工业无线传感器网络高可靠实时通信支撑技术的研究与开发

论文摘要

工业无线技术是一种面向设备间短程、低速率信息交互的无线通信技术,是无线传感器网络技术在工业领域应用的实例化。工业无线传感器网络正是利用工业无线技术实现的旨在工业现场实现数据采集无线传输一站式服务的短距离工业监测网络。工业无线传感器网络由于无线通信技术的全空间辐射通信方式和工业现场环境的复杂性等因素,使得网络通信的可靠性和实时性无法得到保证。本文以工业无线传感器网络高可靠实时通信问题为研究对象,从硬件平台上保证底层通信的高可靠性和良好的通信性能,进而结合软件平台上时间同步技术、可靠路由技术这两个保证网络可靠实时通信的关键支撑技术为研究重点,旨在为工业无线传感器网络高可靠实时通信问题的解决提供良好的底层平台。在硬件平台的设计和实现上,为在固有成本下提高硬件平台的通信性能,对决定通信性能优劣的射频电路模块利用ADS进行建模仿真,分析了射频电路中如板厚、基板特性、微带线等各设计参数对通信性能的影响,并对实际制作的硬件平台的通信性能进行了测试和反馈研究,结果表明实际节点通信性能与仿真结果具有一致性,仿真结果能很好的解释节点的通信能力,这有助于克服射频电路设计的盲目性,提高设计的针对性和成功率。对于软件平台上支撑高可靠实时通信的关键技术,依据对工业无线网络应用的理解,本文设计并实现了比对广播时间同步算法(PBTS)和基于链路质量的多径路由算法(MPRLQ)。PBTS算法结合广播方法和比对同步方法各自优点来实现全网的时间同步,既减少对特定硬件的依赖,又显著减少了同步开销,而且设计了分组延迟时间更新周期因子,可根据实际同步需求来配置算法,增加算法的灵活性和可配置性。MPRLQ引进EWMA方法设计稳态和瞬态链路质量估计器评估链路质量,在此基础上实现高质量的多径路由,并考虑了通信负荷均衡和高实时性的数据传输要求,提高多跳的可靠性和数据转发的成功率。上述算法均在自主开发的硬件平台上进行了性能测试,PBTS算法的单跳同步精度达到20us,六跳同步精度在50us内,同步精度较高且时钟误差的稳定性也较好;MPRLQ算法能很好的适应链路质量的变化,符合MPRLQ的链路质量优先的选路策略,所有算法均达到了预期效果,满足面向工业监测应用的无线网络高可靠实时通信的需求。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 无线传感器网络
• 1.2 工业无线技术
• 1.2.1 工业无线技术优势
• 1.2.2 可用于工业应用的无线技术
• 1.2.3 工业无线技术的标准化进程
• 1.3 工业无线传感器网络应用中的挑战与解决方案
• 1.3.1 工业无线传感器网络应用面临的问题
• 1.3.2 网络可靠实时通信解决方案
• 1.4 本文研究的目的和意义
• 1.5 本文的主要工作及成果
• 第2章 工业无线传感器网络的体系结构
• 2.1 工业无线传感器网络结构
• 2.1.1 无线网络结构
• 2.1.2 工业无线传感器网络特征
• 2.1.3 工业无线传感器网络结构
• 2.2 工业无线传感器网络协议体系
• 2.2.1 IEEE 802.15.4低速无线个域网协议
• 2.2.2 工业无线传感器网络协议框架
• 2.2.3 协议体系下高可靠实时通信的支撑技术研究
• 2.3 本章小结
• 第3章 工业无线传感器网络硬件平台开发
• 3.1 硬件平台总体设计
• 3.2 低频部分电路设计
• 3.2.1 处理器模块
• 3.2.2 电源模块
• 3.2.3 传感器模块
• 3.3 高频射频电路设计
• 3.3.1 射频芯片介绍及接口设计
• 3.3.2 阻抗匹配概念
• 3.3.3 射频电路设计考虑要素
• 3.3.4 射频电路设计及仿真分析
• 3.3.5 射频电路设计总结
• 3.4 硬件平台通信性能测试和反馈研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 工业无线传感器网络时间同步
• 4.1 无线网络时间同步基本原理
• 4.1.1 无线网络时间同步定义
• 4.1.2 影响时间同步的关键因素
• 4.1.3 无线网络时间同步设计要素
• 4.2 现有无线网络时间同步协议分析
• 4.2.1 基于比对同步方法时间同步协议
• 4.2.2 基于广播方法时间同步协议
• 4.2.3 混合型时间同步协议
• 4.2.4 比较和评价
• 4.3 比对广播时间同步算法设计及实现
• 4.3.1 算法原理概述
• 4.3.2 算法设计与实现
• 4.3.3 算法性能分析
• 4.3.4 算法测试与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 工业无线传感器网络传输可靠性路由
• 5.1 无线链路与路由可靠性
• 5.2 现有针对传输可靠性的路由协议分析
• 5.2.1 ReInForM协议
• 5.2.2 基于不相交路径的多路径路由机制
• 5.2.3 LOMP协议与PHMP协议
• 5.3 基于链路质量的多径路由算法设计及实现
• 5.3.1 工业应用路由算法设计特点
• 5.3.2 算法设计与实现
• 5.3.3 传输可靠性分析
• 5.3.4 算法测试与分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目和研究成果