基于節(jié)點遍歷法的WirelessHART快速組網(wǎng)設(shè)計

摘 ?要： 為了解決WirelessHART設(shè)備入網(wǎng)時間長，組網(wǎng)慢的問題，本文提出了基于節(jié)點遍歷法的快速組網(wǎng)設(shè)計。當一個待入網(wǎng)設(shè)備準備加入已存在的WirelessHART網(wǎng)絡(luò)時，先通過固定信道法使待入網(wǎng)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)中的某單個節(jié)點設(shè)備建立鄰居關(guān)系，之后以該節(jié)點設(shè)備為起點，通過節(jié)點遍歷法使得待入網(wǎng)設(shè)備與其他多個節(jié)點設(shè)備建立鄰居關(guān)系，從而達到快速組網(wǎng)的目的。

關(guān)鍵詞： WirelessHART;快速組網(wǎng);節(jié)點遍歷

中圖分類號： TP99 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.048

本文著錄格式：趙新坤. 基于節(jié)點遍歷法的WirelessHART快速組網(wǎng)設(shè)計[J]. 軟件，2019，40（6）：208211

【Abstract】： In order to solve the problem that the WirelessHART device has a long network access time and slow networking， this paper proposes a fast networking design based on the node traversal method. When a device to be added to the network is ready to join the existing WirelessHART network， the device establishes a neighbor relationship with a node device in the network through the fixed channel method. Then use the node device as the starting point to establish more neighbor relationships quickly through the node traversing method to achieve fast networking.

【Key words】： WirelessHART; Quickly establishing; Node traversing

0 ?引言

自2007年WirelessHART協(xié)議公布以來，工業(yè)上已經(jīng)出現(xiàn)了許多符合WirelessHART協(xié)議標準的設(shè)備。相比于應(yīng)用其他無線協(xié)議的設(shè)備，如Wi-Fi[1]、Zigbee[2]等，符合WirelessHART協(xié)議標準的設(shè)備有著低功耗，高可靠性等諸多優(yōu)點，但WirelessHART設(shè)備也存在加入網(wǎng)絡(luò)的時間較長的缺點，通常需要數(shù)分鐘甚至是十數(shù)分鐘。已有文獻[3]就入網(wǎng)時間長的問題提出了解決辦法，但只是加快了新入網(wǎng)設(shè)備與單個節(jié)點之間建立鄰居關(guān)系的過程。然而作為一種無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[4]，新入網(wǎng)設(shè)備必然要與多個設(shè)備建立鄰居關(guān)系。所以本文提出使用節(jié)點遍歷法[5]來加快新設(shè)備與多個設(shè)備建立鄰居關(guān)系的過程，從而達到快速組網(wǎng)的目的。

1 ?WirelessHART簡介

WirelessHART是一種專門為過程自動化應(yīng)用設(shè)計的無線網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議[6]，也是第一個用于過程控制的國際無線標準（IEC 62591）[7]。圖1是一個典型WirelessHART網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，其中網(wǎng)絡(luò)管理器和無線接入點共同組成網(wǎng)關(guān)設(shè)備，5個節(jié)點設(shè)備之間相互建立鄰居關(guān)系，形成多路徑的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

其中，上位機負責(zé)顯示網(wǎng)絡(luò)拓撲情況和節(jié)點設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù);網(wǎng)絡(luò)管理器負責(zé)管理整個網(wǎng)絡(luò)的運行，包括路由、帶寬等資源的分配;無線接入點一般和網(wǎng)絡(luò)管理器集成在一起;節(jié)點設(shè)備負責(zé)數(shù)據(jù)收集，上傳，轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù);手持器設(shè)備是現(xiàn)場工程師用于配置設(shè)備信息，采集設(shè)備狀態(tài)的工具。

WirelessHART工作在2.4GHZ頻段[8]，網(wǎng)絡(luò)物理層有16個可用信道，最高可提供250kb/s的傳輸速率。同時采用調(diào)頻擴頻（FHSS）和直接序列擴頻（DSSS）相組合的無線傳輸技術(shù)[9]。每個設(shè)備在不同時間都會處于不同的信道上，只有同一時間處于同一信道的兩臺設(shè)備才能相互通信。

其中f為設(shè)備信道，F(xiàn)為可用信道的集合，ASN（Absolute Slot Number）指自網(wǎng)絡(luò)成立起經(jīng)過的總時隙數(shù)，ASN全網(wǎng)共享[10]，chof為每個設(shè)備獨有的信道偏移量，nch為可用信道的數(shù)量。通常把設(shè)備通信信道隨時間的變化稱為該設(shè)備的時隙表。

圖2顯示的是某WirelessHART設(shè)備通信時 ?隙表。

在t1時刻，設(shè)備處于信道15，在t2時刻，設(shè)備處于信道25。該設(shè)備的可用信道為{15，11，17，25， 21}，隨著ASN的不斷增加，WirelessHART設(shè)備周期性的在這5個信道上不斷跳躍。當不在通信狀態(tài)時，設(shè)備會進入監(jiān)聽或休眠狀態(tài)。

WirelessHART采用時間同步網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TSMP）[9]。TSMP技術(shù)確保了WirelessHART設(shè)備在極其惡劣的環(huán)境中也能可靠的傳輸數(shù)據(jù)，也提供了自愈和冗余功能。TSMP在保證可靠性的同時，也給設(shè)備帶來了額外的能源消耗，文獻[11]中就這一問題進行了大量的研究。

2 ?WirelessHART設(shè)備組網(wǎng)過程

當一個新的WirelessHART設(shè)備要加入網(wǎng)絡(luò)時，首先需要配置待入網(wǎng)設(shè)備的network_ID，Join_key和Unique_ID三個參數(shù)，network_ID是網(wǎng)絡(luò)的標識，設(shè)備只會接受來自同一network_ID的報文，而Join_key就相當于網(wǎng)絡(luò)的密鑰，用于解析出報文內(nèi)容，在WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中，每個設(shè)備擁有自己獨特的Unique_ID，相同Unique_ID的兩臺設(shè)備無法加入同一個網(wǎng)絡(luò)。將待入網(wǎng)設(shè)備啟動后，設(shè)備需要經(jīng)歷以下幾個步驟：

2.1 ?監(jiān)聽周圍設(shè)備的廣播報文

在WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中，組成網(wǎng)絡(luò)的每一臺設(shè)備都會向周圍發(fā)送廣播報文。待入網(wǎng)設(shè)備隨機選擇一個信道進行監(jiān)聽，當監(jiān)聽的信道上存在廣播報文時，待入網(wǎng)設(shè)備就會解析出報文中包含的ASN信息，從而進一步的與已存在的WirelessHART網(wǎng)絡(luò)進行時間同步[12]。把這一過程稱為過程一，耗費時間為t1。

2.2 ?與WirelessHART網(wǎng)絡(luò)進行信息交互

時間同步是信息交互的前提。待入網(wǎng)設(shè)備從廣播報文中獲取到網(wǎng)絡(luò)的ASN信息后，就可以與發(fā)送廣播報文的設(shè)備進行通信。若發(fā)送廣播報文的設(shè)備不是網(wǎng)關(guān)，該設(shè)備會將待入網(wǎng)設(shè)備的信息轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)設(shè)備。首先，網(wǎng)關(guān)會驗證待入網(wǎng)設(shè)備的身份，即Unique_ID。驗證通過后，網(wǎng)關(guān)將會給設(shè)備分配資源，包括可用信道，時隙表，通信秘鑰等等。當一切準備就緒，待入網(wǎng)設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)之中時，設(shè)備也會向周圍發(fā)送廣播報文。把這一過程稱為過程二，耗費時間t2。

2.3 ?進一步組網(wǎng)過程

設(shè)備雖然已經(jīng)加入了WirelessHART網(wǎng)絡(luò)，但是在空閑時隙，既不與鄰居設(shè)備通信也不發(fā)送廣播報文時，設(shè)備會繼續(xù)在某個信道上進行監(jiān)聽，當收到新的廣播報文時，會與發(fā)送廣播報文的設(shè)備建立鄰居關(guān)系。而每次建立新的鄰居關(guān)系，形成新的鏈路，網(wǎng)絡(luò)管理器都需要更新全網(wǎng)的時隙表，路由條目等。所以只有待入網(wǎng)設(shè)備與通信范圍內(nèi)的所有節(jié)點設(shè)備都建立鄰居關(guān)系后，網(wǎng)絡(luò)才能算是穩(wěn)定狀態(tài)。把這個過程稱為過程三，耗費時間t3。

假設(shè)待入網(wǎng)設(shè)備通信范圍內(nèi)有n個節(jié)點設(shè)備，則 ，組網(wǎng)的總時間T為：

由于WirelessHART設(shè)備是隨機選取信道進行監(jiān)聽，所以時間t1不固定，t2與鄰居設(shè)備時隙表有關(guān)，通常為4個周期。表1是待入網(wǎng)設(shè)備與某個鄰居節(jié)點建立鄰居關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)。該鄰居節(jié)點的時隙周期為2.5 s。

3 ?快速組網(wǎng)設(shè)計

3.1 ?固定信道法

WirelessHART設(shè)備的通信信道隨時間周期性的變化，若是待入網(wǎng)設(shè)備在隨機信道上監(jiān)聽，不僅監(jiān)聽到報文的時間不能確定，花費的時間還會比較長。若是提前獲取鄰居設(shè)備的通信信道，直接在該信道上等待，則過程一花費的時間t1小于等于鄰居設(shè)備的時隙周期T。具體的操作方法如下：

a. 選取WirelessHART網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點設(shè)備作為目標，使用手持器設(shè)備通過有線方式讀取該設(shè)備的通信序列

b. 選擇序列中的任意一個信道C，使用手持器將待入網(wǎng)設(shè)備的的監(jiān)聽信道固定為C

c. 待入網(wǎng)在信道C上監(jiān)聽到廣播報文后，解析出報文的ASN信息，與網(wǎng)絡(luò)進行時間同步，與鄰居設(shè)備進行通信

固定信道法大大縮減了過程一所需要的時間，但是對于過程二和過程三卻起不到優(yōu)化的作用。同時由于固定信道法需要強制固定待入網(wǎng)設(shè)備的監(jiān)聽信道，在待入網(wǎng)設(shè)備已經(jīng)與一個鄰居節(jié)點建立鄰居關(guān)系后，若再次使用固定信道法去與另外的鄰居節(jié)點建立新的鄰居關(guān)系，會導(dǎo)致設(shè)備與前一個鄰居的正常通信中斷，所以在過程三中，不能繼續(xù)使用固定信道法。

3.2 ?節(jié)點遍歷法

節(jié)點遍歷法是求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最小路集的常用方 法[5]，其基本思想為：從某一輸入節(jié)點開始，逐個遍歷全部節(jié)點，直到輸出節(jié)點為止。每次遍歷都需要做以下判斷：

a. 判斷當前節(jié)點是否走過;

b. 判斷是否找到最小路集;

c. 判斷是否找完所有路集;

在過程一使用固定信道法的基礎(chǔ)上，在過程三中，對節(jié)點遍歷法進行改進，基本思想為：以過程一選取的節(jié)點設(shè)備為起點，向該設(shè)備發(fā)送消息，獲取該設(shè)備鄰居的信道序列，待入網(wǎng)設(shè)備依次與這些鄰居設(shè)備建立鄰居關(guān)系，繼續(xù)向建立鄰居關(guān)系的設(shè)備發(fā)送消息，獲取其鄰居設(shè)備的信道序列，直到?jīng)]有鄰居節(jié)點為止。每次遍歷都做以下判斷：

d. 判斷當前節(jié)點設(shè)備是否已經(jīng)監(jiān)聽過;

e. 判斷是否還有鄰居節(jié)點;

在圖3所示的網(wǎng)絡(luò)拓撲中，有一個網(wǎng)關(guān)GW和三個節(jié)點A、B、C，節(jié)點D為待入網(wǎng)設(shè)備。

具體操作過程如下：

a. 獲取節(jié)點A的通信序列，然后將節(jié)點D的信道固定，使之接收到節(jié)點A的廣播報文。

b. 節(jié)點D與節(jié)點A通信，建立鄰居關(guān)系。節(jié)點A轉(zhuǎn)發(fā)D的消息給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)重新分配網(wǎng)絡(luò)資源，節(jié)點D加入網(wǎng)絡(luò)。

c. 節(jié)點D向節(jié)點A發(fā)送消息，查詢節(jié)點A的鄰居信息和這些鄰居設(shè)備的通信序列，即網(wǎng)關(guān)和節(jié)點C。

d. 節(jié)點D監(jiān)聽網(wǎng)關(guān)和節(jié)點C的廣播報文，并與節(jié)點C建立鄰居關(guān)系。

e. 節(jié)點D向節(jié)點C發(fā)送消息，查詢他們的鄰居信息，得到節(jié)點A、節(jié)點B，由于節(jié)點A已經(jīng)監(jiān)聽過，所以節(jié)點D獲取節(jié)點B的通信序列。

f. 節(jié)點D監(jiān)聽節(jié)點B的廣播報文，在一個時隙周期T內(nèi)，未收到廣播報文。

g. 整個過程結(jié)束。

4 ?實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)分析

4.1 ?實驗設(shè)計

實驗網(wǎng)絡(luò)拓撲如下，共有一個網(wǎng)關(guān)和六個節(jié)點設(shè)備，相互之間的鄰居關(guān)系為圖中虛線所示。節(jié)點設(shè)備F為待入網(wǎng)設(shè)備，最終節(jié)點F可與節(jié)點D、E、B形成鄰居關(guān)系。

第一次實驗不使用任何優(yōu)化方案，讓待入網(wǎng)設(shè)備直接與網(wǎng)絡(luò)進行組網(wǎng);第二次實驗使用固定信道法，分別選取節(jié)點D和節(jié)點E進行兩次實驗;第三次實驗使用節(jié)點遍歷法，對全網(wǎng)節(jié)點設(shè)備進行遍歷，同樣分別選取節(jié)點D和節(jié)點E進行兩次實驗。

4.2 ?實驗數(shù)據(jù)分析

每次實驗均進行十次，然后取平均值，實驗數(shù)據(jù)如下表2。

由于過程二并未做任何的優(yōu)化，而且本身花費的時間在可接受范圍內(nèi)，三次試驗的過程二時間近似。試驗二和實驗三過程一的耗費時間遠遠小于實驗一。過程三中，實驗一和實驗二相近，實驗三縮短了近四倍。

5 ?結(jié)論

WirelessHART在工業(yè)環(huán)境中有著無法比擬的可靠性，但是其組網(wǎng)時間過長，組網(wǎng)速度過慢的問題也十分嚴重。本文將WirelessHART設(shè)備入網(wǎng)分成三個過程，過程一中使用固定信道法，將無規(guī)律的隨機監(jiān)聽改進為在固定的信道上等待，過程三中采用改進的節(jié)點遍歷法，通過向鄰居節(jié)點發(fā)送請求來獲取節(jié)點設(shè)備的信道序列。實驗結(jié)果證明，節(jié)點遍歷法能夠?qū)?shù)分鐘的組網(wǎng)過程縮短到數(shù)十秒。但是該方法會向網(wǎng)絡(luò)中引入新的信息報文，影響了網(wǎng)絡(luò)的正常通信，較適合于網(wǎng)絡(luò)搭建初期。如何減少引入的新報文數(shù)量將是下一步的研究工作。

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