无线传感器网络由部署在监测区域的大量的传感器节点构成,传感器节点能够收集诸如温度、湿度和压力等信息,大量的传感器节点相互协作完成监测任务。相对于有线网络,无线网络具有成本低、部署灵活和维护方便等诸多优势。近年来无线网络技术的蓬勃发展并开始进入工业领域,以降低生产成本和提高产品质量。例如,在工业监测系统中,传感器网络可被用来对工业系统的健康状况进行实时监测,传感器节点能够收集包括振动、压力等组合数据,并通过传感器网络将监测到的数据传送到网关,在网关上经过应用软件的分析处理后得到关于工业系统的相关信息,从而实现工程师或管理人员对相关数据随时随地的获取。无线传感器网络在工业上的应用范围非常广泛,包括工业机器人、实时控制、过程管理以及环境监测等。在工业现场部署大量的具有精密传感和控制功能的传感器是一个非常有挑战性的工作。首先,在工业上部署无线传感器网络时,必须要面临复杂恶劣的工业电磁环境,工业环境中温度、压力、湿度具有时间和空间上的不可预测性,同时工业环境通常部署着密集大型生产设备,会产生大量的不可预测的电磁干扰；其次,工业环境处于一个封闭的空间内,无线电波在传输时会受到折射、反射和衍射的影响,对无线网络数据传输的可靠性带来非常大的挑战。综合来看,工业环境中复杂的电磁环境使得无线链路的通信质量存在时间和空间上的不可预测性。路由是传感器网络的核心问题,特别是工业环境中链路质量的复杂多变,需要在通信时选择那些质量较好的链路,所以传感器节点必须能够评估链路质量的变化和可靠性。本文首先根据物理特性对工业环境进行了分类,主要的依据是工业集群环境对无线信号的大规模衰落和多径干扰的影响。使用一种专门用于室内密闭环境的信道模型去描述工业无线信道,并通过现场测试得到了各个环境分类的信道数据。随后在OPNET仿真平台中搭建了工业环境的仿真环境。我们的目的是在各种工业环境中对目前较为常用的链路度量算法：最小跳路由、包接收率、ETX、WMEWMA进行性能测试,希望通过测试去发现性能表现较好的链路度量算法。通过我们的测试发现ETX在复杂多变的工业环境具有相对出色的性能,另外,在具备直线通信条件的环境中,最小跳路由也具有一定的实用性。据了解,本文是首次对链路质量指标在工业环境下的性能测试的研究工作。本文研究的第二个方面是无线HART路由协议。路由协议是无线传感器网络的核心问题,无线HART路由层提出使用图路由机制,然而无线HART标准目前只是纲领并没有实现细节,无线HART技术是一项新兴的技术,目前对其路由技术方面研究较少。针对无线HART的图路由机制,本文开发了基于链路质量的无线HART子图构建的多径路由协议(LBMGR).多径路由可均衡网络通信负载,提高报文转发的可靠性,增强网络的容错能力,不同于传统多径路由协议中形成的端到端的多条路径,LBMGR只保证逐跳冗余,从而使得当前的路由失效时可以及时转换到冗余的路由当中去。LBMGR的基本思想是,将全网的拓扑看作是一个连通图,然后构建节点到Sink节点的最短路径作为边构建子图,LBMGR并不为每一个节点生成子图,而是为BFS算法的最小生成树的全部叶子节点生成子图,待叶子节点全部构建子图之后,所有的节点都将分配到相应的子图中。LBMGR采用逐跳多路径,在选择最短路径时,选择两个质量较好的节点作为下一跳节点。文中详细描述了图路由的生成算法。引入了链路质量度量思想来解决应付工业环境下的链路质量不可靠、链路不对称等问题。链路质量算法采用固定估计器与实时估计器相结合,即保证了对突发链路反应的灵敏性,同时又具有开销较小的优势。为应对单点过热现象,链路质量估计器使用能耗均衡策略。在实验方面,本文在OPNET平台之下验证了本文提出的路由算法,实验证明本文的算法能够有效提高路由可靠性、减少延迟和均衡网络能量消耗。无线HART自提出以来,作为一种国际上先进的短程无线通信的标准,受到工业领域的广泛欢迎。由于工业领域对时间和可靠性等方面有着严格要求,无线HART协议采取了集中式的资源分配策略和基于TDMA机制的媒体介入协议(MAC)以获得更好的性能。本文的第三个研究提出了一种无线HART的仿真方法,开发了一个基于OPNET的无线HART仿真平台。为了仿真无线HART的网络资源分配和TDMA网络互连,本文实现了无线HART简单协议栈模型,并进行了一系列的实验。仿真结果表明,提出的资源分配算法能够提供稳定的负载平衡,且仿真平台具有性能的稳定性。该仿真平台适用于工业网络仿真,可以作为对无线HART实施方案的一种探索,同时又能够为未来的研究如路由协议和资源分配算法提供可信的仿真平台。