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38120字硕士毕业论文工业无线网状网络中的若干技术分析

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:38120字
论点:传感器,节点,网络
论文概述:

本文针对工业无线mesh协议的框架、mesh网络多路径路由算法和MAC层的资源优化等问题进行了研究,并通过对符合工业无线mesh协议的网关、终端数据釆集节点和无线适配器的开发,搭建了符合工业

论文正文:

第一章引言

无线传感器网络具有广泛的潜在应用,可用于许多领域,如工业现场、环境监测、军事侦察、医疗保健和气象预测。特别是在工业应用中,无线传感器网络具有广阔的应用前景。工业现场的无线传感器网络包含大量分散在工业现场的低功率无线传感器节点,形成数据采集系统,从而现场数据可以通过无线链路[2]在网络上直接传输、发布和共享。无线通信技术可以为工厂环境中各种智能现场设备、移动机器人和各种自动化设备之间的通信提供具有所需带宽和灵活网络拓扑的无线数据链路。此外,它有效地弥补了有线网络的不足,提高了工业控制网络在某些特殊情况下的通信性能。

1.1无线传感器网络的研究历史和现状
无线传感器网络源于美国国防高级研究项目局的一个研究项目。由于当时技术条件的限制,传感器网络的应用只能局限于一些军事项目,不能广泛推广[3]。近年来,随着无线通信、集成电路、传感器、微机电系统等技术的快速发展,无线传感器网络的实现变得可行,其应用前景越来越广阔,受到国内外研究机构、学者和行业的高度关注,成为研究热点之一。无线传感器网络由许多微型无线传感器节点组成。网络中的这些节点可以随机或专门部署在目标环境中。它们是通过特定的协议自组织的,可以获取周围环境的信息,并相互合作完成特定的任务[4】。传感器节点在无线自组织网络中通信。每个节点都可以充当路由器,每个节点都有能力动态搜索、定位和恢复连接[5】。传感器节点在原始数据处理和信息融合之后通过多跳将检测到的有用信息传输给用户。数据传输过程由相邻节点通过中继传输传输到汇聚节点,然后汇聚节点通过卫星信道或有线网络连接传输到终端用户。无线传感器网络的架构如图1.1所示。

1.1.1无线传感器网络的发展
迄今为止,无线传感器网络的发展大致经历了以下三个阶段:
1)节点的硬件发展阶段(20世纪90年代末-2001年左右;在此期间,无线传感器网络中节点的硬件开发是主要的研究项目,包括:加州大学伯克利分校智能尘埃微粒项目、[皮科无线电项目7、无线集成网络传感器(WINS)项目[8-9、基于PC机-104[w]的传感器研究项目、麻省理工学院MAMPS项目111等。
2)系统研究阶段(2001 -2003):节点硬件模块逐渐形成后,研究重点转向系统,主要集中在微操作系统和通信协议上。微操作系统包括TinyOS微操作系统[I2、美洲狮查询处理系统和TinyDB[i4]系统。基础协议研究包括:媒体访问控制协议和路由协议。
3)开发应用阶段(2003年至今):受各行业应用前景的驱动,各国开始投入大量人力和研发资金,无线传感器网络迅速成为研究热点。在此期间,出现了大量的研究成果和更成熟的产品。目前,主要的传感器网络技术包括IEEE802.15.1的蓝牙技术、基于IEEE 802.15.4[19的ZigBee技术规范、无线HART成员公司Dust Network的TSMP(时间同步网状协议)协议。美国仪器仪表协会制定的ISAlOO.lla标准[21],中国独立开发的无线工业自动化网络协议,以及一些第三方制造商开发的基于ffie802.15.4的协议。鉴于这项技术巨大的潜在商机,各大公司大力推广无线传感器网络的相关产品,如钛公司和艾默生公司。

第2章工业无线网状协议

当今的全球竞争环境要求制造商在提高产品性能的同时不断降低成本。因此,对许多现有工业生产过程的监控已经突破了单回路控制和监控的功能。随着计算机技术、网络技术和工业综合自动化系统集成水平的发展,加上许多大型企业地理分布广、业务分工复杂,往往在现场设立一个或多个控制中心和大量现场数据采集节点。这些采集点分布范围广,需要有效的通信手段来实现它们与中央控制单元之间的数据交互,从而实现生产过程的自动化。这使得电缆的使用有一定的局限性,不仅成本高、可扩展性差、布线复杂、维护成本高,而且容易出现高故障率和误报率。相比之下,无线技术不仅在技术上保留了传统有线技术的几乎所有功能,而且具有启动资金少、建设周期短、服务提供快等诸多优势。这些优势促使无线传感器网络逐渐进入工业应用领域,成为提高制造和生产企业竞争力的技术支撑。这一进步已成为工业发展的质的飞跃,也是整个传动技术的发展趋势。
因此,随着技术的成熟,无线传感器网络和工业控制系统的结合是网络控制系统的新趋势。近年来,适用于工业环境的无线相关协议得到了更新。从最初的紫蜂协议到2007年9月[44]无线HART规范的发布,艾默生在其新产品发布会上推出了符合无线HART协议的无线工业变送器及其相应的无线智能解决方案,随后艾默生、E+H、ABB等公司相继推出了配套的HART无线适配器和网关设备,并能够实现与相应主机系统的连接和接入。国际主流工业无线标准还包括WIA(工业自动化无线网络)[22]和ISAl00.11 a[2i],这些标准已逐步投入应用。虽然国内一些系统已经采用了基于2.4千兆赫的无线通信技术,但大部分都是基于紫蜂(ZigBee)技术或针对商业网络,离完全满足工业应用的要求还有一定的距离。针对无线传感器网络在工业应用中存在的问题,在查阅相关文献和总结相关成果的基础上,分析了工业现场环境和控制网络的需求,提出了一种工业无线网状协议框架。基于网络管理系统,选择适合各层的相关技术,并根据协议框架提出终端节点和网关的架构模型。最后,通过仿真实验验证了该协议的可行性和有效性。

第3章多路径路由建立和维护算法.........37
3.1无线传感器网络路由算法.........37
3.1.1路由机制的设计要求.........37
3.1.2无线传感器网络路由算法.........38
3.1.3服务质量路由.........39
3.1.4相关算法.........41
3.2多径路由建立和维护算法.........42
3.3模拟实验和结果分析.........50
3.4本章摘要.........54
第四章基于智能算法的时分多址调度问题研究现状.........55
4.1.........55
4.2相关智能算法.........56
4.3时分多址调度问题描述.........61
4.3.1网络模型.........61
4.3.2计划目标.........61
4.4单目标时分多址调度算法.........63
4.5多目标时分多址调度计算.........76
4.6本章摘要.........82
第5章基于工业无线网状协议.........84
5.1工业无线网状控制网络.........84
5.1.1设计目标.........84
5.1.2网络结构.........85
5.2系统开发.........86

结论

近年来,无线传感器网络已经成为工业控制领域的热点之一,也是工业控制网络系统发展的新趋势。设计了一种基于无线的新型网络管控系统,通过对整个工业过程的“无处不在的感知”和实施最优控制,达到提高产品质量、优化资源、节约能耗的目的。基于IEEE802.15.4协议,针对无线传感器技术在工业应用中遇到的可靠性、实时性、确定性和资源优化等主要问题,提出了一种工业无线网状协议框架。在协议框架的基础上,对路由建设和维护以及资源优化调度进行了深入研究。主要研究工作包括以下几点:
1 .根据工业应用的需求,结合对现有工业无线保真技术的分析,提出了一种工业无线网状协议框架。在IEEE 802.15.4标准的基础上,设计了时间同步和时分多址子层、网络层和应用层,以规范各层的结构、数据单元格式和主要功能。基于该协议框架,提出了一种适合该协议的节点体系结构。根据节点体系结构和协议框架,给出了协议的仿真网络结构。通过对两种不同场景下数据传输的实验和分析,验证了该协议的可行性和有效性。
2。针对多路径传输中的确定性问题,基于AODV寻找最短路径和路径扩散思想的Dijkstra算法和蚁群算法,提出了一种路径建立和维护算法。该路由算法引入了虚拟信息素和引导信息值的概念。基于第一条最短路径,通过节点间的路径信息交互更新信息素,完成多路径搜索任务。路径长度和交叉链路的数量作为路径选择标准,通过节点的最小剩余能量限制,数据传输可以分散在多个更好的路径上。路由算法为不同的路径故障提供相应的维护措施。仿真结果表明,该算法性能良好,能够满足工业领域数据传输的实时性和确定性要求。
3。为了解决资源优化问题,提出了一种基于智能算法的时分多址时隙调度方案。针对单目标时分多址调度问题,采用遗传算法和模拟退火算法相结合的混合算法,寻找时隙数、网络总能耗和平均端到端传输延迟三个不同目标的最优解。针对多目标时分多址调度问题,提出了一种基于NSGA-ⅱ的改进算法,该算法能够在整个网络能耗和平均端到端传输延迟之间实现更好的平衡。引入状态切换限制和睡眠机制等关键技术,进一步降低节点能耗,缩短传输延迟。仿真结果表明,这两种算法具有良好的求解性能,实现了媒体访问控制层的资源优化。
4。在分析前几章协议框架、路由建立和维护策略以及时分多址调度问题的基础上,探讨了其在工业控制系统中应用的可能性,并进一步提出了工业无线网状控制网络系统的框架。通过上位机软件、无线网关、终端数据采集节点和无线适配器的开发设计,构建了一个基于工业无线网状协议的实验平台。在此实验平台上,对多径路由算法、时间同步机制和时分多址调度方案进行了部分验证,验证了算法的可行性和有效性。

参考
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