基于节点遍历法的WirelessHART快速组网设计

摘  要： 为了解决WirelessHART设备入网时间长，组网慢的问题，本文提出了基于节点遍历法的快速组网设计。当一个待入网设备准备加入已存在的WirelessHART网络时，先通过固定信道法使待入网设备与网络中的某单个节点设备建立邻居关系，之后以该节点设备为起点，通过节点遍历法使得待入网设备与其他多个节点设备建立邻居关系，从而达到快速组网的目的。

关键词： WirelessHART;快速组网;节点遍历

中图分类号： TP99    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.048

本文著录格式：赵新坤. 基于节点遍历法的WirelessHART快速组网设计[J]. 软件，2019，40（6）：208211

【Abstract】： In order to solve the problem that the WirelessHART device has a long network access time and slow networking， this paper proposes a fast networking design based on the node traversal method. When a device to be added to the network is ready to join the existing WirelessHART network， the device establishes a neighbor relationship with a node device in the network through the fixed channel method. Then use the node device as the starting point to establish more neighbor relationships quickly through the node traversing method to achieve fast networking.

【Key words】： WirelessHART; Quickly establishing; Node traversing

0  引言

自2007年WirelessHART协议公布以来，工业上已经出现了许多符合WirelessHART协议标准的设备。相比于应用其他无线协议的设备，如Wi-Fi[1]、Zigbee[2]等，符合WirelessHART协议标准的设备有着低功耗，高可靠性等诸多优点，但WirelessHART设备也存在加入网络的时间较长的缺点，通常需要数分钟甚至是十数分钟。已有文献[3]就入网时间长的问题提出了解决办法，但只是加快了新入网设备与单个节点之间建立邻居关系的过程。然而作为一种无线网状网络[4]，新入网设备必然要与多个设备建立邻居关系。所以本文提出使用节点遍历法[5]来加快新设备与多个设备建立邻居关系的过程，从而达到快速组网的目的。

1  WirelessHART简介

WirelessHART是一种专门为过程自动化应用设计的无线网格型网络通信协议[6]，也是第一个用于过程控制的国际无线标准（IEC 62591）[7]。图1是一个典型WirelessHART网络拓扑图，其中网络管理器和无线接入点共同组成网关设备，5个节点设备之间相互建立邻居关系，形成多路径的网状网络。

其中，上位机负责显示网络拓扑情况和节点设备转发的数据;网络管理器负责管理整个网络的运行，包括路由、带宽等资源的分配;无线接入点一般和网络管理器集成在一起;节点设备负责数据收集，上传，转发的任务;手持器设备是现场工程师用于配置设备信息，采集设备状态的工具。

WirelessHART工作在2.4GHZ频段[8]，网络物理层有16个可用信道，最高可提供250kb/s的传输速率。同时采用调频扩频（FHSS）和直接序列扩频（DSSS）相组合的无线传输技术[9]。每个设备在不同时间都会处于不同的信道上，只有同一时间处于同一信道的两台设备才能相互通信。

其中f为设备信道，F为可用信道的集合，ASN（Absolute Slot Number）指自网络成立起经过的总时隙数，ASN全网共享[10]，chof为每个设备独有的信道偏移量，nch为可用信道的数量。通常把设备通信信道随时间的变化称为该设备的时隙表。

图2显示的是某WirelessHART设备通信时  隙表。

在t1时刻，设备处于信道15，在t2时刻，设备处于信道25。该设备的可用信道为{15，11，17，25， 21}，随着ASN的不断增加，WirelessHART设备周期性的在这5个信道上不断跳跃。当不在通信状态时，设备会进入监听或休眠状态。

WirelessHART采用时间同步网状网络协议（TSMP）[9]。TSMP技术确保了WirelessHART设备在极其恶劣的环境中也能可靠的传输数据，也提供了自愈和冗余功能。TSMP在保证可靠性的同时，也给设备带来了额外的能源消耗，文献[11]中就这一问题进行了大量的研究。

2  WirelessHART设备组网过程

当一个新的WirelessHART设备要加入网络时，首先需要配置待入网设备的network_ID，Join_key和Unique_ID三個参数，network_ID是网络的标识，设备只会接受来自同一network_ID的报文，而Join_key就相当于网络的密钥，用于解析出报文内容，在WirelessHART网络中，每个设备拥有自己独特的Unique_ID，相同Unique_ID的两台设备无法加入同一个网络。将待入网设备启动后，设备需要经历以下几个步骤：

2.1  监听周围设备的广播报文

在WirelessHART网络中，组成网络的每一台设备都会向周围发送广播报文。待入网设备随机选择一个信道进行监听，当监听的信道上存在广播报文时，待入网设备就会解析出报文中包含的ASN信息，从而进一步的与已存在的WirelessHART网络进行时间同步[12]。把这一过程称为过程一，耗费时间为t1。

2.2  与WirelessHART网络进行信息交互

时间同步是信息交互的前提。待入网设备从广播报文中获取到网络的ASN信息后，就可以与发送广播报文的设备进行通信。若发送广播报文的设备不是网关，该设备会将待入网设备的信息转发至网关设备。首先，网关会验证待入网设备的身份，即Unique_ID。验证通过后，网关将会给设备分配资源，包括可用信道，时隙表，通信秘钥等等。当一切准备就绪，待入网设备加入到网络之中时，设备也会向周围发送广播报文。把这一过程称为过程二，耗费时间t2。

2.3  进一步组网过程

设备虽然已经加入了WirelessHART网络，但是在空闲时隙，既不与邻居设备通信也不发送广播报文时，设备会继续在某个信道上进行监听，当收到新的广播报文时，会与发送广播报文的设备建立邻居关系。而每次建立新的邻居关系，形成新的链路，网络管理器都需要更新全网的时隙表，路由条目等。所以只有待入网设备与通信范围内的所有节点设备都建立邻居关系后，网络才能算是稳定状态。把这个过程称为过程三，耗费时间t3。

假设待入网设备通信范围内有n个节点设备，则 ，组网的总时间T为：

由于WirelessHART设备是随机选取信道进行监听，所以时间t1不固定，t2与邻居设备时隙表有关，通常为4个周期。表1是待入网设备与某个邻居节点建立邻居关系的实验数据。该邻居节点的时隙周期为2.5 s。

3  快速组网设计

3.1  固定信道法

WirelessHART设备的通信信道随时间周期性的变化，若是待入网设备在随机信道上监听，不仅监听到报文的时间不能确定，花费的时间还会比较长。若是提前获取邻居设备的通信信道，直接在该信道上等待，则过程一花费的时间t1小于等于邻居设备的时隙周期T。具体的操作方法如下：

a. 选取WirelessHART网络中某一节点设备作为目标，使用手持器设备通过有线方式读取该设备的通信序列

b. 选择序列中的任意一个信道C，使用手持器将待入网设备的的监听信道固定为C

c. 待入网在信道C上监听到广播报文后，解析出报文的ASN信息，与网络进行时间同步，与邻居设备进行通信

固定信道法大大缩减了过程一所需要的时间，但是对于过程二和过程三却起不到优化的作用。同时由于固定信道法需要强制固定待入网设备的监听信道，在待入网设备已经与一个邻居节点建立邻居关系后，若再次使用固定信道法去与另外的邻居节点建立新的邻居关系，会导致设备与前一个邻居的正常通信中断，所以在过程三中，不能继续使用固定信道法。

3.2  节点遍历法

节点遍历法是求网络系统最小路集的常用方 法[5]，其基本思想为：从某一输入节点开始，逐个遍历全部节点，直到输出节点为止。每次遍历都需要做以下判断：

a. 判断当前节点是否走过;

b. 判断是否找到最小路集;

c. 判断是否找完所有路集;

在过程一使用固定信道法的基础上，在过程三中，对节点遍历法进行改进，基本思想为：以过程一选取的节点设备为起点，向该设备发送消息，获取该设备邻居的信道序列，待入网设备依次与这些邻居设备建立邻居关系，继续向建立邻居关系的设备发送消息，获取其邻居设备的信道序列，直到没有邻居节点为止。每次遍历都做以下判断：

d. 判断当前节点设备是否已经监听过;

e. 判断是否还有邻居节点;

在图3所示的网络拓扑中，有一个网关GW和三个节点A、B、C，节点D为待入网设备。

具体操作过程如下：

a. 获取节点A的通信序列，然后将节点D的信道固定，使之接收到节点A的广播报文。

b. 节点D与节点A通信，建立邻居关系。节点A转发D的消息给网关，网关重新分配网络资源，节点D加入网络。

c. 节点D向节点A发送消息，查询节点A的邻居信息和这些邻居设备的通信序列，即网关和节点C。

d. 节点D监听网关和节点C的广播报文，并与节点C建立邻居关系。

e. 节点D向节点C发送消息，查询他们的邻居信息，得到节点A、节点B，由于节点A已经监听过，所以节点D获取节点B的通信序列。

f. 节点D监听节点B的广播报文，在一个时隙周期T内，未收到广播报文。

g. 整个过程结束。

4  实验设计与数据分析

4.1  实验设计

实验网络拓扑如下，共有一个网关和六个节点设备，相互之间的邻居关系为图中虚线所示。节点设备F为待入网设备，最终节点F可与节点D、E、B形成邻居关系。

第一次实验不使用任何优化方案，让待入网设备直接与网络进行组网;第二次实验使用固定信道法，分别选取节点D和节点E进行两次实验;第三次实验使用节点遍历法，对全网节点设备进行遍历，同樣分别选取节点D和节点E进行两次实验。

4.2  实验数据分析

每次实验均进行十次，然后取平均值，实验数据如下表2。

由于过程二并未做任何的优化，而且本身花费的时间在可接受范围内，三次试验的过程二时间近似。试验二和实验三过程一的耗费时间远远小于实验一。过程三中，实验一和实验二相近，实验三缩短了近四倍。

5  結论

WirelessHART在工业环境中有着无法比拟的可靠性，但是其组网时间过长，组网速度过慢的问题也十分严重。本文将WirelessHART设备入网分成三个过程，过程一中使用固定信道法，将无规律的随机监听改进为在固定的信道上等待，过程三中采用改进的节点遍历法，通过向邻居节点发送请求来获取节点设备的信道序列。实验结果证明，节点遍历法能够将数分钟的组网过程缩短到数十秒。但是该方法会向网络中引入新的信息报文，影响了网络的正常通信，较适合于网络搭建初期。如何减少引入的新报文数量将是下一步的研究工作。

参考文献

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