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工业无线技术是21世纪继现场总线之后工业控制领域的又一个研究热点,是降低工业测控系统成本并且提高工业测控系统应用范围的革命性技术。而WirelessHART是第一个应用于工业过程自动化和控制系统的无线Mesh网络通信协议规范。WirelessHART的出现解决了传统有线HART工业应用的局限性,增加了HART协议的无线功能,WirelessHART后向兼容于现有的HART设备及其应用,对于现有的控制系统、维护工具、资产设备管理等HART应用,都可以直接采用WirelessHART实现,无需进行软件升级。WirelessHART同时拥有简单、可靠和安全三大优点。在WirelessHART协议栈的基础上,网络管理器才能实现对WirelessHART网络的配置与管理,网关才能采集现场设备获得的测控数据。因此设计与实现拥有自主产权的WirelessHART协议栈软件具有非常重要的意义。另外,安全高效的针对WirelessHART网络的密钥管理方案可保证WirelessHART网络在工业过程自动化中的安全应用。本文首先阐述了WirelessHART协议栈软件和网络密钥管理的研究意义及现状,介绍了WirelessHART的体系结构。其次,本文构建了基于CC2430芯片的系统开发环境,针对WirelessHART协议栈的分层通信模型,提出了协议栈软件的总体架构设计,采用的无操作系统模式,使代码执行的效率更高且保证硬件的内存资源能满足软件后续开发的要求。所提出的总体架构设计为各个协议层的详细设计提供了更好的指导。第三,在协议栈软件总体架构设计的基础上,本文详细设计了WirelessHART网络层软件,在构建网络层状态机的前提下,完成了网络层初始化、网络层原语任务处理以及网络层背景任务处理软件的设计。其中所采用的先原语后状态的任务处理机制便于以后的协议层扩展,采用的原语任务处理方案也提高了嵌入式系统的内存利用率和软件开发的效率。同时简要设计了WirelessHART应用层软件,用于实现了设备加入网络和定时发送数据的功能。第四,本文在WirelessHART网络安全方面提出了一种基于单向散列函数的WirelessHART网络密钥管理方案,并对设计方案进行性能分析与验证。该方案引入双散列密钥链实现密钥更新的广播认证,解决了全网共享密钥更新次数受限的问题,结合广播和单播通信执行全网共享密钥更新,增强了密钥更新的可靠性。在不增加节点计算能耗和存储开销的情况下,提高了网络的安全性,并降低了网络的通信能耗。最后,本文完成了所设计WirelessHART网络层软件的测试,测试结果表明所设计的网络层软件能很好的完成网络层所需的各种功能。