（电路与系统专业论文）无线hart网络管理器的实现及其关键技术研究.pdf

浙江大学硕士论文摘要 摘要 互联网为我们提供快捷的通信平台 极大方便了人们的信息交流 而无线传 感器网络扩展了人们的信息获取能力 把我们所处的客观世界与网络连接在一 起 为人们提供最为直接 有效和真实的信息 工业无线网络是由无线传感网络 发展而来 具有成本低 抗干扰强 功耗低 灵活性强 扩展性强等特点 成为 当前的一大研究热点 工业领域内的无线网络通信协议有h a r t 7 1 i s a l 0 0 和 中国的w i a p a 其中 由有线h a r t 协议发展而来的无线h a r t 协议 由于它 的安全性和高可靠性等特点 在工业控制领域有着非常广阔的应用前景 网络管理器作为无线h a r t 网络的中枢 其合理的设计是网络高效运行的保 证 而路由算法和通信资源调度策略是网络管理器的两个关键技术 其优劣直接 影响了网络的性能 本文主要研究无线h a r t 的网络管理器及其两个关键技术一 一路由算法和通信资源调度策略 完成的主要工作由 1 详细介绍了网络管理 器的基本任务 给出了一个网络管理器的实现方案的总体框架设计 逐一对框架 中的模块进行详细介绍和分析 并用代码实现 2 详细分析了无线h a r t 网络 及其路由方式的特点 针对其特点 并从实际应用出发 引入双树拓扑结构 提 出了一种基于该双树结构的路由算法 3 详细分析了无线h a r t 网络及其通信 资源调度的特点 针对其特点 并从实际应用出发 提出了一种基于双树结构的 调度策略 该策略在网络拓扑发生变化时 根据双树结构搜索变化区域 仅针对 该变化区域进行调度 而不影响双树结构中其他未发生变化的区域 从而避免对 全局网络进行调度以减小网络通信资源调度和维护的复杂性 此外 本文以c c 2 4 3 0 通信模块为实验平台 对网络管理器的软件实现 路 由算法和资源调度算法分别进行测试 测试结果表明 网络管理器能够完成网络 初始化 节点的加入和离开等基本功能 路由算法虽然简化了g r a p h 路由 但其 可靠性仍然较高 却减小了路由存储和维护的开销 并很好的支持节点逐个加入 和离开 而在本文提出的调度策略下 网络可靠性较高 网络的维护简单有效 因此 本文为无线h a r t 的路由算法和资源调度算法提出了一种良好的方案 i i 浙江大学硕士论文 摘要 综上所述 本文的研究工作从实际应用出发 给出具体实现方案 并综合理 论分析和实验测试两个方面 验证方案有效性 为无线h a r t 协议应用及无线传 感器网络的发展做出了一定的贡献 关键词 无线h a r t 路由算法 资源调度 网络管理器 l i i 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei n t e r n e t p r o v i d e s u se f f i c i e n tc o m m u n i c a t i o np l a t f o r m w h i c hg r e a t l y f a c i l i t a t e st h ee x c h a n g eo fi n f o r m a t i o nf o rp e o p l e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ke x t e n d s p e o p l e sa b i l i t yo fo b t a i n i n gi n f o r m a t i o n a n dc o n n e c t st h eo b j e c t i v ew o r l da n dt h e n e t w o r kt o g e t h e r p r o v i d i n gp e o p l et h em o s td i r e c t e f f e c t i v ea n dr e a li n f o r 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 ki sd e v e l o p e db yw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k w h i c hh a st h e a d v a n t a g e so fl o wc o s t s t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c e l o wp o w e rc o n s u m p t i o n s t r o n g f l e x i b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y b e c o m i n go n eo fr e s e a r c hh o ts p o t s i nt h ef i e l do f i n d u s t r i a lw i r e l e s sn e t w o r k h a r t 7 1 i s a10 0a n dw i a p ai nc h i n aa r et h ec o m m o n c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s w h e r e i n t h ew i r e l e s s h a r t w h i c hi sd e v e l o p e db yh a r t h a sav e r yb r o a dp r o s p e c ti ni n d u s t r i a lc o n t r o la p p l i c a t i o n b e c a u s eo fi t ss a f e t ya n d l l i g hr e l i a b i l i t ye t c n e t w o r km a n a g e r t h e c e n t e r o ft h ew i r e l e s s h a r tn e t w o r k i t sr e a s o n a b l e d e s i g ne n s u r e st h ee f f i c i e n to p e r a t i o no fn e t w o r k t h er o u t i n ga l g o r i t h ma n dt h e c o m m u n i c a t i o nr e s o u r c es c h e d u l i n gs t r a t e g ya r et w ok e yt e c h n o l o g i e so fn e t w o r k m a n a g e r w h i c hd i r e c t l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r k t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e s t h en e t w o r km a n a g e ro fw i r e l e s s h a r ta n di t st w ok e yt e c h n o l o g i e s t h er o u t i n g a l g o r i t h ma n dt h ec o m m u n i c a t i o nr e s o u r c es c h e d u l i n gs t r a t e g y t h em a j o rw o r ko f t h e p a p e ri sf o l l o w e db y 1 t h ep a p e rd e t a i li n t r o d u c e dt h eb a s i ct a s ko ft h en e t w o r km a n a g e m e n t a n d g i v e sad e s i g n i n gf r a m ef o r t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h en e t w o r km a n a g e r e v e r ym o d u l e i nt h ef r a m ei si n t r o d u c e di nd e t a i la n di m p l e m e n t e db yc l a n g u a g e 2 t h ep a p e rg i v e sad e t a i l e da n a l y s i so ft h ew i r e l e s s h a r tn e t w o r ka n di t s f e a t u r e so fr o u t i n g 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 r e l e s s h a r tn e t w o r k a n da s ap r a c t i c a lm a t t e r t h ed o u b l e t r e et o p o l o g yi si n t r o d u c e di n t o a n dar o u t i n ga l g o r i t h m i sp r o p o s e db a s e do nt h et r e es t r u c t u r e 3 t h ep a p e rg i v e sad e t a i l e da n a l y s i so ft h ew i r e l e s s h a r tn e t w o r ka n di t s f e a t u r e so fs c h e d u l i n g 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 r e l e s s h a r tn e t w o r k a n d a sap r a c t i c a lm a b e lac o m m u n i c a t i o nr e s o u r c es c h e d u l i n gs t r a t e g yi sp r o p o s e db a s e d i v 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t o nt h ed o u b l e t r e eg t m c n l r e i nt h es t r a t e g y t h eg l o b a ln e t w o r ks c h e d u l i n gi sn o t i n v o l v e d w h i c hc o n s e q u e n t l yr e d u c e st h ec o m p l e x i t yo ft h es c h e d u l i n ga n d t h e m a i n t e n a n c eo fc o m m u n i c a t i o nr e s o u r c e s i na d d i t i o n a l la r et e s t e do nt h ec c 2 4 3 0c o m m u n i c a t i o nm o d u l e s t h er e s u l t s s h o wt h a tt h en e t w o r km a n a g e rc a l l p r o v i d et h e b a s i cf u n c t i o n sf o rn e t w o r k i n i t i a l i z a t i o n n o d ej o i n i n ga n dl e a v i n ga n do t h e r s i ti sa l s ot e s t i f i e dt h a tt h er o u t i n g a n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h ma c h i e v el o w e rc o m p l e x i t yb u te n s u r eh i g hr e l i a b i l i t y s u mu p a sap r a c t i c a lm a t t e r t h ep a p e rp r o p o s e sa ni m p l e m e n t a t i o nf o rn e t w o r k m a n a g e r a n dv e r i f i e st h es c h e m ei n t e g r a t i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a l t e s t t h u st h ep a p e rm a k e sc e r t a i nc o n t r i b u t i o n sf o ra p p l i c a t i o n so fw i r e l e s s h a r ta n d t h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k k e y w o r d s w i r e l e s s h a r t r o u t i n ga l g o r i t h m r e s o u r c es c h e d u l i n g n e t w o r k m a n a g e r v 浙江大学硕士论文 致谢 致谢 转眼间 两年半的研究生学习生活就将结束 本科阶段教会了如何学习 而 研究生阶段则教会了我如何解决问题 在不断的碰到问题和解决问题的过程中 我的能力得到了很大的提高 因此 我要衷心的感谢我的导师 董利达副教授 在攻读硕士研究生期间 董老师为我的研究工作创造了非常好的环境和平台 在生活 学习和为人处事方 面遇到困难时 给了我很多的帮助和指导 使我获益良多 在完成本论文的研究 过程中 从论文的最初选题到研究工作的落实 从研究方向的确定到研究领域的 深入 董老师都投入了心血与汗水 我永远也不会忘记您的求是精神 务实态度 严谨作风和创新理念 这将会指引我在今后的工作和生活中继续前进 感谢电子电路与信息系统研究所其它老师 你们对我的研究工作也给了很大 和大的帮助 感谢实验室的师兄师姐 师弟师妹 在研究生期间和你4 f 共同学习 共同 进步 相互帮助 这段回忆会永远留在我的心里 祝你们学业有成 前程似锦 感谢我的父母及家人 你们一直以来对我默默的关心和支持 让我有了勇气 和信心战胜一切困难 从而顺利的毕业 祝你们身体健康 永远快乐 感谢我的朋友们 你们一直陪伴着我 感谢所有在学习和生活上帮助过我 关心过我的人 黄聪 2 0 1 3 年1 月于求是园 浙江大学硕士论文第l 章绪论 1 绪论 传感器技术 微机技术 网络技术和无线通信技术的快速发展 推动了无线 传感器网络的产生和发展 无线传感器网络涉及许多学科 成为当前研究热点 1 工业无线网络是由无线传感器网络发展而来 具有成本低 抗干扰强 功耗低 灵活性强 扩展性强等特点 成为又一大研究热点 2 1 无线h a r t 网络是一种专 门为工业过程自动化应用设计的无线网状网络 3 1 它的通信协议是h a r t 现场通 信协议h a r t 7 0 的核心部分 充分吸收了h a r t 在工业过程自动化领域的经验 4 1 无线h a r t 网络是一种中心管理控制型网络 由网络管理器管理控制整个网 络 路由和调度是网络管理器的关键技术之二 其算法的好坏直接决定了网络性 能的优劣 1 1 无线传感器网络 互联网为我们提供快捷的通信平台 极大方便了人们的信息交流 而无线传 感器网络 w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 简称w s n 扩展了人们的信息获取能力 把我们所处的客观世界与网络连接在一起 为人们提供最为直接 有效和真实的 信息 上世纪7 0 年代诞生了第一代传感器网络 它将传统传感器采用点对点传 输 并连接传感控制器而形成网络 而随着科技的进步 传感器网络的综合处理 能力逐渐增强 从而发展到了第二代传感器网络 到了2 0 世纪9 0 年代末 美国 作为第一个国家开始了无线传感器网络的研究 同时现场总线技术 微机技术 无线技术等的快速发展并应用于传感器网络 无线传感器开始形成 传感器网络系统通常由传感器节点 汇聚节点和管理节点构成 传感器节点 采集现场数据 传输至汇聚节点 最后通过互联网或卫星传输到管理节点 而无 线传感器网络是由大量的这些传感器节点以自组织和多跳的方式构成 并通过无 线的方式进行数据传输 无线传感器网络具有成本低 灵活性强 扩展性强 安 装方便等特点 因此在军事国防 环境监测 危险区域远程控制等诸多领域 尤 其是在工业控制领域有着非常广阔的应用前景 l 我国也非常重视无线传感器网 络的发展 工业无线网络是由无线传感网络发展而来 能够在恶劣的工业现场环 浙江人学顺i j 论文 第l 章绪论 境下使用 在拥有无线传感器网络的特点外 还具有很强的抗干扰能力 5 与互联网相同 无线传感器网络同样需要协议栈对网络实体的通信或服务约 定规则 在目前 消费电子领域通信协议已有蓝牙 b l u et o o t h 6 z i g b e e 7 无线局域网 w i f i 等 而在工业领域内则有h a r t 7 1 i s a 美国仪表学会 1 0 0 和中国的w i a p a 未来还会有3 g 超宽频 u w b 无线u s b w i m a x 等 正是为了跟随工业无线通信技术的发展 h a r t 基金会 h c f 于2 0 0 7 年6 月正式通过了无线h a r t 的通信协议规范 1 2 无线h a r t 网络 h a r t t 8 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 可寻址远程传感器高速 通道 网络 是美国罗斯蒙特 r o s e m o u n t 公司于1 9 8 5 年推出的一种用于现场 智能仪表和控制室设备之间的网络 h a r t 技术经过1 0 多年的发展在国内外已 经非常成熟 并已成为全球智能仪表的工业标准 为了跟随工业无线通信技术的发展 h a r t 基金会 h c f 在h a r t 的基 础上 于2 0 0 7 年6 月提出了无线h a r t 网络及其协议规范 无线h a r t 网络是 一种应用于工业过程控制的无线传感器网络 而无线h a r t 协议是第一个用于 工业自动化和控制系统的开放式无线m e s h 网络通信协议 应用主机也蛰西 毯 西 网络管理器 圃 一 过程自动 控制器 图1 1 无线h a r t 网络构成阳 无线h a r t 网络的拓扑结构如图1 1 所示 一个基本的无线h a r t 网络 9 浙江大学硕士论文 第1 章绪论 由网络管理器 n e t w o r km a n a g e r 网关 g a t e w a y 网络接入点 a c c e s sp o i n t 简称a p 和现场设备 f i e l dd e v i c e 组成 1 网络管理器 整个无线h a r t 网络的 中枢 负责网络的建立 维护 和管理 它通过周期性的收集网络信息来优化和更新网络 网络管理器能够实现 从网络的初始化到网络正常运行所需的全部功能 包括网络拓扑管理 网络路由 建立 维护和回收 网络通信资源的分配和回收 此外 网络管理器还支持节点 自动加入和离开网络 网络管理器通过网关与网络中任意节点通信 通过管理命 令对网络节点进行配置从而实现对网络节点的管理和维护 2 网关 网关一方面通过网络接入点连接无线h a r t 网络 另一方面通过 一些端1 3 连接有线网络 是无线网络和有线网络的 桥梁 除此之外它还用于 连接无线h a r t 网络和网络管理器 因此所有的数据 无论是现场设备至应用 主机或网络管理器的上行数据 还是应用主机或网络管理器至无线现场节点的下 行数据 都要经过网关 所以网关总是网络拓扑图的 根 节点 也常常成为通 信的瓶颈点 3 网络接入点 用于连接无线h a r t 网络和网关 在一般情况下可认为网 络接入点是网关的一部分 但也可以看作是一个单独的设备 所有向现场设备节 点发送的下行数据都必须通过接入点发送出去 现场节点的上行数据也要通过接 入点上传至网络管理器或者应用主机 无线h a r t 支持网关连接多个接入点 本文将网络接入点当作网关的一部分 4 现场设备 一般与传感器或适配器相连 既可以作为源节点采集数据上 传 也可以作为目的节点接收应用主机或网络管理器的控制命令 每个现场设备 都是一个路由器 能转发其他节点发送的经过它的数据 5 其他 除上述四个基本设备外 无线h a r t 网络还包括了其他非必需设 备 包括网络安全管理器 手持设备 网络适配器 网络安全管理器负责网络密 钥的生成 存储和管理 通常包含于网络管理器 手持设备是一个用于人工对网 络中单个节点进行维护的设备 可以与网络节点建立一对一连接 并进行节点配 置 运行诊断 校准等操作 网络适配器是为了兼容有线h a r t 协议而定义的 设备 它用来实现无线h a r t 网络与有线h a r t 网络之间的数据交型1 0 无线h a r t 的主要特点有 浙江大学硕士论文第l 章绪论 1 冗余网状路由 无线h a r t 支持网状拓扑 网络中的每个设备节点都是路由器 都能够转 发数据包 而网状拓扑使得数据转发拥有冗余路径 即一个数据包无法通过某一 条路径转发时 它仍可以选择另外一条路径 这种跳级冗余路由使数据难以丢失 大大增强了网络的可靠性 使无线h a r t 网络具有了自愈能力 而路由的管理 由网络管理器负责 设备在网络层选择配置好的路由 网络管理器拥有整个网络 的信息 因此能够通过网络延迟 通信效率和链路可靠性等参数 为每个设备节 点选择较优的路由路径 2 跳频技术 任何外来干扰 当它的频谱落在有用信号的瞬时带宽内 并且干扰功率足够 大时 就可能对有用信号的正确接收造成影响 因此 对于处在跳频信号某瞬时 带宽内的跟踪干扰 只可能对这一瞬时有用信号的正确接收产生影响 跳频通信 技术是在现代信息对抗日益激烈的形势下迅速发展起来的 它具有很强的抗搜 索 抗截获 抗干扰能力 无线h a r t 物理层基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准 使用2 4 g h z 频段进行通信 与其他网络类似 无线h a r t 也会遇到同频段无线射频的干扰 为了解决这个问题 无线h a r t 在数据链路层采用了t d m a 技术进行介质访问 并定义了1 6 个信道在每个时隙间进行切换 通过不断切换频率来克服确定范围 的干扰和减小对其他系统的干扰 3 时间同步通信 时间同步是无线传感器网络应用的重要组成部分 节点的周期睡眠与唤醒 同步测量 数据融合 节点定位等都要求节点间的时钟保持同步 无线h a r t 协议中 时间同步技术在数据链路层中实现 无线h a r t 通过t d m a 与跳频技 术接入网络 将时间分成周期性的超帧 s u p e r f r a m e 而超帧又由若干个时隙 s l o t 构成 设备节点之间的通信在所分配的时隙中进行 且每个时隙最多仅用于一次 通信 或者接收 或者发送 或者空闲 时间同步依赖于设备节点之间的通信行 为而并非通信的数据内容 因此设备与时钟源发生的任一次通信都可实现时间同 步 而每个节点都拥有多个时钟源 时钟源是由网络管理器设定的 4 密钥验证 无线h a r t 网络密钥的验证分别在数据链路层和网络层进行 分别提供点 浙江大学硕士论文 第1 章绪论 对点和端到端之间的安全性保证 网络提供网络密钥 加入密钥 会话密钥等多 种密钥 由安全管理器管理 加密机制采用工业标准的a e s 1 2 8 加密算法 除 数据加密作用外 该机制还具有数据包完整性校验的作用 1 2 正是由于这些特点 使得无线h a r t 网络与其他的无线网络相比 有其独 特的优势 1 3 无线h a r t 网络管理器及其关键技术 无线h a r t 网络是一种集中管理控制型网络 在上节已经提及到 网络管 理器 作为无线h a r t 网络重要组成部分之一 负责管理控制整个网络 管理 控制任务包括网络设备管理 拓扑管理 路由管理和通信资源管理等 其中路由 算法和资源调度算法是其最关键的技术 路由是指路由器从一个接口上收到数据包 根据数据包的目的地址进行定向 并转发到另一个接口的过程 而通信资源是指发送和接收数据所必需的信道 时 隙等 在无线h a r t 网络中 每个现场设备都必须拥有路由功能并拥有通信资 源才能够正确地发送和接收数据 然而 作为集中管理控制型网络 无线h a r t 网络中的设备并不需要自己去获得路由和通信资源 而是由网络管理器集中管理 和控制 通过命令的方式下发到网络设备 由网络设备进行配置 网络管理器在 设备申请加入时计算路由并调度通信资源 之后周期性收集网络信息 根据网络 拓扑的变化以及链路健康的变化来调整和优化路由和资源分配 网络设备只需按 照网络管理器配置好的信息实现通信过程 因此 要使网络中数据能够正确无冲 突的传送给目的设备 网络管理器以及其路由算法和资源调度算法就显得相当的 重要 1 4 论文研究意义及现状 我国非常重视无线传感器网络的发展 工业无线网络是由无线传感网络发展 而来 工业领域无线传感器网络所面临的环境相比一般无线传感器网络更加的恶 劣 因此对可靠性的要求更高 无线h a r t 协议 作为第一个用于工业自动化 和控制系统的开放式无线m e s h 网络通信协议 以其较高的可靠性被认为具有良 好的发展情景 浙江大学硕上论文 第1 章绪论 无线h a r t 网络的良好情景 使得行业领先的商业公司如e m e r s o n s i e m e n s d u s tn e t w o r k 等都支持无线h a r t 协议及对其相关产品的研究 1 3 并 已有s m a r t m e s hi a 一5 1 0 等产品面世 然而这些公司关于无线h a r t 的相关研究 成果均作为核心技术没有公开 这就给无线h a r t 的研究和应用带来了一定的 困难 无线h a r t 网络是一种集中管理控制型网络 网络管理器是无线h a r t 网 络的核心 网络初始化 设备的管理 路由的管理以及通信资源的调度均是由网 络管理器负责的 在当前工业控制领域对无线网络的需求日益旺盛的背景下 开 展无线h a r t 网络管理器实现方案的研究更有助于加快工业无线网络的发展 对提升我国工业自动控制水平具有重要意义 因此目前国内外有许多学者对网络 管理器的实现进行了研究 并有了一些初步的结果 文献 1 4 1 采用模块化方法 交叉开发模式 增量式迭代开发方法 设计和实现了无线h a r t 网络管理器 并在工业现场得到了实际应用的良好效果 而文献1 1 5 1 也对无线h a r t 网络管理 方案进行了研究 设计了从网络组建至网络撤销的整个过程中需要进行的网络维 护任务的方案 路由和调度是网络管理器的关键技术之二 是无线h a r t 网络运行必不可 少的环节 路由算法和资源的调度结果的好坏是衡量网络性能的一个非常重要的 指标 作为一个开放式网络协议 无线h a r t 规范中提出了路由的种类和调度 的基本策略 但未给出具体的实现算法 而且目前国内外在针对无线h a r t 的 相关研究尚处于起步阶段 目前 虽然无线传感器路由协议 1 6 1 7 1 的研究已经很多 但大部分是基于分布 式网络 a o d v 协议 1 8 1 是其中最著名的之一 z i g b e e 协议规范正是采用这种路 由协议 它是按需路由协议 只有当向目的节点发送包时 源节点才在网络中发 起路由查找过程 找到相应的路由 当链路断掉 源节点需要重新发起路由查找 的过程 中心管理控制网络由网络中心进行计算 维护和配置路由 对于这种中心管 理控制网络路由算法的研究大部分都是t b r t r e e b a s e dr o u t i n g 算法 即基 于树的路由算法 例如 文献 1 9 1 提出过多的i n t r a m e s h 流会让中心r o o t 负担过大 为了减轻中心r o o t 的负担提出了r d r 算法 其中提到了如何修复路由树 文献 6 浙江大学硕士论文 第l 章绪论 2 0 1 中路由算法同样是通过构建路由树的方式 它采用孩子个数作为构建路由树 的参数考虑之一 文献 2 1 2 2 1 构建路由树的主要思想是将g r a p h 拓扑先分层 再根 据一定的规则选择双亲 这些基于路由树的路由算法得到的路由仅是一条单路径 路由 其可靠性低 9g r a p h 路由具有一定的差距 并不适合无线h a r t 网络 单径路由可靠性低 一旦路径中的某个链路断掉则不能通信 多径路由 2 3 相比 于单径路由增加了可靠性 研究者通常通过构造不相交 点不相交或边不相交 的两棵或多棵树 2 4 来获得两条或多条路径 但是获得的多条路径往往不能够保 证所有的路径长度是相等的 即不能获得多条最短路径的路由 也有少数对于无线h a r t 的g r a p h 路由算法的研究 文献 2 5 将g r a p h 路由 和a o d v 做比较 指出g r a p h 路由在吞吐量和延迟方面具有一定的优势 文献 2 6 1 提出的路由算法采用分层g r a p h 的思想 但没有涉及到节点离开及更新机制 文献 2 7 提出了一种g r a p h 路由生成算法e l h f r 和路由更新机制 根据拓扑 g r a p h 和b f s 树来构建子图 其路由更新机制是周期性的重新生成子图 这种方 法必然会产生网络的大面积变动 文章还提出了加入过程和离开过程 其加入过 程是通过构建临时路由然后再等周期更新来获得正式的路由 这会导致节点加入 过慢 文献 2 8 提出一种基于b f s 算法得到最短路径g r a p h 路由的方法 引入r s l 作为链路质量衡量标准 剔除质量较差的链路和设置每跳的邻居数上限而简化 g r a p h 路由 但其同样不支持节点逐个加入 且路由开销大 而当前国内外对无线通信资源调度策略的研究也已经取得不少的成果 如针 对w i m a x m e s h 网络 2 1 1 无线a d h o e 网络 2 9 1 无线传感器网络 3 0 1 等 还有 一些文献采用路由和调度相结合的研究方法 3 1 3 2 虽然目前针对无线h a r t 调 度策略的研究尚处于起步阶段 但是仍然有一些文献涉及其相关研究 文献1 2 6 1 提出了一种基于分层思想的调度算法 能够有效的提高网络资源的利用率 但是 文献中没有提到如何回收资源 文献 3 3 针对基于无线h a r t 标准的多跳多信道 的网络控制系统提出调度算法 能够实现环路最小化延时 但其提出的在一个时 隙内可以切换信道发送在实际中是难以实现的 而且其资源的分配没有冗余 文 献 3 4 3 5 1 对网络中的快速数据汇聚问题提出时间和信道最优的调度算法 然而只局 限于线性网络或者多线性网络 文献 3 6 提出了一种基于搜索算法和均衡思想的 动态资源分配算法 从而实现无线h a r t 网络资源分配的实时 公平 轻型等 浙江大学硕士论文 第1 章绪论 要求 该算法根据g r a p h 为每个c o n n e c t i o n 分配一个资源 但同样没有冗余 文 献 3 7 1 证明了无线h a r t 中实时传递调度问题是一个n p h a r d 问题 并提出了 b r a n c h a n d b o u n d 调度算法 但是该算法仅适用于无线h a r t 网络中的具有时间 限制的端到端传输问题 1 5 论文主要研究内容及组织结构 无线h a r t 只规定了路由方式和调度基本要求 而没有给出具体算法 本 文引入双树结构 提出了适合无线h a r t 网络的路由算法和资源调度策略 在 保证网络的可靠性的基础上 减少无用的路由路径 降低路由开销 同时也降低 了路由对于通信资源的需求 通过双树结构搜索拓扑变化的区域 仅对变化区域 进行调度以减小网络通信资源调度和维护的复杂性 此外本文还基于该路由算法 和资源调度策略 提出了一个网络管理器的实现方案 本文共分七章 文章的组织结构如下 第一章为绪论 介绍了无线传感器的发展 无线h a r t 网络构成和特点 网络管理器及其关键技术 同时也总结了国内外无线h a r t 的研究现状 第二章介绍了无线h a r t 协议规范 其中详细介绍了无线h a r t 协议中的 路由和调度的概念和运行机制 第三章为无线h a r t 网络管理器的总体设计方案 本章中给出了网络管理 器的实现框架 并对框架中的模块逐一进行分析 第四章为无线h a r t 网络管理器的软件实现 本章首先定义了网络管理器 的表单 然后给出了软件整体框架流程 并详细介绍了其中一些子流程 第五章为无线h a r t 网络路由和调度算法的研究 本章中提出一种基于双 树结构的路由算法和资源调度算法 并对算法进行分析 第六章介绍无线h a r t 网络管理器以及路由和调度算法的测试 第七章对全文所作的研究工作进行了总结 介绍了论文所取得的成果 并在 此基础上提出了需要进一步解决的问题 1 6 本章小结 无线传感器网络的快速发展已然成为当前研究热点 本章介绍了无线传感器 浙江大学硕士论文 第1 章绪论 网络的发展过程 并简单介绍了无线h a r t 网络的主要特点 然后给出了本文 的研究意义和无线h a r t 的研究现状 最后提出了本文的研究内容和组织结构 浙江大学硕士论文第2 章无线h a r t 协议 2 无线h a r t 协议 h a r t 协议 是美国罗斯蒙特 r o s e m o u n t 推出的一种用于现场智能仪表 和控制室设备之间的通信协议 早已成为全球智能仪表的工业标准 从1 9 8 5 推 出到目前将近2 0 年 其技术已相当成熟 为了更好的吸取h a r t 为过程自动化 工业服务的各种经验 h c f 在2 0 0 7 年提出无线h a r t 协议一一一种真正意义 上适用于工业领域的高可靠性无线传感器协议规范 4 1 该协议兼容于现有的 h a r t 应用 使得其无需进行任何软件升级就可以利用无线h a r t 协议 无线 h a r t 协议数据链路层采用了t d m a 时间同步技术 网络层提出了g r a p h 路由 这种能在恶劣多变的通信环境中高可靠传递数据的路由方式 同时还应用了多信 道跳频技术和跳间重传机制 使得网络的可靠性大大提高 更加的适用于环境更 为恶劣的工业环境 2 1 通信协议 通信协议 c o m m u n i c a t i o n sp r o t o c 0 1 是指双方实体完成通信或服务所必须 遵循的规则和约定 协议定义了数据单元使用的格式 信息单元应该包含的信息 与含义 连接方式 信息发送和接收的时序 从而确保网络中数据顺利地传送到 确定的地方 3 引 网络中如果没有规定通信协议 网站数据则无法识别 目前 z i g b e e 是应用最为广泛的低速短距离传输的无线网络通信协议 然而 其更多的是应用于商业领域 而在工业领域内 也有h a r t 7 1 i s a l 0 0 和w i a p a 等通信协议 值得一提的是 w 认 p a w i r e l e s si n d u s t 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 标准是以我国中国科学院沈阳自动化研究所为首制订的中国无线传 感器网络标准 并于2 0 0 8 获得了国际电工委员会 i e c 的投票通过 成为p a s 6 2 6 0 1 文件并正式发布 3 9 1 表2 1 给出了目前常用的几种无线通信协议的对比 与其他的通信协议相比 无线h a r t 协议由于高可靠性的特点 使得其在环境 更为恶劣的工业领域具有良好的情景 表2 1 常用的几种无线通信协议的对比 浙江人学硕士论文 第2 章无线h a r t 协议 2 2 无线h a r t 协议规范 2 2 1 无线h a r t 协议模型 o s l 4 0 o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t 是国际标准化组织 i s o 制定的网络模 型 这个模型把网络通信的工作分为7 层 分别是物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层和应用层 o s i7 层模型在网络通信领域具有相当重要 的地位 绝大多数通信协议的设计都是以该模型为参照标准的 无线h a r t 也 是如此 然而相对于7 层o s i 模型 无线h a r t 协议模型简略成5 层 包括物 理层 数据链路层 网络层 传输层以及应用层 其中传输层内嵌于网络层 模 型各层及相关功能与7 层o s i 模型的比较如表2 2 所示 物理层提供物理媒介连 接 传输比特流 无线h a r t 采用的是i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 标准 数据链路层介 于物理层和网络层之间 在物理层提供的服务的基础上建立数据帧 差错校验和 总线仲裁以提供点对点的可靠传输 无线h a r t 在数据链路层采用了 t d m a c s m a 时间同步技术 网络层介于数据链路层和应用层之间 它在数据 链路层提供的点对点可靠通信的基础上 通过g r a p h 路由和s o u r c e 路由实现端 到端的数据传送服务 应用层则负责解析和组织传送命令并完成一些应用 表2 2o s i7 层模型与无线h a r t 模型比较 o s i 层次功能无线h a r t 层次及说明 应用层网络服务与用户之间的接口命令组织和应用程序 表示层数据格式的转换 无 会话层连接管理服务 提供网络独立 透明的信息传递 提供可靠传输和分段传输 传输层 内嵌于网络层 网络层解析网络地址 提供端到端路由提供冗余路径 数据链路层 建立数据帧 差错校验和总线仲裁 t d m a c s m a 时间同步 物理层 提供物理连接 传输比特流 i e e e 8 0 2 15 4 2 0 0 6 标准 浙江大学硕士论文 第2 章无线h a r t 协议 1 物理层 无线h a r t 的物理层提供物理媒体连接 传输比特流 它负责网络媒介的 信号传输方式 信号强度 设备灵敏度以及传输比特环境等的定义 无线h a r t 的物理层基于i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 标准 工作于2 4 g h zi s m 频段 并支持1 6 个 信道和采用o q p s k 调制技术 数据速率可达2 5 0k b p s 4 1 1 无线h a r t 物理层 可支持的最大数据包的长度为1 2 7 字节 2 数据链路层 数据链路层介于物理层和网络层之间 主要负责控制点对点之间安全 可靠 无差错通信 4 2 1 数据链路层包括两个子层 媒介访问控制层 m a c 和逻辑链 路控制层 l l c m a c 子层采用基于时间同步的t d m a 技术来进行媒介访问控制 提供无冲 突及确定性的通信 t d m a 将时间分成一个个时隙 在无线h a r t 网络中时隙 长度为1 0 m s 网络设备在一个时隙内完成发送或者接收数据 另外m a c 子层 还引入了跳频技术 通过频率跳变提供了频率的多样性 从而降低干扰和多径衰 落效应 保证了通信的可靠性 m a c 子层正是通过t d m a 时间同步技术和跳频 技术保证网络点对点之间通信的可靠性和无冲突性 l l c 子层主要用于定义数据链路层数据帧的格式 包括设备地址 安全服 务信息以及容错和校验信息 l l c 子层将网络层的数据包形成帧格式通过物理 层传给邻居设备 或者解析物理层上传的数据帧指示给网络层 3 网络层 网络层位于数据链路层和应用层之间 其任务是实现网络中端到端之间安 全 可靠的通信 并为其他设备发送的经过自身设备的数据包提供路由 因此无 线h a r t 网络中的每个节点都是兼具数据采集和路由功能的全功能节点 无线 h a r t 网络层提供g r a p h 图表路由和s o u r c e 源路由两种路由方式 其中s o u r c e 源路由主要用于测试 而g r a p h 图表路由则为每个节点提供到达目的节点的多条 冗余路径 使得网络具备自愈合的功能 即不会因为某个网络节点离开网络而导 致数据包丢失 因此具有很高的可靠性 4 3 1 传输层内嵌于网络层 负责数据的可靠传输和数据分段传输 无线h a r t 协议的传输层既支持面向连接的可靠服务 又支持非面向连接的非可靠服务 对 浙江人学硕 i 论文第2 章无线h a r t 协议 于面向连接的可靠服务 传输层会为未收到应答的数据包进行重发 从而提高数 据传输的可靠性 4 应用层 二4 应用层是无线h a r t 协议的最高层 该层负责对网络中种类繁多的数据进 行有效的组织和解析 无线h a r t 协议的应用层通过其定义的命令 4 5 1 h a r t c o m m a n d 进行组织 这些c o m m a n d 种类繁多 分别表示不同类型的数据信息 2 2 2 无线h a r t 协议中的通信过程 无线h a r t 协议中的通信过程如图2 1 所示 该图描述的是设备a 与b 之 间的通信 首先设备a 生成h a r t 命令 然后发送传递请求 t r a n s m i t r e q u e s t 给网络层 网络层寻找路由并添加网络层信息 主要是路由信息 发送传递请求 给数据链路层 数据链路层添加数据链路层信息 主要是地址信息 根据网络 层的传递请求选择合适的邻居 搜索符合的通信资源 在某时隙下通过物理层发 送 设备b 的物理层接收到数据后 生成传递指示 t r a n s m it i n d i c a t i o n 给 数据链路层 数据链路层解析数据包中的数据链路层信息 生成传递指示给网络 层 网络层解析网络层信息 若是传给本地的数据包 则进行相应的处理后生成 传递指示给应用层 应用层获得命令信息后执行相应命令 ab 图2 1 无线h a r t 协议通信过程 浙