工业无线传感网络实时性接入研究

论文摘要

随着工业无线技术的发展要求,无线传感网络与工业技术结合的优势日趋明显。利用无线传感器网络的低成本、易用和泛在感知等特征,人们可以以较低的投资和使用成本实现对工业全流程的全面监测,获取传统由于成本原因无法在线监测的重要工业过程参数,并以此为基础实施优化控制,来达到提高产品质量,降低工业生产过程中的跑冒滴漏现象,提高能源效率的目标。在工业环境当中,实时性有着至关重要的作用。工业应用分为安全类、控制类和监测监控类三类应用,不同的应用对时间有着不同的需求。在IEEE802.11、IEEE802.15.1、IEEE802.15.4等诸多的标准当中,IEEE802.15.4标准得到了工业无线标准委员会(SP100)、霍尼韦尔(Honeywell)、通用电气全球研究中心(GE Global Reseach)、艾默生(Emerson)等国际研究机构和商业组织的大力支持,充分说明了IEEE802.15.4标准在工业无线传感网中巨大的发展潜力。IEEE802.15.4应用到工业环境当中,它的有保证时隙(GTS)实时性是一个重要的议题。本文分析了现有实时性技术,并且在此基础之上,运用GTS的延迟分析模型分析总结了GTS的三个时间因素:调度机制、分配机制、使用机制。并且运用这三个因素分析现有的IEEE802.15.4的GTS在实时性方面的不足。针对GTS在工业应用当中的不足,对GTS的调度方法、申请方法、申请带宽方面做出了相应的改进。本文深入理解IEEE802.15.4标准中媒体访问控制层的关键技术,以及物理层、MAC层之间的相互作用。运用OPNET仿真软件对IEEE802.15.4标准中带有GTS应用的信标模式下的工作情况进行了网络仿真,建立了仿真系统架构和模块之间的接口,并且分层描述了各层模块的进程模型与状态设计、定时器设计,最后针对GTS部分,描绘了实时性能评估要用到的主要流程的消息交互过程。仿真结果显示,通过对GTS机制的改进,IEEE802.15.4运用到工业环境当中,在不同的实时性应用需求下,实时性比原有的GTS在传输延时、网络能耗、带宽利用方面都有了提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 工业无线传感网概述
• 1.3 基于802.15.4 的工业无线传感网的应用前景
• 1.4 本文研究内容及章节安排
• 2 工业环境下IEEE802.15.4 实时性研究
• 2.1 媒体访问控制协议概述
• 2.2 实时性业务分析
• 2.3 现有实时性改进机制不足
• 2.4 本章小结
• 3 工业环境下IEEE802.15.4 实时性改进
• 3.1 PGS 机制
• 3.2 MBG 机制
• 3.3 LBU 机制
• 3.4 本章小结
• 4 IEEE802.15.4 实时性改进性能分析与评估
• 4.1 实时性仿真架构
• 4.2 仿真设计
• 4.3 仿真结果分析
• 4.4 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献