0 引言

　　HART基金會于2007年6月正式通過了無線HART規(guī)范和通信協(xié)議，它是一種無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，是HART現(xiàn)場通信協(xié)議第七版HART 7.0的核心部分，向后兼容現(xiàn)有的HART設(shè)備和應(yīng)用。

　　無線HART網(wǎng)絡(luò)具有其他無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無法比擬的網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性和網(wǎng)絡(luò)健壯性，主要通過以下幾點實現(xiàn)：（1）網(wǎng)絡(luò)路由方式，無線HART采用圖（Graph）路由實現(xiàn)設(shè)備間的路由，其路由在每一跳間都有冗余路由，能最大限度地保證設(shè)備之間的安全傳輸；（2）信道跳頻技術(shù)，在跳間傳輸中，無線HART采用IEEE 802.15.4定義的16個信道進行跳頻通信，以便更好地克服網(wǎng)絡(luò)干擾；（3）無線HART采用TDMA方式通信，通過全網(wǎng)絡(luò)時鐘同步技術(shù)，避免沖突，保證安全傳輸[1]。其中設(shè)備之間通過圖路由傳輸，是保證網(wǎng)絡(luò)高可靠性傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)。本文提出一種基于通信鏈路質(zhì)量的圖路由算法，選擇路徑穩(wěn)定度（Path stability）作為通信鏈路質(zhì)量判別機制，采用分層算法保證跳數(shù)最少，通過通信鏈路質(zhì)量判別機制選取層間的路由。

1 無線HART網(wǎng)絡(luò)及研究現(xiàn)狀

　　1.1 無線HART網(wǎng)絡(luò)組成

　　無線HART采用MESH網(wǎng)技術(shù)，整個網(wǎng)絡(luò)包括現(xiàn)場設(shè)備(Field Device)、適配器(Adapter)、網(wǎng)關(guān)設(shè)備(Gateway Device)、網(wǎng)絡(luò)接入點（AP）、手持設(shè)備(Handheld)和網(wǎng)絡(luò)管理者(Network Manager)。其中現(xiàn)場設(shè)備負(fù)責(zé)采集工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)關(guān)傳送到上位機控制系統(tǒng)；網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信，連接無線HART網(wǎng)絡(luò)和工廠自動化網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)接入點（AP）負(fù)責(zé)接入無線數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)絡(luò)管理者負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的管理、路由分配、資源調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)的維護。

　　1.2 無線HART網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)及研究現(xiàn)狀

　　無線HART網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中定義了圖路由機制，圖路由是一種全冗余的路由機制，路由中的每一跳至少有兩個路由選擇。

　　無線HART網(wǎng)絡(luò)是集中式的MESH網(wǎng)絡(luò)，它的路由是由網(wǎng)絡(luò)管理者計算的，因此一些傳統(tǒng)的無線傳感器路由算法并不適用，如ADHOC網(wǎng)絡(luò)的路由相關(guān)算法[2]和分簇算法[3]。無線HART網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)布時間較短，其相關(guān)的研究還較少。劉楊在無線HART網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)中并沒有實現(xiàn)圖路由的路由方式，而是由兩條路由代替[4]；文獻[5]提出符合圖路由機制的算法，且能夠?qū)崿F(xiàn)最少跳數(shù)，但在選擇路由中沒有考慮通信鏈路的質(zhì)量；黨魁提出一種分層結(jié)構(gòu)的圖路由算法，在路由選擇中引入通信質(zhì)量判別機制，提高了路由的健壯性，但通信鏈路質(zhì)量僅僅考慮了RSSI(Received Signal Strength Indication)因素，并沒有考慮路徑的穩(wěn)定性，這可能引起過多的數(shù)據(jù)重傳[6]；黃聰提出無線HART圖路由的路由增加和刪除策略，降低了路由維護開銷，但路由選擇時沒有考慮通信鏈路的質(zhì)量[7]。本文在分層算法的基礎(chǔ)上，采用路徑穩(wěn)定度作為通信鏈路質(zhì)量判別機制選擇層間路由，實現(xiàn)了無線HART圖路由算法。實驗數(shù)據(jù)表明，采用路徑穩(wěn)定度作為通信鏈路質(zhì)量判別機制，相對于使用RSSI，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2 無線HART圖路由算法及實現(xiàn)

　　本文的無線HART圖路由算法以分層算法為基礎(chǔ)，引入了鏈路質(zhì)量判別機制，根據(jù)路徑穩(wěn)定度分層并選擇相應(yīng)的層間路由。路徑穩(wěn)定度是反映物理層連接質(zhì)量的量度單位，定義為物理層接收確認(rèn)的包與發(fā)送包的比率，用百分?jǐn)?shù)表示。在論證算法實現(xiàn)過程之前，首先給出無線HART網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型。

　　2.1 無線HART網(wǎng)絡(luò)模型

　　無線HART網(wǎng)絡(luò)采用集中控制式的MESH網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)可抽象為節(jié)點和邊組成的圖，用圖G（V，E）表示，其中V表示節(jié)點，E表示節(jié)點之間的連接即邊。文中的圖路由算法以圖1為例來說明。圖1為有10個現(xiàn)場設(shè)備的無線HART網(wǎng)絡(luò)，最大跳數(shù)為4（無線HART協(xié)議定義無線HART網(wǎng)絡(luò)最大跳數(shù)為4），其中節(jié)點1（AP）為根節(jié)點（即無線網(wǎng)絡(luò)接入點AP），其余節(jié)點表示現(xiàn)場設(shè)備節(jié)點。節(jié)點之間的邊的權(quán)重值表示鏈路的質(zhì)量，文中定義為路徑穩(wěn)定度。表1列出了節(jié)點之間路徑穩(wěn)定度的信息。路徑穩(wěn)定度來自現(xiàn)場設(shè)備周期性的Keep-Alive信息（實測數(shù)據(jù)）。

　　2.2 基于路徑穩(wěn)定度的分層算法

　　在無線HART網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場設(shè)備周期性向網(wǎng)絡(luò)管理者發(fā)送Keep-Alive信息，網(wǎng)絡(luò)管理者定時更新鄰居表，分層算法根據(jù)鄰居表信息完成對節(jié)點的分層，在鄰居選擇中根據(jù)鄰居之間的路徑穩(wěn)定度判別鏈路質(zhì)量，對于路徑穩(wěn)定度小于規(guī)定閾值（文中為<80%）的鄰居，從鄰居表中剔除。表2為算法中使用的符號說明。

　　算法實現(xiàn)步驟如下：

　　(1)初始化AP設(shè)備的層數(shù)為第一層，即Lev[node[1]]=1，n=2；

　　(2)搜索node[n]的鄰居表，如果路徑穩(wěn)定度大于規(guī)定閾值(文中為大于80%)，并且該節(jié)點已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)（Lev[node[n]]>0）,則記錄該鄰居，并存入相應(yīng)的緩存區(qū)；

　　(3)比較緩存區(qū)中各個節(jié)點的層數(shù)，得到最小的層數(shù)Min（Lev[node[L]]），L表示在緩存區(qū)的節(jié)點；

　　(4)Lev[node[n]]= Min(Lev[node[L]])+1，清空緩存區(qū)；

　　(5)判斷是否為最后加入節(jié)點，若是則退出；否則n=n+1，并轉(zhuǎn)到步驟(2)。

　　對圖1所示的結(jié)構(gòu)做算法運行（表1為相關(guān)的鏈路質(zhì)量參數(shù)），得到如圖2所示的分層結(jié)構(gòu)。

　　2.3 基于通信鏈路質(zhì)量的圖路由算法

　　本文中的圖路由算法是基于分層算法實現(xiàn)的，保證了節(jié)點到網(wǎng)關(guān)（接入點）的跳數(shù)最小。下面著重說明圖路由算法中幾個關(guān)鍵創(chuàng)新點。

　　(1)在層間路由選擇算法中，通過通信鏈路的質(zhì)量選擇路由，文中提出了基于路徑穩(wěn)定度的鏈路質(zhì)量的判別機制，即圖G（V，E）邊的權(quán)重，對于路徑穩(wěn)定度相同的路徑，選擇子節(jié)點少的上層節(jié)點。

　　(2)圖路由算法要求每個節(jié)點都有一個子圖，新加入的節(jié)點只需要從鄰居表中根據(jù)鏈路質(zhì)量選擇2個上層（更接近目標(biāo)）節(jié)點作為路徑加入就可以實現(xiàn)該節(jié)點的圖路由，即圖疊加。

　　(3)為了防止回路的發(fā)生，節(jié)點只選擇上一層節(jié)點作為下一跳節(jié)點，在無線HART應(yīng)用中，如果上一跳節(jié)點(非第一層節(jié)點)只有一個，則需要重新配置節(jié)點的位置。

　　(4)對于第一層節(jié)點，由于上層節(jié)點只有一個，可以選擇同層節(jié)點，為了防止回路，在選擇同層節(jié)點中選擇先于該節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的鄰居節(jié)點作為下一跳節(jié)點（在無線HART網(wǎng)絡(luò)中，先加入的節(jié)點地址值小于后加入的節(jié)點地址）。

　　2.4 圖路由算法的實現(xiàn)過程

　　下面介紹算法的實現(xiàn)過程。node[n]（n=1~n）表示無線HART網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，其中1表示網(wǎng)絡(luò)接入點（AP）。步驟如下：

　　(1)節(jié)點2的路由第一條路徑和第二條路徑均指向網(wǎng)關(guān)，n=n+1；

　　(2)對節(jié)點n執(zhí)行分層算法，得到其所在的層數(shù)，執(zhí)行步驟(3)；

　　(3)如果節(jié)點n在第一層，則第一條路徑指向網(wǎng)關(guān)，計算鄰居表中先加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點的鏈路質(zhì)量權(quán)重值，第二條路徑選擇指向先加入網(wǎng)絡(luò)的第一層鄰居，轉(zhuǎn)到步驟(6)；如果節(jié)點不在一層，從節(jié)點鄰居表中選取上層節(jié)點放入數(shù)組中，執(zhí)行步驟(4)；

　　(4)在數(shù)組中根據(jù)鏈路質(zhì)量排序；

　　(5)節(jié)點選擇鏈路質(zhì)量權(quán)重值最高的作為第一條路徑，鏈路質(zhì)量權(quán)重值次高為第二條路徑；

　　(6)n=n+1，判斷是否為新節(jié)點，是則轉(zhuǎn)向步驟(2)，否則退出。

　　應(yīng)用上述算法，選取圖1所示的無線HART網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點1為網(wǎng)絡(luò)接入點，節(jié)點2～11為現(xiàn)場設(shè)備，應(yīng)用2.4節(jié)提出的算法，分別得到節(jié)點2～11的圖路由，文中只列出節(jié)點2，3，7，11的圖路由（見圖3）。

3 實驗分析

　　3.1 建立實驗環(huán)境

　　為驗證路由算法，搭建了無線HART網(wǎng)絡(luò)實驗平臺，包括網(wǎng)絡(luò)管理器、接入點和現(xiàn)場設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)管理者在計算機上Linux環(huán)境下完成，AP（接入點）和現(xiàn)場設(shè)備使用飛思卡爾的無線模塊MC13224， AP和網(wǎng)絡(luò)管理者通過UART串口連接。

　　3.2 實驗結(jié)果

　　現(xiàn)場設(shè)備分別為10個點（見圖1）、20個點、30個點和40個點，應(yīng)用文中算法，分三種情況進行實驗，即無鏈路質(zhì)量判別機制（分層算法和層間路由隨機選擇）、使用路徑穩(wěn)定度作為鏈路質(zhì)量判別機制和使用RSSI作為鏈路質(zhì)量判別機制，實驗時間為24 h，對比數(shù)據(jù)為所有節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸成功率，實驗結(jié)果見圖4。從實驗結(jié)果看出，無鏈路質(zhì)量判別機制的算法通信效果最差，對于10個節(jié)點的無線HART網(wǎng)絡(luò)，兩種判別機制的影響不大，但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，選擇路徑穩(wěn)定度作為鏈路質(zhì)量判別機制比選擇RSSI作為鏈路質(zhì)量判別機制的通信質(zhì)量有相應(yīng)提升。

4 結(jié)論

　　本文在總結(jié)無線HART圖路由實現(xiàn)算法的基礎(chǔ)上，提出一種基于通信鏈路質(zhì)量的無線HART圖路由算法?；跓o線HART節(jié)點加入的特點，采用分層算法，保證節(jié)點到網(wǎng)關(guān)的跳數(shù)最少，提出一種基于路徑穩(wěn)定性判別通信鏈路質(zhì)量的機制，選擇層間路由，保證層間路由冗余性和可靠性，采用圖疊加算法簡化算法的實現(xiàn)，實現(xiàn)了無線HART的圖路由算法。目前該算法已經(jīng)應(yīng)用到無線HART網(wǎng)絡(luò)管理者的實現(xiàn)中。

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