面向紧急数据的异步多信道工业无线网络调度方法

摘要

工业无线网络是由无线传感器、控制器、执行器、通信中继和网关等设备构成能够自主地完成工业生产以及测控任务的无线传感器网络，具有低成本、易维护、高灵活等优点，已成为工业测控和无线领域新的研究热点，具有广阔的应用前景。工业应用中存在大量优先级不同的紧急数据，紧急数据要求苛刻的硬实时和高可靠性能，超过紧急数据的延时上限，会导致系统不稳定，带来经济损失，甚至危害人身安全。针对上述应用背景和需求，本文面向工业场景中的紧急数据，研究其调度方法，主要贡献总结为以下几个方面：
　　1）概述了工业无线网络以及网络中无线传感器节点的结构，阐述了工业无线网络的优点；介绍了无线传感器网络传输调度问题以及工业自动化应用中数据分类；分析了面向工业紧急数据的无线资源调度方法的国内外研究现状以及存在的问题。
　　2）讲述了啤酒罐装生产线的工作流程；阐述了有线啤酒灌装生产线的设计与实现，具体包括系统总体设计、执行设备以及设备上传感器的选型与使用情况以及PLC控制系统的具体设计，并剖析了有线PLC控制系统的缺陷；设计和实现了基于无线传感器网络的啤酒灌装生产线系统，具体包括系统总体设计以及系统中的无线节点、接入点和网关的的介绍，使用无线模块替换有线传感器，并加入接入点和网关，构成一个工业无线网络系统；给出了系统的整体实现图，并对比分析了PLC有线控制系统和工业无线网络在灌装生产线系统中的调度问题。
　　3）针对现有 TDMA调度方法在面对异步多信道条件下工业紧急数据调度时表现出的时延大、控制信道饱和、能耗过高等问题，提出一种异步多信道工业无线网络调度方法——EOAM（Emergency data scheduling algorithm Oriented Asynchronous Multi-channel IWSNs），采用基于接收端的策略，解决了异步多信道调度中存在的控制信道饱和问题；采用特殊信道结合优先级指示的方法保证紧急数据快速切换信道进行实时传输的同时，允许非紧急数据基于优先级指示标志采用退避机制占用信道，保证了特殊信道的利用率。该方法既适用于单播通信，也适用于广播通信。
　　4）对啤酒生产线系统中的信号时序以及信号特征进行了分析，得出其两种类型的紧急数据，然后针对解决这两种类型的紧急数据的数据传输问题，将本文提出的EOAM算法在啤酒生产线无线监控系统中实现，并与分布式多信道控制算法DCA（Distributed Control Algorithm）在实时性、可靠性以及能量消耗方面的进行比较。实验结果表明，EOAM算法具有较好的网络性能，其不可预测的紧急数据传输延时最低可达160微秒，可靠性可达0.95以上，能量消耗降低了12.8％，满足工业紧急数据的传输需求。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要工作和章节安排

第2章 基于无线传感器网络的啤酒灌装生产线系统

2.1 引言

2.2 啤酒灌装生产线系统设计

2.3 系统实现图

2.4 本章小结

第3章 面向紧急数据的异步多信道工业无线网络调度方法

3.1 引言

3.2 网络模型

3.3 EOAM算法

3.4 本章小结

第4章 实验验证与分析

4.1 啤酒生产线系统信号分析

4.2 实验验证与分析

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果

致谢