工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 敏，朱元杰，王 恒，王彥斌

(重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,重慶 400065)

0 引言

面向工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(wireless networks for industrial automation process automation，WIA-PA)標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際上相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的三大工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)之一，是我國(guó)自主制定的、擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)。作為一種面向設(shè)備間短程和低速率信息交互的無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，WIA-PA技術(shù)誕生后受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[1-4]。業(yè)界對(duì)該技術(shù)的研究主要集中在WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)調(diào)度技術(shù)[1]、路由關(guān)鍵技術(shù)[2]、網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性、通信開(kāi)銷(xiāo)[3]、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、分層協(xié)議[4]等方面。

在WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)管理器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，其對(duì)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行作用重大。與WirelessHART、ISA100.11a兩大工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)相比，WIA-PA網(wǎng)絡(luò)管理器產(chǎn)品很少，功能也不完善，尤其在路由和通信資源配置方面還需要進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化[5]。因此，必須開(kāi)發(fā)高性能、功能完整的WIA-PA網(wǎng)絡(luò)管理器，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備入網(wǎng)等核心功能和數(shù)據(jù)交換等基本功能。

1 WIA-PA網(wǎng)絡(luò)管理器概述

網(wǎng)絡(luò)管理器作為WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，采用集中式的管理方式，負(fù)責(zé)管理WIA-PA網(wǎng)絡(luò)及其設(shè)備屬性。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)管理和安全管理共同組成了網(wǎng)絡(luò)管理器的功能。本文設(shè)計(jì)的WIA-PA網(wǎng)絡(luò)管理器主要側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)管理者的功能。其主要功能如下。

①設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程有兩種形式：路由設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)管理器對(duì)路由設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求進(jìn)行認(rèn)證，并返回加入網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)。

②網(wǎng)絡(luò)地址分配。在WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)設(shè)備都有兩個(gè)地址：長(zhǎng)地址和短地址。設(shè)備的長(zhǎng)地址在設(shè)備出廠時(shí)由廠商設(shè)定，設(shè)備的短地址由網(wǎng)絡(luò)管理器分配。

③路由配置。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)采用靜態(tài)路由的方式，由網(wǎng)絡(luò)管理器生成并配置全網(wǎng)的路由表。網(wǎng)關(guān)設(shè)備和路由設(shè)備中都配置有一張路由表，用于在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的路由選擇。

④通信資源配置。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中的通信資源包括信道和時(shí)隙。由網(wǎng)絡(luò)管理器調(diào)度WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的信道和時(shí)隙，生成超幀表和鏈路表，并為設(shè)備配置超幀和鏈路。

⑤網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)視。在WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)管理器需要對(duì)整個(gè)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視。網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)信息主要包括路徑失敗報(bào)告、設(shè)備狀態(tài)報(bào)告和信道狀況報(bào)告。

⑥管理信息庫(kù)維護(hù)。管理信息庫(kù)中存儲(chǔ)了設(shè)備的所有屬性信息。其中的信息以屬性的形式存在。網(wǎng)絡(luò)管理器維護(hù)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備的管理信息庫(kù)，用于監(jiān)視和配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

2 WIA-PA網(wǎng)絡(luò)管理器核心算法

網(wǎng)絡(luò)管理器在高效執(zhí)行其功能時(shí)，需要核心算法的支持。目前，針對(duì)WirelessHART和ISA 100.11a網(wǎng)絡(luò)的路由和調(diào)度算法以及高效管理方法相繼提出[6-8]，而對(duì)于WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的研究則較少。本節(jié)根據(jù)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)路由選擇和時(shí)隙通信的需要，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)管理器的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示算法和路由算法。

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示算法設(shè)計(jì)

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示是網(wǎng)絡(luò)管理器的核心功能，其能夠真實(shí)反映網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，查看網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間的連接情況。網(wǎng)絡(luò)管理器根據(jù)設(shè)備發(fā)送的鄰居信息分析設(shè)備之間的連接情況，計(jì)算設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的坐標(biāo)。

設(shè)備坐標(biāo)的計(jì)算采用力導(dǎo)向算法。其核心思想是：計(jì)算節(jié)點(diǎn)兩兩之間因斥力產(chǎn)生的單位位移，并計(jì)算圖中每條邊的兩端節(jié)點(diǎn)因引力產(chǎn)生的單位位移。累加上述兩個(gè)單位位移得到節(jié)點(diǎn)的新坐標(biāo)，迭代多次直至達(dá)到理想效果[9-10]。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?jì)算方法具體步驟如下。

①確定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示區(qū)域的起始坐標(biāo)(xmin,ymin)和終止坐標(biāo)(xmax,ymax)，并計(jì)算顯示區(qū)域的面積area：

area=(xmax-xmin)×(ymax-ymin)

(1)

②根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲性O(shè)備的數(shù)量num，計(jì)算設(shè)備之間的理想距離dist：

(2)

③為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械拿總€(gè)設(shè)備隨機(jī)分配一個(gè)坐標(biāo)pos，初始化狀態(tài)值temp。

④根據(jù)設(shè)備Vi和Vj的坐標(biāo)，計(jì)算設(shè)備兩兩之間的實(shí)際距離diff：

(3)

⑤初始化設(shè)備Vi和Vj的坐標(biāo)位移offset為0。

⑥計(jì)算設(shè)備Vi和Vj的坐標(biāo)位移offset。因斥力產(chǎn)生的位移為：

(4)

(5)

⑦計(jì)算有關(guān)聯(lián)設(shè)備Vi和Vj的坐標(biāo)位移offset。因引力產(chǎn)生的位移為：

(6)

(7)

⑧根據(jù)設(shè)備v的坐標(biāo)位移計(jì)算坐標(biāo)：

(8)

⑨更新?tīng)顟B(tài)值temp：

temp=temp×0.9

(9)

⑩循環(huán)執(zhí)行步驟④～步驟⑨，迭代多次直至temp≤1。

算法執(zhí)行結(jié)束后，即可得到設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的坐標(biāo)。

2.2 路由算法設(shè)計(jì)

2.2.1 最優(yōu)路徑計(jì)算

在WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的路由計(jì)算中，為了保證數(shù)據(jù)信息能夠高效地在路由設(shè)備和網(wǎng)關(guān)設(shè)備間傳輸，需確定WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)路由設(shè)備和網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間的最優(yōu)路徑。

最優(yōu)路徑的計(jì)算方法可采用滿足WIA-PA網(wǎng)絡(luò)路由計(jì)算要求且易于實(shí)現(xiàn)的Floyd算法[11]，將計(jì)算得到的端到端最短路徑作為WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)路徑。設(shè)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)抽象成的圖為G，圖G中共有n個(gè)頂點(diǎn)。定義n×n階的矩陣D，用于表示圖G中任一頂點(diǎn)到另一個(gè)頂點(diǎn)的最短路徑權(quán)值和。定義n×n階的矩陣P，用于記錄計(jì)算最短路徑過(guò)程中插入的頂點(diǎn)，可以表示圖G中任一頂點(diǎn)到另一個(gè)頂點(diǎn)的最短路徑。以Floyd算法得到最短路徑作為WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)路徑，包括每個(gè)路由設(shè)備到網(wǎng)關(guān)設(shè)備的最優(yōu)路徑和網(wǎng)關(guān)設(shè)備到每個(gè)路由設(shè)備的最優(yōu)路徑。

2.2.2 路由表的生成

網(wǎng)絡(luò)管理器完成最優(yōu)路徑的計(jì)算后，根據(jù)每個(gè)路由設(shè)備和網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間的最優(yōu)路徑，為網(wǎng)關(guān)設(shè)備和每個(gè)路由設(shè)備各生成一張路由表。根據(jù)2.2.1節(jié)中的矩陣P，即可查詢到圖中每對(duì)頂點(diǎn)之間的最優(yōu)路徑，具體步驟如下。

①遍歷矩陣P，P[i][j]表示從頂點(diǎn)Vi到頂點(diǎn)Vj的最優(yōu)路徑中需要經(jīng)過(guò)的頂點(diǎn)。設(shè)該頂點(diǎn)為Vk，k=P[i][j]。若k=j，則從頂點(diǎn)Vi到頂點(diǎn)Vj的最優(yōu)路徑為{Vi,Vj}；若k≠j，則執(zhí)行步驟②。

②查詢從頂點(diǎn)Vi到頂點(diǎn)Vj的最優(yōu)路徑，令k=P[k][j]。

③循環(huán)執(zhí)行步驟②，直至k=j，則k變化的值為頂點(diǎn)Vi到頂點(diǎn)Vj的最優(yōu)路徑中需要經(jīng)過(guò)的頂點(diǎn)。

④循環(huán)執(zhí)行步驟①，直至完成遍歷矩陣P，即可獲得圖中每對(duì)頂點(diǎn)之間的最優(yōu)路徑。

網(wǎng)絡(luò)管理器生成路由表時(shí)，無(wú)需獲取每對(duì)頂點(diǎn)之間的最優(yōu)路徑，只需要獲取路由設(shè)備到網(wǎng)關(guān)設(shè)備的最短路徑和網(wǎng)關(guān)設(shè)備到路由設(shè)備的最優(yōu)路徑。根據(jù)最優(yōu)路徑生成路由表的過(guò)程如下。

①假設(shè)一條最優(yōu)路徑為{V1,V2,…，Vn}，此路徑的源地址為Vi的短地址，目的地址為Vn的短地址。對(duì)于V1來(lái)說(shuō)，其下一跳為V2，則V1可以添加一項(xiàng)路由表。此項(xiàng)路由表中的下一跳地址為V2的短地址。

②遍歷路徑{V1,V2,…，Vn}中的每個(gè)設(shè)備，按照步驟①的方式為路徑中的每個(gè)設(shè)備添加一項(xiàng)路由表。

③遍歷所有需要的最優(yōu)路徑，按照上述步驟①～步驟②，為每個(gè)路由設(shè)備和網(wǎng)關(guān)設(shè)備添加路由表。

當(dāng)路由設(shè)備所管理的簇內(nèi)有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備時(shí)，需要為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在相應(yīng)的路由設(shè)備中添加路由表，其過(guò)程與上述算法步驟③相同。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間的最優(yōu)路徑為：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的簇首與網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間的最優(yōu)路徑加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與其簇首之間的路徑。其中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備沒(méi)有路由表，不需要為其生成路由表。

3 WIA-PA網(wǎng)絡(luò)管理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

綜合網(wǎng)絡(luò)管理器的需求和性能分析及核心算法的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了WIA-PA網(wǎng)絡(luò)管理器。使用Qt平臺(tái)，從外圍模塊和核心模塊兩個(gè)方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理器進(jìn)行了編碼實(shí)現(xiàn)。

3.1 WIA-PA網(wǎng)絡(luò)管理器架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)管理器的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)管理器架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of the network manager

網(wǎng)絡(luò)管理器采用模塊化的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，分為外圍模塊和核心模塊。外圍模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理器的基本功能，作為圖形用戶界面提供人機(jī)交互接口，用于與WIA-PA網(wǎng)絡(luò)通信，方便用戶查看網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的信息以及網(wǎng)絡(luò)管理器的運(yùn)行狀況。核心模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備的入網(wǎng)、路由配置、通信資源分配等功能。

3.2 外圍模塊的實(shí)現(xiàn)

外圍模塊構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)管理器的外圍架構(gòu)，完成網(wǎng)絡(luò)管理器與WIA-PA網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)包解析、設(shè)備信息存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示、網(wǎng)絡(luò)管理器的日志記錄、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備用戶應(yīng)用對(duì)象服務(wù)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備周期性數(shù)據(jù)的趨勢(shì)圖顯示和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)等功能。它包括通信接口模塊、數(shù)據(jù)解析模塊、設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滹@示模塊、趨勢(shì)圖模塊、用戶應(yīng)用對(duì)象服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊和日志模塊。

通信接口模塊用于和WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)設(shè)備通信，并將接收到的所有數(shù)據(jù)包交給數(shù)據(jù)解析模塊進(jìn)行處理。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)管理器之間的以太網(wǎng)通信采用TCP的通信方式。其中，網(wǎng)絡(luò)管理器作為T(mén)CP的客戶端，網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為T(mén)CP的服務(wù)器端，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)管理器也支持串口通信。

數(shù)據(jù)解析模塊解析數(shù)據(jù)包，提取相關(guān)數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊中。為了保證WIA-PA網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)管理器之間通信的可靠性和穩(wěn)定性、便于構(gòu)造和解析所有的數(shù)據(jù)包、避免非法數(shù)據(jù)包的干擾，將網(wǎng)關(guān)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)管理器之間通信的數(shù)據(jù)包定義為一個(gè)統(tǒng)一的幀格式。

設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊為WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)設(shè)備分配一塊存儲(chǔ)空間，用于存儲(chǔ)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備的所有屬性信息，包括設(shè)備的管理信息庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)管理器分析設(shè)備時(shí)所必要的屬性。設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊利用圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為每個(gè)設(shè)備分配存儲(chǔ)空間，并且根據(jù)圖論的概念，將WIA-PA網(wǎng)絡(luò)抽象為圖。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滹@示模塊從設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊中讀取網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的坐標(biāo)，繪制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后，核心模塊中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?jì)算模塊會(huì)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中路由設(shè)備和網(wǎng)關(guān)設(shè)備在拓?fù)鋱D中的坐標(biāo)，并將這些坐標(biāo)存儲(chǔ)在設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊中。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滹@示模塊運(yùn)行時(shí)，直接讀取設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊中設(shè)備的坐標(biāo)，并繪制拓?fù)鋱D。

趨勢(shì)圖模塊以曲線的形式顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的周期性數(shù)據(jù)變化情況。網(wǎng)絡(luò)管理器接收到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送的周期性數(shù)據(jù)時(shí)，由數(shù)據(jù)解析模塊解析出數(shù)據(jù)值，交給設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)。設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊為每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分配一塊存儲(chǔ)空間，用于存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備一定數(shù)量的周期性數(shù)據(jù)，此數(shù)量設(shè)定為200。這些周期性數(shù)據(jù)是趨勢(shì)圖模塊的數(shù)據(jù)來(lái)源。

數(shù)據(jù)庫(kù)模塊使用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的所有周期性數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫(kù)文件存放在硬盤(pán)中，確保斷電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。網(wǎng)絡(luò)管理器使用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)。這是一個(gè)小型的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，只利用很少的內(nèi)存就能達(dá)到很好的性能，可以滿足應(yīng)用需求。數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的內(nèi)容主要有：序列號(hào)、接收到周期性數(shù)據(jù)的時(shí)間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的短地址、數(shù)據(jù)值和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的長(zhǎng)地址。

用戶應(yīng)用對(duì)象服務(wù)模塊通過(guò)發(fā)送讀、寫(xiě)用戶應(yīng)用對(duì)象屬性請(qǐng)求，獲取、修改用戶應(yīng)用對(duì)象的屬性值，并將獲取的用戶應(yīng)用對(duì)象的屬性值存儲(chǔ)到設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊中。

日志模塊記錄日志信息。用戶在日志界面中可以查看網(wǎng)絡(luò)管理器啟動(dòng)后的所有信息記錄，主要包括網(wǎng)絡(luò)管理器與網(wǎng)關(guān)設(shè)備的通信記錄、網(wǎng)絡(luò)管理器運(yùn)行的狀況、數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤信息和故障信息等。

3.3 核心模塊的實(shí)現(xiàn)

核心模塊根據(jù)功能分為：設(shè)備入網(wǎng)模塊、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?jì)算模塊、路由配置模塊和通信資源配置模塊。

3.3.1 設(shè)備入網(wǎng)模塊

設(shè)備入網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)了設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證過(guò)程，包括為設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址。

在管理設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)管理器接收到設(shè)備發(fā)送的加入請(qǐng)求時(shí)，數(shù)據(jù)解析模塊根據(jù)加入請(qǐng)求的負(fù)載，將解析得到的信息存儲(chǔ)到設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊中。設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊將待加入設(shè)備的物理地址(長(zhǎng)地址)作為區(qū)分不同設(shè)備的唯一標(biāo)志，并為設(shè)備分配一塊存儲(chǔ)空間，用于存儲(chǔ)設(shè)備的屬性信息。

根據(jù)設(shè)備類型的不同采用不同的處理方式。入網(wǎng)請(qǐng)求處理流程如圖2所示。

圖2 入網(wǎng)請(qǐng)求處理流程圖Fig.2 Flowchart for disposing the network access request

網(wǎng)關(guān)設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)，由網(wǎng)絡(luò)管理器完成網(wǎng)關(guān)設(shè)備的初始化，網(wǎng)關(guān)設(shè)備不需要發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求。當(dāng)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求的設(shè)備為路由設(shè)備時(shí)，設(shè)備入網(wǎng)模塊為此路由設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址，并獲取其父節(jié)點(diǎn)。設(shè)備入網(wǎng)模塊將相應(yīng)的信息存入設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊后，根據(jù)入網(wǎng)響應(yīng)的負(fù)載幀格式，填入相應(yīng)的內(nèi)容，組成符合規(guī)定的數(shù)據(jù)包，并調(diào)用通信接口模塊發(fā)送。當(dāng)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求的設(shè)備為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備時(shí)，設(shè)備入網(wǎng)模塊為此現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的簇首將其添加到自己的簇成員鏈表中。設(shè)備入網(wǎng)模塊將相應(yīng)的信息存入設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊后，根據(jù)入網(wǎng)響應(yīng)的負(fù)載幀格式，填入相應(yīng)的內(nèi)容，組成符合規(guī)定的數(shù)據(jù)包，并調(diào)用通信接口模塊發(fā)送。

3.3.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?jì)算模塊

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?jì)算模塊實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?jì)算模塊實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.3 Flowchart of implementation of the network topology computation module

網(wǎng)絡(luò)管理器接收到設(shè)備發(fā)送的鄰居信息后，觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?jì)算模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的計(jì)算。網(wǎng)絡(luò)管理器將網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)部分的網(wǎng)絡(luò)抽象成圖，采用鄰接矩陣的形式表示圖中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?jì)算方法計(jì)算出圖中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，即為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中設(shè)備的坐標(biāo)。將此坐標(biāo)存入設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊中，用于后續(xù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滹@示模塊繪制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.3.3 路由配置模塊

路由設(shè)備成功加入網(wǎng)絡(luò)后，會(huì)周期性發(fā)送鄰居信息到網(wǎng)絡(luò)管理器。鄰居信息包含此路由設(shè)備每個(gè)鄰居設(shè)備的信息。數(shù)據(jù)解析模塊主要獲取每個(gè)鄰居設(shè)備的短地址和每個(gè)鄰居設(shè)備到此路由設(shè)備的鏈路質(zhì)量，并存入設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊。設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊根據(jù)以上信息，更新用于存儲(chǔ)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間連接關(guān)系的二維數(shù)組(鄰接矩陣)。若鄰接矩陣沒(méi)有變化，則無(wú)需進(jìn)行路由的計(jì)算；若鄰接矩陣發(fā)生變化，則需要進(jìn)行路由的計(jì)算，進(jìn)而更新WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中路由設(shè)備和網(wǎng)關(guān)設(shè)備的路由表。

路由配置模塊執(zhí)行最優(yōu)路徑算法(Floyd算法)，得到一個(gè)二維數(shù)組。該二維數(shù)組中存放了任意兩點(diǎn)之間的最優(yōu)路徑。遍歷此二維數(shù)組，統(tǒng)計(jì)每個(gè)路由設(shè)備到網(wǎng)關(guān)設(shè)備的最優(yōu)路徑和網(wǎng)關(guān)設(shè)備到每個(gè)路由設(shè)備的最優(yōu)路徑。將這些最優(yōu)路徑存儲(chǔ)到設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊中，更新之前存儲(chǔ)的最優(yōu)路徑，并根據(jù)最優(yōu)路徑統(tǒng)計(jì)每個(gè)路由設(shè)備和網(wǎng)關(guān)設(shè)備的路由表。網(wǎng)絡(luò)管理器采用鏈表的形式，分別存儲(chǔ)每個(gè)設(shè)備的路由表，并與設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊中原有的路由表進(jìn)行比較，更新設(shè)備信息存儲(chǔ)模塊中原有的路由表。

3.3.4 通信資源配置模塊

通信資源配置模塊實(shí)現(xiàn)了確定性調(diào)度算法，主要完成執(zhí)行調(diào)度算法、調(diào)度信道和時(shí)隙，并為設(shè)備生成鏈路表；將需要更新的路由表、超幀表和鏈路表發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)管理器完成通信資源的配置后，便將路由信息和通信資源配置發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備。

4 測(cè)試過(guò)程

在構(gòu)建的WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行了測(cè)試。其中：路由設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主控芯片采用STM32L152RB，射頻芯片采用CY2420，網(wǎng)關(guān)設(shè)備采用S3C2440處理器。網(wǎng)絡(luò)管理器運(yùn)行在Windows環(huán)境下。測(cè)試過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)管理器執(zhí)行網(wǎng)關(guān)初始化、管理設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)、路由配置、通信資源配置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計(jì)算和顯示功能。同時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理器接口，還進(jìn)行了千點(diǎn)級(jí)大規(guī)模組網(wǎng)壓力性能模擬測(cè)試。

在千點(diǎn)級(jí)大規(guī)模組網(wǎng)壓力性能模擬測(cè)試中，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)以模擬的形式通過(guò)軟件接口輸入，網(wǎng)絡(luò)管理器接收到模擬數(shù)據(jù)后真實(shí)運(yùn)行。隨著設(shè)備數(shù)量的增加，核心算法的執(zhí)行時(shí)間變化趨勢(shì)如圖4所示。從圖4可以看到，即使在千點(diǎn)級(jí)別中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌惴ê吐酚伤惴ǖ挠?jì)算時(shí)間也不超過(guò)12 ms，運(yùn)算速度快。

測(cè)試結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)管理器完全實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、路由配置、通信資源配置、網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)視和管理信息庫(kù)等功能，核心算法也比較高效，且能支持千點(diǎn)級(jí)大規(guī)模組網(wǎng)。

圖4 千點(diǎn)級(jí)網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試圖Fig.4 Performance test results of the thousand-node level network

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，分析了WIA-PA網(wǎng)絡(luò)管理器的功能，設(shè)計(jì)了核心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)算法和路由算法，開(kāi)發(fā)了網(wǎng)絡(luò)管理器軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的集中式管理。最后，對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理器的功能和性能進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估。測(cè)試結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)管理器能夠?qū)崿F(xiàn)處理設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的全部流程和數(shù)據(jù)信息的顯示、存儲(chǔ)和查找；設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的核心算法滿足WIA-PA網(wǎng)絡(luò)路由選擇和時(shí)隙通信的需要，保證了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性，并且能夠支持千點(diǎn)級(jí)大規(guī)模組網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)管理器的算法執(zhí)行時(shí)間短、處理器負(fù)載和內(nèi)存占用少，能夠在主流機(jī)器上穩(wěn)定、流暢地運(yùn)行。

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