CN102934407B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于无线传感器网络(WSN)中的无线设备节点和工业控制系统(ICS)的控制设备或控制过程之间的通信的方法。无线网络包括多个设备节点和至少一个网关(GW)。方法包括在网关处接收针对ICS中的最终地址的聚集的数据包(ADP)。网关处理数据包，检测到其是聚集的数据包并重构在其中包括的原始数据包。网关随后将每个原始数据包作为标准数据包发送到ICS中的期望的最终目的地。在本发明的其他方面中，描述了用于执行方法的方法、系统和计算机程序。

Description

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
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。
使电池供电的设备的能耗最小化非常重要。通常而言，在大多数情况下为每个感测到的数据值发送一个数据包是低能效的。在一些情况下，可以使用数据聚集、原始数据的聚集。被转让给SiemensBuilding Tech AG的题为“Wireless building control architecture”的欧洲专利EP 1626532描述了建筑物自动化系统，特别是实现了建筑物系统(其中聚集了传感器或致动器数据的集合或群)的自动化的无线建筑物控制架构。
在许多数据通信技术中数据聚集用于增加吞吐量。在例如IEEE802.11e和802.11n中，帧聚集用于通过在单个传输中发送两个或更多个数据帧来增加吞吐量[5]。在IEEE 802.11n标准中定义了两个不同类型的帧聚集：MAC服务数据单元(MSDU)聚集和消息协议数据单元(MPDU)。对于无线传感器网络(WSN)，存在一些会议论文提及了在网络中聚集数据。例如，Krishnamachari等人在论文“Impact of Data Aggregation in Wireless Sensor Networks”(B.Krishnamachari，D.Estrin，and S.B.Wicker，in Proc.2d InternationalConference on Distributed Computing Systems Workshop，2002)中描述了WSN可以通过利用数据聚集来在节能方面受益。该文章关注与在无线传感器网络中使用的端到端路由形成对比的数据中心路由的模型。其将数据中心路由与传统的端到端路由方案的性能进行比较。然而，他们的工作更多地关注于路由而不是如何实际进行数据聚集。转让给朗讯公司的名称为“Method of frame aggregation”的欧洲专利EP1538806A1描述了用于动态地聚集帧以传输语音数据，从而利用信道中的可用带宽的变化来在有限的带宽中传输更多数据的方法。已经描述了蜂窝网络的帧聚集，其中通过动态地改变取决于用于传送语音和/或数据的信道特性的聚集的数据包尺寸来形成物理层。物理层帧对应于具有至少两个内容帧和至少一个IP头的净荷。上述方法用于解决带宽和语音帧的问题。
然而，在适合于工业使用的所有无线协议中均不支持数据包聚集。例如，WirelessHART标准的上述版本并没有定义被构造为促进不同设备之间的数据聚集的数据包。这意味着对于常规的无线网络中的无线现场设备生成的每个数据项，所发送的数据包将必须自始至终地从设备行进到目的地，而与设备的尺寸无关。所有这些传输消耗了有限的能量供应的无线设备中的大量能量。此外，对传送的数据的安全性的需要意味着数据要被加密且仅能够被发送或接收节点读取，即通过端到端安全性来保护数据。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题中的一个或多个。通过由权利要求1表征的方法来获取这些和其他目的。
在本发明的第一方面中，公开了一种用于无线传感器网络的设备节点和工业控制系统的控制设备之间的通信的方法，所述网络包括多个所述设备节点和网关，所述方法包括从所述网络的所述设备节点接收数据包，包括如下动作：检查在网关处接收的来自所述网络中的所述设备节点的所述接收到的数据包，并查看针对数据包聚集的至少一个指示符的存在，当找到至少一个数据包聚集指示符时，通过如下步骤来重构在所聚集的数据包中包括的第一数据包：获取所述第一数据包的源地址，根据所述源地址从所述第一数据包提取数据，重构所述第一数据包，并将所重构的第一数据包发送到所述工业控制系统。
根据另一实施例，提供了用于无线传感器网络的设备节点和工业控制系统的控制设备之间的通信的方法，所述网络包括多个所述设备节点和网关，所述方法包括从所述网络的所述设备节点接收数据包，包括如下动作：检查在网关处接收的来自所述网络中的所述设备节点的所述接收到的数据包，并查看针对数据包聚集的至少一个指示符的存在，并且通过获取与源地址相关联的解密密钥，对一个或多个应用数据部分进行解密并从所述第一数据包提取所述数据。
根据另一实施例，提供了一种用于无线传感器网络的设备节点和工业控制系统的控制设备之间的通信的方法，所述网络包括多个所述设备节点和网关，所述方法包括从所述网络的所述设备节点接收数据包，包括如下动作：检查在网关处接收的来自所述网络中的所述设备节点的所述接收到的数据包，并查看针对数据包聚集的至少一个指示符的存在，并且以与工业标准兼容的格式重构所述第一数据包数据。
根据另一实施例，提供了一种用于无线传感器网络的设备节点和工业控制系统的控制设备之间的通信的方法，所述网络包括多个所述设备节点和网关，所述方法包括从所述网络的所述设备节点接收数据包，包括如下动作：检查在网关处接收的来自所述网络中的所述设备节点的所述接收到的数据包，并查看针对数据包聚集的至少一个指示符的存在，并且查看通过所接收到的聚集的数据包的网络层或安全层的字段中的一个或多个位或字节示出的针对数据包聚集的至少一个指示符。
根据另一个实施例，提供了一种用于无线传感器网络的设备节点和工业控制系统的控制设备之间的通信的方法，所述网络包括多个所述设备节点和网关，所述方法包括从所述网络的所述设备节点接收数据包，包括如下动作：检查在网关处接收的来自所述网络中的所述设备节点的所述接收到的数据包，并查看针对数据包聚集的至少一个指示符的存在，在找到第二数据包聚集指示符时，重构在所述聚集的数据包中包括的第二数据包，以及将所重构的第二数据包发送到工业控制系统。
根据另一个实施例，提供了一种用于无线传感器网络的设备节点和工业控制系统的控制设备之间的通信的方法，所述网络包括多个所述设备节点和网关，所述方法包括从所述网络的所述设备节点接收数据包，包括如下动作：检查在网关处接收的来自所述网络中的所述设备节点的所述接收到的数据包，并查看针对数据包聚集的至少一个指示符的存在，重构针对在所述聚集的数据包中包括的第一目的地地址的第一数据包，从所述第一数据包提取包括来自安全子层、传输层或应用层的任何一个的字节的数据，并将所述第一数据包发送到最终目的地地址。
根据另一个实施例，提供了一种用于无线传感器网络的设备节点和工业控制系统的控制设备之间的通信的方法，所述网络包括多个所述设备节点和网关，所述方法包括重构针对在所述聚集的数据包中包括的第一目的地地址的第一数据包，从所述第一数据包提取并解密包括来自安全子层、传输和应用层的任何一个的控制字节或数据的数据，并将所述第一数据包发送到最终目的地地址。
在传统的无线网络中的设备之间使用数据聚集能够节省能量，并从而延长网络的寿命。例如，与兼容于诸如WirelessHART之类的标准的网络形成对比，根据网络拓扑，使用所公开的方法使得可以节约大约50％的无线电收发机能量(与将一系列的单独的消息发送到相同的目的地地址相比)。通过聚集数据，帧中所需的带宽量减小，即在网络中可以支持更多的设备，或者每个设备可以发送更多的数据。
减小其他的传统无线网络中的使用的带宽的另一个潜在优势在于，与诸如WirelessHART之类的标准兼容的无线网络与其他的周围环境无线网络(例如WLAN，ZigBee，蓝牙等，并且特别是以2.4GHzISM频带进行操作的网络)之间的干扰减小。
无线传感器网络可以永久地或临时地连接到控制系统以用于监视和控制目的，并且被广泛地应用在各种不同的工业环境中，例如用于纸浆和纸加工过程，油气生产过程和电力生产过程。
对与工厂设备、当前和历史过程数据、趋势等相关的信息存在持续和通常不断增加的需求，以执行过程、工业设备和生产设施的控制的监视和控制。该信息通常由控制系统提供，并且一般为一个或多个分布式控制系统(DCS)和/或监督控制和数据获取(SCADA)系统的形式。控制系统继而依赖于稳定和及时的来自传感器、诸如阀之类的致动器、温度测量、压力测量等的测量数据流。
无线传感器网络可以被作为传统或替换的改进项目安装在已经具有传统的硬线现场设备、传感器和传感器数据网络的工厂中。无线系统的该改进非常有益，这是因为不需要实施作为新数据线缆的对现有的设施的最小中断。同样，通过将具有最小中断的更多的节能传感器网络提供给现有的基础设施和生产，能够实现无线传感器网络的临时安装。
减小无线传感器设备的能耗使得在无需更换电池的情况下可以将网络保持更长的时期。在具有数百个或数千个无线传感器的工业设施中，节能的优势尤为显著。维护无线传感器设备通常意味着在要将工厂的一些部分停止几个星期，在危险区域实施严格的安全例程，并且部署有经验的工程师和技术人员来定位和维护各种设备。
利用本发明，解决了数据的无线通信的安全性的一个问题。对数据通信的安全性的需求意味着数据被加密并且仅可以由发送或接收节点来读取，即端到端的安全性。通过使用所描述的方法，实现了数据包聚集，而不考虑端到端的安全性的需求。通过获取从原始数据包读取加密的数据所需的信息并将其包括在聚集的数据包中来解决安全性的需求。从而维持了端到端的安全性，同时没有中间节点可以查询或访问信息。
在本发明的另一个方面中，公开了布置为用于无线传感器网络中的设备节点和包括多个所述设备节点的工业控制系统的控制设备之间的通信的一种无线网关设备，其中所述网关被布置为从所述传感器网络接收数据包，并且其中所述网关包括被布置有适当指令来执行包括如下步骤的通信方法的电路和存储器存储设备：检查来自所述网络中的所述设备节点的在所述网关处的所述接收到的数据包，并查看至少一个数据包聚集指示符的存在，当找到至少一个数据包聚集指示符时，通过如下步骤来重构在所聚集的数据包中包括的第一数据包：a)获取所述第一数据包的源地址，b)根据所述源地址从所述第一数据包提取数据，c)重构所述第一数据包，并将所重构的第一数据包发送到所述工业控制系统。
根据实施例，所述网关可以是被布置为包括如下各项的组中的任何一个的设备：无线现场设备、无线传感器、无线仪器、无线仪表、一个或多个现场设备的无线适配器、集线器、路由器、接入点、网络管理器设备、安全管理器设备。
在本发明的另一个方面中，公开了一种工业控制系统的无线传感器网络系统，所述工业控制系统包括被布置为用于到网关的通信的多个无线设备节点，其中所述无线通信被布置为聚集源自至少两个数据包的数据，并且其中两个或更多的无线设备节点包括电路和存储器存储设备，所述电路和存储器存储设备被布置有适当的指令来执行数据包聚集的方法，并且至少一个网关被布置为用于通过执行以下的步骤来检测和处置聚集的数据包：检查来自所述网络中的设备节点的在所述网关处的所述接收到的数据包，并查看至少一个数据包聚集指示符的存在，当找到至少一个数据包聚集字节时，通过如下步骤来重构在所聚集的数据包(ADP)中包括的第一数据包：a)获取所述第一数据包的源地址，b)根据所述源地址从所述第一数据包提取数据，c)重构所述第一数据包，并将所重构的第一数据包发送到所述工业控制系统。
在本发明的另一方面中，公开了计算机程序、在诸如计算机程序产品之类的计算机可读介质上记录的计算机程序，以执行上述的用于包括多个设备节点的工业控制系统的无线传感器网络和工业控制系统的控制设备之间的无线通信的方法。
附图说明
参照以下结合附图的详细描述，可以获得本发明的方法和系统的更完整的理解，在附图中：
图1示出了根据本发明第一方面的无线传感器网络和工业控制系统的节点之间的无线网关处置聚集数据包和/或标准数据包的示意性框图；
图2示出了根据图1的根据本发明第一方面的聚集的数据包的字段、块和时隙的示意性框图；
图3(现有技术)示出了根据WirelessHART标准的数据包的字段、块和时隙的示意性框图；
图4示出了根据图1中的发明的方法(特别是方法步骤)的用于重构在聚集的数据包中包括的每个原始数据包以形成两个或更多个数据包的方法；
图5示出了根据图1中的发明的方法(特别是方法步骤)的用于聚集数据包并形成所述聚集的数据包的方法的示意性流程图；
图6(现有技术)示出了简单的WirelessHART网络的网络图；图7示出了最多3跳到网关的简单的无线网络；图8示出了最多5跳到网关的简单的无线网络。
具体实施方式
下面参照示出了本发明特定实施例的附图更完整地描述本发明。在整个说明书中相似的数字指代相似的元素。
可以通过作为无线传感器网络中的节点进行操作的无线现场设备来聚集来自一个或多个无线现场设备的意在去往相同的最终目的地地址的数据包。因此相同的最终目的地地址的多个数据包可以被聚集，并且被作为一个聚集的数据包而不是作为两个或更多个分离的数据包被跨过无线网络发送。在网关处，聚集的数据包在工业控制系统中被识别，并且被处理以向前传输到传感器数据或测量数据已经被发送到的控制设备或控制过程。
图1示出了由向左指向的箭头指示的与工业控制系统ICS相连接的无线传感器网络WSN。无线传感器网络WSN包括网关GW、无线接入点AP和多个无线设备A-E。该图还示意性地示出了由一个无线设备A经由无线网络接入点AP传输到网关GW的聚集的数据包ADP。在所示的示例性实例中，聚集的数据包ADP包括先前已经被聚集到单个聚集的数据包ADP中的四个数据包P1-P4。示意性示出的网格包括重构器过程。该重构器过程提取每个数据包P1-P4中的数据，并且网关将分离的数据包P1-P4作为标准数据包发送到工业控制系统ICS中的它们的目的地上。这样的标准数据包可以与来自于Profibus、Profinet、Modbus、Fieldbus Foundation的组中的任何标准相兼容。
图4示出了上述方法的实施例的流程图。图4示出了
51从数据链路层接收的数据包-在网关节点处接收任何数据包；
53检测数据包以寻找聚集的数据包ADP的指示符-通过网关中的过程RC来检查数据包以查看其是否包括用于聚集的指示符；
如果为“否”，则59(作为标准数据包发送)
如果为“是”，则
54检查指示符并获取在ADP中包括的第一数据包的尺寸-读取指示符，获取数据包尺寸；
55获取ADP中包括的第一数据包中的数据-
56对ADP中包括的第一数据包中的数据进行解密-使用通过查询数据包源地址(Src地址)找到的解密密钥；
57处理在ADP中包括的第一数据包-格式化或者以其他方式设置数据包以作为标准数据包从网关向前传输到最终目的地；
59将标准数据包发送到到数据包的最终目的地的主机系统-发送到主机最终目的地的标准数据包一例如ICS中的控制器或者发送到其他监视或控制设备或者发送到控制过程。
因此，使用不同的标准WirelessHART包结构中的较小变化以指示是否已经使用了不同网络设备之间的命令聚集，即数据包聚集。WirelessHART标准具有控制字节，该控制字节具有在网络层中并未使用的多个保留位；这些位之一可以被用作指示符以表明是否使用了不同网络设备之间的命令聚集。需要在每个数据包的网络层中包括附加的额外字节以进行聚集，以便表明构成命令的加密数据的尺寸。
当通过网关从无线传感器网络接收到数据包并且网关中的网络层从数据链路层获取数据包时，根据本发明的实施例，其检查(53之上)控制字节位。如果该位并未被置位，则将该数据包作为标准WirelessHART数据包进行处置。
1.如果该位被置位，则该网关需要处置在不同的网络设备之间聚集的一个或多个命令。
2.该网关根据所需的额外字节来检查第一命令的尺寸(54之上)。
3.在提取包括安全子层、传输层和应用层的字节的适当的数据量(55之上)之后，网关将解密(56)并处理数据包(57)，并将其发送(59)到主机系统。
4.在将数据发送到主机系统之后，网关将继续从下一额外包括的字节中读取第二命令的尺寸，并执行与3中所述的过程相同的过程。
5.网关继续进行直到所有命令被发送到主机系统为止。
如果网关在其缓存器中具有去往WSN中的网络设备的多个数据包，则其在发送之前聚集这些数据包。
图1还示出了在不同的网络设备之间发送具有聚集的命令P1到P4的数据包的方法。聚集的数据包可以从网路设备行进到网关或者从网关行进到网络设备。如果网关从网络设备接收到聚集的数据包，则其在重构器过程RC中解析该数据包，并创建所发送的原始命令，并将这些命令发送到主机系统。如果网关从例如被寻址到网络设备的主机系统获取多个命令，则网关可以在发送数据包之前聚集命令。
诸如无线设备A-E(图1)之类的无线传感器网络中的每个节点在无线网络中具有地址。每个节点可以将包括测量结果、状态数据和控制信息等的数据包发送到主机系统中的特定监视或控制单元，其中在这种情况下主机系统表示工业控制系统ICS。这些数据包被形成为兼容于在WSN中使用的无线电协议或标准，诸如WirelessHART标准之类的标准。
下面是对如何通过作为无线传感器网络中的节点进行操作的无线现场设备来聚集意在去往相同的最终目的地地址的数据包的解释。图2示出了根据本发明另一方面的聚集的数据包的字段、块和时隙的图示。该图示出的聚集的数据包ADP包括传输和应用层100和网络和安全子层200。当前的聚集的数据包的两个较低层，即物理层400和数据链路层300与标准数据包(参见图3中的现有技术)的相同，并且出于清楚的目的并未在图2中示出。传输和应用层100继而包括两个功能块，加密块105和聚集的应用数据块110。加密块105包括在WirelessHART标准数据包(参见图3)中呈现的字段，即传输控制、设备状态、扩展的设备状态、命令(CMD)、字节计数和数据。
在图2中，聚集的应用数据块110包括两个子块。从右边起，首先是来自已经聚集的数据包的传输和应用层的、包括数据字段的加密块Enciphered115，所述数据字段包括用于数据111、实际测量数据或其他净荷的字段。这些字段基本上与WirelessHART数据包(图3)中的相同，并且像如同它们在原始数据包中那样被加密，从而标记为Enciphered。在新字段120，其是被增加到聚集的应用数据块110中的新字节中描述了该加密块的尺寸。聚集的应用数据块110包括来自已经被聚集的数据包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。
因此在聚集的数据包中是块105和200的形式的来自第一数据包的信息；来自已经聚集的第二数据包的数据和其他信息被呈现在应用数据110中；被聚集的任何连续数据包被增加到右侧，在这里利用索引号110n以块...(点号)指示。
网络和安全子层200基于WirelessHART数据包的网络和安全子层(图3)。网络和安全子层200与标准WirelessHART数据包的不同之处在于具有额外字段，该额外字段包括被示出为描述新字段中的加密的尺寸的新字节220的一个或多个字节。网络和SS层200的加密的尺寸的字段描述了传输和应用层的第一加密块105的尺寸和字节数量。
设备可以接收明文的WirelessHART数据包或由另一设备已经聚集的数据包。接收设备不会有差异地处理该数据包。重要的是注意不能够执行聚集的设备将看到到来的聚集的数据包，仿佛其是普通的WirelessHART数据包那样。当设备被调度以进行发送时，其检查其缓存器以查看是否存在具有相同目的地地址的数据包。如果设备仅找到具有不同目的地的数据包，则其将它们作为普通的WirelessHART数据包进行发送。但如果找到具有相同目的地地址的两个或更多个数据包，其将试图聚集数据包。在IEEE 802.15.4标准[2]中指明了数据包长度的限制(133字节)，其中数据包中的净荷最多可以为127字节，数据包括来自至多六个不同层的信息。
当进行聚集时，设备将对编码的数据长度加上每个数据包的9字节的未加密的字段进行加和。这将持续进行直到到达数据包限制(减去物理和数据链路层所需的通常等于大约30字节的开销量(Pheader))为止或者直到缓存器对于到相同目的地的数据包为空为止。在发现数据包聚集后，其通过从缓存器中具有相同目的地地址的最老的数据包复制大量信息来开始创建新数据包。从最老的数据包复制物理层和数据链路层字段，并且聚集设备在网络层中设置控制字节位。该位向其他设备告知已经使用了聚集。聚集设备将从缓存器中的最老的数据包复制剩余的控制字节位。
从最老的数据包向新数据包复制图形ID和目的地地址。很少使用ERI字段；并且当不使用时字段长度为零。在创建具有上述字段的数据包之后，聚集设备开始包括数据包的特定字段。需要数据包的特定字段以便在目的地处对数据包进行解密。聚集设备将针对每个数据包复制源地址、创建包含跟随有SCB、计数器和MIC字段以及最后为加密的数据的加密的数据的长度的新字节，参见图2。聚集设备将不通知已经聚集的数据包和非聚集的数据包之间的差异。聚集设备将复制上述字段并将其他聚集的数据包作为加密的数据来对待。在图5中示出了所提出的聚集算法。
通过获取从原始数据包读取加密数据所需的信息并且将其包括在聚集的数据包中来解决端到端的安全性要求。因此维持端到端的安全性，并且没有中间节点可以查询或访问信息。发送方标识(图2中的110源地址2、200源地址1)被包括在具有净荷数据的聚集的数据包的加密部分中，从而端接收机(110，目的地地址)可以在表中查询发送方标识并获取正确的密钥来对通信进行解密。
图5是根据本发明一个方面的总结从无线传感器网络中的多个设备节点聚集无线通信中的数据包的方法中的步骤的流程图。该图示出了在诸如图1、7和8中示出的节点A-E中之类的网络中的无线节点中进行的过程。在实施例的示例性的描述中，执行图5中的以下步骤：
21开始聚集(非空数据包缓存器)
22获得数据包缓存器中的第一数据包；数据包被获取，
23将数据包插入到发送缓存器中；在要被发送的数据包的发送缓存器中存储第一数据包；
24数据包缓存器中存在更多的数据包？检查是否存在其他的数据包，如果为是
25获得下一个数据包缓存器(Packet Buffer)数据包，获取数据包缓存器中的下一个数据包
26相同地址？，检查下一个数据包是否具有(与第一数据包)相同的目的地地址，如果为是
27计算新数据包的尺寸，检查数据包尺寸小于所允许的最大值
28如果尺寸可以，小于预定最大值，为是，
25将数据包插入到发送缓存器中
如果新数据包的尺寸不可用，为否，则
24数据包缓存器中存在更多的数据包？
24如果为否，则
35创建新数据包头，制备新数据数据包；
36获取发送缓存器中的下一个数据包
37在新数据包中插入特定数据包的字段
38在发送缓存器中存在更多的数据包？，检查在发送缓存器中是否存在更多的数据包，如果为是
36获得下一个数据包
如果为否
39发送新数据包，发送新数据包。
总结该过程，接收到来的数据包。寻址到相同的目的地地址的两个或更多个数据包被聚集到无线节点中。来自寻址到相同目的地的不同的数据包的数据被聚集到节点中，只要与预定的尺寸值相比在总聚集的数据包中存在足够的空间即可。
从节点起源的每个数据包包括数据包从其起源的特定的无线节点(A-E)的无线系统地址。该节点标识符被优选地写入到数据链路层的被称为源地址(在这里被缩写为Src地址)的预留时隙中。优选地，在安装或工程阶段预先配置每个源地址，从而通常来自每个节点的数据被发送到工业控制系统中的选择的控制器或其他选择的控制单元。因此，例如可以构造表格，从而每个无线网络地址，Src地址，匹配到所选择的控制单元的主机系统中的预定地址，所选择的控制单元会从预先配置的源地址接收来自所选择的节点的数据。由重构器过程或与网关GW相关联的其他过程将该表格或用于匹配源地址和预先配置的最终目的地的其他机制布置为可读。
重构器过程RC是被布置为重构在聚集的数据包ADP中包括的任何数据包(P1-P4)的电路或应用或这两者的组合。重构器过程可以在网关的主处理器中或者在另一个处理器或电路中运行。
跨WSN发送的标准数据包可以将网关作为头或数据包的其他时隙中的目的地地址。当数据包到达无线网络中的网关时，网关读取数据包。网关在确定被寻址到网关的数据包之后，处理数据包以确定数据包将会被发送到主机系统，工业控制系统中的哪个地址。
找到主机系统中的最终目的地的地址的一个方法是找到源地址，并且将源地址与表格中的主机系统中的地址进行匹配。通常重构器过程RC将该步骤作为重构器过程的一部分执行。该方法具有在工程阶段预先配置源地址，从而已经判断出无需被改变的优势，并且还具有以非常低的资源需求来使用查询表来匹配地址位置的益处。
因此，在每个无线节点处扫描到来的数据包。其可以是普通的数据包或者其可以是聚集的数据包。可能已经存在无线节点已经生成的或者已经为传输存储的数据包。无线节点聚集意在相同目的地地址的任何到来的数据包，直到聚集的数据包到达预定的最大数据包尺寸为止，之后发送聚集的数据包。一个或多个聚集的数据包可以以任何顺序被聚集到数据包中或另一聚集的数据包中，只要不超过最大的数据包尺寸即可。
图7示出了最多3跳到网关GW的简单的网络拓扑。假设图7中的装置A是网络中能够与网关进行直接通信的唯一装置。那么在图7中可以看到从该拓扑提取的一个可能的路由图。例如，调度可以是装置D和E将它们的数据包发送到装置B。装置B将三个数据包(装置B自己的数据包，加上D和E的数据包)发送到装置A。装置C还将数据包发送到装置A，装置A继而发送五个数据包(所有数据包)到网关。通过在设备B、C和A中聚集数据包，节省了无线电使用的大约34％的能量。
处理器能耗。对于常规的处理器或微处理器，当发送一位时的能耗等于在处理器中本地执行多达3000或更多的MCU指令的能量。因此，本地计算是高能效的，并且可以容易地判断当聚集数据时需要执行的额外工作设备。
为了使用数据包聚集计算网络中的节能量，在示例中假设例如使用德州仪器公司的CC2520无线电器件[3]，其中使用WirelessHART时隙定时的最差情形定时行为。将该时隙定时应用到图8中示出的简单拓扑，并计算用于将一个数据包从每个设备传输到网关的能量的量，从而得到以下的结果。在该拓扑中，传统的WirelessHART网络使用5.447mJ来将所有的数据包发送到网关。当将数据包聚集应用到相同的拓扑时，网络使用2.718mJ来将所有的数据包传输到网关。使用数据包聚集可以将图8的拓扑中的无线电器件的能量使用降低超过50％。
上述示例示出了在WirelessHART兼容网络中的设备之间使用数据聚集节省能量，从而延长网络的寿命。
而且通过聚集命令(参见图2中的Cmd 105和Cmd 103，115)，可以减小超级帧中需要的时隙的数量，或者可以将更多的设备增加到网络。通过减小时隙的数量，WirelessHART网络与其他周围无线网络(例如WLAN、Zig-Bee、蓝牙)之间的干扰将会减小。
无线传感器网络WSN还可以连接到无线LAN的节点或接入点或网关，和/或可以是运行适合于工业环境的任何无线电协议(例如由蓝牙特别兴趣组(SIG)发布的任何标准、IEEE-802.11的任何变形、WiFi、超宽带(UWB)、ZigBee或IEEE-802.15.4、IEEE-802.13或其对等物或类似物)的另一种类的无线节点。可以使用例如在来自ABB的被称为传感器和致动器无线接口(Wisa)的协议中的ISM带中工作的无线电技术。控制系统或分布控制系统还可以包括使用红外线(IR)模块和诸如IrDA或IrCOMM之类的协议执行的无线通信。
可以通过计算机应用来执行上面在图1、4-5、7、8以及本说明书中的其他位置描述的用于无线传感器网络中的无线通信的数据包聚集的方法，所述计算机应用包括计算机程序单元或软件代码，这些计算机程序单元或软件代码被加载到处理器或计算机中时，使得计算机或处理器执行方法步骤。通过处理数字函数、算法和/或计算机程序和/或通过模拟部件或模拟电路或通过数字和模拟功能的组合来执行处理数据包、保存来自一个或多个缓存器中的数据包的数据和聚集数据包的功能。可以通过标准的处理器或微处理器或通过诸如现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)或专用集成电路(ASIC)之类的硬件或可配置硬件来执行功能。
如先前所述，可以通过包括计算机程序代码或软件部分的一个或多个计算机程序来执行本发明的方法，所述计算机程序代码或软件部分运行在计算机或处理器上并且至少部分存储在存储器中，从而可以由诸如节点A-E之类的无线节点中的一个或多个处理器访问。所述或每一个处理器可以具有存储器存储单元，或者可以连接到诸如过程系统控制单元或PLC(可编程逻辑控制器)或其他系统部分之类的另一单元的存储器存储单元。
计算机程序还包括计算机程序代码单元或软件代码部分，所述计算机程序代码单元或软件代码部分使得计算机使用先前所述的算法和/或公式、数据、存储值、预定值和计算来执行数据包聚集的方法。程序的一部分不仅可以被存储在上述的处理器中，而且可以被存储在ROM、RAM、PROM、EPROM或EEPROM芯片或类似的存储器模块中。程序的一部分或整体还可以被存储在其他适当的计算机可读介质中，例如磁盘(例如CD(压缩盘)或DVD(数字多用途盘))、硬盘、磁光存储器存储模块、易失性存储器、闪速存储器、作为固件，或者存储在数据服务器中或数据服务器的一个或多个阵列中。还可以使用其他已知的适当的介质，包括可移除存储器介质，例如USB存储器棒和其他可移除闪速存储器、硬盘等。
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应当理解的是，尽管在上面描述了本发明的示例性实施例，但还存在处置或重构这里描述的无线通信中的聚集的数据包的方法(特别是获得最终目的地地址的方法)的各种修改和变形，可以对本发明进行这样的修改和变形而不偏离由所附权利要求界定的本发明的范围。

Claims (17)

1.一种用于无线传感器网络(WSN)的设备节点和工业控制系统的控制设备之间的通信的方法，所述网络包括多个所述设备节点和网关(GW)，所述方法包括：
-从所述网络的所述设备节点接收数据包，所述数据包包括至少一个加密的部分(105)，
-检查在所述网关处接收的来自所述网络(WSN)中的所述设备节点(A-E)的所述接收到的数据包，并查看针对数据包聚集的指示聚集的数据包(ADP)的至少一个指示符的存在，
-当找到至少一个数据包聚集指示符时，通过如下步骤来重构在所聚集的数据包(ADP)中包括的第一数据包(105，200)：
a)获取所述第一数据包的源地址(200-源地址)，并且获取与所述源地址相关联的解密密钥，
b)从所述第一数据包提取数据，并使用所述密钥对所述第一数据包的一个或多个加密的数据部分(105)进行解密，以及
-将所述重构的第一数据包发送到所述工业控制系统(ICS)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
查看通过所接收到的聚集的数据包(ADP)的网络层或安全层的字段中的一个或多个位或字节示出的、针对数据包聚集的至少一个指示符。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
查看通过所接收到的聚集的数据包(ADP)的应用层或传输层的字段中的一个或多个位或字节示出的、针对数据包聚集的至少一个指示符。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
-在找到第二数据包聚集指示符时，通过以下步骤重构在所述聚集的数据包(ADP)中包括的第二数据包(110，110n)：
a)获取所述第二数据包的源地址(110-源地址，110n-源地址)，并且获取与所述源地址相关联的解密密钥，
b)从所述第二数据包地址提取数据，并且解密所述第二数据包的一个或多个加密的数据部分(110，110n)，以及
-将所述重构的第二数据包发送到所述工业控制系统。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
一旦已经重构了在所述聚集的数据包(ADP)中包括的每个数据包，就继而将所述第一数据包(105，200)和第二数据包(110，110n)发送到所述工业控制系统(ICS)。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
在已经重构了在所述聚集的数据包中包括的所有数据包之后，将所述第一数据包(150，200)和第二数据包(110，110n)发送到所述工业控制系统(ICS)。
7.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，
重构在所述聚集的数据包(ADP)中包括的针对第一目的地地址的第一数据包，从所述第一数据包提取并解密包括来自安全子层(200)、传输和应用层(100)的任何一个的控制字节或数据的数据，并将所述第一数据包发送到最终目的地地址。
8.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，
根据所述第一数据包的传输和应用层(100)重构所述第一数据包并重新形成加密块(115)。
9.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，
重构包括来自所述第一数据包的字段的网络和安全子层(200)。
10.一种无线网关设备(GW)，被布置为用于无线传感器网络(WSN)中的设备节点和包括多个所述设备节点的工业控制系统的控制设备之间的通信，其特征在于，所述网关(GW)被布置为从所述传感器网络接收数据包，所述数据包包括至少一个加密的部分(105)，所述网关(GW)包括：
-用于在所述网关(GW)处检查来自所述网络(WSN)中的所述设备节点(A-E)的所述接收到的数据包并查看指示聚集的数据包(ADP)的至少一个数据包聚集指示符的存在的装置，
-当找到至少一个数据包聚集指示符(220，120)时，通过如下装置来重构在聚集的数据包(ADP)中包括的第一数据包(105，200)：
a)用于获取所述第一数据包的源地址(200-源地址)并且获取与所述源地址相关联的解密密钥的装置，
b)用于从所述第一数据包提取数据并使用所述密钥对所述第一数据包的一个或多个加密的数据部分(105)进行解密的装置，以及
-用于将所述重构的第一数据包发送到所述工业控制系统(ICS)的装置。
11.根据权利要求10所述的网关(GW)，其特征在于，
所述网关是被布置为包括如下各项的组中的任何一个的设备：无线现场设备、无线传感器、无线仪器、无线仪表、一个或多个现场设备的无线适配器、集线器、路由器、接入点、网络管理器设备、安全管理器设备。
12.根据权利要求10所述的网关(GW)，其特征在于，
所述网关被布置有设备，所述设备包括用于查看通过所接收到的聚集的数据包(ADP)的网络层或安全层的字段(120，220)中的一个或多个位或字节示出的针对数据包聚集的至少一个指示符的装置。
13.根据权利要求10到12中的任何一项所述的网关(GW)，其特征在于，
用于检测聚集的数据包(ADP)并重构在所述聚集的数据包(ADP)中包括的一个、两个或更多个数据包的网关功能被布置为包括如下各项的组中的任何装置的一部分：接入点、集线器、路由器、网络管理器设备、安全管理器设备、网关。
14.一种工业控制系统的无线传感器网络(WSN)系统，所述工业控制系统包括被布置为用于到网关(GW)的通信的多个无线设备节点，其中所述无线通信被布置为聚集源自至少两个数据包的数据，其特征在于，所述数据包包括至少一个加密的部分(105)，两个或更多的无线设备包括有适当的用于执行数据包聚集的装置，并且所述网关(GW)包括以下装置来检测和处置聚集的数据包：
-用于在所述网关(GW)处检查来自所述网络(WSN)中的设备节点(A-E)的所述接收到的数据包并查看指示聚集的数据包(ADP)的至少一个数据包聚集指示符的存在的装置，
-当找到至少一个数据包聚集字节时，通过如下装置来重构在所聚集的数据包(ADP)中包括的第一数据包(105，200)：
a)用于获取所述第一数据包的源地址(200-源地址)，并且获取与所述源地址相关联的解密密钥的装置，
b)用于从所述第一数据包提取数据，并使用所述密钥解密所述第一数据包的一个或多个加密的数据部分(105)的装置，以及
-用于将所述重构的第一数据包发送到所述工业控制系统(ICS)的装置。
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(A-E)被布置为用于与网关(GW)或接入点(AP)进行通信。
16.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)的至少一个接入点(AP)被布置为用于与所述无线网络的网络管理器设备进行通信。
17.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，
所述网关(GW)被布置为在所述网关的缓存器中聚集两个或更多个数据包，所述两个或更多个数据包针对所述无线传感器网络(WSN)中的节点(A-E)要被发送到相同的目的地地址(200-目的地地址)。
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