工业无线控制网络的节能算法研究与实现

摘要

工业自动化领域的控制网络技术从上个世纪70年代开始,经历了集散控制系统和现场总线控制系统,工业以太网系统等重要阶段。随着计算机技术、微电子技术和信息管理技术的不断进步,无线网络技术开始渗透到工业控制的各个领域,并迅速成为工业控制领域发展的热点之一。
　　 但由于工业无线网络通常布设在环境恶劣、人员不易到达的地方,再加上无线节点几乎全部采用电池供电,这样就使得更换电池成为几乎不可能的事情。所以,如何节约能量,最大化节点和网络的生命周期,也就成为工业无线网络研究的热点和难点。
　　 本文的出发点和主要目标是分析工业环境中的能量消耗,研究无线控制网络节能策略和节能算法,在基于802.15.4物理层的工业无线通信协议栈中加入节能算法,搭建适用于工业无线控制网络的节能系统。
　　 本文在基于802.15.4物理层的工业无线通信协议栈上,针对工业控制网络的具体应用环境和技术难点,在全功能设备组网过程中,实现了功率可控的组网方案,减少了数据碰撞的概率,节约了数据重传的能量消耗；在数据传输过程中,根据反馈理论来调节节点的发射功率,使得全功能设备和简化功能设备都能够以到达目的设备的最小功率等级来发送数据,减少了簇内节点的数据碰撞,节约了节点能耗；而在应用层数据的处理上,则使节点能够根据不同的情况进入不同的监测状态,结合休眠机制,节约了能量。另外还分别就功能实现和节能效率两个方面对协议栈进行了测试,介绍了测试目的和测试过程,最后对测试结果进行了分析。
　　 通过实验结果可以看出,加入节能算法的协议栈能在一定程度上节约节点的能量,为工业无线更加广泛的应用奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 工业无线控制网络的产生背景

1.3 国外工业无线的研究现状

1.3.1 ZigBee技术概述

1.3.2 ISA100标准简介

1.3.2 无线Hart概述

1.4 中国工业无线的研究现状

1.5 工业无线控制网络节能技术的研究现状

1.5.1 MAC层的节能技术

1.5.2 网络层的节能技术

1.5.3 传输和应用层的节能技术

1.5.4 跨层优化

1.6 本文研究的内容

1.7 本章小结

第二章 工业无线网络中的节能技术研究

2.1 工业无线控制网络中的节能技术

2.1.1 组网过程中的能耗分析

2.1.2 数据传输过程中的能耗分析

2.1.3 应用层的节能算法

2.2 工业无线控制网络软件架构

2.3 开发环境介绍

2.3.1 硬件平台

2.3.2 软件平台

2.4 本章小结

第三章 组网过程中的节能技术

3.1 组网流程概述

3.2 发射功率可调的组网方案

3.3 方案实现流程

3.4 功能测试

3.4.1 实验环境设置

3.4.2 实验结果

3.4.3 数据分析及结论

3.5 本章小结

第四章 数据传输过程中的节能算法

4.1 基于反馈理论的节能算法

4.2 算法实现流程

4.3 效果验证

4.3.1 实验数据设置

4.3.2 实验结果

4.3.3 数据分析及结论

4.4 本章小结

第五章 自适应应用层数据处理算法

5.1 数据处理思想概述

5.2 协议栈应用层数据处理流程概述

5.3 休眠机制介绍

5.4 算法实现流程

5.5 效果验证

5.5.1 实验数据设置

5.5.2 实验结果

5.5.3 数据分析及结论

5.6 系统展示

5.7 本章小结

第六章 结论及未来的工作

6.1 工作结论

6.2 未来的工作

致谢

参考文献

附录 研究生期间主要工作成果