0 引言

　　HART基金會(huì)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(diǎn)實(shí)現(xiàn)：（1）網(wǎng)絡(luò)路由方式，無線HART采用圖（Graph）路由實(shí)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(gè)信道進(jìn)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(shí)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(jī)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(jī)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(gè)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(diǎn)（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(jī)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(dòng)化網(wǎng)絡(luò),；網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)（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(gè)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(hù),。

　　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(jī)制，圖路由是一種全冗余的路由機(jī)制，路由中的每一跳至少有兩個(gè)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(jì)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(shí)間較短，其相關(guān)的研究還較少,。劉楊在無線HART網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)中并沒有實(shí)現(xiàn)圖路由的路由方式,，而是由兩條路由代替[4]；文獻(xiàn)[5]提出符合圖路由機(jī)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(jī)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(hù)開銷,，但路由選擇時(shí)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(jī)制選擇層間路由,，實(shí)現(xiàn)了無線HART圖路由算法。實(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)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(jī)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(shí)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(diǎn)和邊組成的圖,，用圖G（V,，E）表示，其中V表示節(jié)點(diǎn)，E表示節(jié)點(diǎn)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(gè)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(diǎn)1（AP）為根節(jié)點(diǎn)（即無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)AP）,，其余節(jié)點(diǎn)表示現(xiàn)場設(shè)備節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(shí)更新鄰居表,，分層算法根據(jù)鄰居表信息完成對節(jié)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn),；

　　(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(diǎn),，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(yùn)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(shí)現(xiàn)的,，保證了節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)（接入點(diǎn)）的跳數(shù)最小。下面著重說明圖路由算法中幾個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)。

　　(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(jī)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(diǎn)少的上層節(jié)點(diǎn),。

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

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

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

　　2.4 圖路由算法的實(shí)現(xiàn)過程

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

　　(1)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)n在第一層，則第一條路徑指向網(wǎng)關(guān),，計(jì)算鄰居表中先加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)不在一層,，從節(jié)點(diǎn)鄰居表中選取上層節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn),，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(diǎn)1為網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn),，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)2～11的圖路由,，文中只列出節(jié)點(diǎn)2,，3，7,，11的圖路由（見圖3）,。

3 實(shí)驗(yàn)分析

　　3.1 建立實(shí)驗(yàn)環(huán)境

　　為驗(yàn)證路由算法，搭建了無線HART網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),，包括網(wǎng)絡(luò)管理器,、接入點(diǎn)和現(xiàn)場設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)管理者在計(jì)算機(jī)上Linux環(huán)境下完成,，AP（接入點(diǎn)）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(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　現(xiàn)場設(shè)備分別為10個(gè)點(diǎn)（見圖1）,、20個(gè)點(diǎn),、30個(gè)點(diǎn)和40個(gè)點(diǎn)，應(yīng)用文中算法,，分三種情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn),，即無鏈路質(zhì)量判別機(jī)制（分層算法和層間路由隨機(jī)選擇）、使用路徑穩(wěn)定度作為鏈路質(zhì)量判別機(jī)制和使用RSSI作為鏈路質(zhì)量判別機(jī)制,，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為24 h,，對比數(shù)據(jù)為所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸成功率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4,。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出,，無鏈路質(zhì)量判別機(jī)制的算法通信效果最差,，對于10個(gè)節(jié)點(diǎn)的無線HART網(wǎng)絡(luò),，兩種判別機(jī)制的影響不大，但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大,，選擇路徑穩(wěn)定度作為鏈路質(zhì)量判別機(jī)制比選擇RSSI作為鏈路質(zhì)量判別機(jī)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(shí)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(diǎn)加入的特點(diǎn),，采用分層算法，保證節(jié)點(diǎn)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(jī)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(shí)現(xiàn),，實(shí)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(shí)現(xiàn)中,。

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