基于IEEE802.15.4的工业无线网络结构设计与实时性分析

论文摘要

随着工业的现代化和高效化发展,各种工业控制系统已经在冶金、电力、石化等各个领域得到了广泛应用。工业控制系统的发展也推动着工业网络化的发展,将无线传感技术与工业技术相结合形成工业无线网络控制系统,应用于工业企业的生产领域实现生产全流程的远程监测,获取重要的工业流程数据将成必然趋势。在工业无线网络控制系统中,系统的实时性响应发挥着至关重要的作用,直接关系着企业生产能否顺利安全的进行。工业无线网络一般是基于无线传感器网络,IEEE802.15.4正是一种适用于无线传感器网络的通信协议,MAC层的保证时隙GTS机制能为无线传感网络提供良好的实时性保障。本文重点对IEEE 802.15.4MAC层的实时接入能力作研究,使用OPNET仿真软件建立了带GTS机制的分析仿真模型,分析了在不同超帧级数SO下,帧传输速率和缓冲容量对GTS机制下的网络吞吐量和延时的影响。研究结果表明,对于低传输速率和低缓冲容量的无线传感器网络而言,选取合适的SO值(SO=2或3),带GTS的分配时隙机制更适合用来提升网络利用率和系统实时性响应。在仿真分析的基础上,为了达到将理论研究与实际应用相结合的目的,通过搭建实际的网络平台来模拟工业现场环境,使用无线网络传感器节点进行点对点通信。设计的传感器节点以32位ARM微控制器STM32为核心,结合外围传感器和2.4GHz无线收发模块CC2430作为无线工业网络结构中的节点。STM32控制传感器采集环境参数,由无线收发芯片CC2430将数据发送给相邻节点,数据经无线传感器网络节点的多级转发最终送到计算机终端,实际观察数据的传输结果,实现对工业网络环境的监测。设计的传感器节点可以保障实时数据的传输,所建立的无线传感器网络也能满足工业无线网络的实时性要求,可以用于工业网络现场进行测验并推广发展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 引言
• §1-2 工业无线传感器网络研究背景
• §1-3 工业无线传感器网络特点
• §1-4 主要工业无线网络通信技术简介
• §1-5 论文研究内容及章节安排
• 第二章 IEEE802.15.4 协议分析
• §2-1 IEEE802.15.4 标准简介
• 2-1-1 IEEE802.15.4 协议架构
• 2-1-2 IEEE802.15.4 协议特性
• 2-1-3 IEEE802.15.4 网络拓扑结构
• 2-1-4 IEEE802.15.4 数据传输模式
• §2-2 IEEE802.15.4MAC 层介绍
• 2-2-1 IEEE802.15.4 MAC 层概述
• 2-2-2 带GTS 超帧结构
• 2-2-3 GTS 申请传输过程
• §2-3 吞吐量分析
• 第三章 仿真模型建立与性能研究
• §3-1 OPNET 仿真软件介绍
• §3-2 仿真模型建立
• 3-2-1 网络域模型
• 3-2-2 节点域模型
• 3-2-3 进程域模型
• §3-3 仿真性能分析
• 3-3-1 帧传输速率对吞吐量影响
• 3-3-2 缓冲容量对吞吐量影响
• 3-3-3 帧传输速率对网络延时影响
• 3-3-4 缓冲容量对网络延时影响
• §3-4 仿真结论
• 第四章 工业无线网络结构设计
• §4-1 工业无线网络结构
• §4-2 工业无线网络传感器节点结构
• §4-3 工业无线网络传感器节点结构单元设计
• 4-3-1 传感器节点数据采集单元
• 4-3-2 传感器节点数据处理单元
• 4-3-3 传感器节点数据通信单元
• 4-3-4 传感器节点电池电源管理单元
• 第五章 实验测试与分析
• §5-1 实验测试环境介绍
• 5-1-1 实验硬件测试环境搭建
• 5-1-2 实验软件测试环境搭建
• §5-2 实验软件调试
• 5-2-1 协议栈介绍
• 5-2-2 协议栈软件设计
• §5-3 实验测试
• 5-3-1 串口测试
• 5-3-2 无线控制开关灯实验
• 5-3-3 无线测温传输实验
• §5-4 实验数据帧分析
• 第六章 总结与展望
• §6-1 总结
• §6-2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所取得的相关科研成果