[发明专利]用于无线传感器网络和工业控制系统之间的通信的高能效方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于在无线传感器网络中的设备节点和控制设备之间或者工业控制系统或工艺控制系统的控制过程之间的通信的方法。具体而言，本发明涉及用于处置利用执行所述方法的硬件和/或软件设备布置的无线网关中聚集的数据分组的方法。

背景技术

加工工业中的工业控制系统、工艺控制系统和分布式控制系统等通常包括硬线数据网络和无线数据网络两者。加工工业可以包括诸如纸浆和纸、药品、食品工业、油气提取、产品和处理之类的工业分支。无线传感器网络用于在诸如传感器之类的无线现场设备和工业控制系统之间传送测量和一些控制数据。无线传感器通常是靠电池供电的。

电池供电的无线传感器的服务寿命取决于功率使用。因此无线传感器网络的服务寿命也取决于各个无线传感器的功率使用。无线传感器的无线电接收机/发射机通常在发射和接收时消耗大量的功率，在监听传输时消耗功率，而在非活动状态期间几乎不消耗功率。通常，WSN中的无线传感器被配置为在非活动周期(也被称为休眠状态)期间使用很少的能量或不使用能量，从而节约了用于在有限数量的周期期间监听信号和/或发射信号的能量。

总体而言，在工业中使用许多不同的无线协议。它们包括专有协议、开放协议和在相同的广播/接收领域中进行操作的多于一种类型的协议的网络。在工业中使用的无线标准的两个示例被称为用于工业自动化应用中的无线感测的还包括版本ISA 100.11a的ISA100，以及WirelessHART。WirelessHART是这样的标准，开发该标准以兼容于用于在工业设备之间进行通信的旧的HART标准。

在工业中，WirelessHART[1]的使用非常广泛，其基于自1980年代就已经上市的有线HART通信协议。WirelessHART是为工业加工自动化和控制自动化开发的标准。其是简单、具鲁棒性、可靠、安全、自愈合和自组织的多跳无线网状网络。WirelessHART技术完全兼容于HART标准，但WirelessHART具有无线技术的所有优点。WirelessHART使用与IEEE 802.15.4-2006[2]兼容的无线电器件。WirelessHART是基于时分多址(TDMA)的，其中网络中的所有设备被时间同步。使用具有固定时隙的预调度表以便降低设备之间的传输冲突。时隙的一个循环被称为超级帧，在所述超级帧中，设备具有其发送、接收、重传和替代的路径时隙。

图3(现有技术)示出了根据被分为六层的WirelessHART标准的数据包。物理层400包括前导码、开始标志(定界符)和字节计数，其中定界符用于训练接收机无线电器件。数据链路层开始于单字节值0x41和指明2或8字节源和/或目的地地址的地址区分符。序列号和网络ID声明了设备属于什么网络。如果设备从另一网络接收到数据包，则会将其丢弃。数据链路协议数据单元(DLPDU)300是实际数据链路层数据包，并且DLPDU区分符指明：数据包的优先级(如果使用网络密钥的话)和数据包的类型。数据链路层结束于键控的消息完整性代码(MIC)和循环冗余校验(CRC)。图6(现有技术)示出了在WirelessHART标准下进行操作的简单网络。网络包含无线现场设备A-E和标准网关。网络还具有网络管理器和安全管理器的功能。

再次参见图2，网络层200开始于指明源和目的地地址的尺寸的控制字节，其是2字节或8字节。控制字节还指明是否使用扩展的路由信息(ERI)。转发设备递减TTL(存活时间，例如10跳)，并且如果其变为0则丢弃数据包(存在如下例外：当其为0xFF时则其不递减，并且总是由设备将其向前转发)。ASN Snippet是当网络层被调用时的ASN的最后16位。图形ID用于将数据包路由到最终目的地并且包含能够使用的设备的列表。

安全子层确保发送方和最终目的地之间的安全通信、端到端类型的安全性。子层的长度取决于所使用的安全类型。在安全控制字节(SCB)中，指明所使用的安全类型。键控的会话使用1字节的不重性计数器(nonce Counter)，并且键控的加入和手持使用4字节的不重性计数器。安全子层还包括4字节的MIC，用于对网络层净荷进行解密。

传输层100被加密，并且包含传输控制字节，所述传输控制字节用于指示通信错误或命令响应状态。扩展的设备状态用于指示设备的状态。应用层包括实际命令。其包括命令号、数据长度和实际数据。