基于TinyOS和CC2430的WirelessHART协议栈的设计与实现

论文摘要

WirelessHART协议是一种专门应用于工业过程自动化控制领域并具有安全与稳健的网络拓扑结构的无线网络通信协议。按照简单性、可靠性和安全性的设计准则,它提供了一种具有低成本、低传输速率、易维护、高灵活度、快速实施并且兼容WiredHART现场设备的无线网络解决方案,可为工业过程监控、财产管理、在线测试与诊断、环境监测、健康监测、居住地监控等领域提供服务,对降低工业过程自动化领域生产成本、提高产品质量和生产效率具有非常积极的意义。本文通过对1300余页WirelessHART协议的研究,提出了WirelessHART协议栈的设计方法与实现步骤:首先,构建基于TinyOS和CC2430的WirelessHART协议栈软硬件环境与基于nesC的WirelessHART协议栈开发环境,其工作难点在于TinyOS向CC2430的移植并通过配置使其为WirelessHART协议栈提供运行环境。然后,设计并实现WirelessHART协议栈的物理层、数据链路层、网络层和应用层的服务访问点与功能模块。包括了物理层的数据服务访问点、管理实体访问点与射频收发器使能、能量检测、链路质量指示、信道频率选择、空闲信道评估、协议数据单元收发、协议信息库构建等功能;数据链路层的数据服务访问点、管理实体访问点与信道访问、网络开始和维护、连接与断开、信标帧同步、对原有跳频方式的调整优化、Keep-Alive网络维护、协议数据单元收发、协议信息库构建等功能;网络层的数据服务访问点、管理实体访问点与路由、WirelessHART网络初始化、协议数据单元收发、协议信息库构建等功能;应用层的网络外部数据与网络管理命令。最后对WirelessHART协议栈各层进行测试与分析,给出测试用例、测试数据、试验结果与各层关键性能分析。并结合具体项目应用,基于WirelessHART网络的分布式流量计数据采集系统,对整个WirelessHART协议栈进行了测试,给出了整个WirelessHART协议栈的工作性能评估与分析。本文实现的WirelessHART协议栈可作为一个独立的无线通信协议模块向WiredHART现场设备集成,并可由此设计与研制WirelessHART网关、适配器、智能现场设备、手持设备等构建完整WirelessHART网络所需关键功能部件。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 WirelessHART 协议概述
• 1.2 WirelessHART 协议主要技术特点与关键特性
• 1.3 WirelessHART 协议研究意义
• 1.4 WirelessHART 协议国内外研究现状与发展态势
• 1.5 WirelessHART 协议研究目的与内容
• 第二章 WirelessHART 协议栈软硬件环境与开发环境构建
• 2.1 基于TinyOS 的WirelessHART 协议栈软件环境构建
• 2.2 基于CC2430 的WirelessHART 协议栈硬件环境构建
• 2.3 基于nesC 的WirelessHART 协议栈开发环境构建
• 2.4 本章小结
• 第三章 WirelessHART 协议栈物理层的设计与实现
• 3.1 WirelessHART 物理层体系结构模型构建
• 3.2 WirelessHART 物理层协议数据单元格式
• 3.3 WirelessHART 物理层服务访问点实现
• 3.3.1 物理层数据服务访问点
• 3.3.2 物理层管理实体服务访问点
• 3.3.3 射频服务访问点
• 3.4 WirelessHART 物理层功能模块实现
• 3.4.1 射频收发器使能
• 3.4.2 当前信道能量检测
• 3.4.3 接收数据包链路质量指示
• 3.4.4 空闲信道评估
• 3.4.5 信道频率选择
• 3.4.6 物理层协议数据单元收发
• 3.4.7 物理层协议信息库
• 3.5 WirelessHART 物理层测试与分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 WirelessHART 协议栈数据链路层的设计与实现
• 4.1 WirelessHART 数据链路层体系结构模型构建
• 4.1.1 介质访问控制子层体系结构模型构建
• 4.1.2 逻辑链路控制子层体系结构模型构建
• 4.2 WirelessHART 数据链路层协议数据单元格式
• 4.2.1 介质访问控制子层协议数据单元格式
• 4.2.2 逻辑链路控制子层协议数据单元格式
• 4.3 WirelessHART 数据链路层服务访问点实现
• 4.3.1 介质访问控制子层通用部分服务访问点
• 4.3.2 介质访问控制子层管理实体服务访问点
• 4.3.3 逻辑链路控制子层数据服务访问点
• 4.3.4 逻辑链路控制子层管理实体服务访问点
• 4.4 WirelessHART 数据链路层功能模块实现
• 4.4.1 介质访问控制子层信道访问
• 4.4.2 介质访问控制子层个域网开始和维护
• 4.4.3 介质访问控制子层连接与断开
• 4.4.4 介质访问控制子层同步
• 4.4.5 介质访问控制子层跳频
• 4.4.6 介质访问控制子层协议数据单元收发
• 4.4.7 介质访问控制子层协议信息库
• 4.4.8 逻辑链路控制子层Keep-Alive 网络维护
• 4.4.9 逻辑链路控制子层协议数据单元收发
• 4.5 WirelessHART 数据链路层测试与分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 WirelessHART 协议栈网络层的设计与实现
• 5.1 WirelessHART 网络层体系结构模型构建
• 5.1.1 网络层基本结构构建
• 5.1.2 WirelessHART 网络拓扑结构构建
• 5.2 WirelessHART 网络层协议数据单元格式
• 5.3 WirelessHART 网络层服务访问点实现
• 5.3.1 网络层数据服务访问点
• 5.3.2 网络层管理实体服务访问点
• 5.4 WirelessHART 网络层功能模块实现
• 5.4.1 路由
• 5.4.2 WirelessHART 网络初始化
• 5.4.3 网络层协议数据单元收发
• 5.4.4 网络层协议信息库
• 5.5 WirelessHART 网络层测试与分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 WirelessHART 协议栈应用层的设计与实现
• 6.1 WirelessHART 应用层体系结构模型构建
• 6.2 WirelessHART 应用层数据
• 6.2.1 网络外部数据
• 6.2.2 网络管理命令
• 6.3 WirelessHART 协议栈在分布式流量计数据采集系统中的应用
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本论文研究总结
• 7.2 前景展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果