CN103149885B - 一种低功耗工业无线网络数据传输设备及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低功耗工业无线网络数据传输设备及使用方法，它包括微处理器电路、射频模块、串口电路、各数据采集电路，微处理器电路与射频模块之间采用SPI交互连接，串口电路与微处理器电路输入端连接，该串口电路另一端接PC机或手持设备；各数据采集电路输出端与微处理器电路输入端连接，由各采集电路采集的工业现场数据经微处理器电路、射频模块处理实现数据的传输、转发、显示和控制；该设备的使用方法：建立软件协议栈、应用程序和基于射频模块，能组建一个短距离工业无线网络，易于将该设备进行网络化管理和监控；本发明可以工作在环境极其恶劣的工业现场，具有多功能性、低功耗、小体积、高可靠性等特点，主要应用于工业自动化监控领域。

Description

一种低功耗工业无线网络数据传输设备及使用方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，具体的说是一种低功耗工业无线网络数据传输设备及使用方法，能进行监测和控制各种工业现场数据传输，并可以组建一个短距离工业无线网络，易于将现场设备进行网络化管理和监控。

背景技术

目前，在自动化控制领域，主要是通过有线网络手段将现场的仪表、设备和控制、管理系统连接起来，形成测控系统，实现生产自动化。该测控系统主要通过有线进行连接，使得安装、布线、维护成本费用居高不下。

随着计算机、通信和网络技术的飞速发展，无线传感器网络应运而生。传感测试技术正朝着多功能化、微型化、智能化、网络化、无线化的方向发展。比较有代表性的是ZigBee无线通信技术，但是由于ZigBee各个设备间通信采用固定无线信道，无法适应工业恶劣环境，因此不适合应用于工业现场。

由于工业现场环境复杂以及工业应用的特殊要求，工业无线网络面临着通信实时性、可靠性、安全性以及抗干扰能力等问题。工业无线网络是从新兴的无线传感器网络发展而来的，具有低成本、低能耗、高度灵活性、扩展性强等特点，已经成为继现场总线技术后的又一个研究热点。采用工业无线传输设备，使得工业测控系统具有稳定可靠、安装方便、成本和维护费用低等特点。

发明内容

针对工业无线网络面临通信实时性、可靠性、安全性以及抗干扰能力优化的问题，本发明的目的是提供一种低功耗工业无线网络数据传输设备及使用方法，能实现实时、安全、监测和控制各种工业现场数据传输，并可以利用该设备通过建立协议栈组建一个短距离工业无线网络，易于将现场设备进行网络化管理和监控。

为了实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种低功耗工业无线网络数据传输设备，其特征在于：它包括微处理器电路、射频模块、串口电路；其中，微处理器电路与射频模块之间一路采用SPI总线通信交互连接，另一路通过其控制接口接射频模块控制端，对射频模块进行状态控制，串口电路与微处理器电路对应端连接，该串口电路另一端与PC机或手持设备连接进行数据通信；各数据采集电路输出端与微处理器电路输入端连接，可获得工业现场数据，该数据经微处理器电路、无线射频模块实现数据的传输、转发、显示和控制。

所述微处理器电路包括：

MCU，采用MSP430F1611或Atxmega128，内含程序存储器FLASH，MCU用来运行无线协议栈软件和应用程序，FLASH用来存储无线协议栈软件和应用程序；

第1晶振电路，为单片机工作提供时钟节拍；

复位电路，用于实现单片机复位；

第1晶振电路和复位电路输出端分别接MCU的输入端。

所述射频模块包括：

射频芯片，采用CC2420或JN5139，通过MCU将其发送缓存中的数据发送到空中，或接收空中的无线数据到射频芯片中的接收缓存中；

第2晶振电路，产生晶体振荡，为射频模块工作提供时钟节拍；

射频芯片的输入端接第2晶振电路的输出端。

MCU与射频芯片之间采用4根SPI总线数据通信交互连接；其中，MCU通过引脚MISO、MOSI、SCLK、P3.0配置成主机，射频芯片通过引脚SI、SO、SCLK和CSn配置成从机。

MCU与射频芯片之间的控制端采用4根总线相连接，对射频芯片状态进行控制；其中，MCU的引脚P1.3连接射频芯片的引脚SFD，用于捕获射频数据；MCU的引脚P1.2连接射频芯片的引脚CCA，用于射频信道空闲评估；MCU的引脚P1.0、P1.1连接射频芯片的引脚FIFO、FIFOP，用于射频数据的接收和发送。

所述串口电路包括：

串口驱动芯片，该芯片主要实现微处理器3.3V与电脑12V电压之间的转换；该串口驱动芯片通过串口母头JP6与PC或手持设备物理连接。

一种低功耗工业无线网络数据传输设备的使用方法，其特征在于包括步骤如下：

基于低功耗MCU和射频模块搭建硬件平台；

建立应用程序，通过各数据采集电路采集的工业现场数据转换为数字量数据发送给协议栈或接收协议栈传上来的数据；

依据WIA工业无线标准，建立工业无线协议栈，该协议栈包括数据通信模块、网络管理和维护模块、通信调度模块、时间同步模块和信道跳频模块作为底层固件保存在MCU的FLASH中；

将应用程序的电压或电流数字量送入协议栈通过其数据通信模块对该数字量进行发送和接收处理，转换为符合WIA工业无线标准的数据，再通过射频驱动程序驱动无线射频模块将标准的数据传输到监控终端进行显示、监控和保存，还可以接收来自监控终端的数据进行处理；

另外，还包括通过网络管理和维护模块实现传输设备加入网络或离开网络，对加入网络的设备进行参数配置、时间同步和对在网设备发送周期性报告，从而使入网设备获得通信资源包括时隙和信道信息；

利用通信调度模块和信道跳频模块，依据得到的时隙和信道信息，实现对当前设备的时隙和信道跳频的管理。

所述数据通信模块实现数据发送和接收，其具体过程如下：

首先判断是否发送数据，如发送，将用户层的应用程序的数字量经应用子层、网络层、数据链路子层打包处理后传递到底层MAC层；

将MAC层数据封装成IEEE802.15.4标准数据帧，调用射频驱动程序发送给工业无线网络设备。

如不发送，MCU被触发硬件外部中断读取射频数据到本地缓存，该数据经底层MAC层、数据链路子层、网络层、应用子层解包处理后解包传递到顶层，传给应用程序处理。

利用网络管理和维护模块实现传输设备加入无线网络或离开无线网络，其具体过程如下：

无线传输设备上电初始化，调用数据链路子层和MAC层的相关函数进行网络发现和信道扫描，判断信道是否扫描完毕，如扫描完毕，则选择信号最强的设备作为其父设备，传输设备与该父设备进行时间同步处理，然后传输设备向父设备发出加入请求，若父设备允许加入，则该设备取得父设备分配的短地址，正式完成加入网络。

入网后接续判断是否有通信故障，如果有通信故障，则设备要离开网络，当得到离开允许时，设备释放掉之前所分配的通信资源，离开网络。

调用通信调度模块实现时隙和信道跳频，其过程如下：

进入通信调度模块入口，依据相对时隙号，取得协议栈的超帧表和链路表在该时隙对应的通信资源，进行道跳频处理，接着判断链路类型，若为发送链路，则选取高优先级的数据，按照发送时隙时序发送。

所述时隙和信道跳频处理的具体过程如下：

进入信道模块入口，当数据传输设备处于发送状态，判断该数据传输设备统计的重传次数是否到达设定的阈值，如果达到设定的阈值，选择下一信道并在下一时隙用原信道通知接收方；判断是否收到确认通知，如果该传输设备没有接收到对方发来的确认信息，仍用原信道，继续统计发送端的重传次数，当达到协议规定的重传上限值，丢弃该包，使用原信道发下一包。

如不处于发送状态，是接收状态，判断是否收到发送方信道切换通知，若没收到对方的信道切换通知，继续统计接收端重传次数，如达到了设定的阈值，选择下一信道进行通信，判断是否收到发送方的包，如果没有接收到发送方的包，则认为对方信道切换失败，返回原信道进行通信。

各传输设备的时间同步处理实现过程如下：

进入父设备时间同步入口，父设备在射频模块数据帧发送中断中将全局时间封包，在射频模块中将该数据包发射出去；本地设备被触发产生数据帧接收中断，在该中断中记录本地接收时间，运用时间同步算法将本地时间转换成全局时间，完成时间同步。

所述应用程序为数据采集、接收和发送程序，其具体实现步骤为：

应用程序初始化；

调用协议栈函数使设备加入网络；

采集工业数据将转换后的数字量数据周期性发送给协议栈处理；

判断是否接收到协议栈传上来的数据；

如果没有接收到该数据，则进行当前设备异常状态判断，如果未发生异常，继续执行数据采集发送给协议栈处理过程。

1.高可靠性：本发明设备在无线通信过程中使用信道跳频模块程序处理，使该设备可以适应各种恶劣工业现场环境，具有很强的抗干扰能力。

2.低成本：本发明设备使用无线通信，无需布线，省去了高昂的工业测控系统布线成本。

3.可组网：本发明设备依据建立的协议栈软件可以组建一个短距离工业无线网络，易于将现场设备进行网络化管理和监控。

4.小体积：本发明设备采用嵌入式设计，可以以小体积形式嵌入到传统现场仪器仪表中。

5.功能多。本发明设备的实现方法：通过搭建的硬件平台和建立的应用程序和协议栈软件，能连接提供定制功能的数据采集电路，在协议栈之上运行提供定制功能的应用程序，使得本发明自动监测、无线传送、控制各种工业现场数据。

6.应用广泛：可以应用于机械制造、石油、化工、石化、制药、冶金、采矿、电力、食品加工、能源、消防、银行监控等行业的自动化控制领域。

7.低功耗：本发明设备使用电池供电，具有低功耗特性，一块电池可以使用3～4年。

附图说明

图1是本发明的硬件结构框图。

图2是硬件平台微处理器电路原理图。

图3是硬件平台射频模块电路原理图。

图4是硬件平台微处理器电路和射频模块接口连接框图。

图5是硬件平台串口电路原理图。

图6是数据传输流程框图。

图7是协议栈软件网络管理和维护流程框图。

图8是协议栈软件通信调度流程框图。

图9是协议栈软件时间同步流程框图。

图10是协议栈软件信道跳频流程框图。

图11是应用程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方案作进一步详细说明。

如图1所示，是本发明的硬件结构框图。一种低功耗工业无线网络数据传输设备，它包括微处理器电路、射频模块、串口电路；其中，微处理器电路与射频模块之间一路采用SPI总线通信交互连接，另一路通过其控制接口接射频模块控制端，对射频模块进行状态控制，串口电路与微处理器电路对应端连接，该串口电路另一端与PC机或手持设备连接进行数据通信；各数据采集电路输出端与微处理器电路输入端连接，可获得工业现场数据，该数据经微处理器电路、无线射频模块实现数据的传输、转发、显示和控制。电源分别给微处理器电路、射频模块提供电源，电源采用电池。

所述微处理器电路包括：

MCU采用MSP430F1611或Atxmega128，内含程序存储器FLASH，MCU用来运行无线协议栈软件和应用程序，FLASH用来存储无线协议栈软件和应用程序；

第1晶振电路，为单片机工作提供时钟节拍；

复位电路，用于实现单片机复位。

第1晶振电路和复位电路输出端分别接MCU的输入端。

参见图2，是硬件平台微处理器电路原理图。本实施例中，微处理器采用的是16位低功耗单片机U1，即MCU采用MSP430F1611，该单片机内含48KFLASH和10KRAM存储空间，其功耗极低，在待机模式下功耗仅为1.6uA；其电容C9、C11，晶振管Y1、Y2构成了MCU第1晶振电路，使MCU能够正常起振工作。电阻R2、R29、RESET、电容C10构成了MCU的复位电路。无线协议栈软件作为底层固件保存在MCU的FLASH中，应用程序运行于无线协议栈之上，其可以根据所连接的数据采集电路来做相应的编写。

所述射频模块包括：

射频芯片U2，采用CC2420或JN5139，通过MCU将其发送缓存中的数据发送到空中，或接收空中的无线数据到射频芯片U2中的接收缓存中；

第2晶振电路，产生晶体振荡，为射频模块工作提供时钟节拍；

射频芯片U2的输入端接第2晶振电路的输出端。

参见图4，是硬件平台微处理器和射频模块接口连接框图。MCU与射频芯片U2之间采用4根SPI总线数据通信连接；其中，MCU通过引脚MISO、MOSI、SCLK、P3.0配置成主机，射频芯片U2通过引脚SI、SO、SCLK和CSn配置成从机。

MCU与射频芯片U2之间控制端采用4根总线相连接，对射频芯片状态进行控制；其中，MCU的引脚P1.3连接射频芯片U2的引脚SFD，用于捕获射频数据；MCU的引脚P1.2连接射频芯片U2的引脚CCA，用于射频信道空闲评估；MCU的引脚P1.0、P1.1连接射频芯片U2的引脚FIFO、FIFOP用于射频数据的接收和发送。

参见图3，是硬件平台射频模块原理图。本实施例中无线射频模块采用射频核心芯片CC2420，它是一款真正意义上的符合IEEE802.15.4协议规范，应用于无线网络中的低功耗、低电压的射频收发芯片U2。它包括数字直接序列扩频的基带调制解调器，输出放大增益为9dB，数据传输率可达240bps。其中，电容C11、C12和晶振管XTAL构成射频模块工作的第2晶振电路，使芯片CC2420能够正常工作。由电感L1、L2、L3、电容C14、C15、C16、C17以及天线ANT构成射频模块的实际收发电路，通过其收发电路将数据发射到空中，并接收空中来的射频数据。其中电容C1～C9、C13主要用于CC2420的滤波，增强抗干扰性。

其工作原理：当射频数据到来后，射频芯片U2接收后捕获上升沿触发产生物理数据帧到达引脚SFD中断，在该中断中进行地址识别和CRC校验，若失败则丢弃该帧，若成功接收一个完整的数据帧后，引脚FIFP产生高电平，触发数据接收引脚FIFOP中断，MCU通过SPI总线将射频芯片U2接收缓存中的数据读到本地缓存中，MCU处理接收数据，进行转发或者通过网络、232总线、485总线或其他形式送到监控端显示、监控。

当MCU需要发送数据到空中时，其先将数据缓存到本地中，然后使用SPI总线接口将数据读到射频芯片U2中发送缓存中，使用带CCA检测的发送命令将数据发送出去，若信道忙，则发送命令忽略，重新等待发送，否则表示发送成功。SPI总线上所有的地址和数据传输都是最高位有效位先发送。

所述串口电路包括：

串口驱动芯片U3，该芯片主要实现微处理器电路3.3V与电脑12V电压之间的转换；串口驱动芯片U3通过串口母头JP6与PC或手持设备物理连接。

参见图5，是硬件平台串口电路原理图。串口电路由串口驱动芯片U3驱动，串口驱动芯片U3使用的是MAX3221E这款RS232驱动器，其工作电压为3.3V，具有低待机电流，典型值为1uA。其中电容C19、C20、C21、C22和C26组成串口驱动芯片U3的外围驱动电路，使用DB9-F-RA串口母头JP6与外部设备物理连接。当工业无线设备上电后，使用PC机或手持设备通过串口电路给工业无线设备进行协议栈运行前的参数配置，主要配置参数有网络ID和加入密钥。该参数是在协议栈准备加入网络中时，使用到的参数。通过这些参数的正确配置，完成工业无线设备加入网络前的准备。

各种数据采集电路主要是工业现场数据，包括温度、湿度、压力、流量的AD采样电路，将各种工业模拟量转换为电压或电流数字量。该电路提供本发明设备的定制功能，该设备结合工业现场实际需要监测的工业数据来连接相对应的数据采集电路。

一种低功耗工业无线网络数据传输设备的使用方法，其特征在于包括步骤如下：

基于低功耗MCU和射频模块搭建硬件平台；

建立应用程序，将通过各数据采集电路采集的工业现场模拟量数据转换为数字量数据发送给协议栈或接收协议栈传上来的数据；

依据WIA工业无线标准，建立工业无线协议栈，该协议栈包括数据通信模块、网络管理和维护模块、通信调度模块、时间同步模块和信道跳频模块作为底层固件保存在MCU的FLASH中；

将送入协议栈数字量通过其数据通信模块对该数字量进行发送和接收处理，转换为符合WIA工业无线标准的数据，再通过射频驱动程序驱动无线射频模块将标准的数据传输到监控终端进行显示、监控和保存，还可以接收来自监控终端的数据进行处理；

另外，还包括网络管理和维护模块可使传输设备加入网络或离开网络的控制，还对加网设备进行参数配置、时间同步和对在网的设备发送周期性报告进行维护和管理，从而使入网设备获得通信资源包括时隙和信道信息；

利用通信调度模块和信道跳频模块，依据得到的时隙和信道信息，实现对当前设备的时隙和信道跳频的管理。

参见图6，数据传输流程框图。本发明软件部分包括无线协议栈软件和可提供定制功能的应用程序，无线协议栈软件作为软件核心，完成工业无线网络数据传输设备的入网、数据传输、网络管理和维护、离开网络等功能，应用程序运行在无线协议栈软件之上，主要是完成所需要监测的工业数据的转换、发送、接收、显示、异常控制处理等功能。

无线协议栈软件依据WIA工业无线标准进行设计，并兼容无线HART协议，该协议栈以固件的形式存储在MCU的FLASH中，使用该协议栈可以组建一个无线网络，使得本发明设备之间可以互传数据。

通过采用跳频、时间同步、安全加密的方法手段，使得该无线通信具有低功耗、高可靠性和高稳定性。

无线协议栈软件的主要功能就是在本发明设备之间进行信息包括管理数据、过程数据、报警数据的有序传输，其数据通信模块包括信息发送和接收两大部分。

所建立的数据通信模块完成数据发送和数据接收，其具体实现过程如下：

将用户层数据经应用子层、网络层、数据链路子层打包处理后传递到底层MAC层；

将MAC层数据封装成IEEE802.15.4标准数据帧，调用射频驱动程序发送给工业无线网络设备；

该传输设备还能通过射频模块驱动程序接收来自工业无线网络设备的数据，该数据经底层MAC层、数据链路子层、网络层、应用子层解包处理后传递到顶层，实现数据转发或显示。

信息发送具体流程进一步描述：将应用程序中采集到的工业数据进行应用子层封包，然后投递给下层—网络层处理；网络层调用相关数据发送函数进行网络层的数据封包，将其打包成网络层数据包，然后投递给下层—数据链路子层处理；数据链路子层接到后，调用相关函数进行该层的数据封包，将其打包成数据链路子层数据帧，然后将其投递到下层—媒体访问MAC层处理，该层兼容IEEE802.15.4协议，在该层中将数据打包成标准的IEEE802.15.4MAC层数据帧，然后在物理信道中发送出去。

信息接收具体流程进一步描述：在微处理器MCU被触发硬件外部中断，读取射频数据到本地缓存中，然后将数据传递给MAC层，MAC层调用相关函数解包去掉MAC层包头，将数据发送给上层—数据链路子层处理；数据链路子层调用相关函数解包去掉链路子层包头，将数据发送给上层—网络层处理；网络层调用相关函数将数据解包去掉网络层包头，将数据发送给上层—应用子层处理；应用子层将数据解包，去掉应用子层包头，将最终数据转发或者通过网络、232总线或485总线及其他形式显示在上位机上。

参见附图7，是协议栈软件网络管理和维护流程图。网络管理和维护模块主要是在协议栈运行过程中，对组建网络，使设备加入网络或离开网络、时间同步、网络运行参数维护做出具体的管理，使各个在网的无线网络设备能够长期稳定可靠的运行。

调用网络管理和维护模块实现传输设备加入无线网络或离开无线网络的具体过程如下：

工业无线数据传输设备上电初始化，调用数据链路层的相关函数进行网络发现，调用MAC层函数进行信道扫描，若扫描未完成，则继续扫描指定的信道个数，若传输设备扫描完成，则选择信号最强的设备作为其父设备，该设备与父设备，利用时间同步模块进行时间同步处理，并向父设备发出加入该设备请求，若父设备允许加入，则该设备取得父设备分配的短地址，正式完成加入网络。

然后接续判断是否有通信障碍，使得设备上主动或被动离开网络，若是设备要离开网络，设备发出离开网络请求，得到允许离开响应后，设备释放掉之前分配的通信资源，然后离开网络；如无通信障碍，发送各种信息周期性报告包括邻居信息报告、信道状况报告主要用于组建的网络维护。

参见图8，是协议栈软件通信调度流程图。工业设备在组建的网络中进行相互通信，必须按照一定的调度，否则设备之间会数据收发混乱和冲突。

调用通信调度模块实现时隙和信道管理，其具体过程如下：

进入通信调度模块入口，依据相对时隙号，调用设备管理和维护模块相关接口，取得协议栈的超帧表和链路表在该时隙对应的通信资源，然后进行时隙信道跳频处理，接着判断链路类型，若为发送链路，则在发送队列中选取高优先级的数据，判断是否长周期数据处理，若是，则进行长周期数据处理，然后按照发送时隙时序发送；若不是，直接按照发送时隙时序发送；当不为发送链路，是接收链路，则进入接收模式，按照接收时隙准备接收数据；若为发送/接收链路，则在发送缓队列中选取高优先级的数据，判断是否找到，如找到该数据，按照发送时隙时序发送，如没找到按照接收时序接收数据。

各传输设备的时间同步处理实现过程如下：

父设备进入时间同步入口，父设备在射频模块数据帧发送中断中，将全局时间打包，在射频模块中将数据包发射出去；本地设备被触发产生数据帧接收中断，在该中断中记录本地时间，运用时间同步算法将本地时间转换成全局时间，完成时间同步。

参见图9，是协议栈软件时间同步流程框图。该软件模块具体功能是在设备加入网络后，各个设备要在相对应的时隙中进行数据收发，因此要求各个设备进行全网时间同步。具体流程为：父设备在发送信标帧或时间同步命令帧时，在射频模块数据帧发送中断中，将发送全局时间以4个字节的时间戳形式添加到待发送的MAC数据帧中，接收端设备在收到信标帧或时间同步帧时，本地设备被触发产生数据帧接收中断，在该中断中记录本地时间，运用算法将本地时间转换成全局时间，完成时间同步，记录本地时间作为接收时间戳，这样该时间差仅是传输过程中的延时，减少了发送时间等其他不确定时间延时；然后在软件其他任务中进行时间同步，完成时隙对齐。

参见图10，是协议栈软件信道跳频流程图。该软件模块具体功能是当信道质量下降，进行信道跳频，实现高可靠性和高抗干扰性。能够对恶劣环境下遍布的各种大型器械、金属管道等对无线信号的反射、散射造成的多径效应，以及马达、器械运转时产生电磁噪声对无线通信的干扰有很好的抵抗性。

在设备每个时隙，根据信道状况更换通信信道。信道状况通过重传次数进行评价。

发送方：信道质量差时，并处于发送状态，判断该数据传输设备统计的重传次数是否到达设定的阈值，如果发送方端统计的重传次数达到了设定的阈值，这时说明信道状况不佳需更换信道，则从可用列表中按顺序选择下一信道，同时在下一重传时隙利用原信道通知接收方，但如果该传输设备没有接收到对方发来的确认信息，仍用原信道，继续统计发送端的重传次数，当达到协议规定的重传上限值时，丢弃当前包，使用原信道发送下一个包；如收到对方的确认信息，信道跳频成功双方利用此信道进行通信。

接收方：如不处于发送状态，是接收状态，判断是否收到发送方信道跳频通知，如果接收方端没有收到确跳频通知，则不更换信道，仍然采用原信道重传数据，继续统计接收端重传次数，如果接收方端达到重传上限值，选择下一信道进行通信，判断是否收到发送方的包，如果设备在切换信道后仍没有接收到发送端的包，则认为对方信道切换失败，返回原信道进行通信。

参见附图11，是应用程序流程图。本发明软件部分应用程序主要来完成用户所要达到的应用功能。

所述应用程序为数据采集、接收和发送程序，其具体实现过程为：

应用程序初始化；

调用协议栈函数使设备加入网络；

采集工业数据将转换后的数字量数据周期性发送给协议栈处理；

判断是否接收到协议栈传上来的数据；

如果没有接收到该数据，则进行当前设备异常状态判断，如果未发生异常，继续执行采集工业数据周期性发给协议栈处理程序步骤，如收到数据送入上位机处理。

如果当前设备发生异常，则进行异常处理入口，判断当前设备是否由于通信障碍离开网络，如果是，则需要调用协议栈接口使当前设备重新加入网络；如不是离开网络，则判断时间是否同步，如不同步，则继续循环执行应用程序步骤。

所述应用程序进一步描述：工业设备上电完成应用程序初始化操作，接着调用协议栈函数使设备加入网络；若成功则实时采集待监测的工业数据周期性发送协议栈处理，调用协议栈函数将其通过底层协议栈周期性发送出去；如有接收底层协议栈发送来的数据并将其通过网络或其他总线形式将其传递给上位机显示、监控及异常处理控制；如数据没收到，则监测是否有异常情况产生，若有，则进行异常处理；若无，则继续循环采集工业数据发送。

该应用程序提供本发明模块的定制功能，该模块结合工业现场实际需要监测的工业数据来编写相对应的应用程序。

Claims (10)

1.一种低功耗工业无线网络数据传输设备的使用方法，其特征在于包括步骤如下：

基于低功耗MCU和射频模块搭建硬件平台；

建立应用程序，通过各数据采集电路采集的工业现场数据转换为数字量数据发送给协议栈或接收协议栈传上来的数据；

依据WIA工业无线标准，建立工业无线协议栈，该协议栈包括数据通信模块、网络管理和维护模块、通信调度模块、时间同步模块和信道跳频模块作为底层固件保存在MCU的FLASH中；

将应用程序的电压或电流数字量送入协议栈通过其数据通信模块对该数字量进行发送和接收处理，转换为符合WIA工业无线标准的数据，再通过射频驱动程序驱动射频模块将标准的数据传输到监控终端进行显示、监控和保存，还可以接收来自监控终端的数据进行处理；

另外，还包括通过网络管理和维护模块实现传输设备加入网络或离开网络,对加入网络的设备进行参数配置、时间同步和对在网设备发送周期性报告，从而使入网设备获得通信资源包括时隙和信道信息；

利用通信调度模块和信道跳频模块，依据得到的时隙和信道信息，实现对当前设备的时隙和信道跳频的管理；

所述一种低功耗工业无线网络数据传输设备，包括微处理器电路、射频模块、串口电路；其中，微处理器电路与射频模块之间一路采用SPI总线通信交互连接，另一路通过其控制接口接射频模块控制端，对射频模块进行状态控制，串口电路与微处理器电路对应端连接，该串口电路另一端与PC机或手持设备连接进行数据通信；各数据采集电路输出端与微处理器电路输入端连接，可获得工业现场数据，该数据经微处理器电路、射频模块实现数据的传输、转发、显示和控制；

所述微处理器电路包括：

MCU(U1)，采用MSP430F1611或Atxmega128，内含程序存储器FLASH，MCU用来运行无线协议栈软件和应用程序，FLASH用来存储无线协议栈软件和应用程序；

第1晶振电路，为MCU工作提供时钟节拍；

复位电路，用于实现MCU复位；

第1晶振电路和复位电路输出端分别接MCU(U1)的输入端。

2.按照权利要求1所述的一种低功耗工业无线网络数据传输设备的使用方法，其特征在于：所述数据通信模块实现数据发送和接收，其具体过程如下：

首先判断是否发送数据，如发送，将用户层的应用程序的数字量经应用子层、网络层、数据链路子层打包处理后传递到底层MAC层；

将MAC层数据封装成IEEE802.15.4标准数据帧，调用射频驱动程序发送给工业无线网络设备。

3.按照权利要求2所述的一种低功耗工业无线网络数据传输设备的使用方法，其特征在于：如不发送，MCU被触发硬件外部中断读取射频数据到本地缓存，该数据经底层MAC层、数据链路子层、网络层、应用子层解包处理后解包传递到顶层，传给应用程序处理。

4.按照权利要求1所述的一种低功耗工业无线网络数据传输设备的使用方法，其特征在于：利用网络管理和维护模块实现传输设备加入无线网络或离开无线网络，其具体过程如下:

无线传输设备上电初始化，调用数据链路子层和MAC层的相关函数进行网络发现和信道扫描，判断信道是否扫描完毕，如扫描完毕,则选择信号最强的设备作为其父设备，传输设备与该父设备进行时间同步处理，然后传输设备向父设备发出加入请求，若父设备允许加入，则该设备取得父设备分配的短地址，正式完成加入网络。

5.按照权利要求4所述的一种低功耗工业无线网络数据传输设备的使用方法，其特征在于：入网后接续判断是否有通信故障，如果有通信故障，则设备要离开网络，当得到离开允许时，设备释放掉之前所分配的通信资源，离开网络。

6.按照权利要求1所述的一种低功耗工业无线网络数据传输设备的使用方法，其特征在于：利用通信调度模块和信道跳频模块实现对当前设备的时隙和信道跳频的管理，其过程如下:

进入通信调度模块入口，依据相对时隙号，取得协议栈的超帧表和链路表在该时隙对应的通信资源，进行信道跳频处理，接着判断链路类型，若为发送链路，则选取高优先级的数据，按照发送时隙时序发送。

7.按照权利要求1或6所述的一种低功耗工业无线网络数据传输设备的使用方法，其特征在于：实现对当前设备的时隙和信道跳频的管理的具体过程如下:

进入信道跳频模块入口，当数据传输设备处于发送状态，判断该数据传输设备统计的重传次数是否到达设定的阈值，如果达到设定的阈值，选择下一信道并在下一时隙用原信道通知接收方；判断是否收到确认通知，如果该传输设备没有接收到对方发来的确认信息，仍用原信道，继续统计发送端的重传次数，当达到协议规定的重传上限值，丢弃该包，使用原信道发下一包。

8.按照权利要求7所述的一种低功耗工业无线网络数据传输设备的使用方法，其特征在于：如不处于发送状态，是接收状态，判断是否收到发送方信道切换通知，若没收到对方的信道切换通知，继续统计接收端重传次数，如达到了设定的阈值，选择下一信道进行通信，判断是否收到发送方的包，如果没有接收到发送方的包，则认为对方信道切换失败，返回原信道进行通信。

9.按照权利要求4所述的一种低功耗工业无线网络数据传输设备的使用方法，其特征在于：各传输设备的时间同步处理实现过程如下:

进入父设备时间同步入口，父设备在射频模块数据帧发送中断中将全局时间封包，在射频模块中将该数据包发射出去；本地设备被触发产生数据帧接收中断，在该中断中记录本地接收时间，运用时间同步算法将本地时间转换成全局时间，完成时间同步。

10.按照权利要求1所述的一种低功耗工业无线网络数据传输设备的使用方法，其特征在于：所述应用程序为数据采集、接收和发送程序，其具体实现步骤为：

应用程序初始化；

调用协议栈函数使设备加入网络；

采集工业数据将转换后的数字量数据周期性发送给协议栈处理；

判断是否接收到协议栈传上来的数据；

如果没有接收到该数据，则进行当前设备异常状态判断，如果未发生异常，继续执行数据采集发送给协议栈处理过程。