基于IEEE802.15.4a的无线测控网络协议

第３５卷Ｖ０１．３５第１６期Ｎｏ．Ｊ６计算机工程ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

２００９年８月Ａｕｇｕｓｔ２００９

・网络与通信・文章编号ｔｌｏｏ‘卜－３４２８１２００９Ｊｌ扣＿０ｌｏｌ—彤文献标识码ｔＡ中图分类号ｔＴＰ３９３．０９

基于ＩＥＥＥ８０２・１５．４ａ的无线测控网络协议

侯维岩，杨傲雷（上海大学上海市电站自动化技术宦点实验窀，上海２０００７２）

摘要：为满足工业现场测控任务对网络通信实时性的要求，提出一种基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ的无线测控网络协议，其中的令牌控制子层采用令牌机制管理各站点对无线信道的访问，克服了ＣＳＭＡ／ＣＡ机制无序竞争的缺陷，保证数据传输的时间确定性，介绍协议栈模型、逻辑令牌环动态建立过程以及令牌敞障的自恢复机制，并在硬件平台ＮａｎｏＮＥＴ上加以实现。实验结果表明，该协议能够在强电磁干扰环境中稳定运行，具备实时特性。关健词：ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ标准；令牌；实时性；工业无线网络

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２０００７２）

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ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．

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ｗｉｒｅｌｅｓｓ

ｎｅｔｗｏｒｋ

ｌ概述随着无线通信技术的发展，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ，ＺｉｇＢｅｅ，ＵＷＢ及ｃｓｓ（切普扩频）等短距无线通信技术纷纷涌现。从目前发展的趋势看，无线通信技术必将进入工业测控领域，它是现有有线通信系统的发展和重要补充。在工厂环境下，对于一些禁止使用通信电缆ｆ如超净或真空封闭的房间）或很难使用电缆（如高速旋转的设备、强腐蚀恶劣环境）的场合，可以采用无线通信技术来组建现场设备互连网络。虽然无线信号在传输过程中常常会中断、衰变以及出现各种各样的问题，如频散、多径时延、干扰等，但这些对无线传输品质的影响因素，都可以通过在七层模型的相关层中采用恰当的机制加以减轻或克服，且实践证明，在大多数工业测控和流程工业现场的应用中，无线网络通信技术足够可靠，可以用在将近８０％的自动化和过程控制场合…。鉴于无线通信技术对于工业测控网络系统的重要意义，本文介绍一种基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ标准的工业无线网络协议，该协议采用令牌机制管理站点对无线信道的访问。研究协议栈模型、令牌环的动态建立和故障自恢复、站点的动态加入与退出等机制，并在基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ标准Ｃｈｉｒｐ技术的无线网络硬件平台ＮａｎｏＮＥＴ上加以实现，同时组建一个无线传感器网络温度监测系统，实验结果表明，该协议的实时性能够满足测控系统的要求。２ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ标准中的ＣＳＳ技术ＩＥＥＥ８０２．１５．４ａ标准为ＩＥＥＥ面向ＷＰＡＮ的国际通信标准。该标准是针对ＩＥＥＥ８０２．１５．４所做的一个修正版，其主要不同点在于：提供新的物理层方案给ＷＰＡＮ应用领域；具有更快的数据传输速率；具备定位测距功能。标准中定义了２种物理层技术旧１：一种是超宽带物理层技术（ＵＷＢ．ＰＨＹ）；另一种就是本文选用的切普扩频技术（ＣｈｉｒｐＳｐｒｅａｄＳｐｅｃｔｒｕｍ，ｃｓｓ），其工作频带是２．４ＧＨｚ。ＣＳＳ技术综合ＦＳＫ，ＰＳＫ和ＡＳＫ３种调制方法的优点。具有高鲁棒性，能有效地抑制工业环境中各种噪音和多径干扰；具有很短的传输时延、实时性好；所支持的数据传输速率可以达到１Ｍｂ／ｓ。这些特点十分适合工业测控应用中数据传输速率要求不高，但对实时性有较高要求的工业现场。３协议栈模型工业无线测控网络协议栈模型与ＯＳＩ模型的对比如图１所示。ＯＳＩ｛曩理坍议找横删应用足应川崖

夸牌工业无缎托制ｆ培陶绪Ｉ办１

数据ＭＡＣ。ＣＳＭＡ／ＣＡ］甓路层ＩＥＥＥ８（

物理层

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圈１协设栈模型与ＯＳＩ模型的比较

基金项目：国家“８６３”计划基金资助项目“面向流程工业网络控制的有线／无线异构网络集成技术”（２００７ＡＡ０４２１７４）作者简介：侯维岩（１９６４～），男，副教授、博士，主研方向：分布式

智能控制，无线通信技术；杨傲雷，硕士研究生收稿日期：２００９－０３－１５Ｅ－ｍａｌｌ：ｂｅｒｔ＠ｓｈｕ．ｅｄｕ．ｃａ

一１０１一万方数据网络协议栈模型采用ＯＳＩ模型中的３层：物理层，数据链路层，应用层，并在ＭＡＣ子层之上设计令牌控制子层。该子层采用适用于工业无线测控网络的令牌机制对ＭＡＣ子层的无线信道接入进行控制，以实现满足工业无线测控要求的组网策略。网络中定义有主站和从站，主站负责逻辑环的建立和维护、从站的加入和退出。主站建立一个逻辑环，系统中其他所有从站都需要加入该逻辑环才能发送数据，逻辑环上所有站点都应知道其前驱站和后继站。主站生成一个控制令牌，令牌沿着逻辑环依次传递，等待发送数据的从站接收到该令牌后，独占无线信道发送数据”Ｊ。４基于令牌协议的实现４．１协议数据格式物理层和ＭＡＣ子层的数据格式由所选择的底层硬件平台决定。令牌控制子层定义５种数据格式，如图２所示。嗌溜７匝丑亘互臣巫至ｊ囝连接表帧［豆垂］二至］二至至亘二巨三亘至Ｉ亘三三三三Ｉ二回地址映射帧［互亘］二三三三三］二二二三三三ｊ至三二二工二！ｉｊ！三］令牌帧匝习玉丑至画习三三回数杯帧匝丑亘三巫三叵匝三［巫］玉回圈２令牌控爿子层效据格式鉴于收发器芯片ＭＡＣ子层能够依据没计者的配置自动发回应答帧ＡＣＫ，因而在令牌控制子层没有设置应答帧ＡＣＫ。数据格式中：Ｔｙｐｅ表示帧类型；Ｒｅｑｕｅｓｔ表示该帧是请求入网还是请求退网，Ｒｅｑｕｅｓｔ为０ｘ００时表示请求入网，Ｒｅｑｕｅｓｔ为０ｘ０１时表示请求退网；Ｄｅｓｔ／Ｂｒｄｃａｓｔ在网络组建阶段无效，在网络运行阶段由主站发出时Ｂｒｄｃａｓｔ有效，表示以广播方式要求未入网站点加入网络，未入网站点接收到该帧后发送“请求入网帧”，此时Ｄｅｓｔ有效；Ｂｒｏａｄｃａｓｔ表示以广播帧的方式发送；Ａｄｄｒｅｓｓ—Ｍａｐ为地址映射数据表中的数据；Ｓｅｑ为站点的逻辑序号；ＰｒｅＡｄｄｒ为前驱站地址；ＳｕｃＡｄｄｒ为后继站地址；ＴＲＣ为令牌在环中的循环次数，由主站递增其值；Ｄｕｒａｔｉｏｎ为数据包传送的时间限制值；ＰＣ为优先级别；Ｄａｔａ为数据域。４．２冈络组建与运行过程从站具备数据的发送与接收、令牌的传递与接收、连接表的更新等功能；主站除了具有从站所有功能之外还要求能够监控网络中令牌传递状态，管理站点的加入与退出、令牌故障的自恢复等。主从站运行流程如图３、图４所示。其运行过程主要分为以下几个阶段：（１）网络组建阶段：从站任务是按没定周期向主站发送“请求入网帧”，主站任务是接收该帧，收集网络中活动站点的逻辑地址以及对应的ＭＡＣ地址，建立网络连接表。同时，主站将已建立的连接表信息封装成“连接表帧”，发送到每个从站，发送成功后进入网络运行阶段。从站接收到主站的“连接表帧”后，更新从站连接表，并停止“请求入网帧”的发送，进入网络运行阶段。（２）网络运行阶段：逻辑令牌网络组建之后，各站点进入网络运行阶段。主站管理令牌的传递、站点的加入与退出；从站等待并接收“令牌帧”，拥有令牌后在限定的时间内发送数据，随后将令牌传给后继站。～１０２一（３）令牌故障恢复阶段：如图３虚线框中所示，在逻辑令牌环出现故障后，采用自恢复算法能够快速恢复令牌环的正常传递。

、／～～一一一，

图３主站流程

田４从站漉程段４．３月络连接表的建立与更新主站在网络组建时间％内监听网络中其他站点发送的“请求入网帧”，采用网络组建算法创建网络连接表，如表１所示。当有新站点的加入和退出时，主站会更新自己的连接表，并向信息变更的从站发送“连接表帧”以更新从站连接表；从站在网络组建阶段接收到“连接袁帧”后，解析出有用信息并建立从站连接表，如表２所示。当从站再次接收到主站发出的“连接表帧”后，从站会更新连接表信息。

万方数据