工业无线网络实时通信的研究与开发

论文摘要

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,一些有线介质通常会受到如高温、高湿、腐蚀等因素的影响而不宜布设,无线网络弥补了这一缺点,为全IP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IEEE802.15.4 MAC/PHY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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 无线技术概述
• 1.1.1 无线通信的应用
• 1.1.2 无线网络的特点
• 1.2 工业无线网络技术
• 1.2.1 基于无线传感器网络的工业无线技术
• 1.2.2 工业无线网络应用存在的问题
• 1.2.3 几种工业无线网络可行方案
• 1.3 本文研究内容及结构
• 第2章 基于IEEE 802.15.4无线通信网络的实现
• 2.1 IEEE 802.15.4低速无线个域网协议
• 2.1.1 IEEE 802.15.4协议的特性
• 2.1.2 IEEE 802.15.4协议架构
• 2.1.3 数据传送模式
• 2.1.4 CSMA/CA机制
• 2.2 IEEE 802.15.4基本通信的实现
• 2.2.1 硬件平台
• 2.2.2 驱动设计
• 2.2.3 任务调度
• 2.3 应用现场无线通信可靠性
• 2.3.1 无线收发可靠性一般性原理
• 2.3.2 2.4GHz频段信号的共存
• 2.3.3 IEEE 802.15.4干扰性能分析及测试
• 2.4 IEEE 802.15.4应用于工业网络
• 2.4.1 无线网络拓扑结构
• 2.4.2 应用于工业的网络结构
• 2.5 本章小结
• 第3章 工业无线网络时钟同步
• 3.1 现有时钟同步协议
• 3.1.1 工业以太网同步算法
• 3.1.2 无线传感器网络同步算法
• 3.1.3 评价同步算法的性能指标
• 3.2 工业无线网络同步协议设计
• 3.2.1 现有同步协议应用于工业无线网络存在的问题
• 3.2.2 工业无线网络同步协议改进方案
• 3.2.3 同步算法的实现与验证结果
• 3.3 本地时钟自校正同步方法
• 3.3.1 时钟偏差不确定性分析
• 3.3.2 自校正原理
• 3.3.3 自校正的实现
• 3.3.4 自校正算法的实现与验证结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 工业无线网络通信调度
• 4.1 工业有线网络的通信调度模型
• 4.2 基于层次的无线时分通信调度方法
• 4.2.1 无线网络调度实现特点
• 4.2.2 基于层次的时分通信调度方法及实现
• 4.3 无线通信调度验证
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢