[发明专利]WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法及其通信网络

说明书

本发明涉及一种WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法及其通信网络，适用于实时WirelessHART网络中，该方法包括：在WirelessHART通信协议的上行链路选择中，在网络节点中根据其通信消耗、剩余能量和数据传输频率选择出集群中的簇头；将整个网络节点根据选择的簇头进行数据聚合形成若干个簇，所述簇的簇内节点数据传输频率均小于簇头节点；根据所述簇通过超帧调度完成数据传输。本发明相比于最先进的WirelessHART通信协议提升了40％的网络寿命，并且满足端对端的延迟约束。

技术领域

本发明属于实时WirelessHART网络通信的技术领域，尤其是涉及应用于实时WirelessHART网络中的一种基于集群的数据聚合与路由方法及其通信网络。

背景技术

WirelessHART通信协议已经被IEC(International ElectrotechnicalCommission，国际电工委员会)所采用，并作为工业自动化控制系统中第一个开放式实时无线网络通信协议。WirelessHART能够满足制造工业中实时无线通信基本的可靠性、稳定性和安全性等需求。相比树状网络或者星形网络的固定连接，WirelessHART可以利用集中式控制系统从不同路径和冗余路径传输数据，确保了WirelessHART网络的高鲁棒性和容错能力。网络管理器控制整个网络的信息并且采用集中方式分派资源，因此优化了网络并且满足严格的实时需求。另外，WirelessHART通过TDMA(time division multiple access，时分多址)精确的分配通信，并实现无冲突的网络通信。

随着大量现场设备应用在当今自动化控制网络中，对于可靠的WirelessHART通信来说能量效率成为越来越大的挑战。现在许多被提出的技术中主要包括，高能效的路由路径选择、数据聚合/融合技术和基于集群的路由。其中，数据聚合技术是融合数据的过程，为了在网络中减少数据传输，数据由几个传感器收集到一个网络包中。通过数据融合技术，数据包在网络中的传输能够有效的减少，也增加了整个网络的生命周期。在无线传感网络(wireless sensor networks，WSNs)中为了实现高能效的数据通信，基于集群的路由策略已经被广泛的研究。然而，将基于集群的路由技术应用到硬实时无线网络中仍然是个挑战。

无线传感器网络中无线传感器的集群的概念已经有了很好的研究。集群是网络中一些相互关联节点的集合。每个集群都有一个簇头和几个簇成员；这些簇成员发送收集到的数据到簇头，簇头融合这些数据并发送到网络管理器。这个算法把整个网络分割成几个相关联的部分。关于无线传感网络WSNs的许多集群路由算法已经被提出，包括LEACH、LEACH-C、UCS、HEED。然而，在工业生产中时效性和可靠性的需求仍然非常严格，所以它们并不能直接应用到WirelessHART网络中。

综上所述，针对现有技术中在大量现场设备接入WirelessHART网络的情况下，如何实现将集群路由等方法集成于WirelessHART网络中达到实时和高能效数据通信的问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法及其通信网络，该方法应用于实时WirelessHART网络中，构建基于集群的数据聚合与路由通信网络，在大量现场设备接入WirelessHART网络的情况下，有效实现了WirelessHART网络可靠、实时和高能效的数据通信。

本发明的第一目的是提供一种WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：

一种WirelessHART网络中基于集群的数据聚合与路由方法，适用于实时WirelessHART网络中，该方法包括：