1 無線HART拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
   
無線通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饕ㄐ切秃途W(wǎng)狀兩種結(jié)構(gòu)，星型單跳網(wǎng)絡(luò)支持高可靠性的網(wǎng)絡(luò)通信，而網(wǎng)狀多跳網(wǎng)絡(luò)支持遠(yuǎn)距離通信，無線HART協(xié)議支持網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和星型拓?fù)鋬煞N結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)實際需要選擇星型或網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，或者介于二者之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的實際要求，采用星型和網(wǎng)狀結(jié)合的兩層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，第一層是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)關(guān)和路由設(shè)備構(gòu)成；第二層是星型結(jié)構(gòu)，由路由設(shè)備以及現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成。其中，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)無線HART網(wǎng)絡(luò)與工廠內(nèi)的其他網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)映射。簇首作為網(wǎng)絡(luò)管理者的代理，負(fù)責(zé)構(gòu)建由現(xiàn)場設(shè)備和路由設(shè)備構(gòu)成的星型結(jié)構(gòu)，監(jiān)測星型結(jié)構(gòu)性能；作為安全管理者代理，負(fù)責(zé)合并及轉(zhuǎn)發(fā)簇成員的數(shù)據(jù)；負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)其他簇首的數(shù)據(jù)。簇成員負(fù)責(zé)獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)并發(fā)送到簇首。

 

2 無線HART數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議
   
無線HART數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯鏈路層協(xié)議(LLC)和介質(zhì)訪問控制層協(xié)議(MAC)，數(shù)據(jù)鏈路層主要定義數(shù)據(jù)幀格式，介質(zhì)訪問控制層主要負(fù)責(zé)管理和協(xié)調(diào)通信資源的分配和使用。

2．1 邏輯鏈路層
2．1．1 幀格式
   
其中，地址指示為無線HART網(wǎng)絡(luò)支持兩種地址格式，一種用于局域網(wǎng)的短地址，一種用于廣域網(wǎng)的長地址。其中短地址由16位二進(jìn)制組成，用戶可自行定義：長地址由64位二進(jìn)制數(shù)組成，64位中高24位表示設(shè)備ID，低24位表示0UI地址(由IEEE STD 802．15．4協(xié)議分配，其中無線HART的OUI地址為0x00181E)，中間16位表示設(shè)備類型(設(shè)備生產(chǎn)廠家確定)；時序號為絕對時序號的最低8位；網(wǎng)絡(luò)ID為無線HART根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用類型確定的網(wǎng)絡(luò)ID號：數(shù)據(jù)包指示為數(shù)據(jù)包指示由8位二進(jìn)制數(shù)組成，低3位表示數(shù)據(jù)包的類型，第4位表示網(wǎng)絡(luò)密鑰，第5、6位表示數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級。
    無線HART數(shù)據(jù)包分為ACK、Advertise、Keep alive、Disconnect、Data5種類型，分為命令、過程數(shù)據(jù)、一般、報警4種優(yōu)先級。發(fā)送數(shù)據(jù)來自網(wǎng)絡(luò)層并需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。MIC為網(wǎng)絡(luò)授權(quán)檢測。CRC為數(shù)據(jù)完整性檢測。

2．2 MAC協(xié)議分析
   
無線HART鏈路調(diào)度主要通過以鄰居表位核心的五張表實現(xiàn)，其中超幀表記錄超幀的分配和使用狀態(tài)；鏈路表記錄鏈路(通信資源)的分配和使用狀態(tài)；鄰居表記錄著節(jié)點本身的鄰居節(jié)點(處于節(jié)點單挑通信范圍之類的節(jié)點稱為該節(jié)點的鄰居節(jié)點)；路由表記錄著多跳網(wǎng)絡(luò)中的路由信息；緩沖表存儲著待發(fā)送的數(shù)據(jù)同時記錄優(yōu)先級以及等待時間等狀態(tài)。
   
無線HART網(wǎng)絡(luò)中每一個節(jié)點都支持多個超幀，網(wǎng)絡(luò)管理者完成超幀的構(gòu)建和維護(hù)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求進(jìn)行時隙鏈路的分配。每一個超幀包含一定數(shù)量的時隙。超幀一旦建立，網(wǎng)絡(luò)管理者為該超幀增加、刪除、優(yōu)化鏈路時隙。一旦分配時隙，超幀應(yīng)該使能從而允許鏈路的調(diào)度。鏈接表中一個鏈接表示一個通信機會，通過鏈接表實現(xiàn)目標(biāo)鄰居節(jié)點的識別，時隙、超幀序列號、發(fā)送接收方向、鏈路類別、信道。鄰居表維護(hù)并記錄著一組能與節(jié)點直接通信(單跳)鄰居節(jié)點，通過鄰居表可查詢鄰居節(jié)點地址、時鐘源標(biāo)志、通信數(shù)據(jù)量、節(jié)點最后通信時間、通信節(jié)點狀態(tài)、節(jié)點通信優(yōu)先級。圖表提供上行和下行多跳網(wǎng)絡(luò)的路由信息，其元素主要由多個路由路徑節(jié)點信息，圖標(biāo)主要由網(wǎng)絡(luò)管理者實現(xiàn)管理。緩沖表主要用于節(jié)點存儲待發(fā)送數(shù)據(jù)，記錄著數(shù)據(jù)包的ID、優(yōu)先級、目的地址類型、保存時間。

 

3 無線HART數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計與實現(xiàn)
3．1 通信資源分配
   
無線HART網(wǎng)絡(luò)采用頻分多址(FDMA)和時分多址(TDMA)混合的信道訪問機制。無線HART協(xié)議采用集中式資源分配方式，即通信資源由網(wǎng)絡(luò)管理器統(tǒng)一分配。無線HART網(wǎng)絡(luò)工作于2．4 GHz射頻頻段。為了保證系統(tǒng)能在非常惡劣的工業(yè)現(xiàn)場通信環(huán)境中實時、可靠的工作，無線HART采用TDMA和FDMA的混合信道分文機制。TDMA技術(shù)將每一個時隙復(fù)用到2．4 GHz的16個信道上，使系統(tǒng)的有效帶寬提高了16倍。
   
為了進(jìn)行資源分配，首先建立通信資源矩陣?？v坐標(biāo)表示信道頻率，橫坐標(biāo)表示時隙，矩陣中的每個單元表示一個通信資源，每個通信資源用頻率和時隙的二元組來唯一標(biāo)示。每個矩陣元素包含如下通信資源和鏈路的信息：占用標(biāo)志位，鏈路的源節(jié)點、鏈路的目的節(jié)點、鏈路的類型。矩陣中每個元素都被初始化為0，當(dāng)某個通信資源已經(jīng)被分配，矩陣中對應(yīng)元素的占用標(biāo)志位被置為1，并填充相應(yīng)的通信資源信息。
    無線HART網(wǎng)絡(luò)中，通信資源有NORMAL、ADVERTIS、JOIN和DISCOVERY 4種類型，NORMAL通信資源主要用于過程數(shù)據(jù)和管理命令的傳輸，ADVERTISE通信資源用于廣播網(wǎng)絡(luò)信息以方便新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，JOIN通信資源用于新設(shè)備加入，DISCOVERY通信資源用于鄰居發(fā)現(xiàn)。其中NORM-AL類型的通信資源與路由路徑相關(guān)，其他的資源都與路由路徑無關(guān)，重點考慮NORMAL通信資源的分配。NORMAL通信資源分配以所建立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以圖表和鄰居表為分配圖，根據(jù)所建立的兩層結(jié)構(gòu)進(jìn)行兩層分配。
    1)簇內(nèi)通信
簇內(nèi)所有的通信節(jié)點的通信資源位于矩陣的同一行，并按照時隙進(jìn)一步分配。對于下行通信，每一資源的源地址為簇首節(jié)點，目的地址為節(jié)點地址；對于上行通信，每一分資源的源地址為節(jié)點地址，目的地址為簇首節(jié)點。
    2)簇間通信
簇間通信主要是負(fù)責(zé)簇首與網(wǎng)關(guān)之間的通信，而其資源主要占據(jù)矩陣中兩行，其中上行網(wǎng)絡(luò)通信資源，一行為下行網(wǎng)絡(luò)通信資源。在資源不滿足的情況下，可以根據(jù)資源分配的具體情況進(jìn)行拓展，但必須以雙行網(wǎng)絡(luò)為前提，而且上行還有下行資源不能占據(jù)同一個時隙。分配的路徑以圖表和鄰居表為分配路徑，進(jìn)行上行和下行節(jié)點的分配。

3．2 時間同步實現(xiàn)
   
整個網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步對于無線HART的TDMA通信是十分必要的，設(shè)備間的時鐘偏移是不可避免的，TDMA網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實現(xiàn)全網(wǎng)完全同步并不現(xiàn)實，而且精確度越高能量消耗就越大，因此無線HART節(jié)點需要在精確度與能耗之間取得平衡，在滿足網(wǎng)絡(luò)TDMA時隙通信要求的基礎(chǔ)上盡可能的降低能耗。
   
無線HART為工業(yè)環(huán)境的無線通信協(xié)議，其對穩(wěn)定性、可靠性有著比一般通信網(wǎng)絡(luò)更高的要求；而無線HART作為一個mesh的無線通信網(wǎng)需要實現(xiàn)全局的時間同步，但是由于硬件設(shè)備以及能量等問題，使得傳統(tǒng)的有線時間同步的算法以及常規(guī)的WSN時間同步算法無法在無線HART中實現(xiàn)。為此以最小能耗為設(shè)計目標(biāo)，設(shè)計一個多層次、全局、不問斷的同步策略應(yīng)用簡易但有效的同步算法實現(xiàn)無線HART-TDMA時間同步。圖1為相鄰節(jié)點通信。

   
圖1中描述了無線HART節(jié)點A與節(jié)點B間的一次通信，節(jié)點A在T1時刻發(fā)送一個數(shù)據(jù)包給節(jié)點B，節(jié)點B在T2時刻接收到A所發(fā)送的數(shù)據(jù)包，節(jié)點B在T3數(shù)據(jù)包發(fā)送一個應(yīng)答數(shù)據(jù)包，節(jié)點A在T4時刻接收到B所發(fā)送的應(yīng)答數(shù)據(jù)包。T1、T2、T3，T4為節(jié)點時鐘，四者存在以下關(guān)系：
   
式中，表示A到B的時間延遲，表示B到A的時間延遲。在整個通信過程中，延遲主要發(fā)送在層與層間數(shù)據(jù)傳送以及點與點之間數(shù)據(jù)傳輸過程中。式(1)中以及式(2)中分別表示T1時刻節(jié)點A對節(jié)點B的時鐘漂移和T4時刻節(jié)點A對節(jié)點B的時鐘漂移，盡管由于環(huán)境因數(shù)(如溫度、壓力等)的影響，時鐘漂移每一個時刻都在發(fā)生，二者并不完全相等，但一般情況二者一次通信進(jìn)行的時間間隔較短，可以認(rèn)為二者幾乎相等。同樣假定和相等。
    通過式(1)和式(2)可得出延遲時間以及漂移時間：
   
    節(jié)點將根據(jù)式(3)和式(4)所求出的延遲時間以及漂移時間進(jìn)行時鐘的主動同步與被動同步。
   
時鐘同步由兩步驟完成，首先選取時鐘源，網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點作為時鐘服務(wù)器，并選取若干節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)時鐘源：然后在同步過程，每一個節(jié)點通過與時鐘源進(jìn)行被動或主動的時鐘同步。其中，主動同步為當(dāng)高層節(jié)點向低層節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，低層節(jié)點記錄數(shù)據(jù)包實際到達(dá)時間與計算達(dá)到時間的偏移調(diào)整本地時鐘；被動同步為當(dāng)?shù)蛯庸?jié)點向高層節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，底層節(jié)點等待并接收高層節(jié)點的應(yīng)答數(shù)據(jù)包，并利用應(yīng)答數(shù)據(jù)包中所包含的時鐘偏移信息進(jìn)行時鐘調(diào)整。
   
高層節(jié)點發(fā)送邀請數(shù)據(jù)包，待加入節(jié)點接收邀請數(shù)據(jù)包并完成一次被動同步過程；高層節(jié)點發(fā)送偵聽數(shù)據(jù)包，判斷臨近節(jié)點是否處于網(wǎng)絡(luò)并完成一次被動同步過程；低層節(jié)點通過接收一次數(shù)據(jù)包完成一次被動同步過程；底層節(jié)點通過接收高層節(jié)點的應(yīng)答數(shù)據(jù)包完成一次主動同步過程。整個同步網(wǎng)絡(luò)低層同步高層，整個網(wǎng)絡(luò)時鐘以根時鐘源為基準(zhǔn)實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步。根時鐘源可根據(jù)實際情況采用可行方
法(如GPRS等)與理想時鐘同步。

3．3 數(shù)據(jù)鏈路調(diào)度實現(xiàn)
3．3．1 調(diào)度
   
數(shù)據(jù)鏈路層在實現(xiàn)無線HART網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)時鐘同步的基礎(chǔ)上，主要負(fù)責(zé)鏈路的調(diào)度，控制著數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，從而保證網(wǎng)絡(luò)的正常通信。鏈路調(diào)度通過查詢活動超幀表、鏈接表、數(shù)據(jù)等表從而決定下一個將要通信的時隙。所有的接收鏈接將會被允許通信。網(wǎng)絡(luò)層發(fā)出發(fā)送數(shù)據(jù)請求，若待定表中已無空余空間，調(diào)用失敗，否則數(shù)據(jù)包進(jìn)入待定表中的同時查詢等待表是否存在相同目的地址的高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包，若不存在，數(shù)據(jù)包進(jìn)入等待表中等待發(fā)送，否則保存在待定表中，待發(fā)送表根據(jù)目的地址的類型進(jìn)行查詢，鄰居地址查詢鄰居表、圖地址查詢圖表的基礎(chǔ)上再查詢鄰居表，最終鄰居地址、圖地址、廣播地址、代理地址的4種都將查詢鏈路表獲得相應(yīng)鏈路并設(shè)置為發(fā)送類型(TX=1)，之后進(jìn)入等待狀態(tài)。
    當(dāng)ASN到達(dá)相應(yīng)時隙，數(shù)據(jù)包根據(jù)TX＼RX的值進(jìn)入發(fā)送、接收、休眠狀態(tài)。如圖2所示。

 

3．3．2 狀態(tài)機
   
圖3為TDMA狀態(tài)機，該狀態(tài)機建立在邏輯鏈路層所建立的四張調(diào)度表以及調(diào)度機制的基礎(chǔ)上，TDMA狀態(tài)機開始于節(jié)點加入無線HART網(wǎng)絡(luò)，加入的同時建立狀態(tài)機所需要的超幀表、圖表、鏈路表，開始從鄰居節(jié)點接收數(shù)據(jù)并以此為基礎(chǔ)建立鄰居表。節(jié)點維護(hù)存儲著一列待發(fā)送數(shù)據(jù)包，當(dāng)一個發(fā)送時隙發(fā)生，節(jié)點將會嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)包。發(fā)送數(shù)據(jù)包包括發(fā)送數(shù)據(jù)包和接收ACK應(yīng)答兩個過程。當(dāng)一個發(fā)送時隙產(chǎn)生，進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。成功發(fā)送一個廣播地址的數(shù)據(jù)包在數(shù)據(jù)包發(fā)送之后結(jié)束，并從等待表中刪除。成功發(fā)送一個非廣播地址的數(shù)據(jù)包，節(jié)點將等待ACK應(yīng)答數(shù)據(jù)包，ACK數(shù)據(jù)包將表明數(shù)據(jù)包是成功接收還是出現(xiàn)接收錯誤。如果目的地址是廣播地址，將不會有ACK應(yīng)答數(shù)據(jù)包，發(fā)送完成并進(jìn)入空閑狀態(tài)進(jìn)行調(diào)度表的更新；成功發(fā)送一個非廣播地址數(shù)據(jù)包，進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性和權(quán)限完整性檢驗，TDMA狀態(tài)機進(jìn)入等待ACK狀態(tài)，如果無ACK應(yīng)答表明發(fā)送失敗。如果是一個共享鏈接，將啟動重發(fā)機制，若最終依然失敗，進(jìn)入空閑狀態(tài)更新調(diào)度表。如果一個ACK應(yīng)答數(shù)據(jù)包被成功接收，節(jié)點根據(jù)ACK確定發(fā)送是否成功，若發(fā)送成功，進(jìn)入空閑狀態(tài)更新調(diào)度表。如果顯示發(fā)送錯誤，將啟動重發(fā)機制。所有的接收鏈接都將在沒有發(fā)送請求的基礎(chǔ)被全部服務(wù)，節(jié)點接收數(shù)據(jù)有三種可能：1)數(shù)據(jù)包的目的地址就是節(jié)點地址；2)數(shù)據(jù)包目的地址是路由地址；3)數(shù)據(jù)包目的地址非以上兩種情況。每一次接收數(shù)據(jù)，鄰居表都將被更新維護(hù)。

4 結(jié)論
   
以無線HART協(xié)議為基礎(chǔ)根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場的特點，設(shè)計并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議模型。在以無線HART適配器節(jié)點為平臺的實驗結(jié)果表明，模型所實現(xiàn)的時鐘同步精度達(dá)到30μs，滿足工業(yè)現(xiàn)場要求的前提下降低了節(jié)點的能耗，以模型為基礎(chǔ)的無線HART節(jié)點成功組建形成無線HART單跳網(wǎng)絡(luò)。