張 雷

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今在國(guó)際上備受關(guān)注的、多學(xué)科高度交叉的、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)顏研究領(lǐng)域。無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涉及納米與微電子技術(shù)、新型微型傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)片上系統(tǒng)SoC設(shè)計(jì)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、微功耗嵌入式技術(shù)等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，它與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱，被認(rèn)為是對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一[1]。

通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署和采集，可以擴(kuò)展人們獲取信息的能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò)連接在一起，改變?nèi)祟愖怨乓詠?lái)僅靠自身的感覺(jué)等來(lái)感知信息的現(xiàn)狀，極大地提高了人類獲取數(shù)據(jù)和信息的準(zhǔn)確性和靈敏度。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展的今天，無(wú)線傳感器網(wǎng)路作為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)獲取的重要手段，其在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系中的作用日漸凸顯，使用方法也日益成熟和規(guī)范，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大，已經(jīng)成為未來(lái)采集和獲取大量物理數(shù)據(jù)的不可或缺的手段之一。

近年來(lái)，隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，它越來(lái)越受到學(xué)者以及業(yè)界的廣泛關(guān)注，關(guān)于無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（WMNs）的研究也持續(xù)了好多年。無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以看作是一個(gè)多跳Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)（MANET）的擴(kuò)展連接。其中的關(guān)鍵區(qū)別是無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)是一個(gè)相對(duì)靜態(tài)的，低流動(dòng)性。WirelessHART作為一種無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其在現(xiàn)場(chǎng)總線中擁有大量的應(yīng)用，研究其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有重大意義。

1 介紹

工業(yè)無(wú)線控制技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一[2,3]，像 ISA[4]，HART[5]，ZigBee[6]等組織都在積極推進(jìn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在自動(dòng)化工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。相比工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境更為復(fù)雜，嚴(yán)峻，噪聲的干擾，現(xiàn)場(chǎng)本身對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的可靠性和實(shí)時(shí)性要求更高。通訊的延遲或丟失都會(huì)降低控制的質(zhì)量。因此工業(yè)領(lǐng)域的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的管理要求更高。

AresNet實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)基于無(wú)線 HART搭建的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本章介紹無(wú)線HART的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，AresNet的部署實(shí)施環(huán)境，以及部署意圖。

1.1 WirelessHART網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

WirelessHART[7](Wireless Highway Addressable Remote Transducer)的全稱是無(wú)線可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道，是由HART通信基金會(huì)為工業(yè)過(guò)程控制頒布的一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。同時(shí)，它是第一用于過(guò)程控制的國(guó)際無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，IEC 62591[8]。WirelessHART是一種具有時(shí)鐘同步、自組織、可治愈的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在HART最新版本7.0中，WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)工作與2.4 GHz ISM頻段的、安全的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它結(jié)合了基于IEEE802.15.4[9]的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)射頻技術(shù)與基于數(shù)據(jù)報(bào)的跳信道技術(shù)。

WirelessHART用于滿足過(guò)程工業(yè)對(duì)于實(shí)時(shí)工廠應(yīng)用中可靠、穩(wěn)定和安全的無(wú)線通信的關(guān)鍵需要。其通信標(biāo)準(zhǔn)是建立在已有的經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)上的，它擁有數(shù)量最多的已部署在世界上所有現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)采用一些現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，如HART標(biāo)準(zhǔn)、IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、AES-128加密標(biāo)準(zhǔn)，以及 DDL/EDDL 標(biāo)準(zhǔn)[10]。有線HART能做到的，WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)都能做到并且可以做到的更多。

WirelessHART網(wǎng)絡(luò)支持來(lái)自眾多制造商的各種各樣的設(shè)備。圖 1描述了一種典型的 Wireless-HART無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。WirelessHART網(wǎng)絡(luò)包括3個(gè)主要組成部分：

（1）無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備：實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)感知或執(zhí)行功能的基本設(shè)備；

（2）網(wǎng)關(guān)（包括網(wǎng)絡(luò)管理器）：上位機(jī)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁；

（3）接入點(diǎn):連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到網(wǎng)關(guān)。

同時(shí)也可能包含：

（1）現(xiàn)場(chǎng)適配器:將有線的 HART設(shè)備連接到無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)；

（2）現(xiàn)場(chǎng)路由設(shè)備：主要作為路由而提供服務(wù)。

圖1 W irelessHART典型網(wǎng)絡(luò)案例Fig.1 A typical WirelessHART network example

圖2 描述了OSI 7層協(xié)議模型與WirelessHART協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)的對(duì)照，它包含五層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。

在協(xié)議棧的最底層，WirelessHART采用 IEEE 802.15.4-2006作為物理層。在其上層，WirelessHART定義了基于時(shí)間同步的數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計(jì)了精確的10 ms時(shí)間片，全網(wǎng)的時(shí)間同步，信道跳躍等。圖路由和源路由的方式在網(wǎng)絡(luò)層上實(shí)現(xiàn)使得WirelesHART網(wǎng)絡(luò)具有自組織和可自愈的特點(diǎn)[11]。網(wǎng)絡(luò)管理器負(fù)責(zé)管理路由表的更新和設(shè)備的通信時(shí)間表來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

1.2 部署環(huán)境

圖2 HAR T通信協(xié)議結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of HART communication protocol

起初，AresNet是搭建在室內(nèi)，是用來(lái)觀察WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的組建過(guò)程，以及實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。隨著實(shí)驗(yàn)的次數(shù)增多，節(jié)點(diǎn)設(shè)備的擴(kuò)充，逐漸擴(kuò)展到室外。由此，在不同的環(huán)境啊下部署一個(gè)完備的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)初見(jiàn)雛形。AresNet是一個(gè)無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，它的網(wǎng)關(guān)置于室內(nèi)。其余節(jié)點(diǎn)部署在室外的開(kāi)闊地帶，有干擾較少的草地，樹(shù)木茂密的小樹(shù)林，有阻礙嚴(yán)重的建筑群，包括最后部署在小河上的懸浮的節(jié)點(diǎn)。這些環(huán)境都給實(shí)驗(yàn)觀察提供了寶貴的數(shù)據(jù)。如下圖3所示，AresNet的部署環(huán)境鳥(niǎo)瞰圖。目前，AresNet的所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備都是用普通的5號(hào)電池供電，部分室內(nèi)的節(jié)點(diǎn)是電源供電。AresNet能夠提供 WirelessHART網(wǎng)絡(luò)的加入過(guò)程以及節(jié)點(diǎn)之間的會(huì)話信息。同時(shí) AresNet也是一個(gè)提供環(huán)境實(shí)際數(shù)據(jù)到研究室的平臺(tái)。目前 AresNet仍在不斷擴(kuò)充節(jié)點(diǎn)的數(shù)量以及它的覆蓋范圍。

圖3 Ar esNet網(wǎng)絡(luò)總覽圖Fig.3 Ar esNet airscape

AresNet節(jié)點(diǎn)備有不同類型的傳感器，常用的有溫度、濕度、光敏傳感器。覆蓋了不同的地形，地貌。通過(guò)拓?fù)滠浖ㄏ挛慕榻B），能夠清楚地了解網(wǎng)絡(luò)的RSSI值，了解不同環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度。

1.3 背景以及動(dòng)機(jī)

無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)來(lái)源于局域網(wǎng)（WLAN）的研究。局域網(wǎng)是一個(gè)有線的分布式系統(tǒng)，通過(guò)路由表在源和目的之間分發(fā)數(shù)據(jù)。它的核心技術(shù)依然是基于有線的。而無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)去掉了有線的部分，所有的路由信息都是通過(guò)無(wú)線完成的。

對(duì) WirelessHART的研究得益于不同場(chǎng)景下的需求。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，特別是在工業(yè)環(huán)境下，例如化工石油，鋼鐵廠，這些噪聲干擾嚴(yán)重的場(chǎng)景下，普通的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)難以進(jìn)入。早期像WIFI，ZigBee，這些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都不能很好的適應(yīng)這些場(chǎng)景。[13]

構(gòu)建AresNet實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的動(dòng)機(jī)主要有：

（1）來(lái)自場(chǎng)景的需求，例如WirelessHART是否可以應(yīng)用在定位上，支持節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)。

（2）室外的環(huán)境相比室內(nèi)的環(huán)境更加復(fù)雜，遠(yuǎn)距離以及環(huán)境干擾對(duì)無(wú)線系統(tǒng)是一個(gè)挑戰(zhàn)，節(jié)點(diǎn)的供電，天線的信號(hào)強(qiáng)弱。

（3）研究對(duì)不同的地形環(huán)境對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響，它覆蓋了不同的場(chǎng)景，對(duì)節(jié)點(diǎn)的部署有不同要求。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建和開(kāi)發(fā)

上文介紹了平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施，以及硬件環(huán)境。以下本文將一個(gè)案例作為切入點(diǎn)，解構(gòu)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從底層的傳感器驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)，到網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的采集，到應(yīng)用層軟件的解析，最終將數(shù)據(jù)展示到應(yīng)用軟件中。

2.1 基本架構(gòu)

網(wǎng)關(guān)使用了Emerson的網(wǎng)關(guān)如圖4所示，支持WirelessHART協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)管理器預(yù)留了兩種常用的方式向應(yīng)用層提供服務(wù)，分別是Modbus和OPC，首次選擇了OPC協(xié)議，就其特點(diǎn)來(lái)講，OPC驅(qū)動(dòng)的開(kāi)源以及對(duì)Windows的兼容性更好，最終實(shí)現(xiàn)選擇在OPC驅(qū)動(dòng)上做集成開(kāi)發(fā)。

圖4 Ar esNet網(wǎng)關(guān)Fig.4 Ar esNet gateway

WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中開(kāi)放了兩個(gè)接口，一個(gè)作為底層傳感器模塊和上層通訊的無(wú)線通道。另一個(gè)是 WirelessHART網(wǎng)絡(luò)與主機(jī)之間的通信。如圖 5所示。

圖5 W irelessHART網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖Fig.5 W irelessHART network diagram

實(shí)驗(yàn)中的網(wǎng)關(guān)（Emerson Gateway）在 WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中分成3個(gè)部分：（1）接入點(diǎn)，用于提供設(shè)備跟網(wǎng)絡(luò)管理器的無(wú)線通信；（2）網(wǎng)關(guān)，用于提供到主機(jī)應(yīng)用程序的接口；（3）網(wǎng)絡(luò)管理器：用于管理整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（或者設(shè)備節(jié)點(diǎn)）Awia Sentry，組成網(wǎng)絡(luò)的其余部分。網(wǎng)絡(luò)管理器支持OPC接口用于與上位機(jī)軟件的通信，上位機(jī)軟件可以通過(guò)OPC DA的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)，本實(shí)驗(yàn)中主要采用的通信方式。

2.2 傳感器驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)

本案例旨在將GPS模塊集成到網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)節(jié)點(diǎn)（如圖6所示）的UART接口來(lái)開(kāi)發(fā)模塊的驅(qū)動(dòng)程序。GPS模塊的開(kāi)發(fā)包括，GPS模塊數(shù)據(jù)的解析，對(duì)經(jīng)緯度的修正，以及通過(guò)UART數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。從GPS定位信息的數(shù)據(jù)中截取案例所需的經(jīng)緯度。如：$GPGGA，023543.00，2308.28715，N，11322.09875，E，1，06，1.49，41.6，M，-5.3，M，*7D 的定位信息，與實(shí)際的地理位置會(huì)存在偏差，通過(guò)實(shí)際測(cè)量和實(shí)驗(yàn)，得出多組實(shí)驗(yàn)值，并從中找出規(guī)律，然后設(shè)計(jì)算法來(lái)優(yōu)化GPS的定位，縮小誤差值。最后將GPS通過(guò)UART接入到WirelessHART設(shè)備中，GPS會(huì)不斷地往設(shè)備中發(fā)送數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都暫存在內(nèi)存中；然后按照上層設(shè)定的周期將緩存中的數(shù)據(jù)廣播出去。

圖6 Ar esNet節(jié)點(diǎn)設(shè)備Fig.6 Ar esNet device

2.3 上位機(jī)通訊接口開(kāi)發(fā)

AresNet節(jié)點(diǎn)設(shè)備將GPS的數(shù)據(jù)采集到網(wǎng)關(guān)中，由網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)提供給上位機(jī)軟件，通過(guò)OPC協(xié)議完成數(shù)據(jù)交付，本章主要介紹OPC協(xié)議，以及對(duì)OPC接口的開(kāi)發(fā)。

2.3.1 OPC簡(jiǎn)介

OPC是OLE for Process Control的縮寫(xiě)，即把OLE 技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。OPC的出現(xiàn)為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制應(yīng)用建立了橋梁。在過(guò)去，為了存取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，每一個(gè)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)商都需要編寫(xiě)專用的接口函數(shù)。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的種類繁多，且產(chǎn)品的不斷升級(jí)，往往給用戶和軟件開(kāi)發(fā)商帶來(lái)了巨大的工作負(fù)擔(dān)。通常這樣也不能滿足工作的實(shí)際需要，系統(tǒng)集成商和開(kāi)發(fā)商急切需要一種具有高效性、可靠性、開(kāi)放性、可互操作性的即插即用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。在這種情況下，OPC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。OPC標(biāo)準(zhǔn)以微軟公司的OLE技術(shù)為基礎(chǔ)，它的制定是通過(guò)提供一套標(biāo)準(zhǔn)的OLE/COM 接口完成的，在 OPC技術(shù)中使用的是OLE2技術(shù)，OLE標(biāo)準(zhǔn)允許多臺(tái)微機(jī)之間交換文檔、圖形等對(duì)象。

2.3.2 OPC接口開(kāi)發(fā)

OPC中有很多規(guī)范，例如OPC UA、OPC HDA等，本案例主要使用OPC DA規(guī)范來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。OPCDA是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存取的接口規(guī)范，該標(biāo)準(zhǔn)基于OLE/COM/DCOM/COM+技術(shù)，采用Client/Server模式。

案例是基于動(dòng)態(tài)庫(kù)OPCDAAuto.dll開(kāi)發(fā)的，其封裝了Automation接口。要進(jìn)行OPC Client端的開(kāi)發(fā)，首先需要了解OPC的對(duì)象的概念，OPC的邏輯對(duì)象模型主要有三類：OPC Server對(duì)象、OPC Group對(duì)象、OPC Item對(duì)象，每類對(duì)象都包含一系列的接口。

（1）OPC Server對(duì)象主要功能：1. 創(chuàng)建和管理OPC Group對(duì)象；2. 管理服務(wù)器區(qū)內(nèi)部的狀態(tài)對(duì)象；

（2）OPC Group 對(duì)象主要功能：1. 管理OPC Group對(duì)象的內(nèi)部狀態(tài)消息；2. 創(chuàng)建和管理 Items對(duì)象；3. OPC服務(wù)器內(nèi)部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)（同步與異步方式）。OPC Group中有以下幾個(gè)主要屬性：

Name（組的名字），Active（組的激活狀態(tài)標(biāo)志），Update Rate OPC（服務(wù)器向客戶程序提交數(shù)據(jù)變化的刷新速率），Percent Dead band（數(shù)據(jù)死區(qū)，即能引起數(shù)據(jù)變化的最小數(shù)值百分比）。

（3）OPC Item是非COM對(duì)象，在OPC標(biāo)準(zhǔn)中用來(lái)描述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，是客戶端不可見(jiàn)的對(duì)象。代表了與服務(wù)器中的數(shù)據(jù)的連接，它并不是數(shù)據(jù)源，而僅僅是與數(shù)據(jù)源的連接。每個(gè)項(xiàng)都有以下主要屬性：Active項(xiàng)的激活狀態(tài)、Value項(xiàng)的數(shù)值、類型為VARIANT、Quality項(xiàng)的品質(zhì)，代表數(shù)值的可信度，類型為SHORT、TimeStamp時(shí)間戳，代表數(shù)據(jù)的存取時(shí)間。

根據(jù)OPC的特性，設(shè)計(jì)了接口開(kāi)發(fā)的架構(gòu)如圖7所示。

3 上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)

圖7 OPCClient實(shí)現(xiàn)過(guò)程Fig.7 Implement of OPC Client

本章介紹使用 GUI來(lái)展示此次的 GPS定位信息，將GPS模塊采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)API接口顯示在地圖上，實(shí)現(xiàn)定位功能。

3.1 地圖模塊

對(duì)于上位機(jī)軟件圖形界面的設(shè)計(jì)，使用WinForm窗體技術(shù)，并在GUI中web容器嵌套百度地圖的頁(yè)面。地圖采用百度地圖API，百度地圖的JavaScript API是一套由JavaScript語(yǔ)言編寫(xiě)的應(yīng)用程序接口。其擁有豐富的控件，并可完成前后端的交互。通過(guò)百度地圖API開(kāi)放的接口，將經(jīng)緯度值傳送過(guò)去，達(dá)到位置定位的效果。

首先，通過(guò) IP定位到當(dāng)前所在城市，在 GUI初始化時(shí)顯示的就是IP定位到當(dāng)前所在地，之后通過(guò)連接OPC Server讀取設(shè)備的PV值和SV值，分別對(duì)應(yīng)實(shí)際的經(jīng)度和緯度，將經(jīng)度和緯度送給 API定義的接口，以此經(jīng)緯度為中心點(diǎn)顯示地圖，再經(jīng)API的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成百度支持坐標(biāo)類型，以此位點(diǎn)，創(chuàng)建位置標(biāo)注。

在實(shí)際應(yīng)用中，工廠的人員或者裝置的位置常常不是固定的，特別是人員移動(dòng)的頻率更快，當(dāng)位置發(fā)生變化時(shí)，如何在地圖中實(shí)時(shí)顯示的問(wèn)題。在OPC模塊中，將PV和SV的變化綁定到Group中，創(chuàng)建監(jiān)聽(tīng)事件，監(jiān)測(cè)Group中數(shù)值的變化，每當(dāng)值有變化時(shí)，將經(jīng)緯度送給API的接口，以此達(dá)到實(shí)時(shí)更新的要求。

3.2 案例展示

首先，通過(guò) WirelessHART設(shè)置設(shè)備的廣播狀態(tài)，使設(shè)備以一定的速率向外廣播PV、SV值，就是經(jīng)度和緯度的數(shù)值，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的鄰居節(jié)點(diǎn)都能夠聽(tīng)到這些數(shù)值，同樣數(shù)值會(huì)隨著位置的變化而更新；然后，將PV和SV通過(guò)網(wǎng)關(guān)的OPC接口映射出去，提供客戶機(jī)使用；最后，通過(guò)上位機(jī)軟件根據(jù)采集到的經(jīng)緯度來(lái)做定位，最終效果如下圖8所示。 多次實(shí)驗(yàn)后，通過(guò)修正定位算法，將結(jié)果誤差控制在2米以內(nèi)。

4 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景及數(shù)據(jù)分析

本章介紹，模擬的幾個(gè)實(shí)際場(chǎng)景。通過(guò)對(duì)這幾個(gè)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)分析，探索在WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中支持節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)性的必要條件。下圖9是由5個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少有2個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銰UI可以清晰地看到網(wǎng)絡(luò)的變化，由GUI驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫欠裾_。在每個(gè)場(chǎng)景中都會(huì)有一個(gè)節(jié)點(diǎn)是移動(dòng)的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的一些參數(shù)來(lái)分析移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。

圖8 GUI的運(yùn)行及地圖定位Fig.8 GUI and map localization

圖9 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.9 Netw ork topology diagram

實(shí)驗(yàn)通過(guò) WirelessHART的網(wǎng)絡(luò)抓包器來(lái)抓取現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的通信發(fā)送的包，以準(zhǔn)確得知節(jié)點(diǎn)連接或斷開(kāi)的時(shí)間，主要分析的數(shù)據(jù)包如表1所示。

4.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

1. 場(chǎng)景一：網(wǎng)關(guān)置于室內(nèi)，將兩個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)放在近處，通過(guò)網(wǎng)關(guān)內(nèi)置的 Exploer查看網(wǎng)絡(luò)是否建立連接，待設(shè)備和網(wǎng)關(guān)都加入并形成冗余，即設(shè)備D1和D2互為鄰居，并且都與網(wǎng)關(guān)相連。隨后，將D1放置在網(wǎng)關(guān)可聽(tīng)范圍內(nèi)，距離不足5米，D2設(shè)備置于室外較遠(yuǎn)處，保證D1和D2依然能夠互相聽(tīng)到對(duì)方，拔掉 D2設(shè)備的天線減弱其信號(hào)，以致網(wǎng)關(guān)不能直接與D2通信，形成如圖10的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，待網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。將設(shè)備 D2放在一個(gè)密封的鐵盒中，使其與 D1路徑無(wú)法正常通信，通過(guò)抓包器Sniffer抓取的包來(lái)分析網(wǎng)絡(luò)管理器的處理。

2. 場(chǎng)景二：網(wǎng)關(guān)，設(shè)備 D1，D2，D3形成的Mesh網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D11所示，待網(wǎng)絡(luò)趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，將路徑P4斷開(kāi)，D3的鄰居節(jié)點(diǎn)變成一個(gè)D2，如果之前設(shè)備D3按照?qǐng)D路由的方式通信，路徑p4斷開(kāi)對(duì)D2產(chǎn)生的時(shí)延很小，可忽略。如果之前設(shè)備D3按源路由的方式：D3→D1→Gateway，在路徑p4失效后，D3切換路徑p4通信產(chǎn)生的時(shí)延依然較小。

表1 網(wǎng)絡(luò)延遲的測(cè)量參數(shù)Tab.1 Measurement parameters of the network latency

圖10 場(chǎng)景一 設(shè)備D2離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)Fig.10 Scene 1 one device leave

圖11 場(chǎng)景二 雙路徑變?yōu)閱温窂紽ig.11 Scene 2 double link to single link

3. 場(chǎng)景三：網(wǎng)關(guān)，設(shè)備D1，D2，D3形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙缟蠄D 12，待網(wǎng)絡(luò)趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，將 D3移出D1的通信范圍，使得D3與D1的通信路徑p3失效，并向 D2的通信范圍內(nèi)移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中，D3逐漸脫離D1的通信范圍而進(jìn)入D2的通信范圍，觀察D3是否能通過(guò)D2加入網(wǎng)絡(luò)。

圖12 場(chǎng)景三 RoamingFig.12 Scene 3 Roaming

4.2 數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

場(chǎng)景一中測(cè)得路徑失效的時(shí)間為60 s。設(shè)備D2在60 s內(nèi)可恢復(fù)與D1的通信，當(dāng)設(shè)備D2失去通信后，網(wǎng)關(guān)在告警發(fā)出之后會(huì)丟掉設(shè)備 D2。D2由于斷電或者重啟失去通信，則D2需要重新加入網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)時(shí)間與當(dāng)前信道噪聲、射頻強(qiáng)度等諸多因素相關(guān)，此時(shí)延較長(zhǎng)。

通過(guò)對(duì)這幾個(gè)場(chǎng)景的模擬分析，發(fā)現(xiàn) AresNet網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不支持節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，但是如果控制節(jié)點(diǎn)在一定的時(shí)間內(nèi)如實(shí)驗(yàn)結(jié)果 60內(nèi)恢復(fù)通信，節(jié)點(diǎn)持有的時(shí)間表依舊能夠保持同步，再次加入到網(wǎng)絡(luò)中來(lái)。

5 總結(jié)及以后工作

本文介紹了AresNet，一個(gè)室外的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。描述了 AresNet的部署環(huán)境。通過(guò)構(gòu)建一個(gè)具體的實(shí)驗(yàn)案例，完成了 AresNet網(wǎng)絡(luò)軟件架構(gòu)的開(kāi)發(fā)。最后，通過(guò)一系列場(chǎng)景來(lái)探索 AresNet網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,在相對(duì)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)中，AresNet具有高可靠性,實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。在移動(dòng)的場(chǎng)景中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的會(huì)受到通信范圍的的影響，同時(shí)節(jié)點(diǎn)之間通信路徑的切換也會(huì)造成額外開(kāi)銷，初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),在一定的時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)能夠有效的切換路由。

當(dāng)前的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是基于802.15.4協(xié)議族。為了更深入的研究,將會(huì)對(duì)平臺(tái)的無(wú)線技術(shù)進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化。目前，平臺(tái)已經(jīng)支持了WirelessHART。在升級(jí)改進(jìn)方面，未來(lái)計(jì)劃做一些室外的超遠(yuǎn)距離的實(shí)驗(yàn)來(lái)研究信道分配。AresNet的升級(jí)不局限在物理層,使其擁有更高的射頻，還有更高層的升級(jí)。未來(lái)計(jì)劃對(duì)目前基于多信道的分配路由算法進(jìn)行改進(jìn)?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)管理器中主要的路由算法是圖路由和源路由，以后的路由協(xié)議需要更多的跨層反饋等。

在網(wǎng)絡(luò)部署方面。通過(guò)加入信號(hào)手持設(shè)備，能夠檢查某個(gè)地方的無(wú)線信號(hào)，來(lái)指導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的部署。同時(shí)，本文最后的移動(dòng)實(shí)驗(yàn)也會(huì)將后續(xù)探索，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的Roaming。

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