羊靜，楊勇波，陳纓，徐敏，劉剛，崔弘，劉堃

（1.四川電力科學研究院，四川成都610071；2.四川啟明星蜀達電氣有限公司，四川成都610081）

近年來隨著研究的深入和相關硬件技術的發(fā)展與成熟，無線通信技術在實際應用中得到越來越多的部署。在工業(yè)控制領域，無線通訊技術已成為繼現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)之后的又一個熱點技術。工業(yè)無線通信技術主要面向各類現(xiàn)場設備間短程、低速率信息交互，是無線傳感器網(wǎng)絡技術在工業(yè)領域應用的實例化。

工業(yè)無線通信技術是面向應用，以任務和數(shù)據(jù)為中心。目前，業(yè)內對無線傳感器網(wǎng)絡的研究集中于數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層，各種數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層算法、協(xié)議層出不窮[1-5]。這些算法、協(xié)議各有其優(yōu)勢也有缺陷，而且針對不同的具體應用表現(xiàn)出來的性能也大不一樣。然而，由于無線通信技術的全空間輻射通信方式和工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的復雜性等因素，現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議難以保證工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡通信的可靠性和實時性[6-7]。

相較于通用無線傳感器網(wǎng)絡，面向工業(yè)領域的無線通信技術還需要滿足可靠性、實時性、安全性和低功耗要求[8]。目前在工業(yè)無線通信技術應用領域，圍繞國際標準的制定展開了激烈的競爭。其中以美國Honeywell 公司主導的SP100.11a（美國ISA 學會的標準）、以美國Emerson Process 公司主導的無線HART[9-11]（HART 通信基金會的規(guī)范）以及由中國工業(yè)無線聯(lián)盟提出的WIA-PA[12]，從流程工業(yè)的無線應用所規(guī)范的標準中脫穎而出，成為獲得國際認可的三大工業(yè)無線標準。

然而這3種工業(yè)無線標準具有以下不足：1）3種無線標準主要面向大型的工業(yè)現(xiàn)場應用，網(wǎng)絡部署、維護過于復雜，而且時間同步對于設備的硬件要求過于嚴格。因而整體成本對于中小型網(wǎng)絡規(guī)模的工業(yè)現(xiàn)場應用來說，有點過高；2）3種無線標準在數(shù)據(jù)鏈路層均主要采用TSMP[13]協(xié)議，雖然時分的介質共享方式提高了網(wǎng)絡可靠性，但是卻忽視了競爭接入帶來的實時性的優(yōu)勢[5，14]。而且，二者在一定程度下，是可以取得平衡的；3）目前3種無線標準，無論哪種都沒有大規(guī)模的現(xiàn)場應用[15]，對于實際應用而言，協(xié)議本身更多的還是指導性的，這也是影響3種無線標準大規(guī)模商用的原因之一。

基于以上現(xiàn)實問題，從工業(yè)現(xiàn)場實際應用出發(fā)，本文中設計了一種更適合工業(yè)現(xiàn)場應用的輕量級無線自組織網(wǎng)絡通信協(xié)議—TWRP（Treed Wireless Routing Protocol）。

1 TWRP協(xié)議

1.1 協(xié)議概述

TWRP（Treed Wireless Routing Protocol，樹形無線自組網(wǎng)協(xié)議）網(wǎng)絡中包含中心節(jié)點、路由節(jié)點和葉子節(jié)點。除中心節(jié)點外，每個節(jié)點有且僅有1個父節(jié)點；除葉子節(jié)點外，中心節(jié)點、路由節(jié)點都可以做父節(jié)點；每個父節(jié)點可以有多個子節(jié)點。中心節(jié)點（SN，Sink Node）每個網(wǎng)絡中有且僅有1個，負責組建網(wǎng)絡，保存到全網(wǎng)所有路由節(jié)點的路由（LN 除外）；路由節(jié)點（RN，Routing Node）具有數(shù)據(jù)轉發(fā)功能，保存到SN的路由；葉子節(jié)點（LN，Leaf Node）不具有路由功能，并保存到SN的路由。

TWRP的網(wǎng)絡層地址、MAC層地址為同一地址，統(tǒng)一稱為網(wǎng)絡地址。在協(xié)議幀結構中用MAC地址表示。TWRP 不包括網(wǎng)絡節(jié)點的地址分配，只包括網(wǎng)絡組建、數(shù)據(jù)路由的方法。每個節(jié)點上電后隨機生成自己的網(wǎng)絡地址，如果有手動配置地址，則以手動配置地址作為自己的網(wǎng)絡地址。

1.2 協(xié)議結構

TWRP網(wǎng)絡從下到上依次分為物理層、MAC層、網(wǎng)絡層。TWRP 物理層負責射頻部分硬件驅動實現(xiàn)；MAC層負責無線介質訪問控制；網(wǎng)絡層負責網(wǎng)絡組建、網(wǎng)絡路由等控制。TWRP以簡單、輕量為主，MAC層與網(wǎng)絡層部分輕度耦合，優(yōu)點是提高協(xié)議效率，減小協(xié)議開銷。

一個完整的TWRP 數(shù)據(jù)分組結構如表1所示，包括協(xié)議部分（MAC層頭部、網(wǎng)絡層頭部、校驗）和用戶數(shù)據(jù)部分，分組最大長度不超過256字節(jié)。

表1 TWRP幀格式

1.2.1 MAC層幀格式

MAC層格式如表2所示，包括MAC 源地址、MAC 目的地址、控制字、MAC層Payload和CRC校驗5個字段。其中MAC 源地址、MAC 目的地址分別占用6個字節(jié)，控制字即代表MAC層幀類型,占用1個字節(jié)，MAC層Payload 占用N個字節(jié)，CRC校驗占用2個字節(jié)。MAC層控制字標識具體的幀類型見表3，每種幀類型結構分析如表4所示。

表2 MAC層幀格式

表3 MAC層幀類型

表4 鄰接點探測和響應分組格式

1.2.2 網(wǎng)絡層幀格式

網(wǎng)絡層格式如表5所示，包括操作字、網(wǎng)絡層Payload。其中，操作字占用1個字節(jié)，解釋為3bit幀類型+2bit設備類型+3bit自定義字段。對應于每種網(wǎng)絡層幀類型，3bit 自定義字段的含義有所不同。網(wǎng)絡層Payload 占用N個字節(jié)。網(wǎng)絡層標識的具體幀類型如表6所示。需要注意的是，只有SN、RN節(jié)點間發(fā)送和接收網(wǎng)絡狀態(tài)幀類型。網(wǎng)絡層每種幀類型的結構分析如表7～8所示。

表5 網(wǎng)絡層幀格式

表6 網(wǎng)絡層幀類型

表7 入網(wǎng)請求和響應分組

表8 網(wǎng)絡狀態(tài)請求、響應和網(wǎng)絡路由器錯誤分組

如前文所述，每種網(wǎng)絡層分組操作字中自定義字段含義有所不同，代表的具體含義如表9所示。表中響應位域表示肯定或否定響應。

表9 操作字含義

1.2.3 數(shù)據(jù)幀格式

數(shù)據(jù)幀類型如表10所示。數(shù)據(jù)幀的操作字定義為1bit方向+1bit 攜帶路由序列+6bit 保留字段。1bit方向：0表示上行，1表示下行；1bit 攜帶路由序列：0表示攜帶，1表示未攜帶。這是因為，協(xié)議支持兩種數(shù)據(jù)發(fā)送方式，即攜帶路由序列和不攜帶路由序列，區(qū)別在于，攜帶路由序列時，中間節(jié)點直接根據(jù)方向位和地址列表轉發(fā)數(shù)據(jù)分組；未攜帶路由序列時，中間節(jié)點通過查找自己的路由表決定轉發(fā)的下一跳地址。

表10 數(shù)據(jù)幀格式

LN節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，必須攜帶路由序列，中間節(jié)點根據(jù)地址列表中的地址直接轉發(fā)；而RN節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，不必攜帶路由序列，中間節(jié)點通過查找路由表確定下一跳轉。

此方式減小了網(wǎng)絡路由建立的時間和空間復雜度，提高了網(wǎng)絡響應效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

1.3 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

TWRP 數(shù)據(jù)鏈路層采用隨機接入算法，算法流程如圖1所示。每個節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前都要執(zhí)行載波監(jiān)聽，載波監(jiān)聽窗口即節(jié)點執(zhí)行載波監(jiān)聽的最大時間長度。節(jié)點判斷是否存在載波的依據(jù)是物理層檢測到的RSSI（接收信號強度指示），RSSI大于一定的閾值，則認為存在載波；否則認為沒有載波。如果節(jié)點監(jiān)測到載波，則執(zhí)行隨機退避，然后根據(jù)是否到達載波窗口決定發(fā)送數(shù)據(jù)失敗，還是繼續(xù)進行下一輪載波監(jiān)聽。

1.4 網(wǎng)絡層協(xié)議

圖1 隨機接入算法

圖2 入網(wǎng)請求流程

TWRP 入網(wǎng)請求流程如圖2所示。每個待入網(wǎng)節(jié)點輪訓所有可用信道，如果再某個信道上收到MAC_ADDR_REP分組，則選擇最合適的節(jié)點作為自己的父節(jié)點，并發(fā)送NWK_JOIN_REQ分組。中繼節(jié)點接收到NWK_JOIN_REQ分組，將自己的地址壓入路由序列，并依次轉發(fā)NWK_JOIN_REQ分組，直到NWK_JOIN_REQ分組到達SN。SN判斷該待入網(wǎng)新節(jié)點是否屬于自己管理的節(jié)點，如果是，則保存到達該節(jié)點的路由；如果不是，則不保存該節(jié)點路由。然后SN節(jié)點將NWK_JOIN_REQ分組中的路由序列拷貝到NWK_JOIN_REP分組中，進入入網(wǎng)響應流程。

TWRP 入網(wǎng)響應流程如圖3所示。SN節(jié)點根據(jù)NWK_JOIN_REP分組中路由序列字段，將NWK_JOIN_REP分組轉發(fā)給下一跳節(jié)點。下一跳節(jié)點收到分組后，檢查入網(wǎng)標志，如果是入網(wǎng)肯定標志且待入網(wǎng)節(jié)點是RN節(jié)點，則根據(jù)NWK_JOIN_REP分組中的路由序列，將待入網(wǎng)節(jié)點加入自己的路由表。否則，根據(jù)路由序列將NWK_JOIN_REP分組轉發(fā)到下一跳。中間節(jié)點重復這個過程，直到NWK_JOIN_REP分組到達待入網(wǎng)節(jié)點。待入網(wǎng)節(jié)點判斷入網(wǎng)肯定還是否定標志，如果是入網(wǎng)肯定標志，則將SN加入自己的路由表，否則，返回到入網(wǎng)請求流程的（a）處，繼續(xù)搜索下一個網(wǎng)絡。

圖3 入網(wǎng)響應流程

TWRP網(wǎng)絡維護流程如圖4所示。每個已加入網(wǎng)絡的RN，以T為周期發(fā)送NWK_STAT_REQ分組，SN 收到NWK_STAT_REQ分組，更新對應RN 路由表的超時時間。如果SN等待某個RN 發(fā)送NWK_STAT_REQ分組超時，則SN 刪除對應的RN的路由，并向子節(jié)點發(fā)送NWK_STAT_ERR 分組，通知該RN的上游節(jié)點刪除到對應RN的路由，直到分組到達該RN的父節(jié)點。

圖4 網(wǎng)絡維護流程

2 性能比較

使用NS2（Network Simulator-Version 2）搭建仿真環(huán)境，將TWRP與通用無線傳感器網(wǎng)絡DSDV、AODV協(xié)議進行仿真比較。鑒于考察可靠性和實時性因素，仿真選擇的性能指標為端到端平均時延和分組平均投遞率。

分組平均遞交率即目的節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)報個數(shù)與源發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)之比，反映了網(wǎng)絡傳輸?shù)目煽啃?。投遞率越高，可靠性越大。

端到端的平均時延包括路由查找時延、數(shù)據(jù)包在接口隊列中的等待時延，傳輸時延及MAC層的重傳時延，反映了路由的有效性。有實時傳輸要求的應用對時延指標較為敏感。

仿真時節(jié)點配置的參數(shù)如下：仿真環(huán)境是10個固定節(jié)點、50個移動節(jié)點，共60個節(jié)點。其運動的拓撲范圍為1500 m×500 m，鑒于節(jié)點移動速度要求不高，節(jié)點移動速度選擇1m/s。業(yè)務連接類型為CBR，業(yè)務源發(fā)包率為1packet/s,數(shù)據(jù)報長度為64bytes?；谠摶緱l件，改變業(yè)務源連接個數(shù)，分析比較TWRP與DSDV、AODV協(xié)議的性能。

TWRP的MAC層大部分及網(wǎng)絡層在NS2中由文件TWRP.cc和TWRP.h實現(xiàn)。

TWRP中結構體類型MAC_HEADER表示MAC層頭部、NWK_HEADER表示網(wǎng)絡層頭部。每個RN節(jié)點維護自己的路由表Routing_Table，同時，SN節(jié)點還要維護達到LN節(jié)點的臨時路由表

Temporary_Routing_Table。

TWRP中每個分組類型對應一個分組處理函數(shù)。分組處理函數(shù)解包協(xié)議分組，執(zhí)行相應的操作。TWRP：：recv（Packet*p,Handler*handle）函數(shù)根據(jù)收到的分組類型，調用響應的分組處理函數(shù)。其中，分組處理函數(shù)TWRP_recvMAC（Packet*p）處理MAC層分組，TWRP_recvNWK（Packet *p）處理網(wǎng)絡層分組，WRP_recvAPP（Packet*p）處理用戶數(shù)據(jù)分組。

從圖5可以看到，3種協(xié)議的平均端到端時延都隨網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)連接數(shù)的增加而增加，因為AODV是按需路由協(xié)議，其端到端平均時延要高于表驅動路由協(xié)議。同時，TWRP 雖然屬于類表驅動的路由協(xié)議，但TWRP協(xié)議開銷更小，因此TWRP端到端平均時延更低于DSDV?？梢?，TWRP 更適合應用于工業(yè)現(xiàn)場這類需要保證數(shù)據(jù)傳輸實時性的場景。

圖5 端到端平均時延比較

圖6顯示3種協(xié)議分組平均投遞率的比較結果。在網(wǎng)絡連接數(shù)較少的時候，3種協(xié)議的分組投遞率相差不大，TWRP的分組投遞率還要略低于DSDV和AODV。隨著連接數(shù)的增大，3種協(xié)議的分組投遞率都有所下降，DSDV的下降趨勢最快，AODV 其次，TWRP的下降趨勢最緩?？梢姡谶B接數(shù)增大的情況下，TWRP 支持的2種數(shù)據(jù)傳輸方式對于提高網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸可靠性具有有益效果。

圖6 分組平均投遞率比較

在實際能效管理現(xiàn)場應用中，選取了一個試點項目——一個工業(yè)制造行業(yè)的煉鋼車間。該車間具有32個監(jiān)測點，即LN節(jié)點、8個中繼節(jié)點，即RN節(jié)點，1個SN節(jié)點。終端硬件平臺采用ARM Cortex-M3，分別采用TWRP、HART以及WIA-PA 搭建通信網(wǎng)絡。表11 顯示了TWRP與HART、WIAPA協(xié)議開銷的比較，TWRP在ROM和RAM資源開銷上都要小于HART、WIA-PA。在硬件資源受限的嵌入式應用，TWRP 更加靈巧、高效，相比HART、WIA-PA具有部署簡單、成本低廉的優(yōu)勢。

表11 資源占用比較圖

同時，TWRP與HART、WIA-PA端到端時延的比較結果如圖7所示。可見，采用競爭接入機制的TWRP在端到端平均時延上要優(yōu)于采用時分接入的HART與WIA-PA協(xié)議，更能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場對數(shù)據(jù)采集實時性的要求。

圖7 端到端平均時延比較

3 應用場景

目前TWRP 已應用于蜀達能效管理系統(tǒng)（圖8）中，蜀達能效管理系統(tǒng)主要應用于各類工業(yè)環(huán)境或寫字樓等需要對能效數(shù)據(jù)進行采集、分析、改進等一體化能效合同管理的場景。能效管理系統(tǒng)中包括各類采集設備，如氣體、溫濕度、電能量等采集設備。各類采集設備通過現(xiàn)場總線連接到能效采集終端，能效采集終端將各類能效數(shù)據(jù)匯總到能效監(jiān)測終端，并由能效監(jiān)測終端通過以太網(wǎng)或GPRS等方式傳輸?shù)竭h端能效管理平臺。

圖8 能效管理系統(tǒng)結構圖

圖8中，手機能效設備、能效采集終端與能效監(jiān)測終端采用TWRP組成了無線自組織網(wǎng)絡。其中，手機能效設備具有移動、隨機接入的特點，是LN節(jié)點；能效采集終端是RN節(jié)點，一方面通過各類傳感采集前端設備，另一方面通過無線自組織網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)轉發(fā)到能效監(jiān)測終端；能效監(jiān)測終端SN節(jié)點，是數(shù)據(jù)的匯聚節(jié)點。經(jīng)過實踐驗證，TWRP協(xié)議在工業(yè)環(huán)境下能夠長期穩(wěn)定工作，對于提高工業(yè)環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性具有有益效果。

4 結束語

在工業(yè)控制領域，無線通訊技術已成為繼現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)之后的又一個熱點技術。本文中從工業(yè)現(xiàn)場應用實際出發(fā)，引出了工業(yè)無線自組織網(wǎng)絡可靠性、實時性面臨的諸多問題，設計了一種更適合于工業(yè)現(xiàn)場應用的輕量級無線自組織網(wǎng)絡通信協(xié)議（TWRP），并從物理層到網(wǎng)絡層詳細描述了各層的協(xié)議內容和工作原理，TWRP 物理層采用低功耗的無線芯片、媒體接入層基于接收信號強度監(jiān)測與CSMA/CA、網(wǎng)絡層結合了傳統(tǒng)無線自組織網(wǎng)絡表驅動路由協(xié)議與按需路由協(xié)議、帶路由表轉發(fā)與不帶路由表轉發(fā)的工作方式。最后，通過仿真實驗和蜀達能效管理系統(tǒng)中的實際應用驗證了TWRP協(xié)議在工業(yè)環(huán)境下能夠長期穩(wěn)定工作，并且對于提高工業(yè)環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性具有有益效果。

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