【毕业学位论文】（Word原稿）基于工业监控的无线传感器网络跨层通信协议研究及应用-软件工程

硕士学位论文 （专业学位） 基于 工业监控 的 无线传感器网络跨层通信协议 研究 及应用 姓 名： 学 号： 所在院系： 软件学院 职业类型： 工程硕士 专业领域： 软件工程 指导教师： 副指导教师： 二 一四年一 月 I A in 2011 2014 位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或 者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年 月 日 济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 同济大学 硕士学位论文 摘要 摘要 无线传感器网络（ 集无线通信技术、计算机网络技术及传感器技术于一身的综合信息处理平台，是计算机信息领域的研究热点之一。由于 有低成本、低功耗、布线容易且移动灵活等传统以太网不具备的技术优势，工业领域 对 生了巨大的应用需求，并致力于提升 工业现场的整体性能。因此，针对工业监控 通信协议及应用研究具有十分重要的意义。 论文在分析多种相关的 由协议及 议的基础上，针对目前多数协议在可靠性、网络寿命及吞吐量等方面的不足，以改善工业 体性能为目的，提出了一种适用于工业监控领域的具有高可靠性且能量均衡的跨层通信协议（ 多信道 成，能量感知的节点密度阈值合理选择簇首，避免了随机选取模式中的簇首边缘化及网络重叠问题，然后通过节点与汇聚点间距离构建非均匀簇以平衡簇首功耗，并根据能量分布及链路质量选择高质量的可靠转发路径。 非均匀簇为框架，通过接包率预测信道质量，为各簇分配独立的基础信道以隔离簇间隐藏 /暴露终端问题，并在簇内通信阶段实时监测链路质量，根据信道接包率动态调整通信信道，以此达到抵御频段选择性干扰和提高局部信道利用率的目的。 仿真结果表明，相比传统的单层协议， 有效改善 能量利用效率并显著提高 通信可靠性，更适用于工业监控领域。 根据工业现场需求，论文对机电装备监控 行了性能改进，完成了 而加强节点的通信能力，并在协议栈和上位机监控平台中实现了多信道通信功能。实验表明， 改进后的装备监控 著提高了远距离通信能力及通信可靠性，对工业监控应用具备了更高的场景适用性。 关 键 词 ：无线传感器网络；跨层协议；非均匀簇；多信道；可靠性 论文类型 ：应用研究 is a in it to SN in to be of on of SN is of on of AC a is in to s of by to of to A of is to to s of SNs SNs its F of SN to in SN F 同济大学 硕士学位论文 目录 1 目录 摘要 . I . 录 . 1 1 绪论 . 1 题背景与意义 . 1 业 内外研究现状 . 2 究内容 . 3 文结构 . 3 2 无线传感器网络相关标准及协议 . 4 线传感器网络 . 4 . 5 型多信道 议 . 7 议 . 7 议 . 9 型分簇路由协议 . 10 议 . 10 议 . 12 议 . 13 章小结 . 14 3 高可靠 性且能量均衡的跨层通信协议设计与实现 . 15 于工业监控的无线传感器网络 . 15 业监控 述 . 15 业监控 题分析 . 15 业监控 标 . 17 层协议分析 . 18 层协 议设计 . 19 本原理 . 19 系结构 . 20 信结构 . 21 可靠性非均匀簇路由协议 计 . 22 簇首竞选 . 23 点加入分簇 . 26 发路径选择 . 28 于单接口的多信道 议 计 . 31 定信道分配 (. 31 态信道分配（ . 34 章小结 . 39 4 基于 层协议仿真与性能分析 . 41 同济大学 硕士学位论文 2 件环境介绍 . 41 感器模块 . 41 理器模块 . 42 线通信模块 . 42 源模块 . 43 件平台搭建 . 44 感器电路 . 44 控制器与射频模块连接 . 44 源电路 . 45 真软件 . 46 述 . 46 移动节点模型 . 46 于 型搭建及配置 . 47 信道模型搭建 . 47 扰环境模拟 . 49 真场景配置及参数 . 49 真结果与性能分析 . 50 能分析 . 51 能分析 . 53 章小结 . 56 5 层协议应用 . 57 点无线射频模块改进 . 57 点模块简介 . 57 线射频模块改进 . 58 电装备监控 多信道扩展 . 61 距离通信测试 . 64 章小结 . 66 6 结论与展望 . 67 论 . 67 望 . 67 参考文献 . 69 致 谢 . 70 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成 果 . 71 01 绪论 1 1 绪论 题背景与意义 随着无线通信技术、计算机网络技术以及传感器技术的迅猛发展，无线传感器网络（ 到了人们的广泛关注。 一种由大量布置在待监控区域 内的传感器节点组成的多跳通信网络 1，它具有低成本、低功耗、自组织等特点，集信息采集、数据处理、实时通信等功能于一身，在环境监测、交通管理、智能家居、军事保障及工业监控等诸多领域得到广泛应用 2。 在诸多应用场景中，工业监控类应用无疑是 重要的发展方向之一。在各类复杂的工厂环境下， 其组网灵活、移动方便、容易更换及可扩展性强等技术优势避免了传统有线网络中布线困难、监测点位置固定等问题。而且，随着电子技术的逐步完善， 应用大大降低了工业监控网络的组网成本及更新难度。由于工业监控类应用需求 的不断加大，工业界均致力于硬件平台及协议标准的研发和制定。应用较多的工业协议标准包括 、 及 等三种。但是，由于工厂环境下对象多变且干扰严重的原因， 难以在复杂的工业场景中大规模应用。目前，以下几个方面是 工业监控应用中急需解决的问题： 1） 抗干扰能力差，通信可靠性低。工厂环境下往往存在较强的多径效应和电磁干扰，严重限制了 通信效率，降低了节点的接包率。 2） 能量消耗较高，持续工作时间有限。由于传感器节点大多由电池供电，各类冗繁的 无效信息会加大能量消耗，导致节点失效甚至死亡。 3） 通信距离有限，影响数据传输。某些工厂环境中，由于某些设备间跨度较大，于是对数据传输距离有较高要求，现有节点较低的远距离通信能力限制了节点在大型工厂场景中的应用。 为解决以上问题，通常采取 信协议完善与节点硬件改进两种方法。通过对 议和路由协议的完善不仅可以减少冗余数据占用无线信道资源，提高数据可靠性，而且可以优化通信流程，降低通信能耗。因此，如何改善路由协议及 本论文的课题 依托 于 西安市工业应用 技术研发项目 ： “无线传感网络节点软件及系统应用研究（编号 :”， 课题的 研究内容之一 是 提出工业监测无线自组织网络系统的高可靠性 法和高效路由协议，并开发相应的通信协议栈，使 同济大学 硕士学位论文 2 够在复杂的工厂环境下完成可靠的数据传输。 业 内外研究现状 2002 年美国能源部 布了“面向 21 世纪的工业无线技术”白皮书，提出将用于工业自动化领域，同时将能够在复杂的工业现场环境下使用，具备很强的抵御干扰能力、低功率损耗、实时通信等技术的一类特殊的 术命名为工业无线技术。另外 ， 2004 年在“未来工业计划”中指出：“基于工业无线技术的低成本测控系统是实现到 2020 年美国工业整体能耗降低 5 目标的主要手段，代表着工业自动化系统的技术发展方向，将在石油天然气开采、石化、冶金、污水处理等高能耗、高污染行业有广泛的应用前景。工业无线技术的广泛应用将使工业生产效率提高 10，并使排放和污染降低 25。”但是，尽管工业监控 市场需求飞速增长，与此类应用配套的通信协议标准的研发工作仍处于起步阶段，仅有 几个标准得 到业界的初步认可。其中 为开放标准，在非专业领域应用最为广泛。 全球 第一个开放式的 允许 互操作 的 无线通信标准， 定位于 满足流程工业对于工 业现场 应用中可靠、稳定和安全的无线通信的关键需求 5。 2004 年 底 ，美国仪表和自动化学会 建 了工业无线标准 员会，启动了工业无线技术标准化的进程 ， 计目标是：成为 覆盖整个工业自动化应用的 无线通信 标准 ， 着重 于 工业环境的应用需求 4。 准 是 我国 推出的具有自主知识产权的 标准 体系，形成了国家标准草案，并 逐 步 与 标准 并 肩成为 主流的工业无线技术体系。 要 的 任务是 促进 工业无线技术在 我 国的发展和应用；为用户提供 高可靠性 的无线 通信技术 解决方案；制定中国工业无线技术 的 国家标准，并积极推动自有 主 知识产权的 心技术 标准 进入 准 6 多年来，国内外学术界也致力于以提高可靠性与延长网络寿命为主要目标的通信协议研究。分簇结构是一种有效的延长网络生存周期的路由模式，这类协议将整个网络划分成分布式结构，各簇通过簇首完成簇内信息的收集和转发，从而提高通信效率，减少 通信能耗 9。在这一方面， 人首先提出了基本的 议 10，该协议通过簇首轮换、数据融合等技术平衡负载并降低损耗，但其所有簇首均直接与汇聚节点通信的单跳模型在实际网络中实现代价较高。此后又相继出现了1、 12等对 成簇方式、能量控制方面进行改进的路由协议。文献 13为了更好的延长网络寿命，提出了非均匀簇的模型（ 靠近汇聚节点的簇首成簇规模较小（簇内节点少），远离汇聚节点的簇首成簇规模较大。通过差异化成簇以平衡近汇 聚节点簇首所额外承担的转发任务。文献 14通过邻簇信息采集实现了簇首的合理分布，避免了 议中簇首随机生成机制所导致的网络覆 01 绪论 3 盖问题，使簇的划分符合节点分布特点。类似的典型分簇协议还有 5及6等。在传输可靠性方面，选择合理的传输路径及采用多信道的 协议是行之有效的抗扰手段。文献 17设计了一种基于多信道的 法，其制在假设信道资源足够的情况下，为两跳内的邻节点分配不同信道以避免信道拥塞并提高了信道利用率，从而提高了通 信可靠性。类似的多信道协议还有 8、 9 及 0、 1、 2等。 究内容 本文针对工业测控背景，设计了一种具有良好综合性能的 层通信协议，并对 台进行了改进，主要完成了以下一些工作内容： 1、 研究工业监控 网络传输及节点模型特点。分析与跨层协议设计相关的通信协议在工业监控场景中的优势及不足。 2、 针对工业监控应用，设计了一种高可靠性且能量均衡的 层通信协议(借以提高无线传感器网络在工业监控类应用 中的数据吞吐量、网络生存周期以及通信可靠性等综合性能。 3、 基于 C+及 程语言设计 信道（多接口）移动节点模型，基于此完成跨层通信协议 仿真实验，并对 协议进行性能对比分析。 4、 根据性能需求完成机电设备监控 性能改进。改善节点的射频前端设计，完成 点协议栈多信道动态切换功能的实现，并在不同实际场景下对改进后的点进行了验证实验。 文结构 具体章节安排如下： 第一章：介绍了本课题研 究的背景意义以及国内外的研究现状。 第二章：分析工业监控 特点及 关 议的性能差异。 第三章：以 和路由层为载体，详细描述了 实现细节。 第四章：扩展 信道无限节点模型，基于 现 协议框架，通过 相关协议对比验证其性能改善。 第五章：在现有 台基础上，改进节点的射频部分，同时完成协议栈对多信道的支持。 第六章：总结课题的研究工作，并提出存在的问题和进一步的研究方向。 同济大学 硕士学位论文 4 2 无线传感器网络 相关标准及协议 线传感器网络 一种规模较大的无线自组网络，其体系结构研究通常分为硬件体系结构和软件体系结构。 其硬件体系结构如图 2示 图 2件体系结构 汇聚节点和大量随机布置在待监测区域内的传感器节点、路由（中继）节点组成，以无线信道为载体，通过一跳或多跳通信完成数据传输。其中 ， 传感器节点通常为微型的嵌入式系统，附带多种必要的数据采集（传感器）部件，采用电池供电，其续航能力、数据处理能力及远 距离通信能力相对较弱；路由节点在兼具传感器节点功能的同时，增强了远距离通信能力，负责转发传感器节点上传的数据；汇聚节点通常无需考虑续航问题，同时具有较强的数据处理能力及通信能力，负责汇总并融合网络内各传感器节点的监测数据，并通过高速网络（ ）连通上位机管理平台 1 2。 其 软件 体系 结构 如图 2示 。 02 无线传感器网络相关标准及协议 5 图 2件体系结构 件通常采用五层的通信模型并划分为拓扑管理、能量管理及任务管理等三个管理平台 1。物理层主要以无线信道为媒介，承载信号的调制和收发任务；数据链路层通过 议分配有限的信道资源，控制媒体访问并完成信号的差错控制；网络层完成数据发送路径的选择和维护，起到避免拥塞和保证网络连通的作用；传输层控制数据流的传输，为下层提供可靠且高效的数据传输服务；应用层主要实现各类具体的 用 23。三大管理平台的划分主要是为了协调各层次间的功能以优化 络寿命和任务调度等方面的性能。拓扑管理平台实时追踪网络内传感器节点的移动、加入和死亡，动态维护各节点到汇聚节点的转发路径；能量管理 平台在监测节点剩余能量的同时，管理各层协议的能量需要，从整体降低节点的功耗水平，延长节点存活时间；任务管理平台合理调度各类任务的执行顺序，减少任务冲突，优化软件体系的合理性和可靠性 24。 信标准 目前无线传感器网络中应用最为广泛的一种通信标准，它是一种短距离、低功耗、低传输速率的无线通信技术。其物理层与 采用 议标准，网络层（路由层）由 盟设计，而应用层由各类用户根据不同应用背景的实际需要自行开发。 物理层方面，由 准可知 29： 在三个工作频段内通信，分别是 868 915 中在 段内共划分出 16 个通信信道，最大传输速率为 250 868 915 段传输速率分别为 40 同济大学 硕士学位论文 6 20相应信道数为 1 个和 10 个，三个频段内信道编号为 k 的信道的中心频率 f 定义如下： 8 6 8 f o r 09 0 6 2 ( 1 ) , f o r 1 , 2 , 1 02 4 0 5 5 ( 1 1 ) , f o r 1 1 , 1 2 , 2 6 H z kf k M H z kf k M H z k（ 2 数据链路层方面， 全采用 准的 协议规范： 要功能包括 产生网络信标、信标同步、个域网（ 路管理、 制、保护时隙（ 理和提供可靠通信链路等。参考模型如图 2示 。 M A C 公 共 部 分 子 层 - 服 务接 入 点 （ M C P S - S A P ）物 理 层 数 据 服 务 接入 点 （ P D - S A P ）M A C 层 管 理 实 体M A C 层 管 理 实 体 - 服 务 接入 点 （ M L M E - S A P ）物 理 层 管 理 实 体 - 服 务 接入 点 （ P L M E - S A P ）M A C 层个 域 网 信 息 库M A C 层 公 共部 分 子 层图 2参考模型 包括一个 的管理实体（ 体提供一个接口，通过该接口可以调用 的各种管理功能。 负责管理 固有管理对象的数据库（其中包括 的个域网信息数据库信息）。同时， 通过 供数据服务，并通过管理实体接入点 供管理服务 30。 另外， 准中定义了四种类型帧，分别是信标帧、 令帧、数据帧和确认帧。其中信标帧中的超帧描述子域与 域共同维护了 别引入的超帧结构。 超帧格式是由网络主协调器来定义，分为 16 个等宽的时隙。每个超帧间由信标帧分隔，为了进一步减小设备能耗，超帧又分为活动部分和静止部分。在静止部分，设备停止通信，处于低功耗模式，减少能耗。在活动部分，竞争接入期（ 许所有节点采用 式竞争通信，免竞争期（ 供保护时隙 （ 有特殊需要的节点进行通信 3。 网络层方面， 持星型、树型和网状型三种基本拓扑结构。星型拓扑中，网络核心是唯一的主协调器，其余所有节点直接将数据发送至该协调器，同时该协调器负责发起和管理网络内所有通信。树型拓扑和网状拓扑中，主协调器完成网络启动 02 无线传感器网络相关标准及协议 7 及网络系统参数设定等工作，路由器负责网络的结构扩展。树型拓扑中，路由器以分级路由策略传输数据，可以采用基于信标的通信模式；而网状拓扑中，节点间完全对等通信，路由节点不能以信标模式组网 30。 网络层协议由本层信息服务模块 本层控制服务模块 部分组成 30，如图 2示 。 图 2网络层参考模型 信息服务模块通过信息服务接入点（ 供数据传输服务；控制服务模块通过控制服务接入点（ 供网络控制服务，另外，控制服务模块还要利用信息服务模块完成指定的网络控制工作，并管理和维护网络信息库（ 型多信道 议 改进一直是 研究热点之一 31。目前从信道使用数量上来看， 类是典型的单信道协议，即网络中所有传感 器节点共用同一个无线信道，较经典的协议有 2、3等，单信道协议对节点处理器的处理能力要求较低，易于实现，但信道利用率低，抗干扰能力差，在复杂场景下，经常由于信道拥塞和外部干扰导致传输可靠性降低。另一类为多信道协议，即网络中节点同时于多个无线信道进行数据收发，多信道协议能够充分利用信道资源，并提供良好的抗干扰能力，典型的多信道协议包括。 议 较早提出的一种以 准为基础的单接口多信道 议。它通过动态的信道切换技术解决了限制通信效率的隐藏 /暴露终端问题，以达到提高网 同济大学 硕士学位论文 8 络数据吞吐能力的目的。 过在控制信道交换信道质量信息，控制节点间通信信道的使用情况，并以信道使用频度为标准将信道质量分为高、中、低三档：高质量信道是节点正在使用的信道，中质量信道是没有被邻居节点正在使用的信道，低质量信道是已被邻居使用的信道。信道切换及数据交互流程如图 2示 。 控 制 信 道 选 定 信 道信 道 1信 道 1信 道 2信 道 2A T I I S ( 1 )A T I K ( 1 )A T I I K ( 2 )A T I S ( 2 )A T I M W i n d o 间 隔信 标R T T T 2信道切换及数据交换 过程 鉴了 的 术，所有节点在 监听控制信道的 息，当某节点 A 有数据包要发送时，首先在 通过控制信道向目的节点 B 发送包含待选信道的 ；节点 B 收到 A 的 后在 A、 B 的信道列表选择质量最好的信道，并将该选定结果通过 通知 A（此时 B 的邻居节点 C 会侦听到该消息并将节点 B 选定的信道的质量级别下调，当节点 D 与其通信时，节点 C 会避开此信道），节点 A 收到此消息后，通过 认信道协商， 然后于协定的信道发送数据。 在协商过程中，信道的选择标准是：如果节点 B 有高质量的信道 1，就用信道 1；否则若节点 A 有高质量的信道 2，就用信道 2；若二者均无高质量的信道，则参照上过程选择中质量的信道 3；若同样没有中质量信道待选，则选用两节点使用次数之和最小的低质量信道 4。 道接入策略的主要目的是节点间的无干扰通信，它避免了无线通信中常见的信道拥塞问题，并提高了信道的利用率，理想状态下可以显著提高 数据吞吐量。但是以下几个问题限制了 实际工业场景中的应用性能： 1）所有节点于唯一的控制信道 完成信道协商，控制信道任务繁重，易产生拥塞并 02 无线传感器网络相关标准及协议 9 导致网络失控。 2）网络内所有节点需严格的时间同步，否则会发生协商失败甚至节点丢失。 3）每次通信前控制信息交互过于繁冗， 不仅影响了有效数据的发送效率，而且增加了网络的功耗和延时。 4）信道质量仅通过信道使用频度间接判定，不能如实反映信道的实际情况：一方面有可能低估信道质量，另一方面无法衡量外部干扰对信道的影响。 议 样是典型的采用了多信道技术的 协议。 对不同的物理条件 提供了四种特定的信道接入算法：平稳选择（ 专一频道分配（ 、监听分配（ 及一致分配（ 其中一致分配是 核心信道分配策略，它是一种将固定信道分配策略与 A 竞争接入相结合的 协议。一致分配假设所在频段内有足够多的非重叠物理信道，将信道依序号为所有两跳内节点分配不同的通信信道。节点后采用式2示的固定伪随机码生成器 ()到节点自身及两跳内邻居节点竞争信道 ( , )i i in d e xR n d R a n d o m I D F （ 2 由于所有节点采用相同的伪随机码生成器，故节点只需知 道邻居节点的 ，即可获悉其伪随机竞争码，从而无需任何额外的信息交互即可完成信道分配，使两跳内无重复信道。各节点伪随机码计算完毕后，开始进行信道竞争：对当前信道节点自身的伪随机码赢得竞争，获得信道使用权；若两跳内有两个以上最大值重叠，则 最大节点赢得竞争；节点依次竞争每个信道，直到赢得某信道使用权后退出竞争。 一致分配算法通过获取两跳邻居节点信息和采用统一伪随机码生成器的手段 避免了在信道竞争过程中冗繁的信息交互，减少了发送功耗和发送延时，同时在局部网络内保证了较高的信道利用率和较低的信道负载，使网络吞吐量和传输可靠性得到了保证。但是， 一致分配算法是建立在信道足够多的前提条件下，而目前主流射频芯片在 段内只能提供 义的 16 个标准物理信道，这就严重限制了一致分配算法的组网规模和实用性能。在工业监控网络中，若网内节点过多，会导致因部分节点无信道可用而造成的节点丢失甚至组网失败。同时，一致分配算法的信道竞争策略中，由于节点赢得竞争后不发送获 取信道通知，其两跳邻居在竞选时仍保留其 息，导致对某些信道的竞争失败，从而潜在增大了信道需求。另外，为发现两跳内邻居和保持全网时间同步， 利用控制信道在每个信标周期内发送 同济大学 硕士学位论文 10 两个信标帧，容易造成控制信道拥塞，影响组网效率。 型分簇路由协议 路由协议是管理 据传输路径的主要载体，目