一种WirelessHART工业无线协议超帧参数的预测方法与流程

本发明涉及一种工业无线协议跳频参数的预测方法，更具体地说是一种针对wirelesshart工业无线协议超帧参数的预测方法。
背景技术：
：随着无线传感网络技术的发展，工业无线网络技术被视为工业控制领域一个富有前景的应用热点技术，受到了学术界和工业界的广泛关注。典型的工业无线网络控制系统由传感器、被控对象、执行器、控制器组成。与传统的工业有线通信网络相比，工业无线网络具有安装维护成本低廉、组网便捷灵活、容错性强的优点，广泛应用于工业控制系统远程数据采集、远程控制以及远程报警等场景。但是随着工业无线网络的广泛应用，因工业无线网络相比于有线网络因其更加开放的通信方式，更容易受到信号窃听、拒绝服务、数据注入等恶意攻击，这进一步扩大了工控系统的安全隐患。近年来也发生了许多工控无线安全事件，典型的如，2000年澳大利亚昆士兰地区马卢奇污水处理厂被无线攻击事件及2008年波兰某城市地铁系统遭攻击者通过电视遥控器传送无线信号干扰事件等。这些事件也引起了世界各国政府对工控无线安全的高度关注。工业现场无线网络因其大多应用于恶劣的工业现场环境，常受到复杂的地形环境、电磁、高温高湿、振动等外部条件影响。同时，工业控制系统对于控制过程信号的实时性以及可靠性也有着极高的要求，通信过程中的丢包、延时很可能会给工业控制系统带来严重的损失。综合而言，无线工控协议主要有如下几个要求：(1)可靠性工业无线协议相比于普通无线通信协议，因其所传输信号的重要性，工业无线协议需要满足更高的可靠性要求，任何故障都很可能会导致工控设备无法正常运行，从而造成严重损失。(2)实时性工业无线协议应用于工业现场节点检测数据以及控制信号的传输，而这些信号数据的传送都要求在较短时间内到达现场执行器和控制器，从而实现实时的状态监测控制。如果实时性要求不能满足，则会带来控制过程的时滞，严重会导致工厂事故的发生。(3)安全性许多工业基础设施往往是社会经济运行的重要组成部分，尤其是一些关键工业设施，往往会成为外界入侵的目标。因此，工业无线协议需要能够满足较高的安全性能，从而保证网络能够安全运行。为适应工控现场要求，国际上推出了一系列工业无线协议，如wia-pa、isa-100和wirelesshart等。期中wirelesshart协议作为第一个工业无线协议标准，在工控现场有着广泛的应用。wirelesshart协议由通信基金会(hcf)于2004年起提出该协议并在2007年8月获得正式通过。协议将无线通信纳入hart规范，用于取代有线hart标准，在原有的基础上进一步提升现场仪表和主系统的能力。作为一种广泛使用的工控无线协议，wirelesshart的安全性十分重要。通过对wirelsshart通信参数的预测，发现其通信过程中的漏洞，有助于进一步改进协议安全性，保障工控稳定。技术实现要素：本发明的目的在于提出一种工业无线协议跳频参数的预测方法，挖掘wirelesshart跳频参数。本发明主要是通过以下技术方案来实现的：步骤1，搭建系统，系统包括两台pc，wirelesshar无线节点以及频谱分析仪，具体是由一台电脑通过wirelesshart节点发送数据至网关，另一台电脑接收网关发送过来的数据。频谱分析仪实时记录通信过程中的wirelesshart数据。步骤2，将记录下wirelesshart的信道时间集合，记作chaset＝{(chak,tk),k＝1,2,…}，其中chak表示tk时刻的信道号，定义两个指针，以双重循环方式遍历原始信道时间子集，外层循环为指针i，内层循环为指针j，当发生信道重复chai＝chaj时，记录此时重复周期tm＝tj-ti、信道时间子集subsetm＝{(chai,ti),(chai+1,ti+1),…,(chaj-1,tj-1)}以及信道时间子集内元素个数步骤3，持续进行步骤2中遍历，直到外层循环也遍历结束；步骤4，遍历完信道后，每一个相同的重复周期tm会对应多个元素个数不同的信道时间子集，将元素个数最多的信道时间子集作为tm对应的最大信道时间子集masubsm；步骤5，遍历完原始信道时间集合后得到多个tm，每个tm对应一个最大信道时间子集masubsm，将这个最大信道时间子集作为时间窗平移从而得到新的序列chaset'，将之和原始训练信道时间集合chaset进行比较，找出准确率最高的重复周期最为最终的信道重复周期t；步骤6，根据wirelesshart跳频规律反推，通过将重复周期t除以wirelesshart可用信道数(一般为15)及2的结果即为超帧长度。本发明的有益效果是：本发明方法通过频谱分析仪记录wirelesshart无线信号信道以及所对应的时间信息，然后通过比较信道时间序列重复周期，记录下对应重复周期的的信道集合，通过将该集合作为时间窗在原始数据上平移比较，将重复率最高的信道集合所对应的周期作为信道重复周期，最后通过wirelesshart跳频公式反推出超帧长度。本发明通过一种信道时间序列分析方法，可有效的检测出wirelesshart网络超帧参数。附图说明图1为wirelesshart信道监听框图；图2为超帧长度预测程序框图。具体实施方式以下结合附图对本发明作进一步详细说明。本发明给出了一种wirelesshart工业无线协议超帧参数的预测方法，主要具有如下几个步骤：步骤1，如图1所示，搭建wirelesshart信道采集系统，系统包括两台pc，wirelesshar无线节点，以及频谱分析仪，具体是在一台pc中通过matlab发送实时数据到wirelesshart节点，节点数据至网关会立即被另一台接受pc接收。频谱分析仪实时记录wirelesshart通信过程中的信道数据；步骤2，如图2超帧长度预测程序框图所示，筛选出wirelesshart的通信信道以及对应的时间，并将记录下wirelesshart的信道时间集合，记作chaset＝{(chak,tk),k＝1,2,…}，其中chak表示tk时刻的信道号，定义两个指针，以双重循环方式重头往后遍历信道数据，外层循环为指针i，内层循环为指针j，当发生信道重复，出现chai＝chaj时，记录此时重复周期tm＝tj-ti、信道时间子集subsetm＝{(chai,ti),(chai+1,ti+1),…,(chaj-1,tj-1)}以及信道时间子集内元素个数步骤3，持续进行步骤2中遍历，直到外层循环也遍历结束；步骤4，遍历完信道后，每一个相同的重复周期tm会对应多个元素个数不同的信道时间子集，将元素个数最多的信道时间子集作为tm对应的最大信道时间子集masubsm；步骤5，双重循环遍历结束后得到多个tm，每个tm对应一个最大信道时间子集masubsm，将这个最大信道时间子集作为时间窗平移后新的序列chaset'，将之和原始训练信道时间集合chaset进行比较，找出准确率最高的重复周期最为最终的信道重复周期t；步骤6，根据wirelesshart跳频规律反推，通过将重复周期t除以wirelesshart可用信道数n(一般为15)及2的结果即为超帧长度n，即：本发明的效果可以通过以下实验来验证：搭建wirelesshart通信信道采集系统：将一台pc通过wirelesshart网络实时发送信号，频谱分析仪记录通信过程中wirelesshart实时信道数据。设置通信周期为1s(即超帧长度为100)，建立wirelesshart通信网络后，可用信道数为15。通过应用本发明，至步骤5之后发现信道重复结果如表1所示，根据信道重复率结果显示，信道重复率最高的为周期为3000ms的结果，通过步骤6计算可得超帧长度为100，符合最初所设置的通信超帧，说明本方法对预测wirelesshart超帧参数有效。表1各信道重复率监测结果重复周期信道重复率3s93.3％6s90.9％9s86.6％12s78.3％当前第1页12