面向工业应用的无线传感器网络时间同步算法研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 汪付强 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2011-05-26 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 导师 | 于海斌 ; 曾鹏 |
| 关键词 | 无线传感器网络 工业应用 时间同步 高精度 鲁棒性 节能 |
| 其他题名 | Time Synchronization Algorithms in Wireless Sensor Network for Industrial Application |
| 学位专业 | 机械电子工程 |
| 中文摘要 | 工业无线传感器网络技术改变了现有系统控制信息传递的方式，是继现场总线之后，工业控制领域的又一个热点技术。基于无线技术的信息传递方式，使得测控系统具有低成本、易使用、易维护等优点，在工业控制领域具有广阔的应用前景。 时间同步是工业无线传感器网络研究的重要内容之一。当前时间同步技术的研究主要为了满足大规模、自组织、动态网络的组网需要，针对无线传感器网络稳定性、收敛性、鲁棒性、能量感知、可扩展性等特点进行协议的设计和分析。工业无线传感器网络的作为一种特殊的无线传感器网络对时间同步的研究提出了新的要求。首先，工业无线传感器网络有较高的实时性，必然要求更高的同步精度和稳定的时间同步；其次，工业现场存在大量的电磁噪声，其他无线设备的射频干扰，以及特殊环境下高温高湿和遮挡产生的多径干扰等影响，导致的丢包问题相对传统无线传感器网络更加严重，这就要求时间同步具有高可靠性；再者，工业现场设备都要求数月甚至数年的持续工作，必然对无线节点的功耗提出了更严格的要求，因此需要时间同步能够以更低的功耗满足用户需求。工业无线传感器网络的特殊性使得现有的时间同步协议不能直接用于工业无线传感器网络中。论文针对工业无线监测应用的需求和特点展开时间同步的研究工作，主要包括以下几方面内容。 论述了工业无线传感器网络时间同步技术设计所面临的挑战性问题，系统地总结了已有研究成果与不足，具体分析了在工业过程监测环境下无线传感器网络的特点和时间同步需要重点解决的问题。 针对工业现场特殊环境提出了基于层次结构的鲁棒时间同步方法。通过基于跳数的层次结构避免了传统时间同步构造网络拓扑结构的过程，随机时间源方法使得在干扰较多的工业环境下降低了节点间同步失效几率，而重同步技术能够快速检测和恢复节点的同步失效。 提出了基于簇结构的主动和被动结合双向同步方法，解决了传统双向同步报文交互频繁的问题，通过最大似然估计校正节点间的相位偏差和频率偏差，使得同步算法获得单向同步报文代价下较高的同步精度。 提出了基于预测补偿的时间同步周期优化方法，通过同步误差预测补偿算法降低节点间的累积误差，并根据用户精度需求动态调整节点间同步周期，从而达到在设定精度下的最大化同步周期，在特定需求下最大化同步周期，大大降低了同步开销。 介绍了工业无线测控系统，并根据系统需求建立了工业无线传感器网络时间同步体系。针对传统的同步精度测试手段受网络通信资源限制，本文设计了基于同步误差映射的时间同步精度测试平台，通过FPGA查询端口状态的方式获得实时的同步误差，避免了同步精度测试对正常网络的影响。针对工业现场测试的局限性，通过对典型工业现场无线通信环境的实地测量，建立了工业无线环境模拟实验平台，便于对工业无线传感器网络的快速开发和测试。最后在本文时间同步算法体系的基础上实现了基于无线Hart协议的工业无线测试系统，全面测试了系统性能并进一步验证了本文算法的有效性。 |
| 索取号 | TP212/W27/2011 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-07-27 |
| 分类号 | TP212 |
| 源URL | [http://ir.sia.ac.cn/handle/173321/9361]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_工业信息学研究室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 汪付强. 面向工业应用的无线传感器网络时间同步算法研究[D]. 中国科学院沈阳自动化研究所. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2011. |
入库方式： OAI收割
来源：沈阳自动化研究所
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