CN101754423A - 一种基于ieee 802.15.4的工业无线通信方法 - Google Patents

一种基于ieee 802.15.4的工业无线通信方法 Download PDF

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梁炜
曾鹏
于海斌
张晓玲
杨志家
徐皑冬
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    • Y02D30/00Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Abstract

本发明涉及一种基于IEEE 802.15.4的工业无线通信方法,包括以下步骤:将工业无线网络中的各种设备搭建成网状及星型混合拓扑结构;建立基于IEEE 802.15.4的工业无线通信协议栈模型;基于上述拓扑结构和协议栈模型定义基于IEEE 802.15.4的超帧结构;基于上述协议栈模型定义帧结构;基于协议栈模型及超帧结构和帧结构实现工业无线通信过程。本发明方法采用网状及星型混合拓扑结构,通过星型结构简化了网络结构,降低了维护和管理的难度,提高了系统的灵活性,利用网状结构,提高了网络的可靠性;充分利用了IEEE 802.15.4的优势,提高了系统的兼容性,保护了已有投资,通过扩展满足了工业应用的要求。

Description

一种基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无线通信技术,具体地说明是一种基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通 信方法。
背景技术
[0002] 与有线网络相比,无线网络具有无需布线、易于维护、高度灵活、快速实施等特点, 对于工业应用而言这无疑是一个巨大的优势。随着无线通信技术的成熟与成本的降低,工 业网络无线化已成为趋势之一,一个典型的工业无线测控网络如图1所示,大量的无线传 感器节点分布在工业现场的各个监测点上,这些节点与具有路由功能的节点共同形成网 络,并将现场监测数据以多跳的方式传送回网关设备节点。工业网络无线化带来便利的同 时,工业应用对无线网络提出了更为严格的可靠性、实时性和节能性要求。在可靠性方面, 工业现场环境下,窄带多频噪声、共存网络干扰和多途效应,使得利用稀缺的信道资源实现 可靠通信成为急需解决的难题;在实时性方面,工业对实时性的要求较其它应用更为严格, 微小的延迟都会造成重大事故,具有硬实时保证的通信是工业的基本要求;在节能性方面, 低能耗是保证设备长期运行、降低维护成本的关键,也是工业应用的又一要求,特别是对电 源更换困难的设备而言。
[0003] 在目前的无线通信标准中,IEEE 802. 15. 4以其低功耗、低成本和简单灵活等特 点,最有希望地成为无线传感器网络底层通信协议的无线标准。无线传感器网络,特别是 工业无线网络已经成为IEEE 802. 15. 4的主要市场对象。而目前无线HART和ISA SPlOO 等已经发布和正在征求意见的工业无线网络标准中的介质访问控制机制都不是基于IEEE 802. 15.4介质访问控制(MAC)协议的。为此,需要设计一种专用面向工业监测应用、基于 IEEE802. 15. 4的无线通信方法,而目前上述所需的无线通信方法尚未见报道。
发明内容
[0004] 针对现有技术中存在的现有工业无线网络的介质访问控制技术对IEEE802. 15. 4 的不兼容的缺陷,本发明要解决的技术问题是供一种可提高系统的兼容性的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
[0006] 本发明一种基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法包括以下步骤:
[0007] 将工业无线网络中的各种设备搭建成网状及星型混合拓扑结构;
[0008] 建立基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信协议栈模型;
[0009] 基于上述拓扑结构和协议栈模型定义基于IEEE 802. 15. 4的超帧结构;
[0010] 基于上述协议栈模型定义帧结构;
[0011] 基于协议栈模型及超帧结构和帧结构实现工业无线通信过程。 [0012] 所述网状及星型混合拓扑结构为:
[0013] 星型网络:由路由设备节点和现场设备节点构成,又称为簇;现场设备节点之间不直接通信,现场设备节点只和一个路由设备节点通信;
[0014] 网状网络:由路由设备节点、网关设备节点及上位机构成;路由设备节点至少和 一个现场设备节点通信,和网关设备通信或者至少和一个其它路由设备节点通信,上位机 和网关设备通信;
[0015] 其中,上位机为用户及管理者提供与工业无线网络交互的平台;网关设备提供工
业无线网络与其他工业网络之间的接口 ;路由设备完成网络互连、现场设备数据的简单处
理和局部的网络管理功能;现场设备将传感器或执行器接入工业无线网络。
[0016] 本发明还可具有手持设备,为用户临时访问工业无线网络的接入设备,用于现场
维护与网络配置。
[0017] 所述通信协议栈模型由物理层、介质访问控制层和数据链路子层组成,其中物理 层和介质访问控制层,分别采用IEEE 802. 15. 4的物理层和介质访问控制层,数据链路子 层对介质访问控制层的超帧进行了扩展,负责扩展所需要的通信资源分配、信息库的维护。 [0018] 所述超帧结构具体结构包括信标帧阶段、竞争访问阶段、非竞争访问阶段、簇内通 信阶段、簇间通信阶段和休眠阶段;其中信标帧用于时隙同步,发布超帧信息;竞争访问阶 段用于设备加入和簇内管理,采用时隙载波监听多路访问/冲突避免CSMA/CA方法进行通 信;非竞争访问阶段用于紧急通信、移动设备与簇首间通信,由路由设备自主分配,采用时 分多址TDMA方法进行通信;簇内通信阶段是非竞争访问阶段的扩展,用于簇内通信,簇间
通信阶段用于簇间通信和管理;簇内通信阶段和簇间通信阶段都采用时分多址方法和时隙 跳频方式进行通信,通信资源以〈信道、时隙 > 的形式写到设备中。
[0019] 所述每个超帧的属性包括:超帧号、最大数据更新周期与超帧长度的比值、超帧长 度、超帧激活标志和超帧激活的绝对时隙号;超帧中每个时隙所对应的链路属性包括链路 号、邻居号、链路类型、链路特性、时隙类型、相对时隙号、链路数据周期与超帧长度的比值、 超帧号。
[0020] 不同星型网络的信标帧时隙和活动期采用不同信道;如果信道不足,则不同的信 标帧时隙和活动期采用时分策略。
[0021] 所述基本超帧长度为32个时隙,超帧长度为基本超帧长度的2N倍,N为正整数; 超帧长度由数据的更新周期决定。
[0022] 所述信标帧的载荷包括:星型网络ID、网络的绝对时隙号和下一个超帧周期
Active阶段所用信道;网关设备和路由设备发送信标帧,但不转发信标帧;网关设备节点
发送信标帧,用于其邻居路由设备的时间同步和加入以及网关设备超帧信息的广播;路由
设备发送信标帧,用于其下属现场设备的加入和时间同步以及路由设备超帧信息的广播。
[0023] 基于协议栈模型及超帧结构和帧结构实现工业无线通信的过程为:
[0024] 在网状网络内,路由设备通过IEEE 802. 15. 4介质访问控制层的关联
(Associate)服务向相邻的路由设备或者网关设备发起加入网络;如果向网关设备发起加
入,则网关设备通过对超帧和链路操作的命令帧将超帧和链路分配给该路由设备,该路由
设备正常工作;如果向相邻的路由设备发起加入,邻近路由设备则通过数据链路子层的转
发加入请求和转发加入响应命令帧逐跳转发加入请求和响应,并通过对超帧和链路操作的
命令帧将超帧和链路分配给新加入的路由设备,新加入的路由设备可正常工作;
[0025] 在星型网络中,现场设备通过IEEE 802. 15. 4介质访问控制层的关联(Associate)服务加入网络,路由设备通过介质访问控制层的有保证时隙管理服务为现场 设备分配非竞争阶段的通信资源,并通过对超帧和链路操作的命令帧将簇内通信阶段的通 信资源分配给现场设备,现场设备开始工作;
[0026] 新加入网络设备通过信标帧进行时间同步,已加入网络设备通过时间同步命令帧 进行时间同步。
[0027] 所述帧结构由IEEE 802. 15. 4物理层帧头、IEEE 802. 15. 4介质访问控制帧头、数 据链路子层帧控制、数据链路子层载荷和FCS组成,其中,数据链路子层帧控制域具体包括 帧类型、时钟接收者、安全使能和MIC选项;数据链路子层的帧分为数据帧和命令帧两种。 [0028] 所述命令帧包括转发加入请求命令帧、转发加入响应命令帧、超帧增加请求命令 帧、超帧更新请求命令帧、超帧释放请求命令帧、链路增加请求命令帧、链路更新请求命令 帧、链路释放请求命令帧、时间同步命令帧以及链接保持命令帧 [0029] 所述命令帧具体形式为:
[0030] 转发加入请求命令帧以广播的方式发送,命令帧的载荷域填充发起加入请求的新 设备的物理地址和设备能力信息;每个路由设备收到后重新封装和广播该命令帧,直到网 关设备收到该命令帧;
[0031] 转发加入请求响应帧以广播的方式发送,命令帧的载荷域填充发起加入请求的新
路由设备的物理地址、网关设备为新加入设备分配的短地址和加入状态信息;每个路由设
备收到后重新封装和广播该命令帧,直到新加入的路由设备收到该命令帧;
[0032] 对超帧操作的命令帧用于网关设备对路由设备的超帧和路由设备对现场设备的
超帧的操作;超帧增加请求命令帧和超帧更新请求命令帧的命令帧载荷域填充超帧属性;
超帧释放请求命令帧的命令帧载荷域填充超帧号;
[0033] 链路操作的命令帧用于网关设备对路由设备的链路和路由设备对现场设备的链 路的操作;链路增加请求命令帧和链路更新请求命令帧的命令帧载荷域填充链路属性;链 路释放请求命令帧的命令帧载荷域填充链路号;
[0034] 时间同步命令帧,按照时间同步周期,分别在星型网络和网状网络中传输,即网关
设备向其邻近的路由设备广播时间同步命令帧,路由设备再向网状网络中的其他路由设备
广播时间同步命令帧,路由设备还向星型网络中的现场设备广播时间同步命令帧;
[0035] 链接保持命令帧用于周期性地探测无数据传输的邻居,保持连接,无命令帧载荷。
[0036] 对于更新速率大于超帧长度或更新速率大于IEEE 802. 15. 4支持的最大超帧长
度的数据,由以下公式确定是否在当前超帧周期中传输: [0037]
[0038] 其中AbsoluteSlotNumber为信标帧中的绝对时隙号,ActiveSlot为超帧的激活 时隙号,NumberSlots为超帧的大小,SuperframeMultiple表示所有长周期数据的数据更 新周期的最小公倍数;
[0039] 如 果0 < TransmitFlag < SuperframeMultiple, 且TransmitFlag = LinkSuperframeNum,则在该超帧周期内传输;
[0040] 如果TransmitFlag = 0,且LinkSuperframeNum = SuperframeMultiple,[0041] [0042] [0043] [0044]
在该超帧周期内传输; 否则,不传输; 其中:
, v 长周期数据的更新周期
超帧长度
[0045] 本发明具有以下有益效果及优点:
[0046] 1.本发明方法采用网状及星型(Mesh+Star)混合拓扑结构, 一方面通过星型 (Star)结构简化了网络结构,降低了维护和管理的难度,提高了系统的灵活性,另一方面, 利用网状(Mesh)结构,提高了网络的可靠性;
[0047] 2.本发明方法设计了基于IEEE 802. 15. 4的通信协议栈和超帧结构, 一方面充分 利用了 IEEE 802. 15.4的优势,提高了系统的兼容性,保护了已有投资,另一方面通过扩展 满足了工业应用的要求;
[0048] 3.本发明方法提供了数据更新周期大于IEEE 802. 15. 4最大超帧长度的长周期 数据传输方法,扩展了 IEEE 802. 15. 4的应用范围。
附图说明
[0049] 图 1为本发明方法中网状及星型拓扑结构的工业无线网络示意图;
[0050] 图 2为本发明方法中基于IEEE 802. 15. 4的通信协议栈模型;
[0051] 图 3为本发明方法中基于IEEE 802. 15. 4的超帧结构;
[0052] 图 4为本发明方法实施例中信道跳频实例;
[0053] 图 5为本发明方法中超帧属性的定义;
[0054] 图 6为本发明方法中链路属性的定义;
[0055] 图 7为本发明方法中信标载荷域的内容;
[0056] 图 8为本发明方法中基于IEEE 802. 15. 4的工业无线网络协议栈的通用帧结构
[0057] 图 9为本发明方法中数据链路子层帧中的帧控制域的内容;
[0058] 图 10为本发明方法中数据链路子层命令帧的载荷域的内容;
[0059] 图 11为本发明方法中数据链路子层转发加入请求命令帧的结构;
[0060] 图 12为本发明方法中数据链路子层转发加入响应命令帧的结构;
[0061] 图 13为本发明方法中数据链路子层时间同步命令帧的结构;
[0062] 图 14为本发明方法中链接保持命令帧的结构;
[0063] 图 15为本发明方法实施例中一个长周期数据的处理实例。
具体实施方式
[0064] 下面结合附图对本发明进一步详细说明。 [0065] 本发明方法包括以下步骤:
[0066] 将工业无线网络中的各种设备搭建成网状及星型混合拓扑结构;
[0067] 建立基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信协议栈模型;
[0068] 基于上述拓扑结构和协议栈模型定义基于IEEE 802. 15. 4的超帧结构;[0069] 基于上述协议栈模型定义帧结构;
[0070] 基于协议栈模型及超帧结构和帧结构实现工业无线通信过程。
[0071] 本发明采用如图1所示的网状及星型(mesh+star)混合拓扑结构,其具有两层:
[0072] 第一层为网状(mesh)网络,由路由设备节点、网关设备节点及上位机构成;路由
设备节点至少和一个现场设备节点通信,和网关设备通信或者至少和一个其它路由设备节
点通信,上位机和网关设备通信;
[0073] 第二层为星型(star)网络,由路由设备节点和现场设备节点构成,又称为簇;现
场设备节点之间不直接通信,现场设备节点只和一个路由设备节点通信;
[0074] 本发明方法定义了以下设备:上位机、网关设备、路由设备以及现场设备,其中,上
位机为用户及管理者提供与工业无线网络交互的平台;网关设备提供工业无线网络与其他
工业网络之间的接口 ;路由设备完成网络互连、现场设备数据的简单处理和局部的网络管
理功能;现场设备将传感器或执行器接入工业无线网络。
[0075] 上述设备中还可具有手持设备,为用户临时访问工业无线网络的接入设备,用于 现场维护与网络配置。
[0076] 如图2所示,所述协议栈模型由物理层、介质访问控制(MAC)层和数据链路子层 组成,其中物理层和介质访问控制层,分别采用IEEE 802. 15. 4的物理层和介质访问控制 层,数据链路子层对介质访问控制层的超帧进行了扩展,负责扩展所需要的通信资源分配、 信息库的维护。PLDE-SAP和PLME-SAP分别为物理层的数据服务访问点和管理服务访问 点;MLDE-SAP和MLME-SAP分别为介质访问控制层的数据服务访问点和管理服务访问点; DLDF-SAP和DLME-SAP分别为数据链路子层的数据服务访问点和管理服务访问点。 [0077] 如图3所示,为了兼容IEEE 802. 15. 4,本发明提出了基于IEEE 802. 15. 4的扩展 超帧(Superframe)结构,具体包括:
[0078] (1)信标帧阶段,用于时隙同步,发布超帧的信息。
[0079] (2)竞争访问阶段(Contention Access Period, CAP),主要用于设备加入和簇内 管理,采用时隙CSMA/CA方法进行通信。
[0080] (3)非竞争访问阶段(Contention-free Period,CFP),用于紧急通信、移动设备与
簇首间通信,由路由设备自主分配。非竞争访问阶段采用TDMA方法进行通信。
[0081] (4)非活动期,用于簇内(Intra-cluster)通信、簇间(Inter-cluster)通信以
及休眠,由网络管理者统一分配,其中簇内通信阶段是非竞争访问阶段的扩展,用于簇内通
信,簇间通信阶段用于簇间通信和管理;簇内通信阶段和簇间通信阶段都采用TDMA方法进
行通信。
[0082] 考虑到本发明在IEEE 802. 15. 4超帧非活动期的时隙用于簇内通信、簇间通信以 及休眠,本发明的基本超帧长度为32个时隙。本发明的超帧长度为基本超帧长度的2M咅, N为正整数。超帧的长度由数据的更新速率决定。 [0083] 数据链路层的具体跳频方式为:
[0084] 在基本IEEE 802. 15. 4超帧的信标帧时隙和活动期(竞争访问阶段和非竞争访问 阶段)内不跳频,但根据信道的具体情况,不同的超帧周期可以采用不同的信道,前一个超 帧周期的信标帧预告后一个超帧周期所采用的信道;
[0085] 在基本IEEE 802. 15. 4超帧非活动期内跳频,跳频序列由网络管理者指定,如〈时隙l,信道IX时隙2,信道2>...〈时隙n,信道n〉。如图4所示,为一个信道跳频的例子。 [0086] 由于星型网络内的信标帧时隙和活动期的通信不跳频,所以,不同星型网络的信 标帧时隙和活动期采用不同信道。如果信道不足,则不同的信标帧时隙和活动期采用时分 策略。
[0087] 为了实现通信,设备需要维护各自的超帧信息。如图5所示,每个超帧的属性包括 超帧号、最大长周期数据周期与超帧长度的比值、超帧大小、超帧激活标志和超帧激活的绝 对时隙号。此外,设备还要维护超帧中每个时隙与通信有关的信息,即链路(Link)信息。链 路声明了网络中相邻设备间的通信参数,每个设备维护自己的链路信息。如图6所示,链路 属性包括链路号、邻居号、链路类型(单播、广播和组播)、链路特性(发送、接收和共享发 送)、时隙类型(数据和管理)、相对时隙号、链路数据周期与超帧长度的比值、超帧号。 [0088] 在网状网络内,路由设备通过IEEE 802. 15. 4介质访问控制层的关联 (Associate)服务向相邻的路由设备或者网关设备(如果它与网关设备邻近)发起加入网 络,如果是向网关设备发起加入,则网关设备直接为其建立超帧,并通过对超帧和链路操作 的命令帧将超帧和链路分配给该路由设备,新加入的路由设备可正常工作。如果是向相邻 的路由设备发起加入,邻近路由设备则通过数据链路子层的转发加入请求和转发加入响应 命令帧逐跳转发加入请求和响应,并通过对超帧和链路操作的命令帧将超帧和链路分配给 新加入的路由设备,新加入的路由设备可正常工作。
[0089] 在星型网络中,现场设备通过IEEE 802. 15. 4介质访问控制层的关联
(Associate)服务加入网络,路由设备通过介质访问控制层的有保证时隙管理服务为现场 设备分配非竞争阶段的通信资源,并通过对超帧和链路操作的命令帧将扩展的簇内通信阶 段的通信资源分配给现场设备,现场设备开始工作。
[0090] 本发明的数据链路子层利用IEEE 802. 15. 4介质访问控制层信标帧载荷发布扩 展的超帧信息,信标帧载荷如图7所示,具体包括以下内容: [0091] 星型网络的ID号; [0092] 网络的绝对时隙号;
[0093] 下一个超帧周期的Active阶段所使用的信道。 [0094] 信标帧的发送遵循以下模式:
[0095] 网关设备和路由设备都可以发送信标帧,但不转发信标帧;
[0096] 网关设备发送信标帧,用于其邻居路由设备的时间同步和加入,以及网关设备超 帧信息的广播;
[0097] 路由设备发送信标帧,用于其下属现场设备的加入和时间同步,以及路由设备超 帧信息的广播。
[0098] 本发明的通用帧格式如图8所示,具体由以下组成:
[0099] (1) IEEE 802. 15. 4物理层帧头(Physical Layer Header, PHR);
[0100] (2) IEEE 802. 15. 4介质访问控制帧头(MAC Layer Header, MHR);
[0101] (3)数据链路子层帧控制;
[0102] (4)数据链路子层载荷;
[0103] (5)帧检验序列(Frame Check Sequence, FCS)。
[0104] 本实施例中,数据链路子层帧控制如图9所示,具体包括以下域:[0105] 帧类型,用于标识是数据帧还是命令帧; [0106] 时钟接收者标志,用于标识是否是时钟源; [0107] 安全使能标志,用于标识是否启用安全机制;
[0108] 消息完整性代码(Message Integrity Code, MIC)选项,用于标识不同的MIC选 项。
[0109] 本发明数据链路子层命令帧的数据链路子层载荷域具体包括如图10所示的命令 帧标识符和命令帧载荷域,具体定义了如下命令帧:
[0110] 转发加入请求命令帧、转发加入响应命令帧、超帧增加请求命令帧、超帧更新请求 命令帧、超帧释放请求命令帧、链路增加请求命令帧、链路更新请求命令帧、链路释放请求 命令帧、时间同步命令帧以及链接保持命令帧。
[0111] 转发加入请求命令帧以广播的方式发送,如图11所示,命令帧的载荷域填充发起 加入请求的新设备的物理地址和设备能力信息。每个路由设备收到后重新打包广播该命令 帧,直到网关设备收到该命令帧。
[0112] 转发加入请求响应帧以广播的方式发送,如图12所示,命令帧的载荷域填充发起
加入请求的新路由设备的物理地址、网关设备为其分配的短地址和加入状态信息。每个路
由设备收到后重新打包广播该命令帧,直到新加入的路由设备收到该命令帧。
[0113] 对超帧操作的命令帧用于网关设备对路由设备的超帧和路由设备对现场设备的
超帧的操作。超帧增加请求命令帧和超帧更新请求命令帧的命令帧载荷域填充超帧属性;
超帧释放请求命令帧的命令帧载荷域填充超帧号。对链路操作的命令帧用于网关设备对路
由设备的链路和路由设备对现场设备的链路的操作。链路增加请求命令帧和链路更新请求
命令帧的命令帧载荷域填充链路属性;链路释放请求命令帧的命令帧载荷域填充链路号。
[0114] 时间同步是采用TDMA方法进行通信的基础。IEEE 802. 15. 4采用信标帧进行时间
同步,本发明可以利用该同步方式实现新加入设备的时间同步。但是,对于本发明的网状及
星型混合拓扑结构,不同星型网络内的信标帧时隙和活动期通常采用不同的信道传送信标
帧,网关设备、路由设备无法接收其它路由设备或网关设备的信标帧,所以无法实现已加入
网络设备的时间同步。本发明设计如图13所示的时间同步命令帧,按照时间同步周期,分
别在星型网络和网状网络中传输,即网关设备向其邻近的路由设备广播时间同步命令帧,
路由设备再向网状网络中的其他路由设备广播时间同步命令帧,路由设备还向星型网络中
的现场设备广播时间同步命令帧,从而实现时间同步。
[0115] 链接保持命令帧用于周期性地探测无数据传输的邻居,保持连接,无命令帧载荷, 如图14所示。
[0116] IEEE 802. 15. 4最大超帧长度受限,但是工业应用中可能存在更新周期大于IEEE 802. 15. 4最大超帧长度的数据,因此本发明方法定义长周期数据为数据更新周期大于超帧 长度的数据。
[0117] 为了处理长周期数据,需要利用以下参数: [0118] (1)AbsoluteSlotNumber :信标帧中的绝对时隙号 [0119] (2)ActiveSlot :超帧的激活时隙号 [0120] (3)NumberSlots :超帧的大小
[0121] (4)SuperframeMultiple :表示所有长周期数据的数据更新周期的最小公倍数;[0122] (5) Ziw^S^pe^Yjfme/Viww:
—长周期数据的更新周期 超帧长度
[0123] [0124]
定义TransmitFlag变量如以下公式:
[0125] 在每个超帧周期,现场设备收到信标帧,判断自己的长周期数据是否在该超帧周 期内传输,具体准则如下:
[0126] 如 果0 < TransmitFlag < S卯erframeMultiple, 且TransmitFlag = LinkSuperframeN咖,则在该超帧周期内传输;
[0127] 如果TransmitFlag = O,且LinkSuperframeNum = SuperframeMultiple,
[0128] 则在该超帧周期内传输;
[0129] 否则不传输。
[0130] 长周期数据的处理实例如图15所示,本实施例将各参数定义如下:
[0131] ActiveSlot = 4
[0132] N咖berSlots = 8
[0133] Superfr咖eCycle = 3
[0134] LinkSuperframeNum = 3
[0135] AbsoluteSlotN咖ber = 20
[0136] 那么
[0137]
[0138] [0139]
_20-4 + 1
8
=0
%3
[0140] 且,SuperframeCycle = LinkSuperframeNum,则在当前周期发送该数据。
12

Claims (14)

  1. 一种基于IEEE?802.15.4的工业无线通信方法,其特征在于包括以下步骤:将工业无线网络中的各种设备搭建成网状及星型混合拓扑结构;建立基于IEEE?802.15.4的工业无线通信协议栈模型;基于上述拓扑结构和协议栈模型定义基于IEEE?802.15.4的超帧结构;基于上述协议栈模型定义帧结构;基于协议栈模型及超帧结构和帧结构实现工业无线通信过程。
  2. 2. 按权利要求1所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法,其特征在于:所述 网状及星型混合拓扑结构为:星型网络:由路由设备节点和现场设备节点构成,又称为簇;现场设备节点之间不直 接通信,现场设备节点只和一个路由设备节点通信;网状网络:由路由设备节点、网关设备节点及上位机构成;路由设备节点至少和一个 现场设备节点通信,和网关设备通信或者至少和一个其它路由设备节点通信,上位机和网 关设备通信;其中,上位机为用户及管理者提供与工业无线网络交互的平台;网关设备提供工业无 线网络与其他工业网络之间的接口 ;路由设备完成网络互连、现场设备数据的简单处理和 局部的网络管理功能;现场设备将传感器或执行器接入工业无线网络。
  3. 3. 按权利要求2所述的的基于IEEE 802. 15.4的工业无线通信方法,其特征在于:还 可具有手持设备,为用户临时访问工业无线网络的接入设备,用于现场维护与网络配置。
  4. 4. 按权利要求1所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法,其特征在于:所述 通信协议栈模型由物理层、介质访问控制层和数据链路子层组成,其中物理层和介质访问 控制层,分别采用IEEE 802. 15. 4的物理层和介质访问控制层,数据链路子层对介质访问 控制层的超帧进行了扩展,负责扩展所需要的通信资源分配、信息库的维护。
  5. 5. 按权利要求1所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法,其特征在于:所述 超帧结构具体结构包括信标帧阶段、竞争访问阶段、非竞争访问阶段、簇内通信阶段、簇间 通信阶段和休眠阶段;其中信标帧用于时隙同步,发布超帧信息;竞争访问阶段用于设备 加入和簇内管理,采用时隙载波监听多路访问/冲突避免方法进行通信;非竞争访问阶段 用于紧急通信、移动设备与簇首间通信,由路由设备自主分配,采用时分多址方法进行通 信;簇内通信阶段是非竞争访问阶段的扩展,用于簇内通信,簇间通信阶段用于簇间通信和 管理;簇内通信阶段和簇间通信阶段都采用时分多址方法和时隙跳频方式进行通信,通信 资源以〈信道、时隙 > 的形式写到设备中。
  6. 6. 按权利要求5所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法,其特征在于:所述 每个超帧的属性包括:超帧号、最大数据更新周期与超帧长度的比值、超帧长度、超帧激活 标志和超帧激活的绝对时隙号;超帧中每个时隙所对应的链路属性包括链路号、邻居号、链 路类型、链路特性、时隙类型、相对时隙号、链路数据周期与超帧长度的比值、超帧号。
  7. 7. 按权利要求5所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法,其特征在于:不同 星型网络的信标帧时隙和活动期采用不同信道;如果信道不足,则不同的信标帧时隙和活动期采用时分策略。
  8. 8. 按权利要求5所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法,其特征在于:所述 基本超帧长度为32个时隙,超帧长度为基本超帧长度的2M咅,N为正整数;超帧长度由数据的更新周期决定。
  9. 9. 按权利要求5所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法,其特征在于:所述 信标帧的载荷包括:星型网络ID、网络的绝对时隙号和下一个超帧周期Active阶段所用信 道;网关设备和路由设备发送信标帧,但不转发信标帧;网关设备节点发送信标帧,用于其 邻居路由设备的时间同步和加入以及网关设备超帧信息的广播;路由设备发送信标帧,用 于其下属现场设备的加入和时间同步以及路由设备超帧信息的广播。
  10. 10. 按权利要求1所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法,其特征在于:基于协议栈模型及超帧结构和帧结构实现工业无线通信的过程为:在网状网络内,路由设备通过IEEE 802. 15. 4介质访问控制层的关联(Associate)服 务向相邻的路由设备或者网关设备发起加入网络;如果向网关设备发起加入,则网关设备 通过对超帧和链路操作的命令帧将超帧和链路分配给该路由设备,该路由设备正常工作; 如果向相邻的路由设备发起加入,邻近路由设备则通过数据链路子层的转发加入请求和转 发加入响应命令帧逐跳转发加入请求和响应,并通过对超帧和链路操作的命令帧将超帧和 链路分配给新加入的路由设备,新加入的路由设备可正常工作;在星型网络中,现场设备通过IEEE 802. 15. 4介质访问控制层的关联(Associate)服 务加入网络,路由设备通过介质访问控制层的有保证时隙管理服务为现场设备分配非竞争 阶段的通信资源,并通过对超帧和链路操作的命令帧将簇内通信阶段的通信资源分配给现 场设备,现场设备开始工作;新加入网络设备通过信标帧进行时间同步,已加入网络设备通过时间同步命令帧进行 时间同步。
  11. 11. 按权利要求1所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法,其特征在于:所述 帧结构由IEEE 802. 15. 4物理层帧头、IEEE 802. 15. 4介质访问控制帧头、数据链路子层帧 控制、数据链路子层载荷和FCS组成,其中,数据链路子层帧控制域具体包括帧类型、时钟 接收者、安全使能和MIC选项;数据链路子层的帧分为数据帧和命令帧两种。
  12. 12. 按权利要求10或11所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法,其特征在 于:所述命令帧包括转发加入请求命令帧、转发加入响应命令帧、超帧增加请求命令帧、超 帧更新请求命令帧、超帧释放请求命令帧、链路增加请求命令帧、链路更新请求命令帧、链 路释放请求命令帧、时间同步命令帧以及链接保持命令帧
  13. 13. 按权利要求12所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法,其特征在于:命 令帧具体形式为:转发加入请求命令帧以广播的方式发送,命令帧的载荷域填充发起加入请求的新设备 的物理地址和设备能力信息;每个路由设备收到后重新封装和广播该命令帧,直到网关设 备收到该命令帧;转发加入请求响应帧以广播的方式发送,命令帧的载荷域填充发起加入请求的新路由 设备的物理地址、网关设备为新加入设备分配的短地址和加入状态信息;每个路由设备收 到后重新封装和广播该命令帧,直到新加入的路由设备收到该命令帧;对超帧操作的命令帧用于网关设备对路由设备的超帧和路由设备对现场设备的超帧 的操作;超帧增加请求命令帧和超帧更新请求命令帧的命令帧载荷域填充超帧属性;超帧 释放请求命令帧的命令帧载荷域填充超帧号;链路操作的命令帧用于网关设备对路由设备的链路和路由设备对现场设备的链路的 操作;链路增加请求命令帧和链路更新请求命令帧的命令帧载荷域填充链路属性;链路释 放请求命令帧的命令帧载荷域填充链路号;时间同步命令帧,按照时间同步周期,分别在星型网络和网状网络中传输,即网关设备 向其邻近的路由设备广播时间同步命令帧,路由设备再向网状网络中的其他路由设备广播 时间同步命令帧,路由设备还向星型网络中的现场设备广播时间同步命令帧;链接保持命令帧用于周期性地探测无数据传输的邻居,保持连接,无命令帧载荷。
  14. 14.按权利要求1所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法,其特征在于:对于 更新速率大于超帧长度或更新速率大于IEEE 802. 15. 4支持的最大超帧长度的数据,由以 下公式确定是否在当前超帧周期中传输:其中AbsoluteSlotNumber为信标帧中的绝对时隙号,ActiveSlot为超帧的激活时隙 号,NumberSlots为超帧的大小,SuperframeMultiple表示所有长周期数据的数据更新周 期的最小公倍数;如 果0 < TransmitFlag < SuperframeMultiple, 且TransmitFlag = LinkSuperframeNum,则在该超帧周期内传输;如果TransmitFlag = O,且LinkSuperframeNum = SuperframeMultiple,在该超帧周 期内传输;否则,不传输;其中:长周期数据的更新周期丄/"fcSwpe,a附e7Vw附:超帧长度
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US13/220,724 US8730838B2 (en) 2008-12-19 2011-08-30 Communication method for mesh and star topology structure wireless sensor network

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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102104522A (zh) * 2011-01-14 2011-06-22 徐立中 面向信息--物理融合系统的实时通信优化方法及设备
CN102752844A (zh) * 2012-07-23 2012-10-24 重庆大学 一种无线传感器网络信道资源多级分配方法
CN103149885A (zh) * 2011-12-06 2013-06-12 沈阳中科博微自动化技术有限公司 一种低功耗工业无线网络数据传输设备及使用方法
CN103338142A (zh) * 2013-06-05 2013-10-02 山东大学 基于IEEE802.15.4g的无线自组网系统及工作方法
CN103746858A (zh) * 2014-02-19 2014-04-23 山东微分电子科技有限公司 一种无线网络拓扑检测的方法
CN103888940A (zh) * 2012-12-19 2014-06-25 中国科学院沈阳自动化研究所 多级加密与认证的wia-pa网络手持设备的通讯方法
CN104157120A (zh) * 2014-08-21 2014-11-19 南京拓诺传感网络科技有限公司 工业装备及环境监控的wsn信息感知系统及方法
CN105323835A (zh) * 2014-07-31 2016-02-10 德克萨斯仪器股份有限公司 用于时隙信道跳频mac协议中降低功耗的时隙跳过技术
CN106559835A (zh) * 2015-09-24 2017-04-05 电信科学技术研究院 一种车联网通信方法及装置
CN108243232A (zh) * 2016-12-27 2018-07-03 中国科学院沈阳自动化研究所 一种工业网络信息互联方法与系统
CN109151951A (zh) * 2018-08-09 2019-01-04 中软电科智能技术有限公司 一种多频集中式网络组网的数据交互方法
CN109618248A (zh) * 2018-12-20 2019-04-12 南京丹腾智能科技有限公司 无线通信装置
CN111464958A (zh) * 2020-04-09 2020-07-28 杭州粒合信息科技有限公司 一种基于无线通讯技术的多频点通信的方法

Cited By (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102104522A (zh) * 2011-01-14 2011-06-22 徐立中 面向信息--物理融合系统的实时通信优化方法及设备
CN102104522B (zh) * 2011-01-14 2014-05-28 江苏瑞奇自动化有限公司 面向信息--物理融合系统的实时通信优化方法及设备
CN103149885A (zh) * 2011-12-06 2013-06-12 沈阳中科博微自动化技术有限公司 一种低功耗工业无线网络数据传输设备及使用方法
CN103149885B (zh) * 2011-12-06 2016-01-20 沈阳中科博微自动化技术有限公司 一种低功耗工业无线网络数据传输设备及使用方法
CN102752844A (zh) * 2012-07-23 2012-10-24 重庆大学 一种无线传感器网络信道资源多级分配方法
CN103888940A (zh) * 2012-12-19 2014-06-25 中国科学院沈阳自动化研究所 多级加密与认证的wia-pa网络手持设备的通讯方法
CN103888940B (zh) * 2012-12-19 2017-05-10 中国科学院沈阳自动化研究所 多级加密与认证的wia‑pa网络手持设备的通讯方法
CN103338142B (zh) * 2013-06-05 2016-08-10 山东大学 基于IEEE802.15.4g的无线自组网系统及工作方法
CN103338142A (zh) * 2013-06-05 2013-10-02 山东大学 基于IEEE802.15.4g的无线自组网系统及工作方法
CN103746858A (zh) * 2014-02-19 2014-04-23 山东微分电子科技有限公司 一种无线网络拓扑检测的方法
CN103746858B (zh) * 2014-02-19 2017-02-15 山东微分电子科技有限公司 一种无线网络拓扑检测的方法
CN105323835A (zh) * 2014-07-31 2016-02-10 德克萨斯仪器股份有限公司 用于时隙信道跳频mac协议中降低功耗的时隙跳过技术
CN105323835B (zh) * 2014-07-31 2020-06-19 德克萨斯仪器股份有限公司 用于时隙信道跳频mac协议中降低功耗的方法和装置
CN104157120A (zh) * 2014-08-21 2014-11-19 南京拓诺传感网络科技有限公司 工业装备及环境监控的wsn信息感知系统及方法
CN104157120B (zh) * 2014-08-21 2017-05-31 南京拓诺传感网络科技有限公司 工业装备及环境监控的wsn信息感知系统及方法
CN106559835B (zh) * 2015-09-24 2021-02-05 大唐移动通信设备有限公司 一种车联网通信方法及装置
CN106559835A (zh) * 2015-09-24 2017-04-05 电信科学技术研究院 一种车联网通信方法及装置
CN108243232A (zh) * 2016-12-27 2018-07-03 中国科学院沈阳自动化研究所 一种工业网络信息互联方法与系统
CN108243232B (zh) * 2016-12-27 2020-09-04 中国科学院沈阳自动化研究所 一种工业网络信息互联方法与系统
CN109151951B (zh) * 2018-08-09 2021-01-19 中软电科智能技术有限公司 一种多频集中式网络组网的数据交互方法
CN109151951A (zh) * 2018-08-09 2019-01-04 中软电科智能技术有限公司 一种多频集中式网络组网的数据交互方法
CN109618248A (zh) * 2018-12-20 2019-04-12 南京丹腾智能科技有限公司 无线通信装置
CN111464958A (zh) * 2020-04-09 2020-07-28 杭州粒合信息科技有限公司 一种基于无线通讯技术的多频点通信的方法

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