（检测技术与自动化装置专业论文）工业无线网络实时通信的研究与开发.pdf

浙江大学硕 学位论文 丁业无线网络丈时通信的研究与开发 摘要 近年来 随着有线网络的逐渐成熟和广泛应用 其在一些特殊环境中所遇到 的问题和局限性愈加突出 越来越多的人们开始转向无线网络的研究 以作为有 线网络无法布设情况下的一种替代 在工业控制领域 由于应用现场环境复杂 二些有线介质通常会受到如高温 高湿 腐蚀等凶素的影响而不宜布设 无线网络弥补了这一缺点 为全l p 工业 时代的来临打下了基础 虽然互联网在实际生活中已经深入到每家每户 但将其应用于工业并不是一 件容易的事 首要的即是信息的实时性传输问题 这是网络进入工业领域的主要 障碍 在以太网方面 已提出了一些实时的通信模型 通过高效的时钟同步和实 时调度算法 基本解决了网络传输的不确定性 因此 无线网络所面对并亟待解 决的仍是这一难题 本文详细分析了无线技术特性 结合工业控制领域的特点提出了几个应用的 关键性问题 并比较了现有几个无线网络协议的优劣势 最终确定了基于i e e e 8 0 2 1 5 4m a c p h y 的网络模型 开发了硬件驱动和软件平台 并进行了一系列 实验验证了其可行性 在上述研究成果的基础上研究和开发工业无线网络的实时通信平台 将时钟 同步和确定性通信调度作为研究重点 依据对工业无线网络应用的理解 取现有 研究成果之长 设计开发了独具特色的基于层次的无线网络同步算法和通信调度 算法 同时提出了本地时钟自校正同步方法 解决了网络节点本地时钟频率漂移 问题 所有算法均在自主开发的实物节点上进行了实验 结果基本满足了工业网 络实时通信的需求 关键词 无线网络 工业控制 实时性 时钟同步 通信调度 浙江大学硕十学位论文 丁业无线网络实时通信的研究与开发 a b s t r a c t r e c e n t l y a st h eg r a d u a l l ym a t u r ea n de x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fw i r e d n e t w o r k s t h e p r o b l e m sa n dt h e l i m i t a t i o n si te n c o u n t e r e di ns o m es p e c i a lc i r c u m s t a n c e sa r e s t a n d i n go u t m o r ea n dm o r ep e o p l ea r et u r n i n gt ot h er e s e a r c ho f w i r e l e s sn e t w o r k s t h a tw i i lb et h es u b s t i t u t e so fw i r e dn e t w o r k st h a tw o u l dn o tb ea v a i l a b l ei ns o m e c i r c u m s t a n c e s i nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r o l a st h ec o m p l e xe n v i r o n m e n to ft h es c e n e s o m e w i r e d m e d i u mw i l ln o r m a l l yb ea f f a c t e db ys o m ef a c t o r ss u c ha sh i g ht e m p e r a t u r e s h i g hh u m i d i t y c o r r o s i o na n ds h o u l dn o tb el a i d w i r e l e s sn e t w o r k sm a k eu pf o rt h i s s h o r t c o m i n ga n dh a si a i dab a s i sf o rt h ea d v e n to f t h ea 1 1 i pi n d u s t r i a la g e a l t h o u g ht h ei n t e r n e ti nr e d il i f eh a sb e e nt or e a c he v e r yh o u s e h o l d b u tb e i n ga p p l i e d t oi n d u s t r yi sn o ta ne a s yt a s k t h ef i r s tp r o b l e mi st h er e a l t i m et r a n s m i s s i o no f i n f o r m a t i o n w h i c hi st h em a i no b s t a c l eo f p u t t i n gt h en e t w o r ki n t ot h ei n d u s t r i a ia r e a i ne t h e m e t t h e r eh a v eb e e nan u m b e ro fr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o nm o d e l t h r o u g ht h e e f f i c i e n tr e a l t i m ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o na n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mt h eu n c e r t a i n t yo f n e t w o r k sh a sb e e nb a s i c a l l ys o l v e d t h e r e f o r e w h a tw i r e l e s sn e t w o r k sa r ef a c i n ga n d t h eu r g e n tn e e d e dt ob es o l v e di ss t i i lt h i sp r o b l e m n i s 嘲p e ra n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s st e c h n o l o g y c o m b i n e dw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n d u s t r i a lc o n t r o la r e aa n dp r o p o s e saf e wo fk e yi s s u c s b y c o m p a r i n gs e v e r a la d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ee x i s t i n gw i r e l e s sn e t w o r k i t f i n a l i z e dt h en e t w o r km o d e lb a s e do nt h el e e e8 0 2 15 4m a c p h ya n da l s o d e v e l o p e dt h eh a r d w a r ed r i v e r sa n ds o f t w a r ep l a t f o r m s a n dc o n d u c t e das e r i e so f e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no f i t sf e a s i b i l i t y o nt h eb a s i so ft h er e s u l t sw er e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dt h ei n d u s t r i a lw i r e l e s s n e t w o r k sr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o np l a t f o r ma n dt o o kc l o c ks y n c h r o n i z a t i o na n d c o m m u n i c a t i o ns c h e d u l i n ga sk e yp o i n t s a c c o r d i n gt ot h eu n d e r s t a n d i n go fw i r e l e s s n e t w o r k si ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o na n dt a k i n ga d v a n t a g e so fe x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t s w ed e s i g n e da n dd e v e l o p e dt h ew i r e l e s sn e t w o r ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h ma n dt h e c o m m u n i c a t i o na l g o r i t h mb a s e do ni e v e l s a tt h es a m et i m ep r o p o s e dt h el p e a lc l o c k s e l f c o r r e c t i n gs y n c h r o n i z a t i o nm e t h o dt os o l v et h ep r o b l e mo fi o c a in e t w o r kn o d e s c l o c kf r e q u e n c yd r i f t i n g a l la l g o r i t h m sa l ee x p e r i m e n t e do nt h ep h y s i c a ln o d e sa n d t h er e s u l t sc a nb a s i c a l l ym e e tt h en e e d so ft h ei n d u s t r i a ld e m a n df o rr e a l t i m e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k k e y w o r d s w i r e l e s sn e t w o r k s i n d u s t r i a lc o n t r o l r e a l t i m e c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n c o m m u n i c a t i o ns c h e d u l i n g 一 浙江大学硕士学位论文工业无线网络实时通信的研究与开发 第1 章绪论 无线通信已成为全球通信和i t 界共同关注的热门技术 近几年中 包括 u w b j 蓝牙 w l a n w i m a x z i g b e e 等各种无线新技术的出现 逐步使i n t e r n e t 走迸各行各业 让网络无处不在的梦想触手可及 1 1 无线技术概述 自从马克尼发明无线电报的一个多世纪以来 无线技术的发展为人类带来了 无线电 电视 移动电话和通信卫星 现在 几乎所有类型的信息都可以发送到 世界的各个角落 1 1 1 1 1 无线通信的应用 近年来 最为引人关注的无线通信技术是卫星通信 蜂窝技术和无线网络 通信卫星是上世纪6 0 年代首次发射的 那时它们仅能处理2 4 0 路语音话路 今天的通信卫星承载了大约所有语音流量的三分之一 以及国家之间所有电视信 号 现代通信卫星对所处理的信号一般都会有四分之一秒的传播延迟 新型的卫 星是运行在低地球轨道上的 因而其固有的信号延迟会较小 这类卫星已经用于 提供诸如i n t e m e t 接入这样的数据服务 蜂窝或移动电话是无线电报的现代对等技术 它提供了双发的 双向的通信 第一代无线电话使用的是模拟技术 这种设备笨重且覆盖范围是不规则的 然而 他们成功地向人们展示了移动通信的固有便捷性 现在的无线设备采用了数字技 术 与模拟网络相比 数字网络可以承载更高的信息量并提供良好的接收和安全 性 无线网络技术使商业企业能够发展广域网 w a n 城域网 m a n 和局域网 l a n 而无需电缆设备 i e e e 开发了作为无线局域网标准的8 0 2 1l 蓝牙 l u e t o o t h i 业联盟也在致力于能提供一个无缝的无线网络技术 1 1 2 无线网络的特点 无线通信是利用电磁波在空气中发送和接收数据 而无需线缆介质 它是对 有线连网方式的一种补充和扩展 使网络设备具有可移动性 能快速方便地解决 浙江大学硕十学位论文丁r 业无线网络丈时通信的研究与开发 使用有线方式不易实现的网络连通问题 与有线网络相比 无线网络具有以下优 点 1 一般在网络建设中 施工周期最长 对周边环境影响最大的就是网络布 线施工 t 程 而无线网络最大的优势就是免去网络布线的大部分工作量 一般只 要安装一个或多个接人点设备 就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络 2 在有线网络中 网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制 一旦无 线网络建成后 在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络 3 由于有线网络缺少灵活性 这就要求网络规划者尽可能地考虑未来发展 的需要 往往需要预设大量利用率较低的信息点 而一旦网络的发展超出了设计 规划 又要花费较多费用进行网络改造 而无线网络可以避免或减少以上情况的 发生 4 无线网络有多种配置方式 能够根据需要灵活选择 这样 无线网络就 适用于从只有几个用户的小型局域网到上千用户的大型网络 并且能够提供像 漫游 等有线网络无法提供的特性 1 2 工业无线网络技术 在工业控制和检测系统中主要存在三种有线通信方式 即点到点并行模拟连 接方式 现场总线和工业e t h e m e t 并行连接方式随着现场总线技术的出现已经 很少见了 现场总线技术使用一对电缆就可以为多个互连设备提供电源以及控制 和配置信息 开放式现场总线技术可以使不同制造商生产的设备在同一个系统中 实现互操作 方便采购和维护 降低了成本 工业e t h e m e t l 现场总线有很多优 势 例如价格便宜 使用方便 特别是带宽远远高于1 2 m b s 的现场总线 工业 e t h e m e t 用于工业现场的主要问题出在c s m a c d 竞争协议上 不能保证响应时间 的确定性 即实时性问题 现在通过交换机或网桥进行网络分区的方式避免了碰 撞的发生 有效地解决这一问趔2 近几年 随着人们对设备可互连性和可移动性要求的越来越高 无线系统的 使用呈指数形式增长 无线网络在工业控制和监测方面的应用也成为继工业 e t h e m e t 之后的工控领域的又一个热点技术1 3 无线网络在工业现场主要应用在 设备或环境实现物理连接困难以及技术上不允许或不希望用物理连接的场合 如 移动或旋转设备 运动节点 远距离设备管理 障碍物阻隔环境 高危环境等 以弥补有线网络的不足 未来 工业控制网络主要的存在形式应该是有线和无线的混合网络 相辅相 成 取长补短 无线网络的主要技术有基于i e e e8 0 2 1 l 的w l a n w i r e l e s sl a n 浙江大学硕士学位论文t 业无线网络实时通信的研究与开发 b l u e t o o t h z i g b e e 技术以及r f i d 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 技术 一般而言 工业监控系统对网络的数据吞吐量的要求比较低 但对在恶劣环境下数据通信的 可靠性却要求很高 例如在高温和低温 高湿度等级 剧烈振动 爆炸性气体 腐蚀性化学物质以及强电磁干扰环境里 无线网络在 t 业控制和监测方面应用主 要需要解决的技术问题是安全性 s e c u r i t y 鲁棒性 r o b u s t n e s s 故障安全运行 模式或故障降级运行模式 f a i l s a f e f a i l s o l o p e r a t i o n 干扰免疫性 i n t e r f e r e n c e i m m u n i t y 能源获取技术 p o w e ra v a i l a b i l i t y 可瓦操作性 i n t e r o p e r a b i l i t y 及人 机接口技术 i n t e r f a c e s 无线通信网络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问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 它是随着计算机网络技术 无线技术 智能传感器技术的发 展而逐渐在工业控制中得到应用 在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不 足 进一步完善工业控制网络的通信性能 在与有线网络一样能够满足工业生产 监控管理需要的前提下 无线方案将使用更低的成本 更快的速度建立了更灵活 易扩充 易管理的企业监控网络 1 2 1 基于无线传感器网络的工业无线技术 工业网络一般基于无线传感器网络 因此要以无线传感器网络作为出发点和 首要的研究对象 传感器网络综合了传感器技术 嵌入式计算技术 分布式信息处理技术和无 线通信技术 能够协作地实时监测 感知和采集各种环境或监测对象的信息 并 对其进行处理 传送到这些信息的用户 传感器网络是计算机科学技术的一个新 的研究领域 具有十分广阔的应用前景 引起了学术界和工业界的高度重视 传感器网络是由一组传感器以a dh o e 方式构成的有线或无线网络 其目的 是协作地感知 采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息 并发布给观 察者 从上述定义可以看到 传感器 感知对象和观察者是传感器网络的3 个基本 要素 有线或无线网络是传感器之间 传感器与观察者之间的通信方式 用于在 传感器与观察者之间建立通信路径 协作地感知 采集 处理 发布感知信息是 传感器网络的基本功能 一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是传感 器网络的重要特点 传感器网络中的部分或全部节点可以移动 传感器网络的拓 扑结构也会随着节点的移动而不断地动态变化 节点问以a dh o e 方式进行通信 每个节点都可以充当路由器的角色 并且每个节点都具备动态搜索 定位和恢复 连接的能力 浙江大学硕 学位论文t 业无线阿络文时通信的研究与开发 传感器由电源 感知部件 嵌入式处理器 存储器 通信部件和软件这几部 分构成 如图1 1 所示 4 j 电源为传感器提供正常工作所必需的能源 感知部件用 于感知 获取外界的信息 并将其转换为数宁信号 处理部件负责协调节点各部 分的工作 如对感知部件获取的信息进行必要的处理 保存 控制感知部件和电 源的工作模式等 通信部件负责与其他传感器或观察者的通信 软件则为传感器 提供必要的软件支持 如嵌入式操作系统 嵌入式数据库系统等 图i 1 传感器示意图 图 2 传感器网络节点结构 图1 3 给出了一个典型的传感器网络的结构 这个网络由传感器节点 接收 发送器 s i n k i n t e r n e t 或通信卫星 任务管理节点等部分构成 4 l 传感器节点散 布在指定的感知区域内 每个节点都可以收集数据 并通过 多跳 路由方式把 数据传送到s i n l s i n k 也可以用同样的方式将信息发送给各节点 s i n k 直接与 i n t e r a c t 或通信卫星相连 通过i n t e r n e t 或通信卫星实现任务管理节点 即观察者 与传感器之间的通信 浙江大学硕 学位论文 t 业无线网络丈时通信的研究与开发 s e n s o rn o d e s 图l 3 一个典型的传感器网络结构 图1 4 给出了另一种传感器网络的结构f 5 j 在这种传感器网络中 数据通过 基站转送到有线网络 网络节点分为3 类 基站节点 b a s es t a t i o nn o d e 固定节点 f i x e dn o d e 和应用节点 a p p l i c a t i o nn o d e 基站节点担任无线传感器网络和有线 网络的网关 固定节点通过多跳路由方式与基站进行数据通信 应用节点是可移 动或者固定的节点 oa p p l i c a t i o nn o d e 口 n e t w o r kn o d e 圈 b a s es t a t i o n o o r e l l n o t e d a t a b a s e 图l 一4 另一种典型的传感器网络结构 从最简单的形式来看 无线通信网络在工业现场中的应用就是用无线连接取 代导线来传输工业过程中的监视和控制信息 如液位 压力 温度 流量 开 浙江大学硕十学位论文 t 业无线网络丈时通信的研究与开发 关状态和报警信息等 这种方式可以为企业节约大量的电缆和布线成本 但无线 网络的好处远远不j 卜这些 无线网络为工厂管理提供了高度的灵活性 无线的组网方式可以快速低成本 地建立起工作现场的网络 如野外钻探的现场设备组网等 无线网络可以很容易 的根据应用的改变 对工厂的刚络进行快速重新配置和拓扑改变 无需涉及耗时 耗费的布线工作 无线网络可以实现与设备的动态数据通信 如用手持控制器 通过蓝牙端口访问现场设备 现场实现设备的配置和测试 而不用来同往返控制 室 这种由于采用无线的方式而带米的灵活性 在提高企业生产效率方面具有重 要的作用 无线网络还扩展上业网络的应用用范围 在一些工业现场 设备或环境禁止 限制使用电缆或很难使用电缆 如旋转设备 动态节点 远距离的运动设备 高 危环境设备等 有线网络很难发挥作用 而像港口 码头 邮局等地方 移动的 设备连着电缆 不便安装 磨损严重 日常维护也很麻烦 存在很多问题 使用 无线连接的方式则有效地解决了以上二个问题 使得工作人员可以在以前无法到 达的地方安装网络 获得监视 测量等操作能力 从而方便灵活地使用移动设备 无线技术使工业网络达到了它以前不可能达到的地方 1 2 2t 业无线网络应用存在的问题 无线技术按照其在工业 企业通信网络的应用层次划分 目前在管理与监控 数据传送等方面的应用比较成熟 而在工业现场控制中则面临许多的技术挑战 因为工业现场控制要求提供强大可靠的接口解决方案 以保证工业环境中至关重 要的低延迟高可靠性等要求 此外还有安全性 兼容性等问题p j 低延迟和可靠性是无线网络在工业控制现场应用时必须克服的主要障碍 与 有线技术相比较 无线信道误码率要高得多 当采取额外的措施如差错重传 冗 余校验等来保证数据的正确传输时 也就增加了更多的延迟可能性 无线技术在 网络层同样以i p 为基础 然而i p 网络在出现传输错误时或在网络阻塞阶段会丢失 数据包 t c p i p 虽然提供了数据包的传输控制以避免丢包 但是它也在数据包交 付时间上带来了极大的不确定性 上述这两个层面上的困难使得现有的无线通信 技术还无法满足工控系统中有严格时延要求的应用 如从传感器同步收集数据 在固定间隔 大多数为数十毫秒的范围 向调节器进行交付等 此外 t c p i p 并非 针对正常工作时间达9 9 9 9 9 的标准而设计 而该标准在许多运行关键任务的应 用中是硬性要求 无线技术在延迟和可靠性方面还不能真正满足工业应用的要 求 浙江大学硕十学位论文 t 业无线网络实时通信的研究与开发 无线技术要在工业现场中应用还面临安全等问题的挑战 由于无线信号通过 空问传播 容易受到窃听 j 要具备足够灵敏的无线电设备及定向天线 就可从 邻近位置窃听 企业必须采取适当的机制以保护敏感数据 无线网络应该具有足 够的抗干扰能力 使得多个无线设备能够在一起互不影响 并能够经受 丁业现场 的其他干扰源 如发动机 焊接机和工业设备等的干扰 还需要提供足够的兼容 性 支持各种工业协议 多种工业现场和办公没备 如平板电脑 传感器 并与 其他无线设备如p d a 寻呼机 对讲机和电话等共存 还应该提供一定的冗余 在设备发生故障时能够提供报警 自动覆盖 快速恢复等功能 尽管工业领域应用无线通信技术有着上述的优点 但是无线通信并不是 灵 丹妙药 它也有着自身的缺点 使其无法完全满足工业控制系统的要求 1 2 2 1 信号干扰 无论是z i g b e e 蓝牙还是无线局域网 都是利用电磁波来传输数据 与有线 介质不受外界干扰相比 无线通信技术的抗干扰能力相当地弱 因为z i g b e e 蓝牙和无线局域网设备都工作于2 4 g h z 的i s m 1 n d u s t r i a l s c i e n t i f i c m e d i c a l 频段 这一频段是免费开放的频段 工作于这一频段的无线 电产品无需申请频段许可证 所以许多无线电产品都工作于这一频段 这样就会 出现无线网络和其他无线电系统之间的相互干扰 从而导致信号传输的阻塞或在 数据发送时引发位错误 1 2 2 2 实时性 在工业控制系统中 实时性是一个重要的指标 由于工业环境的特殊性 相 对于普通的办公自动化网络 工业网络有其特殊的要求 实时响应要求高于办公 自动化网络 数据吞吐率则可以低于办公自动化网络 由于信号干扰的存在 使 得无线信号的质量受外界影响非常大 即使是一个人走过 都会对信号的质量产 生影响 信号质量无法得到保证 实时性就失去了存在的基础条件 对于工业闭环控制应用数据传输延迟应低于1 5 倍的传感器采样时间 无线 传感器网络成本很低 通常没有网络基础设施的支撑 设备间的通信需要通过多 跳接力的方式进行 保证端到端通信的确定性比较困难 1 2 2 3 时间同步 由于工业控制系统对于时间精度的高要求 工业控制系统中的大多数节点都 浙江大学硕十学位论文 t 业无线网络实时通信的研究与开发 必须在时间上达到同步 简单网络时间协议 s i m p l en e t w o r kt i m ep r o t o c o l s n t p 中的时问同步机制如下 时问同步使用单播的客户端 服务器方式 客户端根据 本地时钟记录两个时亥l j t l t 4 其中 在t l 时刻客户端向服务器发送请求分组 在t 4 时刻 客户端收到服务器返回的响应分组 服务器产生另外两个时间戳t 2 t 3 t 2 记录了服务器收到请求分组的时刻 t 3 记录了服务器发送响应分组的时 刻 客户端通过这四个数据就可以计算出时问误差和传输延迟 并根据这两个数 据调整本地的时钟 使自己和时间服务器达到同步 使用该方法来计算时间误差 是建立在这样一个假设前提基础之上的 即分组在客户端与服务器问往返的通信 延时相同 有线网络中 由于传输速率稳定 这一条件能够得到满足 而在无线 网络中 由于客户端可以根据信道的情况随时调节传输速率 因此无法保证分组 往返的通信延时相同 从而难以达到时间同步的目的 1 2 2 4 缺乏统一的工业标准 阻碍无线通信技术在工业控制系统中应用的另一个问题就是缺乏统一的工 业标准 没有统一的标准 就意味着各厂商的产品可能无法实现互通互联和互操 作 这样必然妨碍无线通信技术在工业控制系统中的发展 1 2 3 几种工业无线网络可行方案 目前在工业企业网络中得到应用的无线通信技术主要有无线局域网 w i r e l e s sl a 蓝牙技术 b l u e t o o t h 无线短程网 传感器网络 s e n s o rn e t w o r k 无线射频识别技术 r f i d 等 它们有各自不同的技术特性和应用范围 无线局域n w l a n 主要适合于有较大传输覆盖面和较大信息传输量需求 的应用 其主要标准有8 0 2 1 l 棚8 0 2 1 l b 其中8 0 2 1 l b 标准在2 4 g h z 频带 采用 直接序列扩频 d s s s 技术和补偿编码键控 c c k 调制方式 该标准可提供l 1 m b s 的数据速率 还能够根据情况的变化 在l1 m b s 5 5 m b s 2 m b s l m b s 的不 同速率之间自动切换 目前绝大部分无线网卡是基于8 0 2 1 l b 标准的 利用无线 局域网组建自动化工业网络 相比之下具有有线固定网络无法比拟的优势 无线 网络拓扑灵活 更适合工业网络 无需布线 省却施工的麻烦 覆盖范围广 从 几十米到几百米的应用都可满足 无线局域网主要应用在远程视频传输 生产设 备联网自动化 电信 光纤网络监控 医疗 实验仪器联网自动化 工必流程联网 控管 门禁 考勤管理系统 安防管理系统等领域 6 1 蓝牙技术 b l u e t o o t h 是由东芝 爱立信 i b m i n t e l 和诺基亚于1 9 9 8 年5 月共 同提出的近距离无线数字通信的技术标准 它可以取代数据电缆的短距离通信 浙江大学硕十学位论文 工业兀线网络实时通信的研究与开发 可以支持物体与物体之间的通信 其工作频段是全球开放的2 4 g h z 频段 可以 同时进行数据和语音传输 传输速率可达到1 0 m b s 使得在其范围内的各种信息 化设备都能实现无缝资源共享 蓝牙技术广泛应用于无线设备 图像处理设备 安全产品 消费娱乐 汽车产品 家用电器 医疗健身 建筑 玩具等领域 作为无线短程网的主要技术之一的z i g b e e 网络 则专门针对短距离低速率通 信需求 z i g b e e 网络具有低功耗 低时延 低成本 高可靠性 高安全性 容链 大 兼容性好等特点 成为传感器网络 s e n s o rn e t w o r k 的主要标准 z i g b e e 网络 是一个由最多到6 5 0 0 0 个无线数传模块组成的茫线数传网络平台 类似现有的移 动通信的c d m a 网或g s m 网 每一个z i g b e e l 网络数传模块类似移动网络的一个基 站 在整个网络范围内 它们之间可以进行相 瓦通信 每个网络节点问的距离可 以从标准的7 5 m 至1 扩展后的几百米 甚至几公里 另外整个z i g b e e 网络还可以与 现有的其他的各种网络连接 其典型的传输数据类型有周期性数据 如传感器数 据 间歇性数据 如照明控制 和重复性低反应时间数据 如鼠标 z i g b e e 技术广 泛应用于各种有短距离低速率通信需求的自动控制领域 如家庭与楼宇自动化 遥测遥控 汽车自动化 农业自动化和医疗护理等应用领域 无线射频识别技术 r f i d 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 是一种非接触的自 动识别技术 典型的r f i d 系统由电子标签 读写器和信息处理系统组成 完成 对被识别对象的信息采集 信息控制和处理工作 与传统的识别方式相比 r f i d 技术无需直接接触 无需光学可视 无需人工干预即可完成信息输人和处理 并 且操作快捷方便 具有防水 防磁 耐高温 使用寿命长 标签上数据存储量大 可以加密和更改等优点 可广泛应用于生产线自动监测 商品库存管理 物流 零售 售后服务等领域 1 3 本文研究内容及结构 本文重点研究对象是工业无线网络实时通信平台 将其划分为通信可靠性 时钟同步和网络分层时分通信调度等几个关键点的研究 本文总共分为五章 第一章讨论了无线取代有线作为未来通信方式的必要性和无线网络发展现 状 分析了无线网络应用于工业尚存在的一些问题 第二章详细介绍了i e e e8 0 2 1 5 4 无线短距离通信协议 并推出了作为开发实 验平台的节点 通过软硬件设计实现了其基本收发功能并进行了一系列实验 在 此基础上提出了工业无线网络适用的网络拓扑结构 第三章和第四章是本文的重点 着重解决了工业网络的两大关键问题 时钟 浙江大学顾十学位论文 t 业无线网络实时通信的研究与开发 同步和确定性通信 根据工业控制网络应用环境特点分别提出了工业无线分层网 络同步方案 基于本地时钟自校正的同步方法和基于层次自底而上的时分通信调 度算法 均进行了实际节点实验 取得了良好的效果 第五章为总结与展望 总结了本文所做的 t 作 并对今后的研究开发t 作进 行了描述和规划 浙江大学硕十学位论文丁业无线网络实时通信的研究与开发 第2 章基于i e e e8 0 2 1 5 4 无线通信网络的实现 i e e e8 0 2 1 5 4 低速率无线个人局域网络 l o w r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k l r w p a n t7 满足国际标准化组织0 s o 开放系统互连 o s 0 参考模型 主要应用于无线传感器网络中 用于对一定区域内的某种模型参数 如温度 湿 度 压力等 进行测量 并在在数目众多的微小传感器之问相互协调实现通信 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 因此十分适用于工业控制网络 领域 2 1i e e e8 0 2 1 5 4 低速无线个域网协议 i e e e8 0 2 1 5 4 协议是一种经济 高效 低数据速率 受励 图3 7 同步结果测试方案图一 同步测试网络拓扑结构为4 层树形 图3 3 主节点 参考时钟 编号为0 处 于第0 层 l 2 3 5 号节点处于第l 层 直接与主节点同步 6 7 8 9 号 节点处于第2 层 分别与第l 层节点同步 1 1 1 3 1 4 号节点处于第3 层 分 别于第2 层节点同步 表3 1 多级同步精度测试结果 节点设备编号网络拓扑中所处位置父节点编号同步精度范匿 llo一6 l u l u s 2lo一3 l u s 缶1 峪 3 l0 6 l u s 石l 吣 5lo 6 1 u s 9 2 u s 62l 1 5 3 u l u s 722一l5 3 u s 9 2 u s 823 9 2 u s 1 5 3 u s 925 1 2 2 u 争9 2 u s 1 136 21 4 u s 9 2 u s 1 338 一1 5 3 u 蚋2 u s 1 439一l8 3 u s 9 2 u s 在时钟同步功能测试的基础上 时钟同步测试上位机软件 根据时钟分组中 的序列号甄别数据所属周期 对数据进行储存 并绘制历史偏差曲线 计算出某 一设备时钟偏差偏离正常同步精度范围的异常点数以及测试期间的最大时钟偏 差 浙江大学硕 学位论文工业无线网络实时通信的研究与开发 如下列同步精度测试结果图 选取了分层树的其中具有直接父子关系的一支 为例 显示了各层的同步精度 图3 84 层树形拓扑网路同步结果图 图3 93 号节点同步结果图 图3 一1 08 号节点同步结果图 图3 1 l1 3 号节点同步结果图 4 3 浙江大学顾 学位论文 t 业无线网络丈时通信的研究与开发 3 3 本地时钟自校正同步方法 传统嘲络中时问同步算法已经有了成熟可靠的成果和广泛的应用 但是由于 电池能量和硬件资源的有限性 传统网络的同步机制并不适合工业无线网络 无线网络节点问时钟同步要求具备一定精度 并且减少同步开销 现有算法 存在问题 1 现有的时钟同步算法均未考虑剑如何解决一次同步不同节点的时钟漂移 问题 2 为保证一定的同步精度 不得不增加同步过程中交互的分组数量 不利 于无线网络节能 本同步方法的日的是在不缩短同步周期的前提下通过节点自身修正晶振漂 移值来提高本地时钟实时精度 3 3 1 时钟偏差不确定性分析 无线传感器嘲络巾的时钟同步精度会受到很多因素的影响 3 7 1 时钟偏差不 确定性主要由分组传输延迟不确定性和时钟频率不确定性引起 而后者又会影响 前者 3 3 1 1 分组传输延迟不确定性 通常的同步算法都是通过相邻的节点交换同步数据包来获取时问信息和估 算同步参数 但是由于无线通信的特点 同步数据包在传输过程中会产生不确定 的时延 3 3 蚓 分组传输时间由四部分构成 3 8 1 3 9 1 发送时间 访问时间 传播时间和接收 时间 1 传播时间是分组以电磁波的形式从发送方到接收方的传输时间 对于两 节点同步此延迟可以忽略 2 发送时间是发送方构造分组的时间 接收时间是接收方网络接i z l 从信道 接收分组的时间 这两部分造成的延迟主要受节点操作系统内核影响 由于实验 节点采用任务定时调度 所以与本地的时钟精度有关 3 访问时间是分组到达m a c 层等待发送信道空闲的时间 这个延迟具有 很大随机性 是影响分组交互对称性的主要因素 但它与本地时钟精度基本无关 设图3 l 中的两个分组发送 接收时间戳分别为t l 他 t 3 t 4 两个节 浙江大学硕 学位论文 t 业无线网络灾时通信的研究与开发 点的时钟偏差值为 分组传输延迟为6 l 6 2 则有 t 2 丁l 磊 3 5 t 4 t 3 一 嘎 3 6 由式 3 5 3 6 求出 t 2 t 1 t 4 t 3 一生垒 2 2 3 7 通过分析 前述的每一部分传输时间都造成一定的延迟 分别用8 j t t 8 r i 表示 对于大小相等的分组 两个方向上的t 和t 相等 结合式 3 7 得 尘鱼 盟 垒 z 二垒 222 3 8 如果分组发送 接收时间戳打在物理层 则发送 接收时间便不受内核任务 调度延迟影响 保证分组交互的对称性 由同步偏差计算公式可以得出在此情况 下分细传输延迟8 对偏差 的影响可以消除 3 3 1 2 时钟频率不确定性 理想情况下 各节点时钟频率相同 同步一次之后稳定运行 不会产生累积 偏差 实际情况下 由于网络节点的时钟都不是完美的 节点的本地时钟彼此之间 会在时间上漂移 所以观察到的时间或者时间间隔对于网络中的节点来说是彼此 不同的 由于不同节点晶振频率 产生时钟的信号源 的差异会造成同步后两节点 实际时钟c a t 和c b t 的漂移 由于晶振频率的稳定性 二者之间存在一定的线 性关系 c a t 一c a t o 七 巳 f 一q f o 3 9 c a t k c b t c a t o 一蝇晚 3 1 0 c a 和c b b 为每次同步过程结束后两节点的时钟实时值 k 表示节点a 相 对于节点b 的晶振漂移率 理想情况下 k 的值应该为l 但通常所使用晶振的 p p m 为1 0 1 0 0 即1 秒会产生l o l o o p s 的漂移 k 也会产生7 0 0 0 0 1 4 0 0 0 1 的偏差 图3 1 2 中实线表示同步后的两节点实际时钟的线性关系 点线表示不存在 晶振漂移的情况下两节点时钟的线性关系 设 浙江大学硕十学位论文t 业无线网络实时通信的研究与开发 步 d c 彳 如 一k c b f o 3 1 1 图 a 表示一次同步后结果曲线 图 b 表示在0 时刻和t 时刻进行了两次同 c a t d 0 c b t a n 步周期较长 c a t d b 同步周期较短 图3 1 2 同步的两节点实际时钟的线性关系 从两图均可以看出 每次同步后都会产生d 的绝对偏差 随着时间的推移 由晶振漂移造成的两节点时钟累积偏差 图中的双向箭头表示 慢慢增大 很明显 同步周期越长 下一次同步前的时钟偏差越大 本文将利用一种补偿方法减小时 钟累积偏差 提高两次同步过程之间的本地时钟精度 由式 3 1 0 可得t 时刻本地时钟与参考时钟的偏差为 c a f 一c b f 七一1 c 名o c a 乇 一后c 名 岛 3 1 2 由于晶振漂移的存在 下一次同步前时钟偏差 会随着同步周期的增大而 增大 缩短同步周期可以提高平均同步精度 但势必会增加分组数量 在无线传 感器网络中 节点问通信占节点能耗的主要部分 即使节点处于侦听状态 4 0 j 能耗也远远高于休眠状态 所以频繁的分组交互不利于节约能耗 对此 本文提 出了一种在不缩短同步周期的前提下通过节点自身修正晶振频率漂移值 4 l l 来提 高本地时钟实时精度的方法 以及一种平均时钟偏差指标对其进行评价 3 3 2 自校正原理 如前所述 节点内部时钟格式由时钟秒值和计数器的计数值 t i c k s 构成 节 点使用频率为3 2 7 6 8 h z 的晶振作为时钟源 计数器计数3 2 6 7 8 次为本地时钟的 l s 并产生一次中断 将时钟的秒值加l 时钟的最小单位 分辨率 就是计数器 浙江大学硕十学位论文丁业无线嘲络交时通信的研究与开发 的t i c k s 值 时钟同步就是使节点间对应的秒值和计数值都相等 而晶振漂移造 成不同节点计数器的计数问隔产生微小差异 使得节点本地时钟与参考时钟同步 后 随着时间推移 本地时钟计数器的计数值就会渐渐偏离参考时钟 使本已同 步的时钟不再同步 直至下一次同步过程 自校正的原理是在两次同步过程之间通过节点自身对计数器的调节来维持 本地时钟精度 本地时钟实现自校正前 为了减小其他不确定因素的干扰 先作如下假设 假设一 以参考时钟作为准确时钟 而不是以真实的物理时钟为准 假设二 同步双方分组交互对称 即双向传输延迟6 相等 排除它对时钟偏 差 的影响 假设三 一次同步过程结束后 本地时钟与参考时钟绝对同步 即c a t 0 和c b t 0 相等 并且忽略了同步分组交互过程中本地时钟相对于参考时钟的偏 移 3 3 3 自校正的实现 节点进行一次同步后 得到一个同步周期内本地时钟和参考时钟的偏差值 即两个节点计数器t i c k s 值的差值 记为 同步周期记为t 根据 和t 之问 的线性关系 求出产生一个t i c k 偏差的时问 丁一 2 丢 与时钟格式一样 tc o m p 也包含秒值和t i c k s 值 鉴于 的正负 为t c o m p 增加一个符号项s i g n s i g n 为正代表本地时钟偏快 m c u 内部定时 计数器的c c r 寄存器用于与t i c k s 值比较 将c c r 的值设 定为3 2 7 6 7 则计数器从0 计数到3 2 7 6 7 的时间对应节点时钟的l s 而由于晶振 的漂移 对于参考时钟的l s 本地时钟的实际计数次数会偏离3 2 7 6 8 次 式 3 1 3 已经得出产生1 次的计数偏差经过时间t c o m p 所以每经过t c o m p 的时间对 本地时钟进行一次补偿即可完成自校正 一个同步周期内共补偿 次 这样两 次同步过程之间本地时钟产生的计数偏差将完全消除 本地时钟的1 s 由计数器和c c r 比较寄存器共同决定 在每次补偿时刻来临 时调整c c r 寄存器设定值 即延长或缩短本地时钟下一秒的时间长度来校准时 钟 根据前面得到的tc o m p 以及 可以计算出