（信号与信息处理专业论文）面向工业监控的无线传感器网络跨层优化研究.pdf

东华大学学位论文原创性声明 y , l lj l i m 2 n n e nnlnu 1 3 u l i lu 1 5 t | 1 1 1 1 6 i i i i l 3 i i i i i i l 2 l l l l l l f ! i 卿舢删哪删删栅栅 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：删友 日期：硼，年z 月万日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密瓯 学位论文作者签名：骆考友 日期：7 1 0 1 1 年z 月万日 i i i 指剥撇：每l f 镟 日期：纠毋年尹月骘日 摘要 无线传感器网络是国际上备受关注涉及多学科的前沿热点研究领域。传统的 工业监控主要使用有线网络布线不灵活，受环境影响严重，电缆维护费用高等缺 陷。因此，替代传统有线网络，基于无线传感器网络的工业监控网络具有强大的 优势，引起了国内外广泛的研究和关注。工业监控网络对实时性和可靠性有较为 严格的规定，其中主要为时间延时、丢包率和吞吐量。要在工厂内恶劣电磁干扰 环境下，实现现场数据采集和远程监控的实时性和可靠性，这对于低配置、自组 织的多跳w s n 带来了严峻的挑战。 无线传感器网络性能优化的研究是一个热点领域，无线传感器网络跨层优化 就是一个重要的方法。在传统无线网络分层设计时，每层独立地进行设计和操作， 各层独立设计导致了层与层之间没有信息的交流，没有充分利用网络资源以实现 最优的性能。无线传感器网络中m a c 协议决定信道资源的分配方式，在通信节 点之间分配有限的通信资源，是保证网络高效通信的关键。无线传感器网络中的 另一重要协议层路由层决定了数据传输的路径选择，此协议的选取也是提高无线 传感器网络性能的重要环节。基于此，针对实际应用需求，本文提出“m a c 层+ 路由层”的工业传感网跨层优化方案，通过m a c 层理论模型进行链路质量评估， 并以此为路由选择提供依据，从而实现m a c 层和路由层的跨层优化。 首先，本文就无线传感器网络跨层优化体系结构、分类和具体方法进行了深 入的研究。针对工业监控网络提出了基于m a c 层与路由层结合的无线传感网络 跨层优化方法，为接下来的具体分层设计提供了框架结构基础。 其次，针对m a c 层的网络吞吐量、网络延时、结点个数、丢包率等重点参 数进行了数学描述和分析，并在此基础上建立i e e e8 0 2 15 4m a r k o v 链模型就 m a c 层进行优化。 再次，针对工业监控网络以及无线传感器网络的特性，在进行了不同种类路 由协议分析，引入汇聚树路由协议，结合基于i e e e8 0 2 1 5 4m a r k o v 链模型对路 由算法进行设计，实现了收敛快速，拓扑稳定，路由更新灵活，路由维护开支小 的基于m a c 层和路由层的跨层优化路由协议m m c t p 。 i v 然后，着重根据工业监控网络及实际硬件节点的特点和需求，模拟工业监控 网络环境采用t i n y o s 无线传感器网络操作系统以及n e s c 语言进行编程，通过 t i n y o s 白带的t o s s i m 仿真系统进行m m c t p 路由算法仿真并与c t p 路由算 法进行比较，以考察m m c t p 路由算法的性能。 最后，本文在基于c c 2 4 3 0 处理芯片和t i n y o s 操作系统的实际传感器节点 上采用m m c t p 路由算法进行组网，以实现实际网络的运行、采集及监控。 论文的工作和研究成果为无线传感器网络跨层优化和实际工业监控的无线 传感器网络的部署和设计打下了一定的基础。 关键词：跨层优化，无线传感器网络， 工业监控，t i n y o s ， 汇聚树 v r e s e a r c ho nc r o s s - l a y e ro p t i m i z a t i o no fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kf o ri n d u s t r i a lm o n i t o ra n dc o n t r o l a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sa ni n t e r n a t i o n a lc o n c e r nh o te d g em u l t i d i s c i p l i n a r y r e s e a r c h t h em a j o rt r a d i t i o n a li n d u s t r i a lc o n t r o lw i r i n gu s i n gaw i r e dn e t w o r ki sn o t f l e x i b l e ，s e r i o u s l ya f f e c t e db yt h ee n v i r o n m e n t ，c a b l em a i n t e n a n c ec o s td e f e c t s t h e r e f o r e ，c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lw i r e dn e t w o r k s ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sb a s e d o ni n d u s t r i a l m o n i t o r i n g n e t w o r kh a ss o m e s t r o n ga d v a n t a g e s r e l i a b i l i t y r e q u i r e m e n t so fi n d u s t r i a lr e a l t i m em o n i t o r i n gn e t w o r ka r em o r es t r i n g e n t ，p r i m a r i l y a b o u tt h et i m ed e l a y ，p a c k e tl o s sa n dt h r o u g h p u t t oa c h i e v et h er e q u i r e m e n t so f e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ei nh a r s h f a c t o r ye n v i r o n m e n t s ，a n d t h ef i e l dd a t a c o l l e c t i o n ，r e m o t e m o n i t o r i n g o fr e a lt i m ea n d r e l i a b i l i t y ，l o w - c o n f i g u r a t i o n ， s e l f - o r g a n i z a t i o no fm u l t i h o pw s n h a sp o s e das e r i o u sc h a l l e n g e p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o nf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si sah o ta r e ao f r e s e a r c h w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sc r o s s - l a y e ro p t i m i z a t i o ni sa ni m p o r t a n ta p p r o a c h i nt h et r a d i t i o n a lc r o s s - l a y e rd e s i g no fw i r e l e s sn e t w o r k s ，e a c hi n d e p e n d e n t l yd e s i g n a n do p e r a t i o no fi n d e p e n d e n td e s i g nr e s u l t e di nl a y e r sb e t w e e nl a y e r si sn oe x c h a n g e o fi n f o r m a t i o n ，i td o e sn o tm a k ef u l lu s eo fn e t w o r kr e s o u r c e st oa c h i e v eo p t i m a l p e r f o r m a n c e m a cp r o t o c o li nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sd e c i d e dt oc h a n n e lt h e a l l o c a t i o no fr e s o u r c e s ，c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h en o d e si nt h ea l l o c a t i o no fl i m i t e d c o m m u n i c a t i o nr e s o u r c e si st h e k e yt o e n s u r et h ee f f i c i e n tc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k a n o t h e ri m p o r t a n t p r o t o c o ll a y e r r o u t i n gl a y e r d e t e r m i n e st h ed a t a t r a n s m i s s i o np a t hs e l e c t i o n t h es e l e c t i o no ft h i sa g r e e m e n ti st oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa ni m p o r t a n tp a r t b a s e do nt h i s ，t h ew o r k p r o p o s e s ”m a cl a y e r + r o u t i n gl a y e r ”o fi n d u s t r i a l s e n s o rn e t w o r k sc r o s s - l a y e r o p t i m i z a t i o np r o g r a m ，t h r o u g ht h em a cl a y e rm o d e lf o rl i n kq u a l i t ya s s e s s m e n t ，a n d v i t h u sp r o v i d et h eb a s i sf o rt h er o u t i n gi no r d e rt oa c h i e v em a c l a y e r f i r s t l y ，c r o s s l a y e ro p t i m i z a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，g i v e s p e c i f i cm e t h o do fc l a s s i f i c a t i o ni n - d e p t hr e s e a r c h p r o p o s e dt h ei n d u s t r i a lm o n i t o r i n g n e t w o r kb a s e do nm a c l a y e ra n dr o u t i n gl a y e rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ko p t i m i z a t i o n m e t h o d t h ed e s i g no ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ko p t i m i z a t i o nm e t h o dp r o v i d e st h e f r a m e w o r kf o rt h ef o l l o w i n gg r a p h s s e c o n d l y ，f o ri n d u s t r i a lm o n i t o r i n gn e t w o r ka n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s t h i sg r a p hm a k e st h ea n a l y s i so fd i f f e r e n tt y p e so fr o u t i n gp r o t o c o l s ， i n t r o d u c t i o no ft h et r e e r o u t i n gp r o t o c o lc o n v e r g e n c ea n d t h ec o m b i n e dw i t h i e e e 8 0 2 15 4m a r k o vc h a i nm o d e lb a s e do nt h er o u t i n ga l g o r i t h md e s i g n t h i s a l g o r i t h mi sm m c t p ，i ti sai m p l e m e n t a t i o n ，f a s tc o n v e r g e n c ea n dt o p o l o g ys t a b i l i t y f l e x i b l er o u t i n gu p d a t e s 1 0 wr o u t em a i n t e n a n c ee x p e n s e sb a s e do nm a c l a y e ra n dt h e c r o s s l a y e ro p t i m i z a t i o n t h e n t h ew o r kf o c u so ni n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k sb a s e do nt h ea c t u a lh a r d w a r e n o d e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dn e e d so fi n d u s t r i a lc o n t r o ls i m u l a t i o nu s i n gt i n y o s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ke n v i r o n m e n t ，n e t w o r k o p e r a t i n gs y s t e m s a n dn e s c p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，t h r o u g ht h et o s s i ms i m u l a t i o ns y s t e mt os i m u l a t et h e m m - c t pr o u t i n ga l g o r i t h ma n dc o m p a r e dw i t ht h ec t p i no r d e rt oe x a m i n e m m c t pr o u t i n ga l g o r i t h m f i n a l l y ，t h ew o r ku s et h ep r o c e s s i n gc h i pa n dt h et i n y o sc c 2 4 3 0 一b a s e d o p e r a t i n gs y s t e m 谢t 1 1t h ea c t u a ls e n s o rn o d em m c t pn e t w o r kr o u t i n ga l g o r i t h mt o a c h i e v et h ea c t u a lo p e r a t i o no ft h en e t w o r k ，c o l l e c t i n ga n dm o n i t o r i n g t h ew o r ka n dr e s e a r c hh a v et h ef o u n d a t i o na b o u tt h ec r o s s - l a y e ro p t i m i z a t i o no f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n dt h ea c t u a li n d u s t r i a lm o n i t o r i n go fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kd e p l o y m e n ta n dd e s i g n l u oy a n l i n g ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) v i l s u p e r v i s e db yw uy i z h i k e yw o r d s ：c r o s s - l a y e ro p t i m i z a t i o n ，w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ，i n d u s t r i a l m o n i t o r i n g ，t i n y o s ，a g g r e g a t i o n t r e e v i i i 恧向工业监控的无线传感器网络跨层优化研究 目录 摘要i v a 】b s t r a c t v i 目录i x 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 1 1 无线传感器网络特点1 1 1 2 工业监控性能要求指标3 1 2 研究现状7 1 2 3 工业监控环境无线传感网络研究现状7 1 2 4 工业监控环境系统结构组成8 1 2 5 工业监控环境无线传感器网络结构9 1 3 主要研究内容与创新点1 0 1 4 论文章节安排1 1 第二章m a c 层及路由层跨层优化设计1 3 2 1 引言1 3 2 2 跨层设计思想1 3 2 2 1 跨层设计的提出1 3 2 2 2 跨层设计的思想概述。1 5 2 2 3 跨层设计的优势1 6 2 2 4 跨层优化设计分类17 2 2 5 跨层优化研究现状1 9 2 2 6 基于链路层及网络层的跨层优化设计1 9 2 3 本章小结2 0 第三章基于m a r k o v 链模型的m a c 层性能分析建模2 1 3 1 引言2 1 3 2 基于竞争的m a c 协议2 2 3 3i e e e8 0 2 15 4 通信协议2 4 面向工业监控的无线传感器网络跨层优化研究 3 3 1i e e e8 0 2 15 4 通信协议概述。2 4 3 2 2i e e e 8 0 2 15 4 通信协议的p h y 层和m a c 层2 7 3 4i e e e 8 0 2 1 5 4 协议c s m a c a 算法2 8 3 5 基于m a r k o v 链模型的i e e e s 0 2 15 4 通信协议性能分析3l 3 5 1m a r k o v 链模型31 3 5 2c s m a 算法m a r k o v 链模型分析3 2 3 5 3m a r k o v 链模型参数的求解及设定3 5 3 5 4 性能指标分析3 7 3 4 本章小结3 8 第四章基于m a r k o v 链的w s n ；1 - 聚树路由协议m m c t p 4 0 4 1 引言4 0 4 2 无线传感器网络路由传输协议特点4 0 4 3 无线传感器网络路由传输协议性能指标4 1 4 4 无线传感器网络路由协议现状4 1 4 4 1 路由协议的分类4 1 4 4 2 现有无线传感器网络路由传输协议4 3 4 。5w s n 汇集树路由协议c t p 4 6 4 6 基于m a c 层m a r k o v 链模型的w s n 汇集树路由协议m m c t p 4 6 4 6 1 基于m a r k o v 链模型的链路质量估计4 6 4 6 2m m c t p 的网络层路由算法4 7 4 6 3m m c t p 的的转发机制5 2 4 7 本章小结5 2 第五章m m c t p 的实现及仿真分析5 3 5 ，1 引言5 3 5 2t i n y o s 系统介绍5 3 5 3t i n y o s 的编程5 4 5 4t i n y o s 仿真系统5 7 5 5m m c t p 实现5 8 5 5 1m m c t p 链路质量估计器5 8 一x 面向工业监控的无线传感器网络跨层优化研究 5 5 2m m c t p 路由引擎5 9 5 5 3m m c t p 转发引擎6 0 5 6m m c t p 仿真结果及分析6 1 5 6 1 网络拓扑配置6 1 5 6 2 仿真结果分析6 6 5 7 本章小结6 8 第六章m m c t p 在工业监控网络的应用及实测网的搭建6 9 6 1 引言6 9 6 2 工业监控需求分析6 9 6 2 1 工业生产监控现状分析6 9 6 2 2 工业监控的无线传感网络实时性和可靠性6 9 6 2 3 工业生产监控结构7 1 6 3 工业监控无线传感器网络方案设计7 1 6 4 基于c c 2 4 3 0 及t i n y o s 平台的无线传感网络搭建7 3 6 4 1 引言7 3 6 4 2 无线传感器节点结构7 3 6 4 3 工业监控环境平台系统搭建构架7 4 6 4 4 基于c c 2 4 3 0 的无线传输模块7 4 6 4 5 传感器网络后台监控平台7 6 6 4 6 基于c c 2 4 3 0 及t i n y o s 平台的无线传感网络运行7 6 6 5 本章小结7 8 第七章总结与展望7 9 7 1 总结7 9 7 2 展望7 9 参考文献8 1 致谢8 6 附录8 7 x i 面向工业监控的无线传感器网络跨层优化研究 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 无线传感器网络是国际上备受关注、涉及多学科的前沿热点研究领域。无线 传感器网络是由大量无处不在的具有通信与计算能力的微小传感器节点密集部 署在监控区域而构成的自治网络系统。传统的工业监控主要使用有线网络，例 如，现场总线技术，存在系统繁杂，布线不灵活，受环境影响严重，电缆维护费 用高等缺陷。因此，替代传统有线网络，基于无线传感器网络的工业监控网络具 有强大的优势，引起了国内外广泛的研究和关注。 但工业监控网络对于传输性能有其特殊要求，对实时性和可靠性有较为严格 的规定，要在工厂内恶劣电磁干扰环境下，实现现场数据采集和远程监控的实时 性和可靠性，这对于低配置、自组织的多跳w s n 带来了严峻的挑战。 1 1 1 无线传感器网络特点 与现有无线网络相比，无线传感器网络在通信方式、动态组网以及多跳通信 等方面有许多相似之处，同时也存在很大的差别。无线传感器网络具有许多鲜明 的特点呻，3 】： ( 1 ) 电源能量限制 传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点数目 庞大，成本低廉，分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能 到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。如何在网络 的使用过程中节省能源，最大化网络的生命周期，是无线传感器网络面临的首要 挑战。 ( 2 ) 通信环境恶劣 无线传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百 米。传感器节点之间的通信断接频繁，经常容易导致通信失败。由于无线传感器 网络更多受到高山、建筑物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响，传感器 面向工业监控的无线传感器网络跨层优化研究 可能会长时间脱离网络，离线工作。如何在有限通信能力的条件下高质量地完成 感知信息的处理与传输，是无线传感器网络面临的挑战之一。 ( 3 ) 计算能力有限 传感器节点是一种微型嵌入式设备，要求它价格低功耗小，这些限制必然 导致其携带的处理器能力比较弱，存储器容量比较小。为了完成各种任务，传感 器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任 务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成诸多协同任 务成为无线传感器网络设计的挑战。 ( 4 ) 规模大，分布广 无线传感器网络中的节点分布密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚 至更多。此外，无线传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。无线传感器网络 的这一特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护，因此无线传感器网络的软、 硬件必须具有高强壮性和容错性，以满足无线传感器网络的功能要求。 ( 5 ) 自组织及动态性强 在无线传感器网络应用中，节点通常被放置在没有基础结构的地方。传感器 节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，而是通 过随机布撒的方式，如通过飞机播撒大量节点到面积广阔的原始森林中，或随意 放置到人不可到达的危险区域。这就要求传感器节点具有自组织能力，能够自动 进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监控数据的多跳无 线网络系统。同时，由于部分传感器节点能量耗尽或环境因素造成失效，以及经 常有新的节点加入，或是网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具 有移动性，这就要求无线传感器网络必须具有很强的动态性，以适应网络拓扑结 构的动态变化。 ( 6 ) 网络与应用密切相关 不同的无线传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也 有多种多样的要求。不同的应用背景对无线传感器网络的要求不同，其硬件平台、 软件系统和网络协议必然会有很大差别，在开发无线传感器网络应用中，更关心 无线传感器网络的差异。只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。 针对每一个具体应用来研究无线传感器网络技术，这是无线传感器网络设计不同 面向工业监控的无线传感器网络跨层优化研究 于传统网络的显著特征。 1 1 2 工业监控性能要求指标 工业监控属于自动化系统监控。工业自动化系统的网络通信技术的基础是计 算机网络技术，但是又不同于一般的计算机网络通信，因为普通的计算机网络通 信是以传递信息为最终目的，而工业控制网络传递信息是以引起物质或能量的运 动为最终目标。因此，在工业控制的测量和控制的数据通信的主要特点是：允许 对事件进行实时响应的事件驱动通信，很高的可用性；很高的数据完整性；在有 电磁干扰情况下能正常工作；使用工厂内专用的传输线等，其中最主要的要求是 网络通信的高实时性和可靠性 4 ，5 】。 实时性是指数据处理和数据产生之间的时间延迟很小，此时间延迟控制在工 业自动化控制技术的允许范围内。根据当前工业监控的实际情况，实时性要求划 分为三个等级： ( 1 ) 在信息集成较低要求的工业监控应用场合，实时响应时间要求是l o o m s 或更长； ( 2 ) 大多数的工业自动化应用场合实时响应时间的要求最少为5 1 0 m s ； ( 3 ) 对于高性能的工业同步运动控制应用，特别是在1 0 0 个节点或者更多节 点下的工业控制应用场合，实时响应时间要求低于i r e s 。 可靠性是指能够在一个特定的工业环境中和规定时间段内存活、自主组网、 准确监控有效通信，并能够应对规定范围内的突发事件，维持自身稳定的能力。 在工业监控无线传感器网络中的可靠性可分为：有效性、完整性。 有效性是指基于业务性能的可靠性测度，它包括此传输数据信息是否正确； 完整性是指在任务开始时可用性一定的情况下，网络在规定的任一时刻，网 络正常运行完成服务要求的能力，它包括数据传输过程中，数据包的完整程度。 在工业监控环境无线传感器网络环境下针对提高实时性和可靠行这两方面 主要以物理层、数据链路层和网络层为主要方向。 ( 1 ) 物理层 物理层是网络分层结构的底层，提供简单但健壮的调制、发送和接收技术， 它的可靠性一方面涉及到网络底层的可靠度，另一方面影响着数据链路层，是网 面向工业监控的无线传感器网络跨层优化研究 络可靠性构成的底层。物理层性质体现在四个方面：机械特性、电气特性、功能 特性和规程特性。其中，功能特性和规程特性是指明物理信号表示的意义和可能 事件的出现顺序，而在这些方面，成熟技术保证了其功能和可靠。而机械特性和 电气特性与通信的有效性更为密切，也是物理层可靠性性能指标的两大方面，目 前多数传感器节点的硬件设计多基于射频电路 6 1 。 具体参数如表1 1 所示 7 j 。 表1 - 1 物理层性能参数 节点封装撞击腐蚀湿度温度 机械特性c p u 能耗 能耗 无线收发能耗 节点通信范围无线传输距离 节点无线通信 节点接收灵敏 能力数据接收功率门限 度 数据传输速率 空间波特率工作频段 通信特性信道数 工作频率 物理层通信时延 电源 信道编码 调制方式 ( 2 ) 数据链路层 数据链路层的协议问题对网络的实时性能和可靠性能影响很大。但是，传统 的无线网络基于c s m a 的m a c 层协议多是一种信道接入竞争性的协议，不能 保证传输时间的确定性，从而完全满足对工业对象控制的各种要求【7 8 】。 工业级无线多跳自组织传感器网络中的m a c 协议必须达到两个目的。第一， 创建网络基础结构，第二，公平、有效地在传感节点之间共享通信资源。由于 大量的传感节点密集地分布在传感现场中，m a c 必须能够为数据传输建立通信 链路，这就为无线通信逐段的形成了必要的基础结构并赋予传感器网络自组织的 能力。另外传统的m a c 协议不适合无线传感器网络的原因是要有效解决传感器 面向工业监控的无线传感器网络跨层优化研究 网络的唯一资源约束及应用需求的问题【9 1 。 数据链路层主要的性能参数如表1 2 所示【7 】 表1 - 2 数据链路层性能参数 侦听模式能耗 睡眠模式能耗 静态能耗 发送模式能耗 接收模式功耗 能量消耗 发送每一帧的 每比特能耗 能耗 传输能耗 能量控制接收每一帧的 每比特能耗 能耗 功率控制策略 侦听模式时间 设备占空比 睡眠模式时间 接收侦听频率 收发帧频率 发送侦听频率 吞吐量网络平均传输比特率 多跳时延 传输时延 时延链路层时延 处理时延 碰撞及退避时延 公平性信道接入公平性 信道信道利用率 帧头长度 帧 帧控制开销 ( 3 ) 网络层 网络层协议负责路由发现和维护，是无线传感器网络的重要因素，一个网络 设计的成功与否，路由协议非常关键。无线传感器网络中，大多数节点无法直接 与网关通信，需要通过中间节点进行多跳路由。无线传感器网络路由协议按照最 面向工业监控的无线传感器网络跨层优化研究 终形成的拓扑结构，可以划分为平面路由协议和分层或分簇路由协议。在平面路 由协议中，所有节点的地位是平等的，原则上不存在瓶颈问题。其缺点是可扩充 性差，维护动态变化的路由需要大量的控制信息。在分层或分簇结构的网络中， 群成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息。这大大减少了网络中路由 控制信息的数量，具有很好的可扩充性，其缺点是群头结点可能会成为网络的瓶 颈【7 】o 网络层主要的性能参数如表1 3 所示【7 】 表1 3 网络层性能参数 复杂度 路由初始化 收敛时间 连通性 网络层吞吐量 数据包丢失率 丢包率 数据包误差率 平均端到端时延 发送端到接收端时延 连接时间 路由长度倒8 数 路由最长路径 路由持续及数据发送路径 路由最短路径 最优路由 数据控制包开销 路由信令负荷数据控制包与数据传输 包比例 路由中断概率 多点传输有效性 数据包大小 路由维护拓扑冗余 路由重建时延 本地重建 重建时间 面向工业监控的无线传感器网络跨层优化研究 路由重建请求次数 失效节点比例 节点 节点个数网络规模 如表1 3 所示，路由协议的控制开销是评价工业无线传感器网络路由协议性 能的重要参数。路由开销包括所有路由发现、路由维护的控制消息。该参数反映 了路由协议本身引起的传输开销由于工业无线传感器网络具有传输带宽低的特 点。路由开销的大小直接影响到网络的有效传输率。 1 2 研究现状 人们对于无线传感器网络在工业自动化和控制领域应用的兴趣与日俱增。无 线传感器网络中使用的传感器节点价格低、外形小巧而且耗电少，对于那些由于 建筑物和机器隐蔽处或者裂缝太多而无法部署常规有线传感器的工业环境来说， 这无疑是理想选择。应用这种新型网络有望将工业环境转变为完全联网的环境， 但同时也应该看到，虽然近年来国内外对无线传感器网络的一些关键技术( 比如 节能、路由等) 进行了广泛研究，而且取得了大量研究成果，但大量研究仍处于 理论研究及验证阶段，在实际应用时很难满足工业现场特殊环境的要求【l o 1 1 1 。工 业实际应用不是那么容易开展，主要的困难是主流无线协议无法完全满足工业应 用特定的技术要求以及网络及组件管理软件开发的复杂性。 1 2 3 工业监控环境无线传感网络研究现状 目前针对工业监控环境领域协议研究还处于理论及评估阶段。在链路层方面 基于低速低功耗i e e e 8 0 2 15 4 标准的w s n 是应用和研究热点，链路层大都集 中在对其介质访问控制机制( c s m m c a ) 的研究，文献【1 2 j 研究网络性能参数与 传感器节点数、拓扑、重传次数和往返传输时间的相关性，得出c s m a c a 高 碰撞率对网络吞吐量等性能带来很大的影响。在网络层方面主要是通过路由层通 过优化路径改善无线传感网的实时性或可靠性，例如，文献【l3 j 提出轮询路径梯 度算法r p p s ，通过传输路径中跳数的多少来选择路由。文献1 1 4 j 提出接收五组连 续时刻的数据帧来计算时延，通过时延选择路径。但目前较少有通过链路层和路 由层结合的角度解决w s n 实时和可靠传输问题。 面向工业监控的无线传感器网络跨层优化研究 1 2 4 工业监控环境系统结构组成 目前的工业生产数据采集系统采用分层分布式结构总体上分为三个部分： 数据采集设备、管理决策端、现场监控端。系统如图1 1 所示。 ( 1 ) 管理决策端主要分布在企业局域网内，可以在网络内随时查看，负责为 生产做前期的准备，包括生产单、生产卡、生产计划、化料单等的制定。同时在 生产过程中，对采集处理保存的历史数据进行呈现，生产异常的跟踪、生产成本 的统计、能源消耗统计等，提供对企业决策的支持，并支持对e r p 系统的数据 通讯。 ( 2 ) 现场端主要对现场各采集点设备的数据采集和监控。实现与硬件采集设 备的通讯，对采集的实时数据进行处理完成实时数据的显示、各种曲线画面的 显示、异常报警、机台生产报工、对水和蒸汽阀门的控制、并将处理的数据通过 网络传输到数据库服务器上实现对历史数据的存储等功能。 ( 3 ) 数据采集设备主要对车间设备各参数连接的传感器进行数据转换，采用 无线传感器网络作为通信，为现场端采集提供数据来源。采集设备主要包括：温 度采集模块、频率计数器、模拟量采集模块、碱浓度控制模块、各种数显仪表( 水、 电、汽、含潮仪) 等。 管理决策端与现场端的通信主要有通讯系统完成。所有的现场端和管理决策 端通过光纤以太网连接在一起利用光纤以太网的容量大、微衰减、抗干扰、耐 腐蚀等优势，构建高速、可靠、扩展方便的工业在线采集系统。 面向工业监控的无线传感器网络跨层优化研究 图1 1 工业生产数据采集系统采用分层分布式结构 1 2 5 工业监控环境无线传感器网络结构 对工业无线传感器网络的结构的分析，主要考虑网络的协议栈结构、体系结 构和拓扑结构。体系结构和拓扑结构也深刻影响网络可靠性，而在体系结构和拓 扑结构的基础上，协议栈分析能为评估提供详细的参数【7 1 。 工业监控环境无线传感器网络由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中 心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的 面向工业监控的无线传感器网络跨层优化研究 节点，各节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优化后经 无线电波传输给信息处理中心。如图1 2 所示为工业无线传感网络通信息体系7 1 。 、 ，一一 、一一一， 图1 2 工业无线传感网络通信体系结构 1 3 主要研究内容与创新点 本文综合运用了跨层优化体系、i e e e 8 0 2 1 5 4m a r k o v 动力学模型、分簇汇 聚路由等技术，设计了一种汇聚树m m c t p 路由算法的无线传感器工业监控网 络，为工业监控无线传感器网络系统的部署和研究提供了支持。该系统采用基于 m a c 层同路由层相结合的跨层优化m m c t p 路由算法使各传感器节点相互通 信，实现整体监控网络的运行和优化。设计基于i e e e8 0 2 1 5 4m a r k o v 链模型的 m a c 层链路质量评估体系，根据链路质量评估信息得到邻居节点的链路质量信 息，路由层