基于自適應(yīng)心跳協(xié)議的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)簇首冗余機(jī)制研究.pdf

1、隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成為自動化領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種面向設(shè)備間信息交互的無線通信技術(shù)，除了具有泛在感知、易用性、低能耗等特征外，還具有較強(qiáng)的抗干擾性和實(shí)時(shí)性，能以較低的投資和使用成本獲取工業(yè)現(xiàn)場的重要控制參數(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對工業(yè)生產(chǎn)流程進(jìn)行監(jiān)控和管理。
　　 面向工業(yè)過程自動化的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)——WIA-PA(Wireless Networks for In

2、dustrial Automation-Process Automation)是在863重點(diǎn)課題的支持下，由中科院、西南大學(xué)、重慶郵電大學(xué)等國內(nèi)10余家單位共同研發(fā)的。由于工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的惡劣性和苛刻性，WIA-PA需要解決高可靠、實(shí)時(shí)通信、低能耗、高安全性以及與其它網(wǎng)絡(luò)兼容等一系列挑戰(zhàn)性技術(shù)難題，而高可靠性對于保證工業(yè)生產(chǎn)中至關(guān)重要的服務(wù)質(zhì)量及安全性有著極其重要的意義，它是工業(yè)無線控制系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必備前提之一。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)采用星型

3、和網(wǎng)狀(Mesh)結(jié)合的雙層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)通信的分布——集中式控制。星型網(wǎng)絡(luò)由現(xiàn)場設(shè)備和路由組成，其中路由又稱為簇首，它承擔(dān)著整個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)中通信資源分配、現(xiàn)場設(shè)備管理、數(shù)據(jù)聚合及轉(zhuǎn)發(fā)等工作，對保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)轉(zhuǎn)起著決定性的作用。簇首一旦失效，簇內(nèi)通信將陷入癱瘓狀態(tài)，致使其簇內(nèi)所有現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)傳送，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懙狡渌酚尚畔⒌霓D(zhuǎn)發(fā)，導(dǎo)致某些通信鏈路不可用，從而降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可用性、可靠性和系統(tǒng)安全。
　　 為了

4、解決WIA-PA星型網(wǎng)絡(luò)中簇首單點(diǎn)失效問題，本文對現(xiàn)有冗余機(jī)制及心跳協(xié)議進(jìn)行了分析研究，針對經(jīng)典加速心跳協(xié)議故障發(fā)現(xiàn)延遲較大、故障狀態(tài)不可逆等不足，本文基于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載及節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)自動調(diào)節(jié)心跳周期的思想，提出了自適應(yīng)心跳協(xié)議——AHB(Adaptive Heartbeat Protocol)。AHB能夠根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信壓力和節(jié)點(diǎn)自身健康狀況，采用心跳時(shí)隙冗余策略動態(tài)調(diào)整心跳周期，實(shí)時(shí)地監(jiān)測簇首狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，從而保證冗余機(jī)制正常工作。

5、在AHB的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合休眠機(jī)制、跳頻技術(shù)和虛擬IP等方法，構(gòu)建了基于AHB的WIA-PA雙機(jī)溫備份簇首冗余機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)低能耗和高效的故障檢測，并優(yōu)化了現(xiàn)場設(shè)備入簇過程，確保網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的連續(xù)性和可靠性。
　　 本文通過馬爾可夫模型對基于AHB的雙機(jī)溫備份簇首冗余機(jī)制進(jìn)行可信性建模和分析，從理論上驗(yàn)證其可靠性，并在WIA-PA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺上驗(yàn)證其可行性和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該冗余機(jī)制能及時(shí)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)故障，并進(jìn)行平滑切換，切