CN102938922A

CN102938922A - 应用于工厂控制系统的无线网络系统

Info

Publication number: CN102938922A
Application number: CN2012103223746A
Authority: CN
Inventors: 石井庸介
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2013-02-20
Also published as: US8031727B2; CN101175040A; US20080240027A1; JP2008118339A

Abstract

一种应用于工厂控制系统的无线网络系统，用于将无线网络与不同于所述无线网络的另一个网络进行互连，所述无线网络系统包括：用于建立所述无线网络的多个无线节点；与另一个网络连接的控制装置；和用于将所述无线网络与另一个网络进行互连的多个网关，其中所述无线节点从一个网关候选列表中搜索一个路径，根据在搜索路径过程中收集的信息选择最佳路径上的网关，并通过所述最佳路径上的网关向控制装置传送数据。

Description

应用于工厂控制系统的无线网络系统

本申请是基于2007年11月2日提交的、申请号为200710165546.2、发明创造名称为“无线网络系统”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本公开涉及一种用于使一个无线网络与一个不同于所述无线网络的另一个网络互相连接的无线网络系统，更加具体地说，涉及一种用于从多个网关中选择一个最佳网关由此能够在网络之间实现互连的无线网络系统，该无线网络系统应用于工厂控制系统。

背景技术

涉及用于使一个传统无线网络与不同于所述传统无线网络的另一个网络互连的现有文献如下述：

日本未审专利文献：

JP-A-2000-196674,JP-A-2003-258704,JP-T-2004-514339,JP-A-2005-167609和JP-A-2005-268988。

图6为表示传统无线网络系统的一个示例的方框图。在图6中，无线节点1、2、3、4、5和6建立了一个网状的无线网络并通过所述无线网络执行通信。网关7将所述无线网络与一个互联网协议（IP）网络互连起来。控制装置8（例如计算机）通过所述IP网络执行通信，并且示出了一个IP网络100。

如图6所示，无线节点1使用无线线路“WN01”、“WN02”和“WN03”与相邻的无线节点3、4和2互连。类似的，如图6所示，还使用无线线路“WN04”、“WN05”、“WN06”、“WN07”、“WN08”和“WN09”将无线节点2、3、4、5和6与相邻的无线节点适当地互连。

另外，如图6所示，无线节点2、4和6使用无线线路“WN10”、“WN11”和“WN12”分别与网关7互连。那么以图6的虚线所示的无线网络就被建立了。

另外，网关7与IP网络100互连，而且控制装置8还与IP网络100互连。

此外，图7为表示无线节点的一个特定示例的方框图。在图7中，无线通信装置9通过无线网络（无线线路）执行通信，计算控制装置10控制整个无线节点（例如中央处理单元（CPU）），存储装置11存储用于通信路径搜索的数据和信息，存储装置12存储用于控制无线节点的程序。另外，无线通信装置9、计算控制装置10、存储装置11和存储装置12构成一个无线节点50。

无线通信装置9与一个无线网络（无线线路）互连，并且无线通信装置9的输入/输出与计算控制装置10互连。另外，存储装置11和存储装置12也与计算控制装置10互相连接。

计算控制装置10从存储装置12读取并执行存储的程序以控制整个无线节点，并且根据存储在存储装置11中的信息控制无线通信装置9以便和相邻的无线节点一起来建立一个无线网络，由此从彼此传送数据。因此，计算控制装置10被操作为无线节点。

图8为表示网关的一个特定示例的方框图。在图8中，无线通信装置13通过一个无线网络（无线线路）执行通信，计算控制装置14控制整个网关（例如，CPU），通信装置15通过IP网络（未示出）执行通信，存储装置16存储用于控制网关的程序，并且存储装置17存储用于协议转换的信息。此外，无线通信装置13、计算控制装置14、通信装置15、存储装置16和存储装置17构成一个网关51。

无线通信装置13与一个无线网络（无线线路）互连，并且无线通信装置13的输入/输出与计算控制装置14互连。此外，通信装置15与所述IP网络互连，并且具有与计算控制装置14互连的输入/输出。另外，存储装置16和存储装置17与计算控制装置14互连。

计算控制装置14读取并执行存储在存储装置16中的程序以控制整个网关，并根据存储在存储装置17中的信息来控制无线通信装置13以便和相邻的无线节点一起来建立一个无线网络，由此从彼此传送数据。另一方面，计算控制装置14控制通信装置15来和IP网络100一起执行数据传送。

另外，计算控制装置14根据存储在存储装置17中的用于协议转换的信息对通过无线通信装置13或通信装置15接收的数据的协议进行转换，并通过通信装置15或无线通信装置13来传送进行了协议转换的数据。

将参照图9、10、11和12说明根据图6所示的传统示例的操作。图9为用于解释每个无线节点的操作的流程图，图10和12为用于解释数据传送的示图，以及图11为用于解释网关7的操作的流程图。

在图9的“S001”，无线节点（更加具体地说为计算控制装置10）确定是否通过IP网络100向控制装置8（IP节点）传送数据。

在图9的“S001”，如果无线节点确定传送数据，则无线节点（更加具体地说，为计算控制装置10）搜索到网关7的传送路径并在图9的“S002”建立一个传送路径，以及在图9的“S003”，无线节点（更加具体地说为计算控制装置10）使用建立的传送路径向网关7传送数据。

例如，如果无线节点1（更加具体地说，为无线节点1中的计算控制装置）确定传送数据，则无线节点1使用图10中的无线线路“WN02”和“WN11”搜索和建立一个传送路径，并且无线节点1（更加具体地说，为无线节点1的计算控制装置）如图10的“SD21”中所示向网关7传送数据。

同时，在图11的“S101”，网关7（更加具体地说，为计算控制装置14）确定通过无线网络是否接收到数据。

在图11的“S101”，如果网关7确定通过所述无线网络接收到数据，则网关7（更加具体地说为计算控制装置14）在图11的“S102”对接收数据的协议进行转换，并在图11的“S103”，网关7（更加具体地说为计算控制装置14）通过IP网络100向控制装置8（IP节点）传送数据。

例如，如果网关7（更加具体地说，为网关7中的计算控制装置）确定接收到数据，则如图12的“SD31”所示，网关7（更加具体地说，为网关7中的计算控制装置）通过IP网络100向控制装置8传送数据。

结果，通过在一个无线网络和所述IP网络之间提供网关、转换接收数据的协议、并通过网关传送进行了协议转换的数据，而能够使所述无线网络与不同于所述无线网络的另一个网络互连。

此外，图13为表示传统无线网络系统的另一个示例的方框图，其中网关被特别的加倍。在图13中，1至6和8为与图6中相同的标号，而用于正常操作的网关18（主网关）将一个无线网络和一个IP网络互连起来，用于备份的网关19（副网关）将所述无线网络与IP网络互连，并且图13示出了一个IP网络101。

在图13中，无线节点1使用无线线路“WN41”、“WN42”和“WN43”与相邻的无线节点3、4和2互连。类似的，在图13中，还通过适当地使用无线线路“WN44”、“WN45”、“WN46”、“WN47”、“WN48”和“WN49”将无线节点2、3、4、5和6与相邻的无线节点互连。

另外，无线节点2、4和6分别使用图13中的无线线路“WN50”、“WN52”和“WN54”与网关18互连，并且无线节点2、4和6还分别使用图13中的无线线路“WN51”、“WN53”和“WN55”与网关19互连。由此，以图13的虚线所示的无线网络就被建立了。

另外，网关18和19与IP网络101互连，而且控制装置8还与IP网络101互连。

将参照图14、15、16、17、18和19说明根据图13所示的传统示例的操作。图14为用于解释每个无线节点的操作的流程图，图15、17和19为用于解释数据传送的示图。图16为用于解释用于正常操作的网关18的操作的流程图。图18为用于解释供备份的网关19的操作的流程图。

假设用于正常操作的网关18和用于备份的网关19被视为相同的网络地址。另外，假设无线节点1至6和网关18和19的特定结构与图7和8中的相同。

在图14的“S201”，无线节点（更加具体地说为计算控制装置10）确定是否通过IP网络100向控制装置8（IP节点）传送数据。

在图14的“S201”，如果无线节点确定传送数据，则无线节点（更加具体地说，为计算控制装置10）搜索到用于正常操作的网关18的传送路径并在图14的“S202”建立所述传送路径，以及在图14的“S203”，无线节点（更加具体地说为计算控制装置10）使用建立的传送路径向用于正常操作的网关18传送数据。

例如，如果无线节点1（更加具体地说，为无线节点1中的计算控制装置）确定传送数据，则无线节点1使用图15中的无线线路“WN42”和“WN52”搜索和建立一个传送路径，并且如图15中的“SD61”所示向用于正常操作的网关18传送数据。

如上所述，用于正常操作的网关18和用于备份的网关19被视为相同的网络地址。因此，与此同时，如图15中的“SD62”所示还通过图15中的无线线路“WN42”和“WN53”从无线节点1向用于备份的网关19传送数据。

同时，在图16的“S301”，用于正常操作的网关18（更加具体地说，为计算控制装置14）确定通过无线网络是否接收到数据。

在图16的“S301”，如果网关18确定通过所述无线网络接收到数据，则用于正常操作的网关18（更加具体地说为计算控制装置14）在图16的“S302”对接收数据的协议进行转换，并在图16的“S303”，用于正常操作的网关18（更加具体地说为计算控制装置14）通过IP网络101向控制装置8（IP节点）传送数据。

例如，如果用于正常操作的网关18（更加具体地说，为网关18中的计算控制装置）确定接收到数据，则如图17的“SD71”所示，用于正常操作的网关18（更加具体地说，为网关18中的计算控制装置）通过IP网络101向控制装置8传送数据。

在图18的“S401”，如果用于备份的网关19（更加具体地说为计算控制装置14）确定通过所述无线网络是否接收到数据。

在图18的“S401”，如果网关19确定通过所述无线网络接收到数据，则用于备份的网关19（更加具体地说为计算控制装置14）在图18的“S402”确定用于正常操作的网关18是否处于正常操作。

在图18的“S402”，如果网关19确定用于正常操作的网关18未处于正常操作（异常操作），则在图18的“S403”，用于备份的网关19（更加具体地说为计算控制装置14）对接收数据的协议进行转换，并在图18的“S404”，用于备份网关19（更加具体地说为计算控制装置14）通过IP网络101向控制装置8（IP节点）传送数据。例如，如果用于备份的网关19（更加具体地说，为网关19中的计算控制装置）确定接收到数据，则如图19的“SD81”所示，用于备份的网关19（更加具体地说，为网关19中的计算控制装置）通过IP网络101向控制装置8传送数据。

结果，通过在无线网络和IP网络之间提供两个网关，即用于正常操作的网关和用于备份的网关，就能够使网关加倍和提高可靠性。

然而，在图6所示的传统示例中，网关7的通信负荷变得较大，因为所有通信都是通过网关7执行的。已经存在的问题是当在网关7中产生故障时将不能将无线网络与IP网络互连。

此外，因为每个无线节点能够执行通信的区域是有限的并且只提供一个网关，所以存在问题是设置网关和无线节点的位置自然也会受到限制。

另外，在图13所示的传统示例中，能够获得比图6中所示的传统例子更高的可靠性，因为网关是双倍的。然而，在正常操作状态下，所有通信都是通过用于正常操作的网关18以与图6中所示的传统示例相同的方式执行的。由于这个原因，通信负荷增加的问题就不会得到解决。

发明内容

本发明的典型实施例提供一种能够选择多个网关中的一个最佳网关，由此在网络之间执行互连的无线网络系统。

为了实现前述目的，本发明的第一方面涉及一种用于将无线网络与不同于所述无线网络的另一个网络进行互连的无线网络系统，其包括：

用于建立所述无线网络的多个无线节点；

与另一个网络连接的控制装置；和

用于将所述无线网络与另一个网络进行互连的多个网关，

其中所述无线节点从一个网关候选列表中搜索一个路径，根据在搜索路径过程中收集的信息选择最佳路径上的网关，并通过所述最佳路径上的网关向控制装置传送数据。

因此，能够选择多个网关中的一个最佳网关，由此使网络互相连接。此外，能够处理通信负荷增加的问题并能提高设置网关和无线节点的位置的自由度。

本发明的第二方面涉及根据本发明第一方面的无线网络系统，其中所述无线节点包括：

无线通信装置，用于通过无线网络执行通信；

存储装置，用于存储数据、网关候选列表、路径搜索结果列表、用于控制无线节点的程序和用于搜索通信路径的信息；和

计算控制装置，用于从所述网关候选列表选择一个将被使用的候选网关，搜索用于所述候选网关的路径，根据在搜索路径过程中收集的信息来选择最佳路径上的网关，建立到达最佳路径上的网关的传送路径，并通过使用所述建立的传送路径向最佳路径上的网关传送数据。

因此，能够选择多个网关中的一个最佳网关，由此在网络之间执行互连。此外，能够处理通信负荷增加的问题并能提高设置网关和无线节点的位置的自由度。

本发明的第三方面涉及根据本发明第二方面的无线网络系统，当在向最佳路径上的网关传送数据的过程中检测到故障时，无线节点向第二最佳路径上的网关传送数据。

因此，能够提高数据传送的可靠性。

本发明的第四方面涉及根据本发明第一方面的无线网络系统，其中所述网关包括：

无线通信装置，用于通过无线网络执行通信；

存储装置，用于存储用于控制网关的程序和用于协议转换的信息；

通信装置，用于通过另一个网络执行通信；和

计算控制装置，用于对通过所述无线网络接收的数据的协议进行转换，并通过另一个网络向控制装置传送数据。

本发明的第五方面涉及根据本发明第一方面的无线网络系统，其中所述另一个网络是IP网络。

本发明的第六方面涉及根据本发明第一方面的无线网络系统，其中所述无线网络系统被应用于工厂控制系统。

因此，能够改进无线网络的鲁棒性，由此增强工厂控制系统的可靠性。

本发明的第七方面涉及根据本发明第一方面的无线网络系统，其中所述无线网络系统被应用于楼宇自动化系统。

因此能够改进无线网络的鲁棒性，由此增强系统的可靠性。

附图说明

图1为表示根据本发明的无线网络系统的一个示例的方框图；

图2为用于解释每个无线节点的操作的流程图；

图3为用于解释数据传送的示图；

图4为用于解释网关的操作的流程图；

图5为用于解释数据传送的示图；

图6为表示传统无线网络系统的一个示例的方框图；

图7为表示无线节点的一个特定示例的方框图；

图8为表示网关的一个特定示例的方框图；

图9为用于解释每个无线节点的操作的流程图；

图10为用于解释数据传送的示图；

图11为用于解释网关的操作的流程图；

图12为用于解释数据传送的示图；

图13为表示传统无线网络系统的另一个示例的方框图；

图14为用于解释每个无线节点的操作的流程图；

图15为用于解释数据传送的示图；

图16为用于解释用于正常操作的网关的操作的流程图；

图17为用于解释数据传送的示图；

图18为用于解释供备份的网关的操作的流程图；

图19为用于解释数据传送的示图。

具体实施方式

根据本发明，能够获得以下优点：

根据本发明的第一、第二、第四和第五方面，在无线网络和IP网络之间提供多个网关。随后，无线节点从一个网关候选列表中选择一个路径，并且最佳路径上的网关被选择以根据在搜索所述路径中收集的信息传送数据。因此，能够选择多个网关中的一个最佳网关，由此在网络之间执行互连。

另外，所述无线节点根据每个网关的负荷情形在路径搜索结果列表中选择一个最佳路径上的网关。因此，增加的通信负荷可被分布到多个网关中，从而可采取对策来抑制通信负荷的增加。另外，因为布置有多个网关，因此能够提高设置网关和无线节点的位置的自由度。

另外，根据本发明的第三方面，在传送给最佳路径上的选择网关的数据中检测到故障的情况下，将数据传送给第二最佳路径上的网关。

根据本发明的第六方面，通过应用于工厂（pl ant）控制系统，能够改进无线网络的鲁棒性和增强工厂控制系统的可靠性。

根据本发明的第七方面，通过应用于楼宇自动化系统，能够改进无线网络的鲁棒性和增强系统的可靠性。

下面将参照附图详细说明本发明。图1为表示根据本发明的无线网络系统的一个示例的方框图。在图1中，无线节点1至6和8具有与图13中所示相同的标号，而网关20、21、22和23将无线网络与IP网络互连，并且在图1中示出了一个IP网络102。

在图1中，无线节点1使用无线线路“WN101”、“WN102”和“WN103”与相邻的无线节点3、4和2互连。类似的，在图1中，还通过适当的使用无线线路“WN104”、“WN105”、“WN106”、“WN107”、“WN108”和“WN109”将无线节点2、3、4、5和6与相邻的无线节点互连。

另外，无线节点2和4分别使用图1中的无线线路“WN110”和“WN111”与网关20互连，并且无线节点2和4还分别使用图1中的无线线路“WN112”和“WN113”与网关21互连。

类似的，无线节点6和5分别使用图1中的无线线路“WN114”和“WN115”与网关22互连，并且无线节点6和5还分别使用图1中的无线线路“WN116”和“WN117”与网关23互连。由此，以图1的虚线所示的无线网络就被建立了。

另外，网关20、21、22和23与IP网络102互连，而且控制装置8还与IP网络102互连。

将参照图2至5说明根据图1所示的例子的操作。图2为用于解释每个无线节点的操作的流程图，图3和5为用于解释数据传送的示图，图4为用于解释网关20至23的操作的流程图。

假设无线节点1至6和网关20至23的特定结构与图7和8中的相同，并且无线节点的存储装置11除了用于通信路径搜索的数据和信息之外，还存储网关候选列表和路径搜索结果列表。

在图2的“S501”，无线节点（更加具体地说为计算控制装置10）确定是否通过IP网络102向控制装置8（IP节点）传送数据。

在图2的“S501”，如果无线节点确定传送数据，则在图2的“S502”，无线节点（更加具体地说，为计算控制装置10）从所述网关候选列表中选择一个将要使用的候选网关，并且在图2的“S503”，无线节点（更加具体地说为计算控制装置10）搜索用于所述候选网关的路径。

例如，构成无线节点的计算控制装置10从存储在存储装置11中的网关候选列表中选择一个候选网关、搜索用于所述候选网关的路径，并将搜索结果（例如，在路径搜索结果列表中收集的信息）存储在存储装置11中。

在搜索路径的过程中，存储在路径搜索结果列表中的信息例如包括“最终目的地地址”、“下一个跳程地址”、“网关通信负荷的状况”和“到达最后目标的路径成本”，并使用类似信号接收强度、无线电波调制中的误码率或跳程数量之类的指标来计算“到达最终目的地的路径成本”。

接着，在图2的“S504”，无线节点（更加具体地说为计算控制装置10）根据路径搜索结果列表选择一个最佳路径上的网关。

例如，最佳路径意味着其中通信条件在无线网络中是最佳的这样一个路径，并且能够以最小数量的跳程到达的网关、最低通信错误率的网关和较小通信负荷的网关被选作最佳路径上的网关。

在图2中的“S505”，无线节点（更加具体地说为计算控制装置10）建立到达最佳路径上的网关的传送路径。在图2的“S506”，无线节点（更加具体地说，为计算控制装置10）通过使用建立的传送路径向最佳路径上的网关传送数据。

例如，如果无线节点1（更加具体地说为无线节点1中的计算控制装置）确定传送数据，并且还确定通过使用图1中的无线线路“WN109”、“WN108”和“WN114”的传送路径向网关22的数据传送在最佳路径上，则使用图3中的无线线路“WN109”、“WN108”和“WN114”的传送路径被建立，并且无线节点1（更加具体地说为无线节点1中的计算控制装置）如图3的“SD91”所示向网关22传送数据。

同时，在图4的“S601”，确定在最佳路径上的网关22（更加具体地说，为计算控制装置14）确定通过无线网络是否接收到数据。

在图4的“S601”，如果网关22确定通过所述无线网络接收到数据，则网关22（更加具体地说为计算控制装置14）在图4的“S602”对接收数据的协议进行转换，并在图4的“S603”，网关22（更加具体地说为计算控制装置14）通过IP网络102向控制装置8（IP节点）传送数据。

例如，如果网关22（更加具体地说，为网关22中的计算控制装置）确定接收到数据，则如图5中的“SD101”所示，网关22（更加具体地说，为网关22中的计算控制装置）通过IP网络102向控制装置8传送数据。

结果，在无线网络和IP网络之间就提供了多个网关，并且无线节点从所述网关候选列表中搜索一个路径并选择一个最佳路径上的网关以根据在路径搜索中收集的信息传送数据。因此，能够选择多个网关中的最佳网关，由此在网络之间执行互连。

另外，无线节点根据每个网关的通信负荷的情形在路径搜索结果列表中选择最佳路径上的网关。因此，增加的通信负荷可被分布到多个网关中，从而能够采取措施来抑制通信负荷的增加。另外，提供了所述多个网关。因此，能够增强设置网关和无线节点的位置的自由度。

虽然为了参考图7和8简略说明将存储装置分成两个部分，但理所当然本发明可通过一个存储装置来施行。

另外，虽然在图1所示的例子的说明中阐释了无线网络和IP网络之间的互连，但当然可利用IP网络之外的其他网络，例如将用于控制网络的“Foundation Fieldbus”（注册商标）、“BACnet”（注册商标）和“无线局域网(LAN)”。

在图1所示的例子的说明中，能够应用任何标准无线网络，而不管无线网络的简单符号表示法如何。例如，当然还可以应用“ZigBee(IEEE802.15.4)”（注册商标）。

另外，路径搜索算法并不受限，而是可以使用任何路径搜索算法。

此外，在传送给最佳路径上的选择网关的数据中检测到故障的情况下，无线节点可将数据传送给第二最佳路径上的网关。在这种情况下，能够增强数据传送的可靠性。

另外，优选地可将图1所示的例子应用于下列系统：

（1）工厂控制系统；和

（2）楼宇自动化系统。

（1）在所述工厂控制系统中，在提供无线节点的工厂建筑物中存在大量的障碍物（设备），并且易于引起无线电波障碍。因此，无线节点选择包括排除故障和避免无线电波障碍的最佳路径，使得无线网络的鲁棒性得以实现并且能够增强工厂控制系统的可靠性。

（2）在楼宇自动化系统中，在将照明器或开关设置为无线节点的情况下，则在布置无线节点的建筑物内部也存在大量的障碍物（装备或设备），并且也易于引发无线电波障碍。无线节点选择包括排除故障和避免无线电波障碍的最佳路径，使得无线网络的鲁棒性得以实现并且能够增强系统的可靠性。

虽然已经关于本发明的典型实施例进行了说明，但对于本领域技术人员来说很明显的是，在不脱离本发明的情况下可对其做出各种变化和修改。因此，目的在于后附权利要求覆盖所有落在本发明的真实精神和范围内这种变化和修改。

Claims

1.一种应用于工厂控制系统的无线网络系统，用于将无线网络与不同于所述无线网络的另一个网络进行互连，所述无线网络系统包括：

多个无线节点，用于建立所述无线网络；

控制装置，其与所述另一个网络连接；和

多个网关，用于将所述无线网络与另一个网络进行互连，

其中所述无线节点从网关候选列表中搜索路径，根据在搜索路径过程中收集的信息选择最佳路径上的网关，并通过所述最佳路径上的网关向控制装置传送数据，

其中所述在搜索路径过程中收集的信息包括网关的通信负荷情形的有关信息，

其中当向最佳路径上的网关传送数据过程中检测到故障时，所述无线节点向第二最佳路径上的网关重新传送数据。

2.根据权利要求1所述的应用于工厂控制系统的无线网络系统，其中所述无线节点包括：

无线通信装置，用于通过所述无线网络执行通信；

计算控制装置，用于从所述网关候选列表选择一个将要使用的候选网关，搜索用于所述候选网关的路径，将在搜索路径过程中收集的信息存储在路径搜索结果列表中，根据存储在路径搜索结果列表中的所述信息选择最佳路径上的网关，建立到达最佳路径上的网关的传送路径，并通过使用所述建立的传送路径向最佳路径上的网关传送数据。

3.根据权利要求1或2所述的应用于工厂控制系统的无线网络系统，其中所述网关包括：

无线通信装置，用于通过所述无线网络执行通信；

通信装置，用于通过另一个网络执行通信；和

计算控制装置，用于对通过所述无线网络接收的数据的协议进行转换，并通过另一个网络向所述控制装置传送数据。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的应用于工厂控制系统的无线网络系统，其中所述另一个网络是IP网络或者FoundationFieldbus（注册商标）。