无线HART网络管理器的实现及其关键技术研究

摘要

互联网为我们提供快捷的通信平台，极大方便了人们的信息交流。而无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力，把我们所处的客观世界与网络连接在一起，为人们提供最为直接、有效和真实的信息。工业无线网络是由无线传感网络发展而来、具有成本低，抗干扰强、功耗低、灵活性强、扩展性强等特点，成为当前的一大研究热点。工业领域内的无线网络通信协议有HART7.1，ISA100和中国的WIA-PA。其中，由有线HART协议发展而来的无线HART协议，由于它的安全性和高可靠性等特点，在工业控制领域有着非常广阔的应用前景。
　　 网络管理器作为无线HART网络的中枢，其合理的设计是网络高效运行的保证。而路由算法和通信资源调度策略是网络管理器的两个关键技术，其优劣直接影响了网络的性能。本文主要研究无线HART的网络管理器及其两个关键技术--路由算法和通信资源调度策略。完成的主要工作由：1)详细介绍了网络管理器的基本任务，给出了一个网络管理器的实现方案的总体框架设计，逐一对框架中的模块进行详细介绍和分析，并用代码实现。2)详细分析了无线HART网络及其路由方式的特点，针对其特点，并从实际应用出发，引入双树拓扑结构，提出了一种基于该双树结构的路由算法。3)详细分析了无线HART网络及其通信资源调度的特点，针对其特点，并从实际应用出发，提出了一种基于双树结构的调度策略。该策略在网络拓扑发生变化时，根据双树结构搜索变化区域，仅针对该变化区域进行调度，而不影响双树结构中其他未发生变化的区域，从而避免对全局网络进行调度以减小网络通信资源调度和维护的复杂性。
　　 此外，本文以CC2430通信模块为实验平台，对网络管理器的软件实现、路由算法和资源调度算法分别进行测试。测试结果表明：网络管理器能够完成网络初始化、节点的加入和离开等基本功能。路由算法虽然简化了Graph路由，但其可靠性仍然较高，却减小了路由存储和维护的开销，并很好的支持节点逐个加入和离开。而在本文提出的调度策略下，网络可靠性较高，网络的维护简单有效。因此，本文为无线HART的路由算法和资源调度算法提出了一种良好的方案
　　 综上所述，本文的研究工作从实际应用出发，给出具体实现方案，并综合理论分析和实验测试两个方面，验证方案有效性，为无线HART协议应用及无线传感器网络的发展做出了一定的贡献。