工業無線mesh網絡某些技術之分析

來源: www.tcwpwd.live 作者:lgg 發布時間:2013-09-23 16:29 論文字數:38120字
論文編號: sb201309231248158443 論文地區:中國 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文 論文價格: 150
本文針對工業無線mesh協議的框架、mesh網絡多路徑路由算法和MAC層的資源優化等問題進行了研究,并通過對符合工業無線mesh協議的網關、終端數據釆集節點和無線適配器的開發,搭建了符合工業

第1章緒論


無線傳感器網絡潛在應用領域很廣,可用于工業現場、環境監測、軍事偵察、醫療衛生及氣象預測等眾多領域。尤其在工業應用中,無線傳感器網絡擁有廣闊的應用前景。工業現場的無線傳感器網絡含有大量的低功耗無線傳感器節點,這些節點分散在工業現場構成數據采集系統,使得現場的數據能夠通過無線鏈路直接在網絡上傳輸、發布和共享[2〗。無線通信技術能夠在工廠環境下,為各種智能現場設備、移動機器人以及各種自動化設備之間的通信,提供所需帶寬的無線數據鏈路和靈活的網絡拓撲結構。且在一些特殊環境下有效地彌補了有線網絡的不足,完善了工業控制網絡的通信性能。


1.1無線傳感器網絡研究歷史與現狀
無線傳感器網絡最初來源于美國DARPA(Defense Advanced Research ProjectsAgency)的一個研究項目,由于當時技術條件的限制,傳感器網絡的應用只能局限于軍方的一些項目中,未能得到大范圍推廣〔3]。近年來,隨著無線通信、集成電路、傳感器以及微機電系統等技術的飛速發展,為無線傳感器網絡的實現提供了可行性,其應用前景也越來越廣,引起國內外研究機構、學者和業界的高度關注,成為研究熱點之一。無線傳感器網絡是由許多微型無線傳感器節點組成,網絡中的這些節點可以隨機或者特定地部署在目標環境中,它們之間通過特定的協議自組織起來,能夠獲取周圍環境的信息并且相互協同完成特定任務[4]。傳感器節點間以無線自組網方式進行通信,每個節點都可充當路由器的角色,并且每個節點都具備動態搜索、定位和恢復連接的能力[5]。傳感器節點將所探測到的有用信息通過初步的數據處理和信息融合之后,經多跳轉發傳送給用戶。數據傳送的過程是通過相鄰節點接力傳送的方式傳輸至匯聚節點,然后匯聚節點以衛星信道或者有線網絡連接的方式傳送給最終用戶。無線傳感器網絡體系結構如圖1.1所示。


1.1.1無線傳感器網絡的發展
到目前為止,無線傳感器網絡的發展大致經歷了以下三個階段:
1)節點的硬件開發階段(20世紀九十年代后期-2001年左右;這一時期以無線傳感器網絡中節點的硬件開發為主,主要的研究項目包括:美國加州大學伯克利分校的智能微塵節點(Smart Dust Mote)項目、PicoRadio項目[7]、無線集成網絡傳感器(WirelessIntegrated Networks Sensors, WINS)項目[8-9]、基于PC-104[w]的傳感器研究項目以及麻省理工學院的MAMPS項目111]等。
2)系統研究階段(2001年-2003年):當節點硬件模塊逐漸成型之后,研究的重點即轉向了系統方面,主要是針對微操作系統和通信協議的研究。微操作系統包括:TinyOS微操作系統[I2]、Cougar查詢處理系統和TinyDB[i4]系統。基本協議研究則包括:介質訪問控制協議和路由協議等。
3)發展和應用階段(2003年-現在):受各個產業應用前景的推動,各個國家開始投入大量人力和研發經費,無線傳感器網絡迅速成為了研究領域的熱點。這一時期的研究成果大量涌現,并且出現了較為成熟的產品。目前主要的傳感器網絡技術有IEEE802.15.1的藍牙技術,IEEE 802.15.4[19]基礎上的ZigBee技術規范,無線HART成員公司Dust Network的TSMP(Time Synchronization Mesh Protocol)協議,美國儀器儀表協會制定的ISAlOO.lla標準[21],國內自主研發的WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)協議以及一些第三方廠商幵發的基于ffiEE 802.15.4的協議。鑒于該技術潛在的巨大商機,各大公司對無線傳感器網絡的相關產品進行了大力的推廣,如TI公司、Emerson公司等。


第2章工業無線mesh協議


當今全球化的競爭環境要求生產企業在提高產品性能的同時,還必須不斷降低成本,因此現有的許多工業生產過程的監控早已突破了單回路控制與監視的功能。隨著計算機技術、網絡技術和工業綜合自動化系統整合水平的發展,加之許多大型企業地域分布廣泛、業務分工復雜,往往在現場設有一個或多個控制中心以及布置大量的現場數據采集節點。這些釆集點因分布范圍廣,需要通過有效的通信手段來實現它們與中心控制單元間的數據交互,進而實現生產過程的自動化。這就使得電纜的使用存在一定的局限性,不僅成本高,擴展性差、布線復雜、維護費用高,且容易出現較高的故障率和誤報警率相比之下,無線技術不僅在技術上幾乎保留了傳統有線技術的所有功能,還具備啟動資金少、建設周期短、提供服務快速等諸多優勢。上述這些優勢促使無線傳感器網絡逐漸進入工業應用領域,成為提高制造業和生產企業競爭力的技術支持。這一進步成為了工業發展中一個質的飛躍,也是整個傳輸技術的發展趨勢。
由此可見,隨著技術不斷成熟,無線傳感器網絡與工業控制系統相結合是網絡化控制系統的一個新的趨勢。近年來,適用于工業環境的無線相關協議推陳出新。從最初的ZigBee協議,到2007年9月包含無線HART規范的推出[44],以及Emerson在其新產品發布會上推出了其符合無線HART協議的無線工業變送器及其相應的無線智能解決方案,隨后,Emerson、E+H、ABB等公司先后推出了配套的HART無線適配器及網關設備,并能夠實現與對應上位機系統的連接和訪問。國際上主流的工業無線標準還包括WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)[22]和ISAl00.11 a[2i],這兩個標準已逐步投入應用。盡管目前國內己有一些系統采用了基于2.4GHz的無線通信技術,但大多是基于ZigBee技術或針對商用網絡,離完全完全符合工業應用需求還有一定距離。針對無線傳感器網絡在工業應用中的問題,在查閱相關文獻和總結相關成果的基礎上,本章對工業現場環境和控制網絡的需求進行了分析,提出了一種工業無線mesh協議框架,在網絡管理體系的基礎上,選擇適用于各層的相關技術,并根據協議框架提出了終端節點和網關的架構模型,最后通過仿真實驗驗證了協議的可行性和有效性。


第3章多路徑路由建立和維護算法......... 37
3.1無線傳感器網絡路由算法......... 37
3.1.1路由機制的設計需求 .........37
3.1.2無線傳感器網絡路由算法......... 38
3.1.3 QoS 路由......... 39
3.1.4相關算法......... 41
3.2多路徑路由建立與維護算法......... 42
3.3仿真實驗與結果分析......... 50
3.4本章小結......... 54
第4章基于智能算法的TDMA調度......... 55
4.1 TDMA調度問題的研究現狀......... 55
4.2相關智能算法 .........56
4.3 TDMA調度問題描述......... 61
4.3.1網絡模型......... 61
4.3.2調度目標......... 61
4.4單目標TDMA調度算法......... 63
4.5多目標TDMA調度算......... 76
4.6本章小結......... 82
第5章基于工業無線mesh協議......... 84
5.1工業無線mesh控制網絡......... 84
5.1.1設計目標......... 84
5.1.2網絡結構......... 85
5.2系統開發......... 86


結論


近年來,無線傳感器網絡成為工業控制領域中廣泛關注的熱點之一,同時也是工業控制網絡系統發展的新走向。基于無線建立的新型網絡化管理控制系統,通過對工業全流程的“泛在感知”,實施優化控制,來達到提高產品質量、優化資源、節約能耗的目標。本文針對無線傳感器技術在工業應用中遇到的可靠性、實時性、確定性以及資源優化等主要問題,在IEEE802.15.4協議的基礎上,提出了工業無線mesh協議框架。在協議框架的基礎上,就路由構建和維護,以及資源優化調度進行了深入的研究,其中主要研究工作包含以下幾點:
1.根據工業應用需求,結合對現有工業無線協議的剖析,提出了一種工業無線mesh協議框架。在IEEE 802.15.4標準的基礎上,對時間同步及TDMA子層,網絡層以及應用層進行了設計,規范了各層結構、數據單元格式和主要功能。在協議框架的基礎上,提出了適合該協議的節點架構。根據節點架構和協議框架,給出了協議的仿真網絡結構,通過對兩個不同場景中數據傳輸的實驗及其分析,驗證了協議的可行性和有效性。
2.針對多路徑傳輸中的確定性問題,基于Dijkstra算法搜索最短路徑以及AODV、蟻群算法中的路徑擴散思想,提出了路由建立和維護算法。該路由算法中引入虛擬信息素和引導信息值的概念,在首條最短路徑的基礎上,通過節點間的路徑信息交互,進行信息素的更新,完成多路徑的搜索任務。以路徑長度和相交鏈路數目作為路徑選擇標準,通過節點最低剩余能量限制,使得數據傳輸能分散在多條較好的路徑上。該路由算法針對不同路徑故障均給出了相應的維護措施。仿真結果顯示算法具有良好的性能,可滿足工業現場對數據傳輸的實時性和確定性的要求。
3.針對資源優化問題,提出了基于智能算法的TDMA時槽調度方案。對于單目標TDMA調度問題,通過融合遺傳算法和模擬退火算法的混合算法搜索時槽數目、全網能耗和端對端平均傳輸時延三個不同目標的最優解。對于多目標TDMA調度問題,提出了基于NSGA-II的改進型算法,使得全網能耗和端對端平均傳輸時延能達到較好的平衡狀態。引入狀態切換限制和休眠機制等關鍵技術,進一步減少節點能耗,縮短傳輸時延。仿真實驗結果顯示兩種算法均具有良好的求解性能,實現了MAC層的資源優化。
4.根據前面幾章對協議框架、路由建立和維護策略以及TDMA調度問題的分析,本文討論了其在工業控制系統中應用的可能性,并進一步提出了工業無線mesh控制網絡系統的框架。通過對上位機軟件、無線網關、終端數據采集節點和無線適配器的開發設計,構建了基于工業無線mesh協議的實驗平臺,并在此實驗平臺基礎上,對多路徑路由算法、時間同步機制以及TDMA調度方案進行了部分驗證,驗證了算法的可行性和有效性。


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