CN102356618B - 无线现场设备的改进的维护 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了对无线现场设备(50)进行委托的方法(200)。该方法(200)包括将手持现场维护工具(100)通信性地连接(202)到无线现场设备(50)以获得无线现场设备标识符(204)。选择无线网络。在手持现场维护工具(100)和无线网关(20)之间产生无线通信，以自动获得针对无线现场设备标识符的加入密钥(208)。使用手持现场维护工具(100)将加入密钥写到(210)无线现场设备(50)中。

Description

无线现场设备的改进的维护
技术领域
背景技术
在工业设置中，使用控制系统来监视和控制工业和化学过程等。典型地，过程控制系统使用现场设备来执行这些功能，现场设备分布在工业过程的关键位置处并且通过过程控制环路连接到控制室中的控制电路。现场设备一般执行分布式控制或过程监视系统中的功能，例如，检测参数或者对过程进行操作。
一些现场设备包括换能器。将换能器理解为指的是基于物理输入产生输出信号的设备，或者基于输入信号产生物理输出的设备。典型地，换能器将输入变换为不同形式的输出。换能器的类型包括各种分析设备、压力传感器、热敏电阻器、热电偶、应变仪、流变送器、定位器、致动器、螺线管、指示灯等。
一些过程设施可能涉及高度挥发性或者甚至爆炸性环境。相应地，现场设备或者与这种现场设备一起使用的手持现场维护工具符合本质安全要求常常是有好处的，或者甚至是所要求的。这些要求有助于确保符合其的电子设备即使在故障条件下也不产生点火源。由Factory MutualResearch在1998年10月发布的APPROVAL STANDARDINTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND AS SOCIATED APPARATUSFOR USE IN CLASS I，II and III，DIVISION NUMBER 1HAZARDOUS(CLASSIFIED)LOCATIONS，CLASS NUMBER 3610中阐述了本质安全要求的一个示例。符合本质安全要求的手持现场维护工具的示例包括Austin，Texas的Emerson Process Management出售的具有商业名称Model375Field Communicator和Model 475Field Communicator。
典型地，每个现场设备还包括用于通过过程控制环路与过程控制室或者其他电路通信的通信电路。传统上，已经通过双线过程控制电流环路将模拟现场设备连接到控制室，每个设备通过单一的双线控制环路连接到控制室。在一些设施中，已经开始使用无线技术与现场设备通信。无线操作简化了现场设备布线和建立。
一个无线过程通信技术标准被称为WirelessHART标准。WirelessHART标准由HART Communication Foundation在2007年9月公布。Wireless规范的相关部分包括：HCF_Spec 13，修订7.0；HART规范65-无线物理层规范；HART规范75-TDMA数据链路层规范(TDMA指的是时分多址接入)；HART规范85-网络管理规范；HART规范155-无线命令规范；以及HART规范290-无线设备规范。
另一无线网络通信技术在ISA100.11a中阐述。该技术提出根据IEEE802.15.4-2006的使用无线电电路在2.4GHz频率处的无线通信。ISA100.11标准由国际自动化协会(ISA)维护。
虽然这些无线通信技术向过程控制和通信领域提供了重要的优势，用于维护和配置使用这种通信的无线现场设备的传统技术有时显得没有效率。
发明内容
本发明提供一种对无线现场设备进行委托的方法。该方法包括将手持现场维护工具通信性地连接到无线现场设备以获得无线现场设备标识符。选择无线网络。在手持现场维护工具和无线网关之间产生无线通信，以自动获得针对无线现场设备标识符的加入密钥。使用手持现场维护工具将加入密钥写到无线现场设备中。
附图说明
图1是无线过程控制环境的概略图，在该无线过程控制环境中，本发明的实施例特别有用。
图2A-2E示出了用于委托无线现场设备的当前方法。
图3示出了根据本发明的实施例来委托无线现场设备的方法。
图4是根据本发明的实施例的对无线现场设备进行委托的方法的流程图。
图5是根据本发明的实施例的对无线现场设备进行提供的另一方法的概略性视图。
图6是根据本发明的实施例的对无线现场设备通信进行确认的方法的流程图。
图7是根据本发明的实施例的手持现场维护工具的概略系统框图。
具体实施方式
过程通信和控制系统负责测量和控制过程参数，过程参数对诸如石油精炼、药物制造和食物准备(仅以此作为示例)之类的关键过程进行控制。对于确保根据严格的规范并在不冒险损坏或者损伤过程或者与和该过程相关联的过程的情况下制造所处理的产品，这种过程的精确控制是至关重要的。在有线连接的过程控制设施中(例如高速可寻址远程传感器协议或者FOUNDATIONTMFieldbus协议)，基于到达过程通信环路的物理连接对设备进行全部配置。截然相反的是，虽然针对现场设备使用无线通信极大地简化了布线和维护，仅有授权的设备允许在这种无线过程通信环路上通信是至关重要的。此外，由于多个这样的过程通信环路可以彼此临近地存在，针对无线现场设备所倾向的无线过程通信环路来特别地配置该无线现场设备也是重要的。当前，这是在设备可以在无线过程通信网络上通信之前，手动将网络标识符以及加入密钥输入到无线现场设备中来执行的。这要求膝上计算机或者手持现场维护工具的物理临近，该膝上计算机或者手持现场维护工具物理连接到无线现场设备的端子上。然后，膝上计算机或手持现场维护工具通过有线连接与无线现场设备通信，以允许技术人员将正确的网络标识符和加入密钥输入到无线现场设备中。之后，可以将膝上计算机或手持现场维护工具与无线现场设备断开，并且该无线现场设备将随后加入到正确的无线过程通信环路中。一旦无线现场设备已经加入到无线过程通信环路中，经由该无线过程通信环路，与无线现场设备有关的各种特征对用户和/或技术人员来说是可用的。
在一些实例中，通过在无线网关设备中维护所允许的无线现场设备的访问控制列表(或白名单)来提供增强的网络安全。相应地，不仅无线现场设备必须具有正确的网络标识符和加入无线网络的加入密钥，而且必须将其自身的设备标识符(例如，设备标签或者MAC)输入到无线网关中。这种无线现场设备的委托、提供和/或验证当前要求效率不高的对每个这种现场设备的物理邻近度的探究(excursion)。下面将通过图1和图2来说明这些限制。
图1是无线过程控制环境的概略图，在该无线过程控制环境中，本发明的实施例特别有用。如图1中所示，多个无线现场设备10经由无线通信直接或者间接地通信性地连接到无线网关20。无线网关典型地由多个网络组件组成。这些组件包括网关组件、安全管理器组件以及网络管理器组件。虽然所有组件典型地在单个网关设备中呈现，然而这些组件可以是单独的设备。将无线现场设备10一般性地示出为无线过程变量变送器，例如，Emerson Process Management，of Chanhassen，Minnesota销售的具有商业名称Model 3051S无线压力变送器。然而，本领域技术人员将认识到，无线现场设备10可以包括其他类型的无线过程变量变送器，以及无线致动器、阀门定位器等等。无线网关20被配置为使用已知的无线过程通信协议(例如上面讨论的WirelessHART协议)与无线现场设备10通信。无线网关的一个示例是由Emerson Process Management，of Chanhassen，Minnesota出售的具有商业名称Model 1420的无线网关。无线网关20包括一个或多个被配置为连接到局域网的有线端口，例如以引用标号22示出的以太局域网。依靠其有线连接，无线网关20可以向连接到本地网络22的任何设备(例如，工作站24和26)提供信息或从其接收信息。
可以将图1中示出的无线现场设备网络视为网格网络，在该网格网络中，一些现场设备与其他现场设备通信，以将其通信最终传递到无线网关20。从而，距离无线网关20太远以至于不能直接通信的现场设备仍然可以依靠通过一个或多个其他无线现场设备的通信来提供无线过程通信。
为了让无线现场设备在无线过程通信环路上通信，有必要使用正确的网络标识符来配置无线现场设备，并且该无线现场设备具有允许访问无线过程通信网络的加入密钥。此外，在很多实例中，无线网关使用访问控制列表(或者白名单)，该访问控制列表维护在无线通信环路上所允许无线现场设备特定的列表。当变得有必要委托新的无线现场设备时，该过程当前有一些繁琐。
图2A示出了在委托新的无线现场设备50的过程中的另一步骤。一般地，将手持现场维护工具(例如，Model 375)连接到现场设备。以引用标号52来示出手持现场维护工具。手持现场维护工具52和无线现场设备50之间的线对指示了工具52和设备50之间的连接可以经由直接的有线连接54或者可以无线地56进行。在任何的情况下，一旦将手持现场维护工具52连接到无线现场设备50，便对该无线现场设备进行访问以获得其设备标识或者标识符。典型地，该标识或标识符被称作设备标签，其可以采取任何适当的形式，包括媒体访问控制器(MAC)地址或者其他适合的形式。之后，技术人员必须获得对无线网关的通信接入。一般地，这包括返回工作站24、26(图1所示)之一并访问网关20的用户界面。图2B中示出了这种用户界面的示例。然后，用户选择适当的网络设置，并将设备标识符添加到所需无线过程通信网络中。无线网关经由图2B中示出的界面向用户提供网络ID以及加入密钥。对于WirelessHART网络，加入密钥是128比特，并且典型地，作为32个字符的16进制字符串输入。然而，也可以使用其他安全等级/方法，例如，更大的密钥、公钥加密或者证书文件。用户必须记录下网络标识符和加入密钥。当前，这意味着以物理方式手写网络标识符和32个字符的十六进制加入密钥。可以意识到，该过程当前是繁琐的、耗时的并且容易出现人为错误。一旦技术人员具有网络标识符和加入密钥，则用户如图2D所示再次连接到设备50，然后将加入密钥和网络标识符手动输入到手持现场维护工具52中，以使用网络标识符和加入密钥来配置无线现场设备50。
本发明的实施例一般利用(leverage)下一代手持现场维护工具的增强型无线过程通信。在提供、委托或者以其它方式配置无线现场设备的情况下，这更是如此。与图2A-2E示出的技术相反，图3示出了根据本发明的实施例的委托无线现场设备的方法。现在，用户或技术人员可以经由有线连接54或者以无线的方式将手持现场维护工具100(或者主机，例如膝上计算机或者个人计算机)直接连接到无线现场设备50。一旦通信性地连接到无线现场设备50，工具100允许技术人员简单地选择无线现场设备50将要加入的无线网络。工具100包括适合的电路、软件或者两者都包括，以通过无线方式与无线网关(例如，网关20)直接交互。该通信优选地发生在当将工具100通信性地连接到无线现场设备50时。
可以通过很多方式来执行手持现场维护工具和无线网关之间的通信。例如，手持现场维护工具100可以包括通过无线过程通信环路来直接通信的无线通信电路。相应地，设备100可以简单地作为网格网络上的另一节点进行通信，从而允许最终与无线网关进行通信。在另一示例中，手持现场维护工具100可以包括可简单地直接到达无线网关的无线通信的形式，例如无线保真(Wi-Fi)，例如根据IEEE 802.11(a/b/g/n)的Wi-Fi。在又一示例中，手持现场维护工具100可以包括蜂窝通信电路，例如周知的CDMA技术或者GSM技术。通过这种方式，手持现场维护工具可以通过蜂窝网络，经由其蜂窝收发信机与无线网关20通信。特定地，其他众多的拓扑结构和示例是可能的。凭借手持现场维护工具100与无线网关20通信的能力，可以自动执行多个提供和/或委托任务，从而简化了现场维护技术人员的操作。具体地，一旦工具100连接到无线现场设备50，用户简单地选择该设备应该加入的无线网络。之后，手持现场维护工具通过与网关或者无线网络管理器通信来自动操作该过程。手持现场维护工具优选地自动经过以下的过程，然而，还可以预期，可以使用每个步骤的用户确认来实现本发明的实施例。首先，手持现场维护工具将从无线现场设备检索设备标识符。接下来，手持现场维护工具自动将设备标识符写到无线网关的访问控制列表中。然后，手持现场维护工具将从无线网关自动地检索正确的加入密钥和网络标识符。最后，手持现场维护工具自动将网络标识符和加入密钥写到无线现场设备。相应地，要求手持现场维护工具与无线现场设备之间的单个通信会话。
图4是根据本发明的实施例的对无线现场设备进行委托的方法的流程图。方法200实质上阐述了通过图3描述的过程。具体地，方法200开始于步骤202，在步骤202中，将手持现场维护工具通信性地连接到无线现场设备。之后，如步骤204所示，手持现场维护工具或者其他适合的主机从无线现场设备检索设备标识符。然后，如步骤206所阐述的，将设备标识符写到无线网络安全管理器(例如，无线网关的安全管理器组件)的访问控制列表中。接下来，如步骤208所示，手持现场维护工具与无线网关交互，以从无线网关检索正确的网络标识符和加入密钥。最后，如步骤210所阐述的，手持现场维护工具将检索到的网络标识符和加入密钥自动写到无线现场设备中。
通过图3和图4示出的实施例提供了比当前用于委托或以其它方式提供无线现场设备的方法更多的优点。具体地，不需要手动记录和输入设备ID、加入密钥和网络标识符。相信这将使得过程更高效并且更不容易出错。此外，通过使用手持现场维护工具的无线通信，用户能够在不需要去往另一位置(例如，工作站24或26)或者与接近这种站点的某个人通信的情况下，委托现场设备。从而，当技术人员在现场时，可以进行整个过程。
图5是根据本发明的实施例的对无线现场设备进行提供的另一方法的概略图。首先，用户或技术人员将手持现场维护工具或者其他适合的设备通信性地连接到无线现场设备。接下来，用户选择要加入的无线网络。可以通过检测设备50附近的当前正在通信的无线过程通信网络来经由手持现场维护工具向用户提供选择，或者可以在较早的时候将该选择简单地输入到手持现场维护工具中。无论如何，用户经由手持现场维护工具选择要加入的无线网络，然后，如标号3所示出的，产生加入密钥并将加入密钥和网络标识符写到无线现场设备。此外，手持现场维护工具优选地将加入密钥与设备标识符相匹配。随后，在标号4处，手持现场维护工具将网络标识符、加入密钥和匹配的设备标识符写到手持现场维护工具的存储器的本地访问列表中，以用于以后将该信息传送给无线网关或者安全管理器。在手持现场维护工具可能在其连接到无线现场设备的时候不能够与无线网关或者网络管理器通信的情况下，通过图5示出的方法是方便的。从而，在已经将加入密钥和网络标识符写到无线设备中之后，可以将手持现场维护工具与无线现场设备断开，并在之后将手持现场维护工具移动到手持现场维护工具可以与无线网关或网络管理器通信的位置。一旦这种通信可能，手持现场维护工具可以从存储器自动读取网络标识符、加入密钥和匹配的设备标识符并将其传送到适当的无线网关或者安全管理器的访问控制列表中。这使无线现场设备可以在然后加入正确的网络。
如图3和5中所示的，手持现场维护工具可以与无线现场设备进行有线或者无线连接。在一些实施例中，可以经由硬件、软件或者硬件和软件的组合来将手持现场维护工具配置为无线传感器网络管理器。这有助于自动操作多个设备的提供。作为安全管理器，这种设备能够检测WirelessHART设备并通过无线的方式将任何所需的网络标识符和加入密钥写入到每个设备中。当然，这假定未委托的设备具有某种允许通信的缺省状态。例如，未委托无线现场设备可以具有与缺省网络通信的初始设置以及全零的加入密钥，该缺省网络具有为0000的网络标识符。然后，即使之前没有委托，无线网络管理器也可以检测这种无线设备并与其互动。此外，由于手持现场维护工具和无线现场设备之间的无线通信是可能的，为了配置无线现场设备而进行至其的任何物理连接便不是必要的。取而代之地，手持现场维护工具可以运行使用适当的网络标识符和加入密钥对每个设备进行配置的软件程序。这种程序可以串行或者并行配置在无线手持现场维护工具的通信范围内的各个设备。虽然以上描述的本发明的实施例一般性地包括了访问控制列表或者白名单的修改，以促进增强的安全，本发明的至少一些实施例不要求使用这种白名单，而是仅包括了手持现场维护工具串行或者并行地通过无线方式与一个或多个无线现场设备互动的能力，以将网络标识符和正确的加入密钥写到每个这种设备。从而，用户没有必要物理连接到每个设备。此外，在一些实施例中，用户仅需要执行一组提供多个无线现场设备的步骤。相信与当前的实现相比，这可以要求更少的人工、更快并且更高效。
一旦委托了现场设备，并且该现场设备可以加入无线过程通信环路，有时确认无线现场设备是否已经加入无线网络是必要的。在自组织网络中，安装者一般对查看新安装的无线现场设备可以与多少设备(包括无线网关)通信以及至每个这种设备的连接质量感兴趣。
为了获得对网关的接入，安装者一般必须接通网关，或者能够访问可以接通网关的网络。在很多情况下，在无线现场设备所安装的区域中，网关或者网关所连接到的网络都不是可以立即访问的。在一些环境中，安装现场设备的网络以及网关与设备安装位置可以距离数英里。当前，安装者必须安装无线现场设备，然后行进到网关接口的物理临近处以检查连接性或者使用电话或无线电来与另一可访问该安装的人通信。然后，安装者可以根据需要调整无线现场设备，以提高无线现场设备与网络的连接性。如上阐述的，本发明的一些实施例允许无线手持现场维护工具在无线过程通信网络或者无线网格网络上交互。从而，只要无线手持现场维护工具可以在网格网络上与至少一个无线现场设备通信，其便可以访问无线网关。这种对无线网关的访问允许安装者确定无线现场设备是否连接到该网络，以及还查明这种连接的质量。相应地，可以全部由临近无线现场设备的单个用户来进行。相应地，这种确认得到充分简化。相信这将在无线现场设备的安装中提供效率，因为安装者将不再需要去往可以看到连接信息的位置(可能几英里之外)或者经由电话或无线电请求可以访问网关的其他人。此外，当设备在以实质上实时的方式响应安装者的动作时，安装者可以查看设备的连接数据，由此向安装者提供对哪个(些)动作产生积极的结果的更好的理解(非常类似于到处移动TV天线并观察信号增强还是恶化)。
图6是根据本发明的实施例的对无线现场设备通信进行确认的方法的流程图。方法250开始于步骤252，在步骤252处，技术人员或者用户访问无线现场设备。该访问可以是在手持现场维护工具或者其他适合的设备与无线现场设备之间产生物理的有线连接的形式。备选地，该访问可以经由手持现场维护工具或者其他适合的设备与无线现场设备之间的无线通信。接下来，在步骤254处，手持现场维护设备与无线网络管理器或网关通信。如上所阐述的，该通信可以采取任何形式。如果其是网格网络的成员，手持现场维护工具可以经由网格网络通信，或者可以经由无线方法直接与网络管理器或无线网关通信。此外，手持现场维护工具可以使用任何其他适合的无线通信(例如，蜂窝通信或者卫星通信)来进行通信，以经由互联网向无线网络管理器或者网关发送数据。无论如何，与无线现场设备物理临近的用户具有依靠手持现场维护工具与无线网关通信的能力。相应地，在步骤256处，用户可以确认与无线现场设备的连接性，同时仍然与无线现场设备物理临近。此外，用户具有查看无线现场设备的其他参数的能力，该其他参数包括(但不限于)：到达无线现场设备的通信范围内的其他现场设备的现场设备连接的强度和质量。在可选的步骤258处，用户可以调整无线现场设备，例如天线的定向、无线信号强度等等，并实时查看这种调整的效果，同时与无线网络管理器或网关通信。
图7是根据本发明的实施例的手持现场维护工具的概略系统框图。工具100优选地是使用可充电电池自供电的。此外，优选地，工具100符合至少一个本质安全规范(例如上面列出的规范)，以有助于在潜在爆炸性环境中确保安全。
手持现场维护工具100包括至少一个无线过程通信模块120。无线过程通信模块120的适合示例包括根据已知的无线通信协议(例如，上述的WirelessHART协议)产生和/或接收正确信号的模块。另一适合的无线过程通信协议是上述在ISA100.11a中阐述的协议。虽然图7示出了单个无线过程通信模块120，明显预期到，可以根据现在存在的或者以后开发的各种无线过程通信协议，使用任何适合数目的无线过程通信模块进行通信。
手持现场维护工具100还包括至少一个辅助无线通信协议模块122。无线通信协议模块122可以根据图7的虚线中示出的一个或者多个选项进行通信。具体地，无线通信协议模块122可以根据Bluetooth规范124；Wi-Fi规范126；已知的RFID规范128；蜂窝通信技术130；卫星通信132或者其他任何适合的无线数据通信技术(例如，WiMAX或4G)进行通信。虽然在图7中示出了一个无线通信协议模块122，然而可以使用任何适合的数目。无线过程通信协议模块120和无线通信协议模块122中的每一个连接到控制器130，控制器130也连接到有线过程通信模块138。控制器130优选地是执行指令序列以执行手持现场维护任务的微处理器。有线过程通信模块138允许手持现场维护工具经由端子142、144处的有线连接以物理方式连接到现场设备。适合的有线过程通信的示例包括高速可寻址远程传感器协议、FOUNDATIONTM Fieldbus协议等。
虽然已经参照特定实施例对本发明进行了描述，本领域的技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的改变。

Claims (18)

1.一种委托无线现场设备的方法，所述方法包括：
将本质安全的手持现场维护工具通信性地连接到所述无线现场设备以获得无线现场设备标识符；
选择无线网络：
在所述本质安全的手持现场维护工具和无线网关之间产生无线通信，以获得针对所述无线现场设备标识符的加入密钥；
使用所述本质安全的手持现场维护工具将所述加入密钥写到所述无线现场设备中；
其中，产生无线通信和获得加入密钥的步骤是由所述本质安全的手持现场维护工具来自动完成的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述本质安全的手持现场维护工具和所述无线现场设备之间的通信连接是物理有线连接。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述本质安全的手持现场维护工具和所述无线现场设备之间的通信连接是无线的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述本质安全的手持现场维护工具与所述无线网关之间的无线通信是根据无线过程通信协议的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述本质安全的手持现场维护工具和所述无线网关之间的无线通信包括蜂窝通信。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述本质安全的手持现场维护工具和所述无线网关之间的无线通信包括卫星通信。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所有步骤发生在所述本质安全的手持现场维护工具和所述无线现场设备之间的单个通信会话中。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述无线设备标识符自动添加到所述无线网关的访问控制列表中。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述加入密钥是128比特的32个字符的16进制字符串。
10.一种委托无线现场设备的方法，所述方法包括：
将本质安全的手持现场维护工具通信性地连接到所述无线现场设备以获得无线现场设备标识符，其中，所述无线现场设备安装在设备安装位置处；
选择无线网络：
使用所述本质安全的手持现场维护工具产生针对所述无线现场设备的加入密钥；
使用所述本质安全的手持现场维护工具将所述加入密钥写到所述无线现场设备中；以及
从与所安装的无线现场设备通信性地连接的所述本质安全的手持现场维护工具将所述加入密钥和所述设备标识符传输到无线网关。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述本质安全的手持现场维护工具是无线网络管理器。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，传输所述加入密钥和所述设备标识符的步骤发生在已经将所述本质安全的手持现场维护工具与所述无线现场设备断开之后。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述本质安全的手持现场维护工具和所述无线现场设备之间的通信连接是物理有线连接。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述本质安全的手持现场维护工具和所述无线现场设备之间的通信连接是无线的。
15.一种确认安装在设备安装位置处的无线现场设备的连接性的方法，所述方法包括：
将本质安全的手持现场维护工具通信性地连接到所安装的无线现场设备以获得设备标识符；
与和所述无线现场设备相关联的无线网关以无线方式进行通信；以及
通过所述本质安全的手持现场维护工具来访问所述无线网关中的与所述无线现场设备有关的至少一个参数。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述至少一个参数包括所安装的无线现场设备的连接强度。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述至少一个参数包括与所安装的无线现场设备的通信范围内的其他现场设备的现场设备连接质量。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括：调整所安装的无线现场设备的至少一个方面，同时经由与所述无线网关的无线通信来观察调整的效果。
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