业无线网络时间 同步研究 计算机应用技术专业硕士研究生何楠 指导教师刘枫教授 摘要 工业无线网络是继现场总线之后，工业控制领域的又一个研究热点，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w i a - p a ( w 酶l e s s n e t w o r k sf o r h d u s 删a 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 ) 网络是在国家 8 6 3 项目的支持下由中科院、西南大学等1 0 余家单位共同研究开发的、具有自主知识产权的 工业无线网络 时间同步是任何分布式系统的重要组成部分，更是主要采用t d m a ( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 访问控制方法的w i a - p a 网络的一项重要支撑技术，对节点间时隙通信的成 功与否起着决定性的作用现有的无线传感器网络时间同步算法都是基于网络的广播特性来 发送时间同步分组，但是鉴于w i a p a 网络的m e s h 网络部分在一个时隙只有两个邻居节点能 够进行通信的限制，在对w i a - p a 网络实现时，这些已有的算法并不能很好的满足其时间同 步需求。 本文在深入分析f t s p 算法直接运用子w i a - p a 网络时的不足之处的基础上，针对w i a - p a 网络的簇间通信时隙均为专用时隙、一个时隙只能同时与一个邻居路由进行通信的特点，在 f t s p ( f l o o d i n gt i m es y n c h r o n i z a t i o np r o t o c 0 1 ) 算法的基础上，提出对w n p a 网络的m e s h 网络建立逻辑同步树、使f t s p 算法的同步分组沿着逻辑同步树进行传输的方法，达到了避免 大量冗余时间同步分组传输的目的，降低了花费在时间同步上的能量开销。同时，为了进一 步提高时间同步的精度，本文还把贝叶斯估计( b a y e s i a ne s t i m a t i o n ) 弓i 入到时间同步算法中，通 过使用贝叶斯估计来降低对同步分组在网络中传输延迟时间的估计误差和节点对本地时间的 测量误差，并使用贝叶斯估计优化后的时间戳数据来进行线性拟合，从而有效提高了节点间 的时间同步精度。 本文首先介绍了目前正在研究开发的三种主要工业无线网络技术、w i a - p a 网络的主要架 构和技术特征。然后介绍了节点逻辑时钟的定义j 并分析和比较了几种无线传感器网络时间 同步机制及其典型的同步算法，在此基础上提出了以f t s p 算法为基础进行改进来满足 w i a - p a 网络的时间同步需求的思想。首先，根据w i a - p a 网络的m e s h 路由设备在一个簇间 西南大学硕士学位论文 时隙中只能与一个邻居路由节点进行通信的特点，在w i a - p a 新节点加入m e s h 网络必须经由 已在网路由转发其加入请求的基础上，通过构建逻辑同步树，使f t s p 算法的时钟同步分组 只发送给在逻辑同步树中为自己的予节点的邻居路由节点，有效解决了大量无用的冗余同步 分组的传输问题，降低了网络在时间同步上的传输开销。 此外，基于同步分组在网络中传输延迟估计误差和本地时间测量误差满足正态分布这一 特点。本文结合贝叶斯估计来提高对同步分组在网络中传输延迟的估计数据和本地时间测量 数据的准确度，并使用经贝叶斯估计优化后的节点时间戳对数据来对两个节点时钟的关系进 行线性拟合，从而可以更为真实的反映两个节点时钟之间的关系，节点在获知时钟关系后， 可以在同步周期内动态调整自身时间以保证和参考节点的时间偏差维持在较小的范围内。本 文对提出的f t s p - b a y e s ( 贝叶斯) 时间同步算法使用n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o rv e r s i o n2 ) 仿真软 件进行了仿真验证，从仿真结果看，该算法解决了f t s p 算法的大量冗余同步分组传输问题， 使网络中同步分组的传输数量减少了5 0 以上。另外，相比于未采用贝叶斯估计的同步算法， 本文算法的时间同步精度提高了2 i is 左右，并且节点问的时间误差更加稳定，时间偏差的漂 移速度变慢。 最后，在作者参与w i a - p a 网络研究开发的工作过程中，为解决网络节点间的时间同步 问题，在所构建的一个w i a - p a 网络原型系统中实现了本文提出的f f s p - b a y e s 时间同步算法。 通过对网络节点间时间偏差数据的测试，表明该算法实际应用在w i a - p a 中时间精度效果优 异，网络节点间的时间偏差小于3 7i ls ：通过对网络运行状况的监测，表明该算法完全满足了 w i a - p a 网络对时间同步的需求，为网络的可靠运行提供了坚实的基础。 关键词：w i a - p a时间同步f i s p 逻辑同步树贝叶斯估计 a b s t r a c t r e se a r c ho nt i m es y n c h r o n i z a t i o no f i n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r k sb a s e do n b a y e s i a ne s t i m a t i o n m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a f o n a u t h o r ：h en a n s u p e r v i s o r ：p r o f l i uf e n g a bs t r a c t i n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r ki sa n o t h e rr e s e a r c hf o c u so fi n d u s t r i a lc o n t r o l 丘c l da f t e rt h e 五e l d b u st e c h n o l o g y , a n di ti sar e v o l u t i o n a r yt e c h n o l o g yt o1 - e d u c et h ec o s t , e x p a n da p p l i c a t i o na 陀ao f i n d u s t r i a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m s ，s oi ti san e wg r o w t hp o i n to fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n p r o d u c t si nt h en e x tf e wy e a t s w i a - p a ( w i r e l e s sn e t w o r kf o ri n & m 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 ) n e t w o r k sw i t hi 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 sa ni n d u s t r i a lw i r e l e s s n e t w o r kt e c h n o l o g yt h a tr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e db yt h ec 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 t u n i v e r s i t ya n do t h e r1 0i n s t i t u t i o n si n t h es u p p o r to fn a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a t n n es y n c h r o n i z a t i o ni sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fe v e r yd i s t r i b u t e ds y s t e m s ，8 0i t i sa n i m p o r t a n ts u p p o r tn e t w o r ks e r v i c eo fw i a - p an e t w o r k st h a tm a i n l yh a sat d m a 陋d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) a c 0 冶$ 8c o n t r o lm e t h o d , p l a y i n gt h ed e c i s i v er o l ea b o u tt h es u c c e s so ft i m e s l o t c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nn o d e s e x i s t i n gw i r e l e s ss s o rn e t w o r kt i m es y n c h r o n 协t i o na l g o r i t h m s m - ea l lb a s e d0 1 1b r o a d c a s t i n gt i m es y n c h r o n i z a t i o np a c k e t s ，b e c a u s eo ft h ew i a - p am e s hn e t w o r k p o r t i o nh a st h er e s t r i c t i o no ft h a to n l yt w on e i g h b o rn o d e sc a nc o m m u n i c a t e i no n et i m c s l o t , t h e s e e x i s t i n ga l g o r i t h m sc a nn o tw e l lm e e tt h ew i a - p an e t w o r kt i m es y n c h r o n i z a t i o nr e q u i r e m e n t s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ri nc o n n e c t i o nw i t ht h ef e a t u r eo fw i a - p an e t w o r kt h a ti n t e r - c l u s t e r ( i m e s l o t sa r ca l ld e d i c a t e dt i m e s l o t , o n l yc a l lc o m m u n i c a t ew i l ho n en e i g h b o rn o d ei no n et i m e s l o t , g i v e st h es o l u t i o nt h a ts e tu pl o g i cs y n c h r o n i z a t i o nt r e eo fm e s ho fw i a - p an e t w o r k sb a s e do i lt h e f t s p ( f i o o d i n gt i m es y n c h r o n i z a t i o np r o t o c 0 1 ) a l g o r i t h m t h e nt r a n s f e rt h et i m es y n c h r o n i z a t i o n p a c k e t sa l o n g t h el o g i cs y n c h r o n i z a t i o nt r e ea c c o m p l i s ht h ep u r p o s et h a ta v o i d i n gal a r g en u m b e ro f r e d u n d a n tp a c k e tt r a n s m i s s i o na n dr e d u c et h ec o s to fe n e r g yi nt i m es y n c h r o n i z a t i o no v e r h e a d a t t h es a m et i m e ，t of u r t h e ri m p r o v et h ea c c u r a c yo ft i m es y n c h r o n i z a t i o n , b a y e s i a ne s t i m a t i o nh a s b e e ni n t r o d u c e dt ot i m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi nt h i sa r t i c l e u s i n gb a y e s i a ne s t i m a t i o nt o r e d u c et h ee l t o ro fe s t i m a t i o nd a t ao ft r a n s m i s s i o nl a t e n c yt i m eo fs y n c h r o n i z a t i o np a c k e t si nt h e n e t w o r ka n dt h em e a s u r e m e n te r r o ro fl o c a lt i m e ，t h e nd ol i n e a rf i tu s i n go p t i m i z e dt i m e s t a m p 蛾 s ot h ep r e c i s i o no ft i m es y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nn o d e sh a so b v i o u s l yi m p r o v e d 1 i l 西南大学硕士学位论文 ! i 曼 一i i 蔓曼曼皇曼曼皇曼曼量量皇量皇曼曼量皇曼曼皇曼曼曼 t h i sp a p e rf s t l yi n l z o d u c e dt h em a i nt h r e ed i l l so fi n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g yt h a t b e i n gr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n g t h e ni n t r o d u c e dt h ed e f i n i t i o no ft h el o g i cc l o c ko fn o d e s ，a n a l y s i s a n dc o m p a r es e v e r a lw i r e l e s ss e 】i s o rn e t w o r kt i m es y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s ma n dt h et y p i c a l s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s o n t h i s b a s i s ，p r o p o s e dt h et h i n k i n g o ft h a tm e e tt h et i m e s y n c h r o n i z a t i o nr e q u i r e m e n t so fw i a - p an e t w o r k st h r o u g hi m p r o v i n gf r s pa l g o r i t h m f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i a - p an e t w o r k st h a tm e s hr o u t e rd e v i c eo n l yc a nc o m m u n i c a t e w i t ho n en e i g h b o rr o u t e rn o d ei no n ei n t e r - c l u s t e rt i m e s l o t ，b u i l du pt h el o g i cs y n c h r o n i z a t i o nl x e eo f m e s hn e t w o r ko nt h eb a s i so f t h a tam e s hn o d ei sn e e d e dt of o r w a r dt h ea d d i n gr e q u e s t sw h e nan e w n o d ew a n tj o i nt h em e s ho fw i a - p an e t w o r k s ，a n ds y n c h r o n i z a t i o np a c k e t sa 托o n l ys e n tt ot h e n e i g h b o rr o u t e rn o d c sw h i c ha r et h ec h i l d r e nn o d e si nt h el o g i c a ls y n c h r o n i z a t i o nt r e e ，s os o l u t e e f f e c t i v e l yt h ep r o b l e mt h a tt h et r a n s m i s s i o no fal o to fu s e l e s sr e d u n d a n ts y n c h r o n i z a t i o np a c k e t s ， r e d u c e st h ec o s t so f t r a n s m i s s i o no v e r h e a di nt i m es y n c h r o n i z a t i o n i na d d i t i o n , b e c a u s eo ft h ef e a t u r eo ft h a tt h ec 力屯l fo ft r a n s m i s s i o nd e l a ye s t i m a t i o no f s y n c h r o n i z a t i o np a c k e t sa n dm e a s u r e m e n te r r o ro fl o c a lt i m eo fn o d e sm e e t st h en o r m a ld i s t r i b u t i o n , t h ep a p e ri m p r o v e st h ea c c u r a c yo fm m s m i s s i o n & l a ye s t i m a t i o nd a mo fs y n c h r o n i z a t i o np a c k e 缸 a n dm e a s u r e m e n td a t ao fl o c a l 妇o fn o d e st h r o u g hu s i n gb a y e s i a ne s t i nt h ea l g o r i t h m a f t e rc a l c u l a t i n gt h el i n e a rr e g r e s s i o no fr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et w on o d e sc l o c ku s i n go p t i m i z 蜘 t i m e s t a m pd a t a , s ot h el i n e a rf i tm a yr e f l e c tam o r er e a l i s t i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt w on o d e sc l o c l 脚l e a r n i n go ft h er e l a t i o n s h i po fc l o c kb e t w e e nt h en o d e s ，o n en o d ec a na d j u s ti t sl o c a lt i m e d y n a m i c a l l yd u r i n gt h es y n c h r o n i z a t i o np e r i o dt oa 勰t h a tt h et i m ed e v i a t i o nb e t w e e nl o c a lt i m e a n dt h er e f e r e n c en o d et i m ew i t h i nas m a l lr a n g e t h i sp a p e rs i m u l a t e dt h ep r o p o s e df t s p - b a y e s t i m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mu s i n gn s 2s i m u l a t i o ns o r w a r e v i e w i n gf i o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ， t h ea l g o r i t h ms o l v e st h ep r o b l e mt h a tt h et r a n s m i s s i o no fa l a r g en u m b e ro fr e d u n d a n t s y n c h r o n i z a t i o np a c k e t si nf t s pa l g o r i t h m , r e d u c e sb y5 0 t h en u m b e ro fs y n c h r o n i z a t i o np a c k e t s a tl e a s t , a n da l s oi i n p r o v e s2 | is t h ep r e c i s i o no ft i m es y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nn o d e s t h et i m e d e v i a t i o nb e t w e e nn o d e sm a ys t i l ls t a b l yr e m a i n e da tar e l a t i v e l ys m a l lr a n g e f i n a l l y , t h ea u t h o rt a k e sp a r ti nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mo fw i a - p an e t w o r k s t o s o l v et h ep r o b l e mt h a tt h et i m es y n c h r o n i z a t i o na m o n gn e t w o r kn o d e s ，t h et i m es y n c h r o n i z a t i o n a l g o r i t h mf t s p - b a y e sw h i c hp r o p o s e db yt h i sp a p e rh a sa p p l i e di na 嘲0 必n e t w o r kp r o t o t y p e s y s t e mt h a tb u i l tu p n 坞t e s td a t ao ft i m ed e v i a t i o no fb e t w e e nn e t w o r kn o d e ss h o w st h a tt h e a l g o r i t h mh a sao u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c ei nt h et i m ep r e c i s i o nw h e na p p l i e di nw i a - p an e t w o r k , 衅 t i m ed e v i a t i o nb e t w e e nt h en e t w o r kn o d e si sl e s st h a n3 7 p s t h r o u g ht h em o n i t o r i n go fn e t w o r k o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，i ts h o w st h a tt h ea l g o r i t h mc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f t n n es y n c h r o n i z a t i o n o fw i a - p an e t w o r k ，p r o v i d i n gas o l i df o u n d a t i o nf o rt h er e l i a b l eo p e r a t i o no ft h en e t w o r k k e yw o r d s ：w i a - p at i m es y n c h r o n i z a t i o nf t s pl o g i cs y n c h r o n i z a t i o nt r e e b a y e s i a ne s t i m a t i o n i v 独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中引用他人已经发表或出舨过的研究成果，文中已加了 标注。 学位论文作者：5 易东幻 签字日期： 矽f 口年岁月羽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、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。本人授权西南大学研究生部可以将学位论文的 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，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 学位论文作者签名： 哆肃幻导师签名：已卅椭 ， i 签字日期：矿p 年f 月拶日签字日期：年 月日 第1 章引言 1 1 研究背景 第1 章引言 微机电系统m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ) 的迅速发展奠定了设计和实现片 上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的基础：不同类型传感器的相继推出和性能的提高为不同监控 应用奠定了基础；低功耗、高可靠性的无线通信技术的发展以及移动通信技术和i n t e r n e t 技术 的融合为设备间的通信奠定了基础。无线传感器网络作为以上多种高新技术融合的产物已经 成为计算机科学和网络通信科学中一个活跃的研究分支，被认为是对2 l 世纪产生巨大影响力 的技术之一f ，也是我国十一五期间重点开展的研究领域之一 无线传感器网络能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环 境或监测对象的信息，这些信息通过无线的方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用 户终端。因此，实现了对某一区域多个监测点的信息采集、分布处理、网络总体信息的融合 和数据的远程传输等功能，增强了在边远位置、危险位置或难以接触的位置进行自动化检测 的畿力1 例如：在交通领域可以作为车辆监控和跟踪的有力工具：在工业自动化生产中， 无线传感器组成的监控系统将改善工厂的运作条件，降低维护和操作成本。 这种基于无线技术的网络化智能传感器，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。无线通讯技术能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机 器人以及各种自动化设备之间的通信提供高可靠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制3 1 因 此，与其它应用领域( 军事、商业、医疗等) 相比，无线传感器网络非常适合于工业领域应用。 微传感概念及节点的无线连接使其在工业测控领域具有很高的理论和现实意义 时钟同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制，无线传感器网络的许多应 用和关键技术都离不开时钟同步传感器数据融合、传感器自身定位、传感器节点通常需要 协调操作共同完成一项复杂的传感任务等都要求网络中所有节点的时间保持同步【4 】。而由无线 传感器网络发展而来的工业无线网络由于是应用在对人身及财产安全有极大影响的工厂环境 中，因此工业无线网络对网络可靠性提出了更高的要求。而时间同步作为分布式系统正常工 作的一个关键机制，其对工业无线网络可靠性的高低起着决定性的作用。随着各国学者近几 年来的不懈努力，研究者们针对不同的环境要求下的无线传感器网络的时间同步问题提出了 各种各样的解决方案，在相应的条件下很多都能达到较好的效果，但真正应用的还很少，而 且一般条件限制都很严格，针对具体工业环境下无线网络的时间同步算法更是难觅踪影。因 此该领域还有待研究提出更好更可靠的方法，以求解决好工业无线网络中的时间同步问题， 使之有益于工业无线网络快速发展。 1 2 工业无线网络的研究现状 1 2 1 t 业无线技术 西南大学硕士学位论文 作为未来几年工业自动化产品新的经济增长点，工业无线技术是工业控制领域继现场总 线之后的又一个热点技术，也是提高工业测控系统的应用范围、降低工业测控系统成本的革 命性技术。 工业无线技术起源于本世纪初，它是一种面向设备间信息交互的低速率、短程无线通信 技术，是无线传感器网络在工业应用方面的拓展和提升。工业无线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 5 , 0 3 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，具有以下一些优势： ( 1 ) 低成本。在传统的有线系统中，布线的成本是每米3 0 1 0 0 美元，在一些恶劣环境 下，可达到每米2 0 0 0 美元。并且在测控系统运行期间需要不断检测线缆的老化状态并及时更 换电缆。而如果使用工业无线技术的话，由于无需线缆将使测控系统的安装与维护成本降低 9 0 1 5 1 。 ( 2 ) 高可靠、易维护。在有线系统中。有很大一部分的系统故障是由于电缆的连接器件 损坏而造成的，所以有线系统的维护费用高、维护难度大。而使用无线技术将彻底杜绝此类 故障的发生，并且极大的降低了系统维护开销。 ( 3 ) 高灵活。使用无线技术后，由于摆脱了电缆的束缚，从而增加了现场仪表与被控设 备的可移动性、网络结构的灵活性，用户可以根据工业应用需求的变化，快速、灵活、方便、 地重新设置现场仪表的位置、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”，获取由于成本原因传统有线测控系统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弼。 美国能源部( d e p a r t m e n to f e n e r g y , d o e ) 在2 0 0 4 年发布的“未来工业计划”( i n d u s t r i e so f t h ef u t u r e , 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 7 , s l ，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网。 1 2 2 工业无线网络的技术标准 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 一个高速的发展阶段，并且当前的市场需求非常旺盛。而美国o n w o r l d 技术市场分析机构对 工业无线技术市场调研结果显示，当前的各种工业无线技术缺乏统一的国际标准是用户暂时 难以广泛接受工业无线技术的主要障碍。针对这一问题，一些国际大公司和区域组织开始积 极推进工业无线技术的标准化进程，并取得了一些重要成果。 1 2 2 1 w 曲l e s sh a r t 标准 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) 通信基金会从 2 0 0 4 年起，宣布开始割定无线h a r t 协议。作为h a r t 现场通信协议第7 舨h a r t7 0 的核 心部分 9 1 。与所有符合h a r t 协议的仪表和设备一样，无线h a r t 通信技术保证支持产品的 互操作性，向后兼容现有的h a r t 设备和应用，与有线h a r t 仪表无缝连接。从一开始，就 2 第1 章引言 有s i e m e n s 、a b b 、e m e r s o n 等世界众多的过程控制供应商加入到h c f ( h 射盯c o m m u n i c a t i o n f o u n d a t i o n ) 的无线工作组中。2 0 0 7 年6 月，历经近3 年的努力，无线h a r t 的规范和通信协 议正式通过审核1 6 l 。 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 zi s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ；r o dm e d i c a l ) 射频频段、具有安全、稳健的网格拓扑联 网技术，通过与i e e e8 0 2 1 5 4 兼容的d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，直序扩频) 和 f h s s ( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c m n n ，跳频技术) 进行数据传送f 5 1 。基于可靠、易于使 用、与无线传感器网格型协议相兼容的原则面设计的无线h a r t 技术强制性地规定所有昀兼 容设备必须支持可互操作性。这就是说，在无需进行系统操作的前提下，不同设备商制造的 无线h a r t 仪表和设备就能实现互换，即连即用。另外，无线h a r t 要向后兼容以前版本的 h a r t 协议的核心技术，诸如h a r t 的设备描述语言d d l ( d e v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 和 命令结构等。所有的h a r t 设备( 例如网关、网络管理器、现场设备等等) 都应支持设备描 述语言【5 l q 。 无线h a r t 协议具有的网络要素主要有：无线h a k r 网络管理器、无线h a r t 网关、无 线h a r t 现场设备和无线h a r t 手持设备另外，现有的h 鲥盯设备通过连接无线h a k f 适 配器便可以接入无线h a r t 爵络i n t 2 1 在无线h a r t 两络中，网关支持冗余网关的结构一它， 只承担无线h a r t 现场仪表与主控制系统之间的通信。不同于很多其他无线短程控制网规定 由网关来负责网络的组态，在无线h a r t 网络中由网络管理器负责网络的组态、路由表的管 理、网络健康状况的动态监测和在网无线h a r t 设备的通信调度，这样就可以通过冗余机制 来满足工业控制系统可靠传输的要求。图1 1 完整表现了无线h a r t 的网络结构【i 孤 适配器 图1 1 无线h a r t 的网络结构 来源于美国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 , - 一2 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 t 12 1 ，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。 1 2 2 2 i s a l o o 标准 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标准s p l 0 0 ( s t a n d a r d s & 3 西南大学硕士学位论文 p r a c t i c e ) 委员会。启动了工业无线技术的标准化进程即制定i s a1 0 0 标准s p l 0 0 委员会工作 的主要目的包括：研究工业环境的人员间自由、自组织通信系统，设计适用于工业自动化的 无线网络，定义现场人员与设备间的临时通信，并实现上述技术内容的标准化。经过一段时 间的标准制定工作，目前取得的主要成果包捌习： 2 0 0 5 年，s p l 0 0 委员会将工业现场可能的应用进行了划分，共分成了6 判】，即：0 类， 安全停车控制；1 类，闭环调节控制：2 类，闭环监督控制：3 类，开环控制( 由人工控制) ； 4 类，标记产生短期操作结果：5 类，记录和下载上载，并在这6 类应用的基础上制定了工业 无线系统的功能需求【1 4 1 。 2 0 0 6 年7 月，s p l 0 0 委员会面向全球征集技术提案，包括我国中科院沈阳自动化所、重 庆邮电大学在内的全球2 0 余家企业和科研机构提交了技术提案。同年，s p l 0 0 委员会成立了 新的s p l 0 0 1 l a 工作组，在技术提案的基础上，选择过程控制应用作为技术研究的突破口，力 争率先推出一个面向过程控制应用的工业无线技术子标准。2 0 0 8 年1 0 月，s p l 0 0 委员会首先 发布了i s as p l 0 0 1 l a 无线网络标准草案【5 】。 与无线h a r t 类似，s p l 0 0 1 l a 也是采用无线m e s h 网络通信协议，采用与i e e e 8 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 完成物理层和数据链路层的数据传送。s p l 0 0 1 l 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1 - 2 所示【l 研。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 a s 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 u o la n di n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 、f o u o a t i o nf i e l d b u s 等多个 协议【5 1 。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 l a 的互连、互操作技术方案。 4 第1 章引言 图1 2s p l 0 0 1 l a 网络结构 1 2 2 3 工业无线网络( w 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 , w i a ) 标准 2 0 0 7 年，中国科学院沈阳自动化研究所牵头，联合机械工业仪器仪表综合技术经济研究 所、浙江大学、北京科技大学、重庆邮电大学、大连理工大学、西南大学、东北大学等十余 家单位成立了中国工业无线联盟。着手制定工业无线网络w i a 体系标准【1 7 m 。 w i a 标准追求以下的目标【l q ： 网络性能的高可靠、高稳定。 低成本的实现方式，可以在现有的商业器件上实现。 低成本的工业无线监控系统，并且易于使用和维护 1 2 2 3 1 w i a 标准体系 5 西南大学硕士学位论文 图1 3 w 队标准体系 1 )用于过程自动化的w i a 系统结构与通信规范【1 6 lw i a - p a w i a p a 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。 w i a - p a 规范是针对抗干扰和低功耗等方面的需