随着信息技术的飞速发展,工业无线网络技术已经成为自动化领域新的研究热点。从无线传感器网络发展而来的工业无线网络技术是一种面向设备间信息交互的无线通信技术,除了具有泛在感知、易用性、低能耗等特征外,还具有较强的抗干扰性和实时性,能以较低的投资和使用成本获取工业现场的重要控制参数和实时数据,对工业生产流程进行监控和管理。面向工业过程自动化的工业无线网络标准技术——WIA-PA (Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)是在863重点课题的支持下,由中科院、西南大学、重庆邮电大学等国内10余家单位共同研发的。由于工业应用环境的恶劣性和苛刻性,WIA-PA需要解决高可靠、实时通信、低能耗、高安全性以及与其它网络兼容等一系列挑战性技术难题,而高可靠性对于保证工业生产中至关重要的服务质量及安全性有着极其重要的意义,它是工业无线控制系统正常运转的必备前提之一。WIA-PA网络采用星型和网状(Mesh)结合的双层网络拓扑结构,实现对网络通信的分布——集中式控制。星型网络由现场设备和路由组成,其中路由又称为簇首,它承担着整个星型网络中通信资源分配、现场设备管理、数据聚合及转发等工作,对保证网络正常运转起着决定性的作用。簇首一旦失效,簇内通信将陷入瘫痪状态,致使其簇内所有现场设备数据无法实时传送,严重时甚至会影响到其它路由信息的转发,导致某些通信链路不可用,从而降低整个网络的可用性、可靠性和系统安全。为了解决WIA-PA星型网络中簇首单点失效问题,本文对现有冗余机制及心跳协议进行了分析研究,针对经典加速心跳协议故障发现延迟较大、故障状态不可逆等不足,本文基于网络负载及节点工作状态自动调节心跳周期的思想,提出了自适应心跳协议——AHB (Adaptive Heartbeat Protocol)。AHB能够根据当前网络通信压力和节点自身健康状况,采用心跳时隙冗余策略动态调整心跳周期,实时地监测簇首状态,及时发现故障,从而保证冗余机制正常工作。在AHB的基础上,本文结合休眠机制、跳频技术和虚拟IP等方法,构建了基于AHB的WIA-PA双机温备份簇首冗余机制,以实现低能耗和高效的故障检测,并优化了现场设备入簇过程,确保网络服务的连续性和可靠性。本文通过马尔可夫模型对基于AHB的双机温备份簇首冗余机制进行可信性建模和分析,从理论上验证其可靠性,并在WIA-PA工业无线网络实验平台上验证其可行性和可靠性。实验结果表明,该冗余机制能及时发现节点故障,并进行平滑切换,切换延迟小,切换率高,能有效解决WIA-PA星型网络中簇首单点失效的问题,提高网络的可靠性。