物联网作为新一代信息技术的重要组成部分,受到了世界各国的高度重视和积极布局。物联网在智慧交通、智慧城市、智慧医疗、智慧工业等领域都取得了大量的创新技术成果、示范性应用,以及规模化的产业发展。其中,无线工业控制网络(wireless industrial control network,WICN)在工业生产环境下通过无线通信技术对物理设备进行监测与控制。作为一种新兴的工业通信技术,无线工业控制网络为物联网在工业生产领域的快速应用提供了理论与技术基础。相比传统的基于有线方式连接的工业控制网络,无线工业控制网络具有低安装与维护成本、高可扩展性、可移动性等方面的优势,因此被越来越广泛的应用于日益复杂的智慧化工业生产环境中。由于节点规模、部署环境等方面的限制,无线网络节点通常采用电池供电的方式。节点能量消耗直接影响网络的运维成本、寿命、以及传输的可靠性,因此成为无线网络领域的首要研究问题之一。与传统的无线传感器网络主要面向环境数据的采集和监测的应用场景不同,当前的无线工业控制网络越来越多的被应用于工业生产环境下现场设备的闭环控制任务当中。实时性决定了工业自动化控制过程中关键信息采集和控制指令的传输是否在可预测的时间内完成。实时网络系统需要对节点间端到端的通信提供传输延迟的毫秒级上界保障,因此对于数据链路层及网络层网络体系架构层次的协议设计提出了新的要求。然而,经典的无线网络节能技术往往没有将实时性作为核心设计约束,因此无法直接适用于以实时采集和控制任务为主的无线工业控制网络中。以WirelessHART无线工业控制网络协议为例,为保障传输的可靠性与实时性,其通常基于链路质量作为单一的考量进行路径选择,并潜在的造成了节点能量黑洞以及调度拥塞等问题。本论文针对上述问题,面向无线工业控制网络路由协议设计过程中实时性、可靠性与低功耗等相互制约的设计与优化目标,在保障传输延迟实时性的基础上,研究高可靠与低功耗的网络通信协议,旨在为设计高可靠、低功耗的实时无线工业控制网络系统提供理论基础与技术支撑。面向上述研究目标,本文以WirelessHART无线工业控制网络协议为研究对象,主要的研究工作和贡献包括以下内容。论文首先针对WirelessHART网络路由算法在路径选择时仅考虑信道质量作为路径选择依据带来的能耗与可靠性方面的弊端,将层数及转发节点剩余能量等因素融入链路选择过程中,在此基础上提出了一种可靠的图路由构建算法和高能效的链路选择算法来提升网络的鲁棒性并延长网络寿命。首先,在路由图的构建过程中,论文提出为只有一个上层转发节点的节点增加一条基于同层节点的转发链路,从而保证在链路选择时,每个节点有足够多的选择。在此基础上,论文提出了在链路选择过程中综合考虑链路质量、能耗、跳数等因素,使用综合分析法决定权重系数,从而得到一种最优的链路选择方案。通过增加冗余链路并进行合理地链路选择,大大增加了传输的成功率并减少重传次数,从而提升网络的鲁棒性并延长网络寿命。最后,在模拟实验中,将本论文提出的算法与现有的JRMNL、RUG和Re-add三种WirelessHART路由协议进行了比较。实验结果表明,本论文提出的算法在延长网络寿命和提高数据传输可靠性方面具有明显的优势。数据融合方法通过减少整个网络中的数据传输次数以降低网络能耗,已成为无线传感器网络中广泛认可的节能技术。然而,现有的数据融合方法往往没有考虑网络通讯的实时性,在转发节点等待与其他数据包进行融合的过程中可能造成部分数据包错过端到端的通信截止时间约束。本文首次提出面向工业无线网络的实时通信的数据融合框架,将数据融合方法与WirelessHART网络路由算法的链路选择和超帧调度阶段相结合,通过数据融合减少数据包的传输次数,并同时保证网络的实时性和可靠性要求。首先,在上传路径的链路选择中,论文充分考虑了链路质量、能耗和剩余能量以及融合因素等关键因素。在融合因素的影响下,选择指向具有较高传输频率的父节点的链路作为上传路径,从而使网络中更多的数据包进行融合。在此基础上,本论文基于贪婪的启发式方法重新构建超帧,使得在中间路由节点处,将可以融合成单个数据包的数据包分配到相近的时隙,从而减少了数据融合的等待时间开销,使得使用数据融合后的网络仍然保持实时性特点。实验结果表明,本论文提出的框架,虽然数据融合需要一定的融合等待时间为代价,但仍然可以满足网络通信的实时性,同时网络在单个节点的能量消耗和整体寿命方面有显著的实质性改进。分簇路由方式作为无线传感器网络的通信能耗优化的经典技术之一,通过周期性选择簇头节点以负责簇内节点的数据转发,均衡网络节点剩余能量并提升网络生命周期。同时,分簇路由的方式可以在簇头转发数据时进行充分的数据融合工作,进一步降低网络通信开销。本论文首次将基于节点频率的分簇路由和超帧调度算法引入WirelessHART网络中。首先,将簇头选择过程引入到WirelessHART协议的上行链路选择阶段,从节点通信能耗、剩余能量、现场设备自身产生数据的频率等方面综合计算权重以决定上传链路的选择,以尽可能的满足超帧调度阶段的实时性约束。在此基础上,重新设计了 WirelessHART通信协议的超帧调度阶段,将超帧调度与基于分簇的数据融合相结合。同时针对数据包大小和节点频率进行优化,来保证数据包的端到端延迟问题。实验评估结果表明,与现有的WirelessHART通信协议相比,本论文提出的基于分簇的路由算法在满足端到端约束的条件下,可以将网络平均寿命提高40%。上述研究工作主要基于主客观相结合的层次分析法和综合分析法进行链路选择,在一定程度上依赖于网络设计过程中的主观判断。此外,上述方法均根据当前网络状态决定下一跳链路的选择方案,忽略了全局端到端路径的能耗状态以及实时性。论文针对上述问题,提出了一种基于LSTM(Long Short Term Memory)的节点能耗预测算法,利用过去一段时间内链路传输损耗及时间信息对节点之间的链路损耗进行了回归分析。然后,利用该分析得到的链路传输损耗,对设备网络中终端节点到网关的链路选择问题进行合理化建模,提出了基于蚁群算法的WirelessHART端到端路径选择和调度算法,降低设备网络数据传输延迟,并平衡网络中各个传输节点的能量损耗。基于LSTM的链路选择方法对网关的计算能力提出了一定的要求。与此同时,相比之前提出的方法,对于网络端到端路径的全局性预测使得网络节点的剩余能量更为均衡,在保障实时性的前提下,进一步提升了网络的寿命。