基于WirelessHART协议的微尘网络研究与实现

摘要

WirelessHART是无线高速寻址变送器协议的简称，是一种在无线网络中连接智能仪表从设备与控制主设备之间的无线通信协议。2007年8月，HCF（HART基金会）发布第一个正式WirelessHART协议版本。它是一种新兴工业无线技术，物理层以工业无线中IEEE802.15.4标准为基础，广泛应用于无线传感网络中。正是由于无线通信技术与HART协议结合，才演化出了WirelessHART协议。由于它继承很多HART协议的优点，一经推出便引起了自动化行业的密切关注，被公认为工业控制领域发展的标准。
　　智能微尘是上世纪90年代美国最先提出的一项科学目标，旨在未来开发出超低功耗的超小型网络传感器，用于各个需要大面积布网或不方便探测的场所。智能微尘是未来高新技术之一，其可以在世界任何地方构筑检测网络，能够长时间对检测目标进行检测，并具有低能耗、低带宽的特点。
　　本课题来源于省级创新型课题:基于WirelessHART协议的自供电型重型机械远程监控设备。项目要求实现基于LTC5800微尘芯片的微尘组网网络，传感器信息能够安全稳定的实时上传。本文选用智能微尘DC9007开发套件作为微尘网络研究工具和实现手段，以实现稳定、安全和低功耗的微尘网络为主要目的。通过应用性研究，实现了基于WirelessHART协议的微尘网络自组网。基于LTC5800微尘芯片设计硬件电路并完成电路组网测试，实现智能微尘组网。网络首次组网时间小于1分钟，在无线网络中插入时隙同步，通过同步唤醒机制进一步降低了微尘节点功耗。通过不同场景的反复测试，确定硬件电路实际应用功耗。通过反复测试不同的组网环境，例如障碍物较多的室内环境、通透性好的室外环境等等，得到确定性结论:单次链路发起的瞬时电流≤20mA，正常工作时平均电流＜1mA;当网络信号强度大于-90dBm时，传输链路可靠稳定，传输的数据完整。研究确定微尘网络信息质量的测试和诊断方法，学习WirelessHART协议命令，编写上位机软件。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的目的和科学意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 国外现状

1．2．2 国内现状

1．3 本课题的研究内容及论文的组织结构

第2章 无线传感器网络与工业无线技术

2．1 无线传感器网络概述

2．1．1 无线传感器网络体系结构

2．1．2 无线传感器网络的特点

2．2 工业无线技术概述

2．2．1 IEEE802.15.4标准

2．3 本章小结

第3章 WirelessHART协议的基本概念和理论

3．1 WirelessHART通信协议规范

3．2 协议模型

3．2．1 物理层

3．2．2 数据链路层

3．2．3 网络层

3．2．4 传输层

3．2．5 各层综述

3．3 WirelessHART深入分析

3．3．1 MAC层同步

3．3．2 网络层协议

3．4 WirelessHART命令

3．4．1 识别命令

3．4．2 测量值控制命令

3．4．3 突发模式配置命令

3．5 本章小结

第4章 硬件开发模块

4．1 LTC5800功能介绍

4．2 DC9007A系统开发组件

4．2．1 DC9003A节点模块

4．2．2 LTP5903网管模块

4．3 开发套件的使用及性能分析

4．4 硬件电路设计

4．4．1 电源部分设计

4．4．2 天线部分设计

4．4．3 时钟部分设计

4．4．4 复位电路设计

4．5 硬件电路测试

4．6 本章小结

第5章 系统整体软件设计

5．1 开发环境介绍

5．2 软件模块

5．3 通信过程

5．4 中断服务

5．4．1 串口接收中断服务

5．4．2 串口发送中断服务

5．4．3 数据采集中断

5．5 应用层程序

5．6 命令处理任务

5．6．1 命令#0

5．6．2 命令#3

5．6．3 命令#109

5．7 命令测试

5．8 本章小结

第6章 测试和诊断

6．1 Wi-Analys工具

6．2 Wi-HTest工具

6．3 后期处理套件

6．4 无遮挡测试

6．5 有遮挡测试

6．6 低功耗性能测试

6．7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢