第1章绪论
无线传感器网络潜在应用领域很广，可用于工业现场、环境监测、军事侦察、医疗卫生及气象预测等众多领域。尤其在工业应用中，无线传感器网络拥有广阔的应用前景。工业现场的无线传感器网络含有大量的低功耗无线传感器节点，这些节点分散在工业现场构成数据采集系统，使得现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享[2〗。无线通信技术能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信，提供所需带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构。且在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足，完善了工业控制网络的通信性能。
1.1无线传感器网络研究历史与现状
无线传感器网络最初来源于美国DARPA(Defense Advanced Research ProjectsAgency)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军方的一些项目中，未能得到大范围推广〔3]。近年来，随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统等技术的飞速发展，为无线传感器网络的实现提供了可行性，其应用前景也越来越广，引起国内外研究机构、学者和业界的高度关注，成为研究热点之一。无线传感器网络是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者特定地部署在目标环境中，它们之间通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同完成特定任务[4]。传感器节点间以无线自组网方式进行通信，每个节点都可充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力[5]。传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合之后，经多跳转发传送给用户。数据传送的过程是通过相邻节点接力传送的方式传输至汇聚节点，然后汇聚节点以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给最终用户。无线传感器网络体系结构如图1.1所示。
1.1.1无线传感器网络的发展
到目前为止，无线传感器网络的发展大致经历了以下三个阶段：
1)节点的硬件开发阶段(20世纪九十年代后期-2001年左右；这一时期以无线传感器网络中节点的硬件开发为主，主要的研究项目包括：美国加州大学伯克利分校的智能微尘节点（Smart Dust Mote)项目、PicoRadio项目[7]、无线集成网络传感器(WirelessIntegrated Networks Sensors, WINS)项目[8-9]、基于PC-104[w]的传感器研究项目以及麻省理工学院的MAMPS项目111]等。
2)系统研究阶段(2001年-2003年)：当节点硬件模块逐渐成型之后，研究的重点即转向了系统方面，主要是针对微操作系统和通信协议的研究。微操作系统包括：TinyOS微操作系统[I2]、Cougar查询处理系统和TinyDB[i4]系统。基本协议研究则包括：介质访问控制协议和路由协议等。
3)发展和应用阶段(2003年-现在)：受各个产业应用前景的推动，各个国家开始投入大量人力和研发经费，无线传感器网络迅速成为了研究领域的热点。这一时期的研究成果大量涌现，并且出现了较为成熟的产品。目前主要的传感器网络技术有IEEE802.15.1的蓝牙技术，IEEE 802.15.4[19]基础上的ZigBee技术规范，无线HART成员公司Dust Network的TSMP(Time Synchronization Mesh Protocol)协议,美国仪器仪表协会制定的ISAlOO.lla标准[21]，国内自主研发的WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)协议以及一些第三方厂商幵发的基于ffiEE 802.15.4的协议。鉴于该技术潜在的巨大商机，各大公司对无线传感器网络的相关产品进行了大力的推广，如TI公司、Emerson公司等。
第2章工业无线mesh协议
当今全球化的竞争环境要求生产企业在提高产品性能的同时，还必须不断降低成本，因此现有的许多工业生产过程的监控早已突破了单回路控制与监视的功能。随着计算机技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平的发展，加之许多大型企业地域分布广泛、业务分工复杂，往往在现场设有一个或多个控制中心以及布置大量的现场数据采集节点。这些釆集点因分布范围广，需要通过有效的通信手段来实现它们与中心控制单元间的数据交互，进而实现生产过程的自动化。这就使得电缆的使用存在一定的局限性，不仅成本高，扩展性差、布线复杂、维护费用高，且容易出现较高的故障率和误报警率相比之下，无线技术不仅在技术上几乎保留了传统有线技术的所有功能，还具备启动资金少、建设周期短、提供服务快速等诸多优势。上述这些优势促使无线传感器网络逐渐进入工业应用领域，成为提高制造业和生产企业竞争力的技术支持。这一进步成为了工业发展中一个质的飞跃，也是整个传输技术的发展趋势。
由此可见，随着技术不断成熟，无线传感器网络与工业控制系统相结合是网络化控制系统的一个新的趋势。近年来，适用于工业环境的无线相关协议推陈出新。从最初的ZigBee协议，到2007年9月包含无线HART规范的推出[44]，以及Emerson在其新产品发布会上推出了其符合无线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，Emerson、E+H、ABB等公司先后推出了配套的HART无线适配器及网关设备，并能够实现与对应上位机系统的连接和访问。国际上主流的工业无线标准还包括WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)[22]和ISAl00.11 a[2i]，这两个标准已逐步投入应用。尽管目前国内己有一些系统采用了基于2.4GHz的无线通信技术，但大多是基于ZigBee技术或针对商用网络，离完全完全符合工业应用需求还有一定距离。针对无线传感器网络在工业应用中的问题，在查阅相关文献和总结相关成果的基础上，本章对工业现场环境和控制网络的需求进行了分析，提出了一种工业无线mesh协议框架，在网络管理体系的基础上，选择适用于各层的相关技术，并根据协议框架提出了终端节点和网关的架构模型，最后通过仿真实验验证了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路由机制的设计需求 .........37
3.1.2无线传感器网络路由算法......... 38
3.1.3 QoS 路由......... 39
3.1.4相关算法......... 41
3.2多路径路由建立与维护算法......... 42
3.3仿真实验与结果分析......... 50
3.4本章小结......... 54
第4章基于智能算法的TDMA调度......... 55
4.1 TDMA调度问题的研究现状......... 55
4.2相关智能算法 .........56
4.3 TDMA调度问题描述......... 61
4.3.1网络模型......... 61
4.3.2调度目标......... 61
4.4单目标TDMA调度算法......... 63
4.5多目标TDMA调度算......... 76
4.6本章小结......... 82
第5章基于工业无线mesh协议......... 84
5.1工业无线mesh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，无线传感器网络成为工业控制领域中广泛关注的热点之一，同时也是工业控制网络系统发展的新走向。基于无线建立的新型网络化管理控制系统，通过对工业全流程的“泛在感知”，实施优化控制，来达到提高产品质量、优化资源、节约能耗的目标。本文针对无线传感器技术在工业应用中遇到的可靠性、实时性、确定性以及资源优化等主要问题，在IEEE802.15.4协议的基础上，提出了工业无线mesh协议框架。在协议框架的基础上，就路由构建和维护，以及资源优化调度进行了深入的研究，其中主要研究工作包含以下几点：
1.根据工业应用需求，结合对现有工业无线协议的剖析，提出了一种工业无线mesh协议框架。在IEEE 802.15.4标准的基础上，对时间同步及TDMA子层，网络层以及应用层进行了设计，规范了各层结构、数据单元格式和主要功能。在协议框架的基础上，提出了适合该协议的节点架构。根据节点架构和协议框架，给出了协议的仿真网络结构，通过对两个不同场景中数据传输的实验及其分析，验证了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Dijkstra算法搜索最短路径以及AODV、蚁群算法中的路径扩散思想，提出了路由建立和维护算法。该路由算法中引入虚拟信息素和引导信息值的概念，在首条最短路径的基础上，通过节点间的路径信息交互，进行信息素的更新，完成多路径的搜索任务。以路径长度和相交链路数目作为路径选择标准，通过节点最低剩余能量限制，使得数据传输能分散在多条较好的路径上。该路由算法针对不同路径故障均给出了相应的维护措施。仿真结果显示算法具有良好的性能，可满足工业现场对数据传输的实时性和确定性的要求。
3.针对资源优化问题，提出了基于智能算法的TDMA时槽调度方案。对于单目标TDMA调度问题，通过融合遗传算法和模拟退火算法的混合算法搜索时槽数目、全网能耗和端对端平均传输时延三个不同目标的最优解。对于多目标TDMA调度问题，提出了基于NSGA-II的改进型算法，使得全网能耗和端对端平均传输时延能达到较好的平衡状态。引入状态切换限制和休眠机制等关键技术，进一步减少节点能耗，缩短传输时延。仿真实验结果显示两种算法均具有良好的求解性能，实现了MAC层的资源优化。
4.根据前面几章对协议框架、路由建立和维护策略以及TDMA调度问题的分析，本文讨论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mesh控制网络系统的框架。通过对上位机软件、无线网关、终端数据采集节点和无线适配器的开发设计，构建了基于工业无线mesh协议的实验平台，并在此实验平台基础上，对多路径路由算法、时间同步机制以及TDMA调度方案进行了部分验证，验证了算法的可行性和有效性。
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