AresNet：一種用于研究和實驗評估的無線網狀網絡實驗平臺

張 雷

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

0 引言

無線網狀網絡是當今在國際上備受關注的、多學科高度交叉的、知識高度集成的前沿熱點顏研究領域。無線網狀網絡技術涉及納米與微電子技術、新型微型傳感器技術、微機電系統技術片上系統SoC設計、移動互聯網技術、微功耗嵌入式技術等多個技術領域，它與通信技術和計算機技術共同構成信息技術的三大支柱，被認為是對21世紀產生巨大影響力的技術之一[1]。

通過無線傳感器網絡的部署和采集，可以擴展人們獲取信息的能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網絡連接在一起，改變人類自古以來僅靠自身的感覺等來感知信息的現狀，極大地提高了人類獲取數據和信息的準確性和靈敏度。在物聯網技術高速發展的今天，無線傳感器網路作為物聯網數據獲取的重要手段，其在物聯網應用體系中的作用日漸凸顯，使用方法也日益成熟和規范，應用領域正在不斷擴大，已經成為未來采集和獲取大量物理數據的不可或缺的手段之一。

近年來，隨著無線網絡技術的普及，它越來越受到學者以及業界的廣泛關注，關于無線網狀網絡（WMNs）的研究也持續了好多年。無線網狀網絡可以看作是一個多跳Ad Hoc網絡（MANET）的擴展連接。其中的關鍵區別是無線網狀網是一個相對靜態的，低流動性。WirelessHART作為一種無線網狀網絡技術，其在現場總線中擁有大量的應用，研究其網絡結構具有重大意義。

1 介紹

工業無線控制技術已經成為工業過程控制領域關注的熱點之一[2,3]，像 ISA[4]，HART[5]，ZigBee[6]等組織都在積極推進無線傳感網絡技術在自動化工業領域的應用。相比工業現場的環境更為復雜，嚴峻，噪聲的干擾，現場本身對無線傳感網絡的可靠性和實時性要求更高。通訊的延遲或丟失都會降低控制的質量。因此工業領域的無線傳感網絡對網絡的管理要求更高。

AresNet實驗平臺是一個基于無線 HART搭建的無線網狀網絡實驗平臺。本章介紹無線HART的網絡結構，AresNet的部署實施環境，以及部署意圖。

1.1 WirelessHART網絡結構

WirelessHART[7](Wireless Highway Addressable Remote Transducer)的全稱是無線可尋址遠程傳感器高速通道，是由HART通信基金會為工業過程控制頒布的一個開放標準的無線網絡技術。同時，它是第一用于過程控制的國際無線標準，IEC 62591[8]。WirelessHART是一種具有時鐘同步、自組織、可治愈的無線網狀網絡結構。在HART最新版本7.0中，WirelessHART標準工作與2.4 GHz ISM頻段的、安全的網絡技術，它結合了基于IEEE802.15.4[9]的直接序列擴頻(DSSS)射頻技術與基于數據報的跳信道技術。

WirelessHART用于滿足過程工業對于實時工廠應用中可靠、穩定和安全的無線通信的關鍵需要。其通信標準是建立在已有的經過現場測試的國際標準上的，它擁有數量最多的已部署在世界上所有現場總線網絡的現場設備。WirelessHART標準采用一些現有的標準，如HART標準、IEEE802.15.4標準、AES-128加密標準，以及 DDL/EDDL 標準[10]。有線HART能做到的，WirelessHART標準都能做到并且可以做到的更多。

WirelessHART網絡支持來自眾多制造商的各種各樣的設備。圖 1描述了一種典型的 Wireless-HART無線網絡。WirelessHART網絡包括3個主要組成部分：

（1）無線現場設備：實現現場感知或執行功能的基本設備；

（2）網關（包括網絡管理器）：上位機和無線網絡之間的橋梁；

（3）接入點:連接現場設備到網關。

同時也可能包含：

（1）現場適配器:將有線的 HART設備連接到無線網狀網絡；

（2）現場路由設備：主要作為路由而提供服務。

圖1 W irelessHART典型網絡案例Fig.1 A typical WirelessHART network example

圖2 描述了OSI 7層協議模型與WirelessHART協議棧體系結構的對照，它包含五層：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。

在協議棧的最底層，WirelessHART采用 IEEE 802.15.4-2006作為物理層。在其上層，WirelessHART定義了基于時間同步的數據鏈路層。數據鏈路層設計了精確的10 ms時間片，全網的時間同步，信道跳躍等。圖路由和源路由的方式在網絡層上實現使得WirelesHART網絡具有自組織和可自愈的特點[11]。網絡管理器負責管理路由表的更新和設備的通信時間表來保證網絡的實時性和可靠性。

1.2 部署環境

圖2 HAR T通信協議結構Fig.2 Architecture of HART communication protocol

起初，AresNet是搭建在室內，是用來觀察WirelessHART網絡的組建過程，以及實時網絡狀態。隨著實驗的次數增多，節點設備的擴充，逐漸擴展到室外。由此，在不同的環境啊下部署一個完備的網絡平臺初見雛形。AresNet是一個無線網狀網絡實驗平臺，它的網關置于室內。其余節點部署在室外的開闊地帶，有干擾較少的草地，樹木茂密的小樹林，有阻礙嚴重的建筑群，包括最后部署在小河上的懸浮的節點。這些環境都給實驗觀察提供了寶貴的數據。如下圖3所示，AresNet的部署環境鳥瞰圖。目前，AresNet的所有節點設備都是用普通的5號電池供電，部分室內的節點是電源供電。AresNet能夠提供 WirelessHART網絡的加入過程以及節點之間的會話信息。同時 AresNet也是一個提供環境實際數據到研究室的平臺。目前 AresNet仍在不斷擴充節點的數量以及它的覆蓋范圍。

圖3 Ar esNet網絡總覽圖Fig.3 Ar esNet airscape

AresNet節點備有不同類型的傳感器，常用的有溫度、濕度、光敏傳感器。覆蓋了不同的地形，地貌。通過拓撲軟件（下文介紹），能夠清楚地了解網絡的RSSI值，了解不同環境下的網絡信號強度。

1.3 背景以及動機

無線網狀網絡來源于局域網（WLAN）的研究。局域網是一個有線的分布式系統，通過路由表在源和目的之間分發數據。它的核心技術依然是基于有線的。而無線網狀網絡去掉了有線的部分，所有的路由信息都是通過無線完成的。

對 WirelessHART的研究得益于不同場景下的需求。在實際應用場景中，特別是在工業環境下，例如化工石油，鋼鐵廠，這些噪聲干擾嚴重的場景下，普通的無線網絡難以進入。早期像WIFI，ZigBee，這些網絡協議都不能很好的適應這些場景。[13]

構建AresNet實驗平臺的動機主要有：

（1）來自場景的需求，例如WirelessHART是否可以應用在定位上，支持節點的移動。

（2）室外的環境相比室內的環境更加復雜，遠距離以及環境干擾對無線系統是一個挑戰，節點的供電，天線的信號強弱。

（3）研究對不同的地形環境對節點的影響，它覆蓋了不同的場景，對節點的部署有不同要求。

2 實驗平臺的搭建和開發

上文介紹了平臺的基礎設施，以及硬件環境。以下本文將一個案例作為切入點，解構整個網絡結構。從底層的傳感器驅動的開發，到網關數據的采集，到應用層軟件的解析，最終將數據展示到應用軟件中。

2.1 基本架構

網關使用了Emerson的網關如圖4所示，支持WirelessHART協議。網絡管理器預留了兩種常用的方式向應用層提供服務，分別是Modbus和OPC，首次選擇了OPC協議，就其特點來講，OPC驅動的開源以及對Windows的兼容性更好，最終實現選擇在OPC驅動上做集成開發。

圖4 Ar esNet網關Fig.4 Ar esNet gateway

WirelessHART網絡中開放了兩個接口，一個作為底層傳感器模塊和上層通訊的無線通道。另一個是 WirelessHART網絡與主機之間的通信。如圖 5所示。

圖5 W irelessHART網絡應用結構圖Fig.5 W irelessHART network diagram

實驗中的網關（Emerson Gateway）在 WirelessHART網絡中分成3個部分：（1）接入點，用于提供設備跟網絡管理器的無線通信；（2）網關，用于提供到主機應用程序的接口；（3）網絡管理器：用于管理整個無線網絡。網絡節點（或者設備節點）Awia Sentry，組成網絡的其余部分。網絡管理器支持OPC接口用于與上位機軟件的通信，上位機軟件可以通過OPC DA的方式對網絡管理器中的數據進行讀寫，本實驗中主要采用的通信方式。

2.2 傳感器驅動的開發

本案例旨在將GPS模塊集成到網絡中，通過節點（如圖6所示）的UART接口來開發模塊的驅動程序。GPS模塊的開發包括，GPS模塊數據的解析，對經緯度的修正，以及通過UART數據傳輸等。從GPS定位信息的數據中截取案例所需的經緯度。如：$GPGGA，023543.00，2308.28715，N，11322.09875，E，1，06，1.49，41.6，M，-5.3，M，*7D 的定位信息，與實際的地理位置會存在偏差，通過實際測量和實驗，得出多組實驗值，并從中找出規律，然后設計算法來優化GPS的定位，縮小誤差值。最后將GPS通過UART接入到WirelessHART設備中，GPS會不斷地往設備中發送數據，這些數據都暫存在內存中；然后按照上層設定的周期將緩存中的數據廣播出去。

圖6 Ar esNet節點設備Fig.6 Ar esNet device

2.3 上位機通訊接口開發

AresNet節點設備將GPS的數據采集到網關中，由網關將數據提供給上位機軟件，通過OPC協議完成數據交付，本章主要介紹OPC協議，以及對OPC接口的開發。

2.3.1 OPC簡介

OPC是OLE for Process Control的縮寫，即把OLE 技術應用于工業控制領域。OPC的出現為基于Windows的應用程序和現場過程控制應用建立了橋梁。在過去，為了存取現場設備的數據信息，每一個應用軟件開發商都需要編寫專用的接口函數。由于現場設備的種類繁多，且產品的不斷升級，往往給用戶和軟件開發商帶來了巨大的工作負擔。通常這樣也不能滿足工作的實際需要，系統集成商和開發商急切需要一種具有高效性、可靠性、開放性、可互操作性的即插即用的設備驅動程序。在這種情況下，OPC標準應運而生。OPC標準以微軟公司的OLE技術為基礎，它的制定是通過提供一套標準的OLE/COM 接口完成的，在 OPC技術中使用的是OLE2技術，OLE標準允許多臺微機之間交換文檔、圖形等對象。

2.3.2 OPC接口開發

OPC中有很多規范，例如OPC UA、OPC HDA等，本案例主要使用OPC DA規范來進行數據的讀寫操作。OPCDA是針對現場數據進行存取的接口規范，該標準基于OLE/COM/DCOM/COM+技術，采用Client/Server模式。

案例是基于動態庫OPCDAAuto.dll開發的，其封裝了Automation接口。要進行OPC Client端的開發，首先需要了解OPC的對象的概念，OPC的邏輯對象模型主要有三類：OPC Server對象、OPC Group對象、OPC Item對象，每類對象都包含一系列的接口。

（1）OPC Server對象主要功能：1. 創建和管理OPC Group對象；2. 管理服務器區內部的狀態對象；

（2）OPC Group 對象主要功能：1. 管理OPC Group對象的內部狀態消息；2. 創建和管理 Items對象；3. OPC服務器內部實時數據存儲服務（同步與異步方式）。OPC Group中有以下幾個主要屬性：

Name（組的名字），Active（組的激活狀態標志），Update Rate OPC（服務器向客戶程序提交數據變化的刷新速率），Percent Dead band（數據死區，即能引起數據變化的最小數值百分比）。

（3）OPC Item是非COM對象，在OPC標準中用來描述實時數據，是客戶端不可見的對象。代表了與服務器中的數據的連接，它并不是數據源，而僅僅是與數據源的連接。每個項都有以下主要屬性：Active項的激活狀態、Value項的數值、類型為VARIANT、Quality項的品質，代表數值的可信度，類型為SHORT、TimeStamp時間戳，代表數據的存取時間。

根據OPC的特性，設計了接口開發的架構如圖7所示。

3 上位機軟件的開發

圖7 OPCClient實現過程Fig.7 Implement of OPC Client

本章介紹使用 GUI來展示此次的 GPS定位信息，將GPS模塊采集到的數據通過API接口顯示在地圖上，實現定位功能。

3.1 地圖模塊

對于上位機軟件圖形界面的設計，使用WinForm窗體技術，并在GUI中web容器嵌套百度地圖的頁面。地圖采用百度地圖API，百度地圖的JavaScript API是一套由JavaScript語言編寫的應用程序接口。其擁有豐富的控件，并可完成前后端的交互。通過百度地圖API開放的接口，將經緯度值傳送過去，達到位置定位的效果。

首先，通過 IP定位到當前所在城市，在 GUI初始化時顯示的就是IP定位到當前所在地，之后通過連接OPC Server讀取設備的PV值和SV值，分別對應實際的經度和緯度，將經度和緯度送給 API定義的接口，以此經緯度為中心點顯示地圖，再經API的坐標轉化成百度支持坐標類型，以此位點，創建位置標注。

在實際應用中，工廠的人員或者裝置的位置常常不是固定的，特別是人員移動的頻率更快，當位置發生變化時，如何在地圖中實時顯示的問題。在OPC模塊中，將PV和SV的變化綁定到Group中，創建監聽事件，監測Group中數值的變化，每當值有變化時，將經緯度送給API的接口，以此達到實時更新的要求。

3.2 案例展示

首先，通過 WirelessHART設置設備的廣播狀態，使設備以一定的速率向外廣播PV、SV值，就是經度和緯度的數值，網絡中設備的鄰居節點都能夠聽到這些數值，同樣數值會隨著位置的變化而更新；然后，將PV和SV通過網關的OPC接口映射出去，提供客戶機使用；最后，通過上位機軟件根據采集到的經緯度來做定位，最終效果如下圖8所示。 多次實驗后，通過修正定位算法，將結果誤差控制在2米以內。

4 實驗場景及數據分析

本章介紹，模擬的幾個實際場景。通過對這幾個場景的數據分析，探索在WirelessHART網絡中支持節點可移動性的必要條件。下圖9是由5個節點組成的無線網狀網絡，每個節點至少有2個鄰居節點，通過網絡拓撲GUI可以清晰地看到網絡的變化，由GUI驗證實驗場景的網絡拓撲是否正確。在每個場景中都會有一個節點是移動的，通過實驗的一些參數來分析移動節點的狀態。

圖8 GUI的運行及地圖定位Fig.8 GUI and map localization

圖9 網絡拓撲結構圖Fig.9 Netw ork topology diagram

實驗通過 WirelessHART的網絡抓包器來抓取現場網絡中各個設備節點的通信發送的包，以準確得知節點連接或斷開的時間，主要分析的數據包如表1所示。

4.1 實驗場景

1. 場景一：網關置于室內，將兩個設備節點放在近處，通過網關內置的 Exploer查看網絡是否建立連接，待設備和網關都加入并形成冗余，即設備D1和D2互為鄰居，并且都與網關相連。隨后，將D1放置在網關可聽范圍內，距離不足5米，D2設備置于室外較遠處，保證D1和D2依然能夠互相聽到對方，拔掉 D2設備的天線減弱其信號，以致網關不能直接與D2通信，形成如圖10的網絡拓撲，待網絡狀態趨于穩定狀態。將設備 D2放在一個密封的鐵盒中，使其與 D1路徑無法正常通信，通過抓包器Sniffer抓取的包來分析網絡管理器的處理。

2. 場景二：網關，設備 D1，D2，D3形成的Mesh網絡，網絡拓撲如圖11所示，待網絡趨于穩定狀態時，將路徑P4斷開，D3的鄰居節點變成一個D2，如果之前設備D3按照圖路由的方式通信，路徑p4斷開對D2產生的時延很小，可忽略。如果之前設備D3按源路由的方式：D3→D1→Gateway，在路徑p4失效后，D3切換路徑p4通信產生的時延依然較小。

表1 網絡延遲的測量參數Tab.1 Measurement parameters of the network latency

圖10 場景一 設備D2離開網絡Fig.10 Scene 1 one device leave

圖11 場景二 雙路徑變為單路徑Fig.11 Scene 2 double link to single link

3. 場景三：網關，設備D1，D2，D3形成的網絡拓撲如上圖 12，待網絡趨于穩定狀態時，將 D3移出D1的通信范圍，使得D3與D1的通信路徑p3失效，并向 D2的通信范圍內移動，移動過程中，D3逐漸脫離D1的通信范圍而進入D2的通信范圍，觀察D3是否能通過D2加入網絡。

圖12 場景三 RoamingFig.12 Scene 3 Roaming

4.2 數據分析及結論

場景一中測得路徑失效的時間為60 s。設備D2在60 s內可恢復與D1的通信，當設備D2失去通信后，網關在告警發出之后會丟掉設備 D2。D2由于斷電或者重啟失去通信，則D2需要重新加入網絡，入網時間與當前信道噪聲、射頻強度等諸多因素相關，此時延較長。

通過對這幾個場景的模擬分析，發現 AresNet網絡是一個靜態的網絡結構，不支持節點的移動，但是如果控制節點在一定的時間內如實驗結果 60內恢復通信，節點持有的時間表依舊能夠保持同步，再次加入到網絡中來。

5 總結及以后工作

本文介紹了AresNet，一個室外的無線網狀網絡實驗平臺。描述了 AresNet的部署環境。通過構建一個具體的實驗案例，完成了 AresNet網絡軟件架構的開發。最后，通過一系列場景來探索 AresNet網絡的移動實驗。實驗結果證明,在相對穩定的網絡中，AresNet具有高可靠性,實時性的特點。在移動的場景中，網絡中的節點的會受到通信范圍的的影響，同時節點之間通信路徑的切換也會造成額外開銷，初步的實驗結果發現,在一定的時間內，節點能夠有效的切換路由。

當前的無線網狀網絡是基于802.15.4協議族。為了更深入的研究,將會對平臺的無線技術進行升級優化。目前，平臺已經支持了WirelessHART。在升級改進方面，未來計劃做一些室外的超遠距離的實驗來研究信道分配。AresNet的升級不局限在物理層,使其擁有更高的射頻，還有更高層的升級。未來計劃對目前基于多信道的分配路由算法進行改進。現在網絡管理器中主要的路由算法是圖路由和源路由，以后的路由協議需要更多的跨層反饋等。

在網絡部署方面。通過加入信號手持設備，能夠檢查某個地方的無線信號，來指導節點的部署。同時，本文最后的移動實驗也會將后續探索，實現節點的Roaming。

[1] 楊博熊, 倪玉華, 無線傳感網絡, 2015, 19(7).

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