AresNet：一种用于研究和实验评估的无线网状网络实验平台

张 雷

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

0 引言

无线网状网络是当今在国际上备受关注的、多学科高度交叉的、知识高度集成的前沿热点颜研究领域。无线网状网络技术涉及纳米与微电子技术、新型微型传感器技术、微机电系统技术片上系统SoC设计、移动互联网技术、微功耗嵌入式技术等多个技术领域，它与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一[1]。

通过无线传感器网络的部署和采集，可以扩展人们获取信息的能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，改变人类自古以来仅靠自身的感觉等来感知信息的现状，极大地提高了人类获取数据和信息的准确性和灵敏度。在物联网技术高速发展的今天，无线传感器网路作为物联网数据获取的重要手段，其在物联网应用体系中的作用日渐凸显，使用方法也日益成熟和规范，应用领域正在不断扩大，已经成为未来采集和获取大量物理数据的不可或缺的手段之一。

近年来，随着无线网络技术的普及，它越来越受到学者以及业界的广泛关注，关于无线网状网络（WMNs）的研究也持续了好多年。无线网状网络可以看作是一个多跳Ad Hoc网络（MANET）的扩展连接。其中的关键区别是无线网状网是一个相对静态的，低流动性。WirelessHART作为一种无线网状网络技术，其在现场总线中拥有大量的应用，研究其网络结构具有重大意义。

1 介绍

工业无线控制技术已经成为工业过程控制领域关注的热点之一[2,3]，像 ISA[4]，HART[5]，ZigBee[6]等组织都在积极推进无线传感网络技术在自动化工业领域的应用。相比工业现场的环境更为复杂，严峻，噪声的干扰，现场本身对无线传感网络的可靠性和实时性要求更高。通讯的延迟或丢失都会降低控制的质量。因此工业领域的无线传感网络对网络的管理要求更高。

AresNet实验平台是一个基于无线 HART搭建的无线网状网络实验平台。本章介绍无线HART的网络结构，AresNet的部署实施环境，以及部署意图。

1.1 WirelessHART网络结构

WirelessHART[7](Wireless Highway Addressable Remote Transducer)的全称是无线可寻址远程传感器高速通道，是由HART通信基金会为工业过程控制颁布的一个开放标准的无线网络技术。同时，它是第一用于过程控制的国际无线标准，IEC 62591[8]。WirelessHART是一种具有时钟同步、自组织、可治愈的无线网状网络结构。在HART最新版本7.0中，WirelessHART标准工作与2.4 GHz ISM频段的、安全的网络技术，它结合了基于IEEE802.15.4[9]的直接序列扩频(DSSS)射频技术与基于数据报的跳信道技术。

WirelessHART用于满足过程工业对于实时工厂应用中可靠、稳定和安全的无线通信的关键需要。其通信标准是建立在已有的经过现场测试的国际标准上的，它拥有数量最多的已部署在世界上所有现场总线网络的现场设备。WirelessHART标准采用一些现有的标准，如HART标准、IEEE802.15.4标准、AES-128加密标准，以及 DDL/EDDL 标准[10]。有线HART能做到的，WirelessHART标准都能做到并且可以做到的更多。

WirelessHART网络支持来自众多制造商的各种各样的设备。图 1描述了一种典型的 Wireless-HART无线网络。WirelessHART网络包括3个主要组成部分：

（1）无线现场设备：实现现场感知或执行功能的基本设备；

（2）网关（包括网络管理器）：上位机和无线网络之间的桥梁；

（3）接入点:连接现场设备到网关。

同时也可能包含：

（1）现场适配器:将有线的 HART设备连接到无线网状网络；

（2）现场路由设备：主要作为路由而提供服务。

图1 W irelessHART典型网络案例Fig.1 A typical WirelessHART network example

图2 描述了OSI 7层协议模型与WirelessHART协议栈体系结构的对照，它包含五层：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

在协议栈的最底层，WirelessHART采用 IEEE 802.15.4-2006作为物理层。在其上层，WirelessHART定义了基于时间同步的数据链路层。数据链路层设计了精确的10 ms时间片，全网的时间同步，信道跳跃等。图路由和源路由的方式在网络层上实现使得WirelesHART网络具有自组织和可自愈的特点[11]。网络管理器负责管理路由表的更新和设备的通信时间表来保证网络的实时性和可靠性。

1.2 部署环境

图2 HAR T通信协议结构Fig.2 Architecture of HART communication protocol

起初，AresNet是搭建在室内，是用来观察WirelessHART网络的组建过程，以及实时网络状态。随着实验的次数增多，节点设备的扩充，逐渐扩展到室外。由此，在不同的环境啊下部署一个完备的网络平台初见雏形。AresNet是一个无线网状网络实验平台，它的网关置于室内。其余节点部署在室外的开阔地带，有干扰较少的草地，树木茂密的小树林，有阻碍严重的建筑群，包括最后部署在小河上的悬浮的节点。这些环境都给实验观察提供了宝贵的数据。如下图3所示，AresNet的部署环境鸟瞰图。目前，AresNet的所有节点设备都是用普通的5号电池供电，部分室内的节点是电源供电。AresNet能够提供 WirelessHART网络的加入过程以及节点之间的会话信息。同时 AresNet也是一个提供环境实际数据到研究室的平台。目前 AresNet仍在不断扩充节点的数量以及它的覆盖范围。

图3 Ar esNet网络总览图Fig.3 Ar esNet airscape

AresNet节点备有不同类型的传感器，常用的有温度、湿度、光敏传感器。覆盖了不同的地形，地貌。通过拓扑软件（下文介绍），能够清楚地了解网络的RSSI值，了解不同环境下的网络信号强度。

1.3 背景以及动机

无线网状网络来源于局域网（WLAN）的研究。局域网是一个有线的分布式系统，通过路由表在源和目的之间分发数据。它的核心技术依然是基于有线的。而无线网状网络去掉了有线的部分，所有的路由信息都是通过无线完成的。

对 WirelessHART的研究得益于不同场景下的需求。在实际应用场景中，特别是在工业环境下，例如化工石油，钢铁厂，这些噪声干扰严重的场景下，普通的无线网络难以进入。早期像WIFI，ZigBee，这些网络协议都不能很好的适应这些场景。[13]

构建AresNet实验平台的动机主要有：

（1）来自场景的需求，例如WirelessHART是否可以应用在定位上，支持节点的移动。

（2）室外的环境相比室内的环境更加复杂，远距离以及环境干扰对无线系统是一个挑战，节点的供电，天线的信号强弱。

（3）研究对不同的地形环境对节点的影响，它覆盖了不同的场景，对节点的部署有不同要求。

2 实验平台的搭建和开发

上文介绍了平台的基础设施，以及硬件环境。以下本文将一个案例作为切入点，解构整个网络结构。从底层的传感器驱动的开发，到网关数据的采集，到应用层软件的解析，最终将数据展示到应用软件中。

2.1 基本架构

网关使用了Emerson的网关如图4所示，支持WirelessHART协议。网络管理器预留了两种常用的方式向应用层提供服务，分别是Modbus和OPC，首次选择了OPC协议，就其特点来讲，OPC驱动的开源以及对Windows的兼容性更好，最终实现选择在OPC驱动上做集成开发。

图4 Ar esNet网关Fig.4 Ar esNet gateway

WirelessHART网络中开放了两个接口，一个作为底层传感器模块和上层通讯的无线通道。另一个是 WirelessHART网络与主机之间的通信。如图 5所示。

图5 W irelessHART网络应用结构图Fig.5 W irelessHART network diagram

实验中的网关（Emerson Gateway）在 WirelessHART网络中分成3个部分：（1）接入点，用于提供设备跟网络管理器的无线通信；（2）网关，用于提供到主机应用程序的接口；（3）网络管理器：用于管理整个无线网络。网络节点（或者设备节点）Awia Sentry，组成网络的其余部分。网络管理器支持OPC接口用于与上位机软件的通信，上位机软件可以通过OPC DA的方式对网络管理器中的数据进行读写，本实验中主要采用的通信方式。

2.2 传感器驱动的开发

本案例旨在将GPS模块集成到网络中，通过节点（如图6所示）的UART接口来开发模块的驱动程序。GPS模块的开发包括，GPS模块数据的解析，对经纬度的修正，以及通过UART数据传输等。从GPS定位信息的数据中截取案例所需的经纬度。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，与实际的地理位置会存在偏差，通过实际测量和实验，得出多组实验值，并从中找出规律，然后设计算法来优化GPS的定位，缩小误差值。最后将GPS通过UART接入到WirelessHART设备中，GPS会不断地往设备中发送数据，这些数据都暂存在内存中；然后按照上层设定的周期将缓存中的数据广播出去。

图6 Ar esNet节点设备Fig.6 Ar esNet device

2.3 上位机通讯接口开发

AresNet节点设备将GPS的数据采集到网关中，由网关将数据提供给上位机软件，通过OPC协议完成数据交付，本章主要介绍OPC协议，以及对OPC接口的开发。

2.3.1 OPC简介

OPC是OLE for Process Control的缩写，即把OLE 技术应用于工业控制领域。OPC的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。在过去，为了存取现场设备的数据信息，每一个应用软件开发商都需要编写专用的接口函数。由于现场设备的种类繁多，且产品的不断升级，往往给用户和软件开发商带来了巨大的工作负担。通常这样也不能满足工作的实际需要，系统集成商和开发商急切需要一种具有高效性、可靠性、开放性、可互操作性的即插即用的设备驱动程序。在这种情况下，OPC标准应运而生。OPC标准以微软公司的OLE技术为基础，它的制定是通过提供一套标准的OLE/COM 接口完成的，在 OPC技术中使用的是OLE2技术，OLE标准允许多台微机之间交换文档、图形等对象。

2.3.2 OPC接口开发

OPC中有很多规范，例如OPC UA、OPC HDA等，本案例主要使用OPC DA规范来进行数据的读写操作。OPCDA是针对现场数据进行存取的接口规范，该标准基于OLE/COM/DCOM/COM+技术，采用Client/Server模式。

案例是基于动态库OPCDAAuto.dll开发的，其封装了Automation接口。要进行OPC Client端的开发，首先需要了解OPC的对象的概念，OPC的逻辑对象模型主要有三类：OPC Server对象、OPC Group对象、OPC Item对象，每类对象都包含一系列的接口。

（1）OPC Server对象主要功能：1. 创建和管理OPC Group对象；2. 管理服务器区内部的状态对象；

（2）OPC Group 对象主要功能：1. 管理OPC Group对象的内部状态消息；2. 创建和管理 Items对象；3. OPC服务器内部实时数据存储服务（同步与异步方式）。OPC Group中有以下几个主要属性：

Name（组的名字），Active（组的激活状态标志），Update Rate OPC（服务器向客户程序提交数据变化的刷新速率），Percent Dead band（数据死区，即能引起数据变化的最小数值百分比）。

（3）OPC Item是非COM对象，在OPC标准中用来描述实时数据，是客户端不可见的对象。代表了与服务器中的数据的连接，它并不是数据源，而仅仅是与数据源的连接。每个项都有以下主要属性：Active项的激活状态、Value项的数值、类型为VARIANT、Quality项的品质，代表数值的可信度，类型为SHORT、TimeStamp时间戳，代表数据的存取时间。

根据OPC的特性，设计了接口开发的架构如图7所示。

3 上位机软件的开发

图7 OPCClient实现过程Fig.7 Implement of OPC Client

本章介绍使用 GUI来展示此次的 GPS定位信息，将GPS模块采集到的数据通过API接口显示在地图上，实现定位功能。

3.1 地图模块

对于上位机软件图形界面的设计，使用WinForm窗体技术，并在GUI中web容器嵌套百度地图的页面。地图采用百度地图API，百度地图的JavaScript API是一套由JavaScript语言编写的应用程序接口。其拥有丰富的控件，并可完成前后端的交互。通过百度地图API开放的接口，将经纬度值传送过去，达到位置定位的效果。

首先，通过 IP定位到当前所在城市，在 GUI初始化时显示的就是IP定位到当前所在地，之后通过连接OPC Server读取设备的PV值和SV值，分别对应实际的经度和纬度，将经度和纬度送给 API定义的接口，以此经纬度为中心点显示地图，再经API的坐标转化成百度支持坐标类型，以此位点，创建位置标注。

在实际应用中，工厂的人员或者装置的位置常常不是固定的，特别是人员移动的频率更快，当位置发生变化时，如何在地图中实时显示的问题。在OPC模块中，将PV和SV的变化绑定到Group中，创建监听事件，监测Group中数值的变化，每当值有变化时，将经纬度送给API的接口，以此达到实时更新的要求。

3.2 案例展示

首先，通过 WirelessHART设置设备的广播状态，使设备以一定的速率向外广播PV、SV值，就是经度和纬度的数值，网络中设备的邻居节点都能够听到这些数值，同样数值会随着位置的变化而更新；然后，将PV和SV通过网关的OPC接口映射出去，提供客户机使用；最后，通过上位机软件根据采集到的经纬度来做定位，最终效果如下图8所示。 多次实验后，通过修正定位算法，将结果误差控制在2米以内。

4 实验场景及数据分析

本章介绍，模拟的几个实际场景。通过对这几个场景的数据分析，探索在WirelessHART网络中支持节点可移动性的必要条件。下图9是由5个节点组成的无线网状网络，每个节点至少有2个邻居节点，通过网络拓扑GUI可以清晰地看到网络的变化，由GUI验证实验场景的网络拓扑是否正确。在每个场景中都会有一个节点是移动的，通过实验的一些参数来分析移动节点的状态。

图8 GUI的运行及地图定位Fig.8 GUI and map localization

图9 网络拓扑结构图Fig.9 Netw ork topology diagram

实验通过 WirelessHART的网络抓包器来抓取现场网络中各个设备节点的通信发送的包，以准确得知节点连接或断开的时间，主要分析的数据包如表1所示。

4.1 实验场景

1. 场景一：网关置于室内，将两个设备节点放在近处，通过网关内置的 Exploer查看网络是否建立连接，待设备和网关都加入并形成冗余，即设备D1和D2互为邻居，并且都与网关相连。随后，将D1放置在网关可听范围内，距离不足5米，D2设备置于室外较远处，保证D1和D2依然能够互相听到对方，拔掉 D2设备的天线减弱其信号，以致网关不能直接与D2通信，形成如图10的网络拓扑，待网络状态趋于稳定状态。将设备 D2放在一个密封的铁盒中，使其与 D1路径无法正常通信，通过抓包器Sniffer抓取的包来分析网络管理器的处理。

2. 场景二：网关，设备 D1，D2，D3形成的Mesh网络，网络拓扑如图11所示，待网络趋于稳定状态时，将路径P4断开，D3的邻居节点变成一个D2，如果之前设备D3按照图路由的方式通信，路径p4断开对D2产生的时延很小，可忽略。如果之前设备D3按源路由的方式：D3→D1→Gateway，在路径p4失效后，D3切换路径p4通信产生的时延依然较小。

表1 网络延迟的测量参数Tab.1 Measurement parameters of the network latency

图10 场景一 设备D2离开网络Fig.10 Scene 1 one device leave

图11 场景二 双路径变为单路径Fig.11 Scene 2 double link to single link

3. 场景三：网关，设备D1，D2，D3形成的网络拓扑如上图 12，待网络趋于稳定状态时，将 D3移出D1的通信范围，使得D3与D1的通信路径p3失效，并向 D2的通信范围内移动，移动过程中，D3逐渐脱离D1的通信范围而进入D2的通信范围，观察D3是否能通过D2加入网络。

图12 场景三 RoamingFig.12 Scene 3 Roaming

4.2 数据分析及结论

场景一中测得路径失效的时间为60 s。设备D2在60 s内可恢复与D1的通信，当设备D2失去通信后，网关在告警发出之后会丢掉设备 D2。D2由于断电或者重启失去通信，则D2需要重新加入网络，入网时间与当前信道噪声、射频强度等诸多因素相关，此时延较长。

通过对这几个场景的模拟分析，发现 AresNet网络是一个静态的网络结构，不支持节点的移动，但是如果控制节点在一定的时间内如实验结果 60内恢复通信，节点持有的时间表依旧能够保持同步，再次加入到网络中来。

5 总结及以后工作

本文介绍了AresNet，一个室外的无线网状网络实验平台。描述了 AresNet的部署环境。通过构建一个具体的实验案例，完成了 AresNet网络软件架构的开发。最后，通过一系列场景来探索 AresNet网络的移动实验。实验结果证明,在相对稳定的网络中，AresNet具有高可靠性,实时性的特点。在移动的场景中，网络中的节点的会受到通信范围的的影响，同时节点之间通信路径的切换也会造成额外开销，初步的实验结果发现,在一定的时间内，节点能够有效的切换路由。

当前的无线网状网络是基于802.15.4协议族。为了更深入的研究,将会对平台的无线技术进行升级优化。目前，平台已经支持了WirelessHART。在升级改进方面，未来计划做一些室外的超远距离的实验来研究信道分配。AresNet的升级不局限在物理层,使其拥有更高的射频，还有更高层的升级。未来计划对目前基于多信道的分配路由算法进行改进。现在网络管理器中主要的路由算法是图路由和源路由，以后的路由协议需要更多的跨层反馈等。

在网络部署方面。通过加入信号手持设备，能够检查某个地方的无线信号，来指导节点的部署。同时，本文最后的移动实验也会将后续探索，实现节点的Roaming。

[1] 杨博熊, 倪玉华, 无线传感网络, 2015, 19(7).

[2] 迪克, 工业自动化的无线网络, ISA Pres, 2004 CARO D, Wireless Networks for Industrial Automation, ISA Press, 2004.

[3] 宋建平, 韩松, 莫家留, 等. “无线HART: 实时工业过程控制中的无线网络技术应用” RTAS, 2008.SONG J P, HAN S, MOK A K, “WirelessHART: Applying wireless technology in real-time industrial process control,”in RTAS, 2008.

[4] 韩松, 祝秀明, 莫家留, 等. 工业无线网状网络中可靠、实时的通信: 实时嵌入式技术与应用研讨(RTAS), 2011 17th IEEE, RTAS. 2011.9.HAN S, ZHU X M, MOK K et al. Reliable and Real-time Communication in Industrial Wireless Mesh Networks. In:Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium (RTAS), 2011 17th IEEE, RTAS.2011.9.

[5] 李钊, 张勇.一种无线Ad Hoc网络的多播路由设计和Linux下的实现[J]. 新型工业化, 2011, 1(11): 1-10.

[6] ZigBee . http://www.zigbee.org.

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[13] 刘斌, 梁凤梅. 一种基于跨层设计的无线传感器网络后同步机制的研究[J]. 新型工业化, 2011, 1(5): 16-22.