面向工业自动化控制的传感器/执行器网络闭环控制回路及优化研究

无线传感器/执行器网络（WSAN）在工业自动化控制领域具有重大的潜在应用价值，其中闭环控制回路是其面向实际应用的核心关键问题。本项目基于工业实际应用环境建立WSAN无线网络控制系统的相关理论模型，从系统的角度研究闭环控制回路在WSAN网络中的动态形成过程，建立回路的快速形成机制；通过对闭环控制回路中端到端传输延时的确定性和可预测性、端到端可靠传输的鲁棒性的分析和研究，以获取闭环控制回路的传输特征参数，并通过量化和分析，提出闭环控制回路的QoS跨层保障机制及回路优化策略，在此基础上，基于网络负载均衡和实际应用要求，提出在复杂网络环境下可动态自适应测控任务的最优回路选择算法。通过本课题的研究，可望在提高系统闭环控制回路的实时性、可靠性及稳定性上取得重要进展和突破，并集成阶段性研究成果，建立基于WSAN的无线网络控制系统的原型系统及试验验证平台。

利用无线传感器/执行器网络（Wireless Sensor and Actuator Network，WSAN）的低成本、易用和泛在感知等特征，研究可将现场传感器、执行器及控制器通过无线通信方式连接起来并进行相互间信息交换和控制的新型无线网络控制系统，是现代工业生产企业提高生产效率、节能减排和改善产品质量的重要保证，也是对传统有线网络控制系统的延伸和有益补充。该课题的研究这对于推动工业自动化控制的快速发展和提高工业生产企业的核心竞争力具有非常重要的现实意义和经济应用价值。本项目以工业实际应用为研究背景，以无线传感器/执行器网络在工业控制领域中的传输控制为研究对象，从系统的角度，对基于无线传感器/执行器网络的无线网络控制系统中的网络拓扑控制、数据收集、闭环控制、实时传输、可靠传输及仿真和试验平台建设等研究内容和关键问题展开了全面和深入的研究工作。项目组的主要研究工作和成果如下：（1）针对工业控制领域存在的不足和问题，研究分析了建立基于WSAN的无线网络控制系统的体系结构及关键问题；（2）针对多跳无线网络传播问题，研究分析了WSAN的无线传播模型、功率控制方法及其对网络的连通性、传输控制及能量有效性的影响，利用链路层和网络层的跨层设计，研究了一种基于链路级功率控制的分簇路由算法，并针对网络中负载均衡的问题，研究了一种基于节点负载均衡的分布式定向分簇算法；（3）基于对多接口多信道机制对网络容量、传输实时性和可靠性的重要研究意义，研究一种适用于多接口多信道的视频流QoS保证的混合信道分配策略和设计了一种新型的多信道多接口媒质接入策略；（4）利用闭环控制机制，并利用WSAN传感器节点与执行器节点的协作关系，研究了一种基于WSAN的道路灯光集群式控制系统和一种应用于矿井的多跳无线会话通信系统；（5）针对WSAN的网络实时覆盖，研究了一种基于正六边形网格的执行器节点实时覆盖算法和一种分布式移动部署执行器算法来实现执行器最大实时覆盖；（6）针对的节点定位精度和数据收集问题，研究了一种基于RSSI测距的多跳无线网络定位精度自适应修正算法和一种基于执行器控制域的分布式数据收集协议；（7）针对网络仿真和实验测试平台建设，研究了一种多接口多信道的多跳无线网络仿真模型和仿真平台，并通过研究设计新型试验节点，建立面向应用的网络试验测试平台。