随着工业自动化和信息化的融合发展,工业无线传感器网络(Industrial Wireless Sensor Networks:IWSNs)技术已经引起了企业界的广泛关注,并且在一些工业场景进行初步应用。相比传统的有线工业网络,IWSN具备灵活、经济布署的特点,可实现恶劣环境下的工业监测;也适用于大规模布署,实现工业现场的泛在感知。然而,IWSN在工业领域的应用依然面临不少问题,其中十分突出的就是工业无线网络数据收集的实时性问题。由于ISM(Industrial,Scientific,Medical)2.4GHz免执照频段只有85MHz可用带宽,如何利用有限资源实现工业数据实时传输,依然是现在研究的热点。本文关注流程工业的无线传感器网络监测问题,选取带钢热轧过程作为应用研究对象。基于轧制设备空间分布的独立性和热轧工艺的级联特性,本文提出了一种子网级联的工业无线传感器网络架构,命名为工业级联网络(Industrial Cascaded FieldNets),其中FieldNet是一个现场子网,实现对一道工艺过程的监测。接着,本文开展了工业级联网络中面向实时数据收集的网络资源分配研究。首先,论文考虑了工业级联网络数据收集的时延优化问题。基于子网级联的拓扑结构,本文给出了一种子网间信道复用分配和各子网独立超帧设计的资源分配机制,并将资源分配建模成以端到端平均传输时延最小化为目标函数的优化问题。所建问题为非线性混合整数规划问题,而且是凸的。为了求解该问题,本文通过提出一种两级资源分配策略,并证明子网内超帧时隙资源分配独立于子网间的信道分配。接着,设计了一个离散最速下降法来实现干扰限制下的子网间信道复用分配。最后,证明了所得到的子网内超帧时隙分配和子网间信道复用分配是原优化问题的最优解。相比现有无线网络标准协议,本文方法充分利用了频谱资源多维度复用增益,从而降低了端到端传输时延。其次,论文考虑了工业级联网络中异构数据收集的传输时延问题。工业无线网络中需要收集不同类型和不同时延需求的数据,本文提出了一种分离设计原则(SDP),用于多优先级数据传输调度。基于IEEE 802.15.4e标准,SDP首先为每一类相同优先级的节点设计一个单独的多信道超帧,每个超帧均利用所有信道资源。独立超帧设计使得各信道上的每个时隙都重复分配给了不同优先级的节点。对此,设计了一个多优先级传输协调机制来保证各节点按照指定的优先级进行数据传输。理论和实验都表明SDP相比传统TDMA调度机制可以让不同优先级的节点均达到更低的传输时延。第三,论文考虑了工业级联网络中快速频谱接入问题。观察到在缺乏全局频谱信息的情况下,存在频谱资源使用的不均匀问题。为了剖析频谱使用的均匀性对接入时延的影响,本文首先定义了‘均衡’的概念用于描述离散信道模型下频谱使用的最佳均匀性。接着,给出了一组以局部均衡为导向的自主信道切换规则(LEQ-AutoCS)。LEQ-AutoCS可以使得已经接入信道的节点通过自主感知和信道切换,实现局部观测范围内被占用信道的均匀分布,而且不需要任何信息交互的开销。进一步,论文还证明了通过LEQ-AutoCS,全局的信道使用可以达到均衡状态。理论分析和实验结果均表明LEQ-AutoCS比现有一些频谱共享策略获得了更低的频谱接入时延。本文工作给出了适应流程工业监测的工业无线网络设计,也对该所设计网络进行了数据收集实时性的优化,对工业无线传感器网络的理论研究和应用具有一定的指导意义。