CN102845100B - 工业控制系统的无线传感器网络中的能量高效通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用于工业控制系统的无线传感器网络(WSN)中的通信的方法。该网络包括多个设备节点和至少一个网关(GW)。该方法包括在至少一个无线设备中聚合源于至少两个数据分组的数据。该方法包括：在第一节点(A)接收用于第一目的地地址的至少一个第一数据分组，并且聚合来自至少一个数据分组的数据(100，200)与来自去往相同第一目的地地址的至少一个第二数据分组的数据(110，115)，形成聚合数据分组，并且向另一节点或者向所述网关(GW)发送该聚合数据分组。在本发明的其它方面中，描述一种用于实现该方法的系统和计算机程序。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于从工业控制系统或者过程控制系统的无线传感器网络中的多个设备节点进行通信的方法。特别地，本发明涉及一种用于以能量高效方式聚合数据分组的方法以及布置有用于执行该方法的硬件和软件设备的无线设备。
背景技术
加工行业中的工业控制系统、过程控制系统、分布式控制系统等经常包括硬接线数据网络和无线数据网络。加工行业可以包括诸如造纸、制药、食品生产、石油和天然气提取、生产、加工等行业分支。无线传感器网络用来在无线现场设备如传感器和工业控制系统之间传送测量值和一些控制数据。无线传感器经常由电池供电。
电池供电的无线传感器的使用寿命依赖于功率使用。无线传感器网络的使用寿命也依赖于个别无线传感器的功率使用。无线传感器的无线电接收器/发送器通常在发送传输之时消耗大部分功率并且在监听传输之时消耗功率而在不活跃状态期间几乎未消耗功率。为了方便，WSN中的无线传感器被配置成在不活跃时段期间、也称为在睡眠状态期间使用很少或者未使用能量，从而为用于监听信号和/或用于发送信号的有限数目的时段节约能量。
一般在行业内使用的有许多不同无线协议。它们包括专有协议、开放协议以及具有在相同广播/接收区域中操作的多个类型协议的网络。行业内使用的无线标准的两个例子称为ISA100和无线HART，ISA100也包括版本ISA100.11a，其用于工业自动化应用中的无线感测。无线HART是开发成与用于在工业设备之间的通信的旧HART标准兼容的标准。
无线HART[1]是行业内的很广泛使用的标准，并且基于自从20世纪80年代以来就已经问世的有线HART通信协议。无线HART是为了工业过程自动化和控制自动化而开发的标准。它是简单、稳健、可靠、安全、自愈和自组织的多跳无线网状(mesh)网络。无线HART技术完全兼容HART标准，但是无线HART具有无线技术的所有益处。无线HART使用遵守IEEE802.15.4-2006[2]的无线电。无线HART基于时分多址(TDMA)，其中网络中的所有设备被时间同步。使用具有固定时间隙的预调度以便减少在设备之间的传输冲突。一个周期的时隙称为超帧，其中设备具有它们的发送、接收、重传和替代路径时隙。
图2(现有技术)示出了根据无线HART标准的被划分成六层的分组。物理层400包括前同步码、开始标志(定界符)和字节计数，其中定界符用于训练接收器无线电。数据链路层始于单个字节值0x41和地址指定符，该地址指定符指定2个或者8个字节的源地址和/或目的地地址。序号和网络ID声明设备属于什么网络。如果设备从另一网络接收分组，则它将丢弃它。数据链路协议数据单元(DLPDU)300是实际的数据链路层分组，并且DLPDU指定符规定了分组优先级、是否使用网络密钥和分组的类型。数据链路层以键控消息完整性代码(MIC)和循环冗余校验(CRC)作为结束。
网络层200始于控制字节，该控制字节指定源和目的地地址的大小，2个或者8个字节。控制字节也指定是否使用扩展路由信息(ERI)。转发设备递减TTL(生存时间、例如10个跳跃)，并且如果它变成0则丢弃分组，除了当它是0xFF时则不会被递减并且总是由设备向前转发之外。ASN摘录在调用网络层时是ASN的后16位。图形ID用来将分组向最终目的地寻路由，并且包含可以使用的设备的列表。
安全子层保证在发送方与最终目的地之间的安全通信，即端到端安全类型。子层的长度依赖于所使用的安全类型。在安全控制字节(SCB)中指定使用的安全类型。话路键控使用1个字节现时计数器，并且加入和手持键控使用4个字节现时计数器。安全子层也包括用于解密网络层有效载荷的4字节MIC。
传输层100被加密并且包含传输控制字节，用于指定序号以及：
·是否应当使用ACK
·它是否为响应分组
·它是否被单播或者广播。
传输控制用来指示通信错误或者命令响应状态。扩展设备状态用来指示设备的状态。应用层包括实际命令。它包括命令号、数据长度和实际数据。
使电池供电设备的能量消耗最小颇为重要。一般而言，发送用于每个感测的数据值的一个分组在多数情况下能量效率低。在一些情况下，可以使用数据聚合，即对原始数据的聚合。一种可能解决方案是在来自不同设备的数据朝着目的地传输时对其进行聚合。转让给SiemensBuildingtechAG的标题为“Wirelessbuildingcontrolarchitecture”的EP1626532描述了楼宇自动化系统，并且具体描述一种实施楼宇系统自动化的无线楼宇控制架构，在该架构中聚合传感器或者致动器数据集合或者群组。
转让给LucentInc.转让的标题为“Methodofframeaggregation”的EP1538806A1描述了一种用于动态聚合用于语音数据传输的数据分组的方法，以利用信道中的可用带宽变化在限制带宽内传输增加数量的数据的方法。
然而，并非在适合于工业使用的所有无线协议中均支持数据分组聚合。例如，无线HART标准的上述版本未限定被构造成有助于在不同设备之间的数据聚合的数据分组。这意味着对于常规无线网络中的无线现场设备生成的每项数据，传输的分组将无论数据的大小如何都必须始终从设备向目的地行进。所有这些传输消耗了能量供应有限的无线设备中的大量能量。此外，对正在传送的数据安全的需求意味着数据被加密并且仅能由发送或者接收节点读取，即数据受端到端安全保护。
发明内容
本发明的目的是减轻上文提到的问题中的一个或者多个问题。这一目的和其它目的由权利要求1限定的方法来实现。
在本发明的第一方面中，公开一种用于工业控制系统的无线传感器网络(WSN)中的通信的方法，所述网络包括多个设备节点和网关，该方法包括聚合源于至少两个数据分组的数据，所述方法还包括：在第一节点接收用于第一目的地地址的至少一个第一数据分组，以及聚合来自该至少一个数据分组的数据与来自去往第一目的地地址的至少一个第二数据分组的数据，形成聚合数据分组，并且向另一节点或者向所述网关发送该聚合数据分组。
在本发明的一个实施例中，公开一种用于工业控制系统的无线传感器网络(WSN)中的通信的方法，所述方法包括：在第一节点接收用于第一目的地地址的至少一个第一数据分组，以及聚合来自该至少一个数据分组的数据与来自去往第一目的地地址的至少一个第二数据分组的数据，形成聚合数据分组，以及向另一节点或者向所述网关发送该聚合数据分组，所述方法还包括：在第一节点接收用于该第一目的地地址的该至少一个第一数据分组；在分组缓冲器中保存该至少一个第一数据分组；向存储于缓冲器中的数据添加来自用于该第一目的地地址的至少一个第二数据分组的数据；以及向另一设备或者网关发送聚合数据分组。
在本发明的另一实施例中，公开一种用于工业控制系统的无线传感器网络(WSN)中的通信的方法，所述方法包括：在第一节点接收用于第一目的地地址的至少一个第一数据分组，以及聚合来自该至少一个数据分组的数据与来自去往第一目的地地址的至少一个第二数据分组的数据，形成聚合数据分组，以及向另一节点或者向所述网关发送该聚合数据分组，所述方法还包括：在该第一节点接收用于第一目的地地址的该至少一个第一数据分组；并且计算聚合分组的估计大小，该聚合分组包含来自该至少一个第一数据分组和该至少一个第二数据分组的聚合分组数据；并且将结果与预定最大数据分组大小进行比较。
在本发明的另一实施例中，公开一种用于工业控制系统的无线传感器网络(WSN)中的通信的方法，所述方法包括：在第一节点接收用于第一目的地地址的至少一个第一数据分组，以及聚合来自该至少一个数据分组的数据与来自去往第一目的地地址的至少一个第二数据分组的数据，形成聚合数据分组，以及向另一节点或者向所述网关发送该聚合数据分组，所述方法还包括：在该第一节点接收该第一数据分组；并且重新使用来自该第一数据分组的传输和应用层的至少一个加密块来形成聚合数据分组。
在本发明的一个优选实施例中，公开一种用于工业控制系统的无线传感器网络(WSN)中的通信的方法，所述方法包括：在第一节点接收用于第一目的地地址的至少一个第一数据分组，以及聚合来自该至少一个数据分组的数据与来自去往第一目的地地址的至少一个第二数据分组的数据，形成聚合数据分组，并且向另一节点或者向所述网关发送该聚合数据分组，所述方法还包括：在该第一节点接收该至少一个第一数据分组；并且重新使用来自该第一数据分组的传输和应用层的至少一个加密块；并且添加代表至少一个加密块的大小的另一字节，从而形成聚合数据分组。
在本发明的一个实施例中，公开一种用于工业控制系统的无线传感器网络(WSN)中的通信的方法，所述方法包括：在第一节点接收用于第一目的地地址的至少一个第一数据分组，并且聚合来自该至少一个数据分组的数据与来自去往第一目的地地址的至少一个第二数据分组的数据，形成聚合数据分组，并且向另一节点或者向所述网关发送该聚合数据分组，所述方法还包括：根据源于两个或者更多数据分组的聚合应用数据形成聚合数据分组，其中该聚合数据分组包括传输层，该传输层包括来自第一数据分组的字段和来自每个相继数据分组的字段，从而形成聚合数据分组的。
在本发明的另一实施例中，公开一种用于工业控制系统的无线传感器网络(WSN)中的通信的方法，所述方法包括：在第一节点接收用于第一目的地地址的至少一个第一数据分组，并且聚合来自该至少一个数据分组的数据与来自去往第一目的地地址的至少一个第二数据分组的数据，形成聚合数据分组，并且向另一节点或者向所述网关发送该聚合数据分组，所述方法还包括：布置所述通信的路由和时隙时序，以使得在路由中的每个在先设备在相同路由中的后继设备之前执行发送。
在本发明的一个优选实施例中，公开一种用于工业控制系统的无线传感器网络(WSN)中的通信的方法，所述方法包括：在第一节点接收用于第一目的地地址的至少一个第一数据分组，并且聚合来自该至少一个数据分组的数据与来自去往第一目的地地址的至少一个第二数据分组的数据，形成聚合数据分组，并且向另一节点或者向所述网关发送该聚合数据分组，所述方法还包括：形成聚合数据分组以包括用于实施端到端安全的信息。具体而言，可以通过添加标识部分包括在聚合数据分组中的每个数据分组的发送方的信息来形成用于实施端到端安全的信息，来实现维持端到端安全的这一数据分组聚合方法。通过这一手段，在无线网络安全没有任何下降的情况下实现了数据分组聚合的能量节省。
使用在常规无线网络中的设备之间的数据集合节省了能量并且由此延长网络的寿命。例如，与兼容如无线HART的标准的网络相比，根据网络拓扑，与向相同目的地地址发送系列单独消息相比，本公开的提议方法使得有可能节省接近50％的能量。通过聚合数据，减少了帧中需要的带宽数量，即，可以在网络中支持更多设备或者每个设备可以发送更大数量的数据。
通过减少另外常规无线网络中的所用带宽的另一潜在优点在于，兼容如无线HART的标准的无线网络将更少干扰诸如WLAN、ZigBee、蓝牙等其它周围无线网络，并且具体为在2.4GHzISM频率频带中操作的网络。
无线传感器网络可以出于监视和控制目的而持久或者暂时连接到控制系统，并且广泛使用于多个不同工业环境中，比如像是用于造纸过程、石油和天然气生产过程以及电力生产过程。存在对关于车间设备、电流和历史过程数据、趋势等的信息的持续并且一般越来越多的要求，以实现过程、工业车间和生产设施的监控和控制。这一信息通常由控制系统提供并且通常是以一个或者多个分布式控制系统(DCS)和/或监控控制和数据采集(SCADA)系统的形式。控制系统又依赖于来自传感器、诸如阀等致动器的测量数据、温度测量值、压力测量值等的稳定和及时流。
减少无线传感器设备的能量消耗使网络能够维持更长时段而无需电池更换。减少能量使用的优点在具有数以百计或者千计的无线传感器的工业装置中特别巨大。维修无线传感器设备通常意味着将车间的部分停止若干周，从而在危险区域中实施严格安全例程并且部署熟练工程师和技术人员以对各种设备定位和维修。
利用本发明，无线数据通信安全这一问题得以解决。要求数据通信安全意味着数据被加密并且仅能由读取或者接收节点读取，即端到端安全。尽管要求端到端安全，仍然通过使用描述的方法来实现数据分组聚合。通过取得为了从原有数据分组读取加密数据而必需的信息并且在聚合数据分组中包括它来解决安全要求。因此维持端到端安全，并且没有中间节点可以查看或者访问信息。
在本发明的另一方面中，公开一种布置用于向工业控制系统的包括多个设备节点的无线传感器网络中的网关通信的无线设备，其中无线通信被布置用于聚合源于至少两个数据分组的数据，并且其中无线设备包括电路和存储器存储设备，该电路和存储器存储设备布置有适当指令以实现包括以下步骤的通信路由方法：在第一节点接收用于第一目的地地址的至少一个第一数据分组，并且聚合该至少一个数据分组与去往第一目的地地址的至少一个第二数据分组，形成聚合数据分组，并且向网关或者另一节点发送该聚合数据分组。
在本发明的另一方面中也公开一种计算机程序和一种记录于计算机可读介质上的计算机程序，如计算机程序产品。
附图说明
通过参考与以下附图结合进行的下文具体实施方式，可以更完全地理解本发明的方法和系统：
图1示出了根据本发明第一方面的聚合数据分组的字段、块和时隙的示意框图；
图2(现有技术)示出了根据无线HART标准的数据分组的字段、块和时隙的示意框图；
图3示出了用于图1的根据本发明的方法并且特别是针对用于聚合数据分组并且形成所述聚合数据分组的方法步骤的示意流程图；
图4(现有技术)示出了用于简单无线HART网络的网络图；
图5示出了具有去往网关的最多3跳的简单无线网络；
图6示出了具有去往网关的最多5跳的简单无线网络。
具体实施方式
现在将在下文参照其中示出本发明某些实施例的附图来更完全描述本发明。
图1示出了根据本发明第一方面的聚合数据分组的字段、块和时隙的图。该图示出了聚合数据分组，该数据分组包括传输和应用层100以及网络和安全子层200。物理层400和数据链路层300这两个下层呈现与用于标准数据分组(见图2)相同的聚合数据分组，并且为了清楚而未在图1中加以示出。传输和应用层100包括加密块105和聚合应用数据块110这两个功能块。加密块105包括存在于无线HART标准数据分组(见图2)中的字段，即传输控制、设备状态、扩展设备状态、命令(CMD)、字节计数和数据。
聚合应用数据块110包括两个子块。从右侧起首先是包含数据字段的加密块“加密”115，这些数据字段包括用于数据111、实际测量数据或者其它有效载荷的字段，这些字段来自已经聚合的数据分组的传输和应用层。这些字段与用于无线HART分组(图2)的字段相同，并且如它们在原有分组中那样被加密，因此标注为加密。在向聚合应用数据块110中添加的新字段120即新字节中，描述这一加密块的大小。聚合应用数据块110包括来自已经聚合的数据分组的数据链路层的字段。这些字段包括用于源(Src)地址、SCB、计数器、MIC的字段。
因此，在聚合数据分组内是形式为块105和200的来自第一数据分组的信息；来自已经聚合的第二数据分组的数据和其它信息存在于应用数据110中；可以向右添加聚合的任何相继数据分组，这里在具有标号110n的块…(打点)中指示这些数据分组。
网络&安全子层200基于无线HART分组(图2)的网络和安&全子层。网络&安全子层200与标准无线HART分组不同在于具有包括表示为新字节220的一个或者多个字节的额外字段，该新字节在新字段中描述了加密大小。网络&安全子层200的加密大小字段描述传输&应用层的第一加密块105的大小，即字节数目。
设备可以接收普通无线HART分组或者已由另一设备聚合的分组。接收设备将不会区别对待分组。非常重要需要提到的是，不能执行聚合的设备将把传入的聚合分组视为如同它是普通无线HART分组。当设备被调度执行发送时，它校验它的缓冲器以查看是否存在有具有相同目的地地址的分组。如果设备仅发现具有不同目的地的分组，则它将发送它们作为普通无线HART分组。但是如果发现具有相同目的地地址的两个或者更多分组，则它将试着聚合分组。在IEEE802.15.4标准中指定分组长度的限制(133字节)。
当聚合时，设备将合计加密数据长度加上用于每个分组的9字节未加密字段。它将继续这样做直至达到分组限制(减去通常与物理和数据链路层需要的约30字节相等的开销数量(P头部))或者直至缓冲器无去往相同目的地的分组。在发现待聚合的分组之后，它将开始通过从缓冲器中的具有相同目的地地址的最旧分组复制大量信息来创建新分组。从最旧分组复制物理层和数据链路层字段，并且聚合设备设置网络层中的控制字节位。此位向其它设备通知已经使用聚合。聚合设备将从缓冲器中的最旧分组复制其余控制字节位。
从最旧分组向新分组复制图形ID和目的地地址。除了用于非集成网络设备和用于对路径进行测试或者排除故障之外，很少使用ERI字段。因此，在未使用时字段长度是零。在创建具有上述字段的分组之后，聚合设备开始包括分组特有字段。需要分组特有字段以便在目的地解密分组。聚合设备将为每个分组复制源地址、创建包含加密数据的长度的新字节，其后是SCB、计数器和MIC字段并且最后为加密数据，见图1。聚合设备将不通知在已经聚合的分组与未聚合的分组之间的不同。聚合设备将复制上文提到的字段并且将其它聚合分组视为加密数据。可以在图3中看见提议的聚合算法。
可以通过从原有数据分组取得为了读取加密数据而必需的信息并且将它包括在聚合数据分组中，来解决端到端安全要求。因此维持对端到安全，并且无中间节点可以查找或者访问信息。在聚合数据分组的具有有效载荷数据的加密部分中，包括发送方标识(图1的110Src地址2、200Src地址1)，从而端接收器(110，Dest地址)可以在表中查找发送方标识并且取回正确密钥以解密通信。
图3示出了流程图，该流程图概括根据本发明第一方面的用于聚合来自无线传感器网络中的多个设备节点的无线通信中的数据分组的方法的步骤。该图示出了网络的无线节点(如图4-6中所示节点A-E)中发生的过程。在一个实施例的示例描述中，执行来自图3的以下步骤：
21开始聚合(非空的分组缓冲器)
22获得分组缓冲器中的第一数据分组，取回数据分组，
23向发送缓冲器中插入分组，在待发送的数据分组的发送缓冲器存储第一数据分组；
24在分组缓冲器中有更多分组？，校验是否其它数据分组存在，如果是，则：
25获得下一分组缓冲器分组，取回分组缓冲器中的下一数据分组
26相同地址？，校验该下一数据分组是否具有(与第一数据分组)相同的目的地地址，如果是，则：
27计算新分组大小，校验分组大小是否小于允许最大值，
28如果大小适合，小于预定最大值，即“是”：
25向发送缓冲器中插入分组
如果新分组大小不适合，即“No”，则：
24在分组缓冲器中有更多分组？
24如果“否”，则：
35创建新分组头部，预备新数据分组；
36获得发送缓冲器中的下一分组
37在新数据分组中插入分组特有字段，
38在发送缓冲器中有更多数据分组？，校验在发送缓冲器中是否存在更多数据分组，如果是，则：
36获得下一分组
如果否，则：
39发送新分组，发送新数据分组。
为了概括该过程，接收传入数据分组。在无线节点中聚合向相同目的地地址寻址的两个或者更多数据分组。只要在与预定大小值相比时在全部聚合数据分组中有充分空间，则在节点中聚合来自对相同目的地寻址的不同分组的数据。
因此，在每个无线节点扫描传入数据分组。它可以是普通数据分组或者它可以是聚合数据分组。可以有无线节点已经生成或者以别的方式存储的意欲用于传输的数据分组。无线节点聚合去往相同目的地地址的任何传入分组直至聚合数据分组达到预定最大分组大小，此后发送聚合数据分组。只要未超过最大分组大小，一个或者多个聚合数据分组可以以任何顺序聚合成一个数据分组或者聚合到另一聚合数据分组。
图5示出了具有去往网关GW的最多3个跳跃的简单网络拓扑。假设图5中的设备A是网络中可以与网关直接通信的仅有设备。那么可以在图5中看见从这一拓扑提取的一个可能路由图形。例如调度可以是设备D和E向设备B发送它们的分组。设备B向设备A发送三个分组(设备B自己的加上D和E的分组)。设备C也向设备A发送分组，设备A又向网关发送五个分组(所有分组)。通过聚合设备B、C和A中的数据分组，实现了无线电所使用能量的约34％节省。
处理器能量消耗。利用常规处理器或者微处理器，在发送一比特时的能量消耗等于在处理器中本地执行3000个或者更多MCU指令的能量。本地计算因此能量高效，并且在聚合数据时设备必须执行的额外工作量可以容易变得合理。
为了计算在使用数据分组聚合的网络中的能量节省，假设在使用无线HART时隙时序的最坏情况时序特性的例子中例如使用TexasInstrumentsCC2520无线电[4]。当在图6中所见简单拓扑上应用这一时隙时序并且计算用来从每个设备向网关传送一个分组的能量数量时，获得以下结果。传统无线HART网络使用5.447mJ来在这一拓扑中向网关传送所有分组。当将分组聚合应用于相同拓扑时，网络使用2.718mJ来向网关传送所有分组。使用数据分组聚合可以将图6的拓扑中的无线电的能量使用减少50％以上。
上例表明使用在无线HART兼容网络中的设备之间的数据聚合节省能量并且由此延长网络的寿命。
通过聚合命令还可以减少在超帧中需要的时隙数目，或者可以向网络添加更多设备。通过减少时隙数目，无线HART网络将更少干扰其它周围无线网络、例如WLAN、Zig-Bee、蓝牙。
无线传感器网络也可以连接到无线LAN的节点或者接入点或者网关，和/或可以是运行适合于工业环境的任何无线电协议的另一种类的无线节点，所述无线电协议比如是蓝牙专门兴趣小组(SIG)发布的任何标准、IEEE-802.11、WiFi、超宽带(UWB)、ZigBee或者IEEE-802.15.4、IEEE-802.13或者等效标准的任何变化等。可以使用在ISM频带中(比如在来自ABB的协议中，该协议称为用于传感器和致动器的无线接口(Wisa))工作的无线电技术。控制系统或者分布式控制系统也可以包括使用诸如IrDA、IrCOMM等红外线(IR)装置和协议来实现的无线通信。
如上文在图3和本说明书中的别处描述的用于无线传感器网络中的无线通信的数据分组聚合方法，可以由包括计算机程序单元或者软件代码的计算机应用实现，该计算机程序单元或者软件代码在加载于处理器或者计算机中时使计算机或者处理器实现所述方法步骤。处理数据分组、在一个或者多个缓冲器中保存来自数据分组的数据并且聚合数据分组的功能可以由处理数字功能、算法和/或计算机程序和/或由模拟部件或者模拟电路或者由数字与模拟功能的组合来实现。功能可以由标准处理器或者微处理器或者由硬件或者可配置硬件如现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)或者专用集成电路(ASIC)实现。
本发明的方法可以如先前描述的那样，借助一个或者多个计算机程序来实现，该计算机程序包括运行于计算机或者处理器上并且至少部分存储于存储器中而且因而可由无线节点如节点A-E中的一个或者多个处理器访问的计算机程序代码或者软件部分。该或者每个处理器可以具有存储器存储单元，或者可以连接到另一单元(如过程系统控制单元或者PLC(可编程逻辑控制器))的存储器存储单元或者它的其它系统部分。
计算机程序包括计算机程序码元或者软件代码部分，这些计算机程序码元或者软件代码部分使计算机使用先前描述的算法和/或等式、数据、存储值、预定值和计算来执行数据分组聚合方法。程序的部分可以如上文那样存储于处理器中、但是也可以存储于ROM、RAM、PROM、EPROM或者EEPROM芯片或者相似存储器装置中。程序也可以部分或者全部存储于其它适当计算机可读介质如磁盘、比如CD(紧致盘)或者DVD(数字万用盘)、硬盘、光磁存储器存储装置上或者中、易失性存储器中、闪存中、作为固件、存储于数据服务器上或者一个或者多个数据服务器阵列上。也可以使用其它已知和适当介质，这些介质包括诸如USB记忆棒和其它可拆卸闪存、硬驱动等可拆卸存储器介质。
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应当注意，尽管上文描述了本发明的示例实施例，但是存在可以在未脱离如在所附权利要求书中所限定的本发明的范围的情况下，可对本公开解决方案做出的对此处描述的在无线通信中数据分组聚合方法的若干变化和修改。
Claims (24)
1.一种用于工业控制系统的无线传感器网络(WSN)中的通信的方法，所述网络包括多个设备节点和网关(GW)，所述方法包括聚合源于至少两个数据分组的数据，所述数据分组包括加密部分(105)，其特征在于：
-在第一节点(A)接收用于第一目的地地址的至少一个第一数据分组，
-聚合来自所述至少一个第一数据分组的、包括第一所述加密部分(105)的数据(100，200)与来自去往所述第一目的地地址的至少一个第二数据分组的、包括第二加密部分(115)的数据(110，115)，所述至少一个第二数据分组在所述第一节点处接收且与所述至少一个第一数据分组不同，
-形成聚合数据分组，所述聚合数据分组包括第一所述加密部分(105)以及所述第二加密部分(115)，
-向网络&安全子层(200)添加描述第一所述加密部分(105)的大小(220)的一个或多个字节，以及
-向另一节点或者向所述网关(GW)发送所述聚合数据分组。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述第一节点(A)接收用于所述第一目的地地址的所述至少一个第一数据分组；在分组缓冲器中保存(23)所述至少一个第一数据分组；向存储于所述分组缓冲器中的所述至少一个第一数据分组添加(37)来自用于所述第一目的地地址的所述至少一个第二数据分组的数据(110，115，11n)；以及向另一设备或者网关(GW)发送(39)聚合数据分组。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述第一节点(A)接收用于第一目的地地址的所述至少一个第一数据分组；以及计算所述聚合数据分组的估计大小，所述聚合数据分组包含来自所述至少一个第一数据分组和所述至少一个第二数据分组的聚合分组数据；将结果与预定最大数据分组大小进行比较；以及如果所述聚合数据分组的所述估计大小小于所述预定最大数据分组大小，则从所述第一节点(A)向前发送所述聚合数据分组。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述第一节点(A)接收所述第一数据分组；以及重新使用来自所述第一数据分组的传输和应用层(100)的至少一个加密块(115)以形成所述聚合数据分组。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述第一节点(A)接收所述至少一个第一数据分组；并且重新使用来自所述第一数据分组的传输和应用层(100)的至少一个加密块(115)；以及添加代表所述至少一个加密块(115)的大小的另一字节(120)，从而形成所述聚合数据分组。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：形成源于两个或者更多无线设备的所述聚合数据分组，其中所述聚合数据分组包括网络和安全子层(200)，所述网络和安全子层(200)包括来自所述第一数据分组和来自每个相继数据分组的字段，从而形成所述聚合数据分组。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：形成所述聚合数据分组以包括用于实施端到端安全的信息(Src地址2，Src地址1)。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：布置所述通信方法的路由和时隙时序以使得在路由中的每个在先设备在相同路由中的后继设备之前执行发送。
9.一种布置用于向工业控制系统的无线传感器网络(WSN)中的网关(GW)无线通信的无线设备，该网络包括多个设备节点，其中所述无线通信被布置用于聚合源于至少两个数据分组的数据，所述数据分组包括加密部分(105)，其特征在于：所述无线设备包括电路和存储器存储设备，所述电路和所述存储器存储设备被布置有适当指令以实现包括以下步骤的通信路由方法：
-在第一节点(A)接收用于第一目的地地址的至少一个第一数据分组，
-聚合来自所述至少一个第一数据分组的、包括第一所述加密部分(105)的数据(100，200)与来自去往所述第一目的地地址的至少一个第二数据分组的、包括第二加密部分(115)的数据(110，115)，所述至少一个第二数据分组在所述第一节点处接收且与所述至少一个第一数据分组不同，
-形成聚合数据分组，所述聚合数据分组包括第一所述加密部分(105)以及所述第二加密部分(115)，
-向网络&安全子层(200)添加描述第一所述加密部分(105)的大小(220)的一个或多个字节，以及
-向网关(GW)或者另一节点发送所述聚合数据分组。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：所述无线设备是如下组中的任何设备：无线现场设备、无线传感器、无线仪器、无线仪表、一个或者多个现场设备的无线适配器、集线器、路由器、网络管理器设备、安全管理器设备、网关。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：所述无线设备被配置成兼容于来自如下组中的任何标准或者协议：无线HART、ISA100。
12.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：所述无线设备被布置成至少部分由包括以下组中的任一项的能量存储单元供电：电池、蓄电池、电容器、容电器。
13.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：所述无线设备布置有处理器和存储器存储设备。
14.一种工业控制系统的无线传感器网络(WSN)系统，其包括布置用于向网关(GW)无线通信的多个无线设备节点，其中所述无线通信被布置用于聚合源于至少两个数据分组的数据，所述数据分组包括加密部分(105)，其特征在于：两个或者更多无线设备包括电路和存储器存储设备，所述电路和所述存储器存储设备布置有适当指令以实现包括以下步骤的通信路由方法：
-在第一节点(A)接收用于第一目的地地址的至少一个第一数据分组，
-聚合来自所述至少一个第一数据分组的、包括第一所述加密部分(105)的数据(100，200)与来自去往所述第一目的地地址的至少一个第二数据分组的、包括第二加密部分(115)的数据(110，115)，所述至少一个第二数据分组在所述第一节点处接收且与所述至少一个第一数据分组不同，
-形成聚合数据分组，
-向网络&安全子层(200)添加描述第一所述加密部分(105)的大小(220)的一个或多个字节，以及
-向网关(GW)或者另一节点发送包括第一所述加密部分(105)和以及所述第二加密部分(115)的所述聚合数据分组。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于：所述无线传感器网络(WSN)的至少一个无线设备被布置用于与网关(GW)或者接入点通信。
16.根据权利要求14所述的系统，其特征在于：所述聚合数据分组被布置为包括用于实施端到端安全的信息(Src地址2，Src地址1)。
17.一种用于工业控制系统的无线传感器网络(WSN)中的通信的设备，所述网络包括多个设备节点和网关(GW)，所述设备包括聚合源于至少两个数据分组的数据，所述数据分组包括加密部分(105)，其特征在于所述设备包括：
-用于在第一节点(A)接收用于第一目的地地址的至少一个第一数据分组的装置，
-用于聚合来自所述至少一个第一数据分组的、包括第一所述加密部分(105)的数据(100，200)与来自去往所述第一目的地地址的至少一个第二数据分组的、包括第二加密部分(115)的数据(110，115)的装置，所述至少一个第二数据分组在所述第一节点处接收且与所述至少一个第一数据分组不同，
-用于形成聚合数据分组的装置，所述聚合数据分组包括第一所述加密部分(105)以及所述第二加密部分(115)，
-用于向网络&安全子层(200)添加描述第一所述加密部分(105)的大小(220)的一个或多个字节的装置，以及
-用于向另一节点或者向所述网关(GW)发送所述聚合数据分组的装置。
18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于包括：用于在所述第一节点(A)接收用于所述第一目的地地址的所述至少一个第一数据分组的装置；用于在分组缓冲器中保存(23)所述至少一个第一数据分组的装置；用于向存储于所述分组缓冲器中的所述至少一个第一数据分组添加(37)来自用于所述第一目的地地址的所述至少一个第二数据分组的数据(110，115，11n)的装置；以及用于向另一设备或者网关(GW)发送(39)聚合数据分组的装置。
19.根据权利要求17所述的设备，其特征在于包括：用于在所述第一节点(A)接收用于第一目的地地址的所述至少一个第一数据分组的装置；以及用于计算所述聚合数据分组的估计大小的装置，所述聚合数据分组包含来自所述至少一个第一数据分组和所述至少一个第二数据分组的聚合分组数据；用于将结果与预定最大数据分组大小进行比较的装置；以及用于如果所述聚合数据分组的所述估计大小小于所述预定最大数据分组大小，则从所述第一节点(A)向前发送所述聚合数据分组的装置。
20.根据权利要求17所述的设备，其特征在于包括：用于在所述第一节点(A)接收所述第一数据分组的装置；以及用于重新使用来自所述第一数据分组的传输和应用层(100)的至少一个加密块(115)以形成所述聚合数据分组的装置。
21.根据权利要求17所述的设备，其特征在于包括：用于在所述第一节点(A)接收所述至少一个第一数据分组的装置；以及用于重新使用来自所述第一数据分组的传输和应用层(100)的至少一个加密块(115)的装置；以及用于添加代表所述至少一个加密块(115)的大小的另一字节(120)，从而形成所述聚合数据分组的装置。
22.根据权利要求17所述的设备，其特征在于包括：用于形成源于两个或者更多无线设备的所述聚合数据分组的装置，其中所述聚合数据分组包括网络和安全子层(200)，所述网络和安全子层(200)包括来自所述第一数据分组和来自每个相继数据分组的字段，从而形成所述聚合数据分组。
23.根据权利要求17所述的设备，其特征在于包括：用于形成所述聚合数据分组以包括用于实施端到端安全的信息(Src地址2，Src地址1)的装置。
24.根据权利要求17所述的设备，其特征在于包括：用于布置所述通信方法的路由和时隙时序以使得在路由中的每个在先设备在相同路由中的后继设备之前执行发送的装置。
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