CN103152789A - ISA100.11a和WIA-PA融合路由器及路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护ISA100.11a和WIA-PA融合路由器及路由方法。本路由器从共存的角度考虑，在现有ISA100.11a和WIA-PA协议栈的基础上，将协议栈路由代码进行融合，设计出一种ISA100.11a和WIA-PA融合路由器，融合部分主要是数据链路层的核心技术，同时该融合路由器能够将ISA100.11a和WIA-PA的帧格式进行相互的转换和分布式通信资源的分配，可以作为ISA100.11a和WIA-PA网络设备之间的桥梁，实现两个网络的互联互通，增强两个网络的实时性、共存性和互操作性。

Description

ISA100.11a和WIA-PA融合路由器及路由方法

技术领域

本发明涉及工业无线传感器网络技术领域，具体涉及ISA100.11a和WIA-PA融合路由器。

背景技术

当前，工业无线传感器网络在技术研究、产业规模和示范应用等方面发展势头比较迅猛。在技术方面，无线传感器网络的关键技术时间同步、自适应跳信道、确定性调度和子网路由等技术已经发展相对成熟，在技术创新方面也取得了突破，我国在无线通信协议，系统管理、嵌入式芯片的生产等领域经过多年的研究，取得了丰硕的成果。在标准制定方面，我国参与制定了很多国际性标准，逐渐在国际标准的制定过程中有着重要的话语权。在产业方面已经具备一定的规模性，据不完全统计全国有一千多家企事业单位在进行传感器网络的研发和应用，市场份额高达百亿元。在应用方面，无线传感器主要应用在复杂的环境中，如矿井，山洞和钢铁工厂等恶劣的环境中，同时还用于智能电网，智能家居和智能交通等领域，应用模式日渐成熟。

尽管工业无线网络在技术研究、标准制定和产业规模等领域取得了很大的进步，但是我们应该清楚的认识到由于在工业无线通信协议方面缺乏统一的标准，许多国际企业和区域推动了多个工业无线方面的国际标准的制定，使得在应用方面存在很大的差异性，不能够实现设备之间的互通性，加剧了设备生产商和制造商的生产困难，不同的标准在各大公司的利益驱使下相互竞争，增加了生产商的制造成本和用户的投资成本，从而造成工业无线通信技术很难普及应用。

ISA100.11a、WirelessHART和WIA-PA标准是工业无线网络三个主要国际标准，在标准制定和应用过程中有很多相同之处，标准的制定是源于设备生产者和使用者的推动，多个国际标准共存造成了设备之间的互操作性差，同时激烈的竞争必然导致了生产成本和用户运作资金的增高。鉴于以上原因，在设备生产者、使用者和标准制定者等的共同推动下，将三个工业无线网络国际标准WirelessHART、ISA100.11a和WIA-PA进行融合。正如申请号为：201210051230.1，名称为：WIA-PA网络与IEEE802.15.4网络的一种共存方法的中国专利申请中所指出的，WIA-PA网络中的网关设备通过侦听IEEE802.15.4干扰网络发送的信标帧，学习获取IEEE802.15.4网络发送数据包周期；WIA-PA网络系统管理器通过重新分配网络资源，调整本网络设备的调度时间，避免干扰。文中给出的共存方法通过系统管理器调整调度时隙，能够在一定程度上避免干扰，但是不能提高网络之间的通用性，也不能满足不同网络之间数据传输的实时性和可靠性的要求。

本发明在当前三个国际标准的融合工作正在进行中，新的融合标准还未制定完成的背景下，为了增加网络设备之间的互通性，提出一种基于ISA100.11a和WIA-PA协议融合路由器。ISA100.11a和WIA-PA融合路由器可以使ISA100.11a和WIA-PA网络设备进行共存，增强了网络设备之间的互操作性，同时保证了在同一个区域中两个网络数据传输的实时性和可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现阶段，三大标准的融合工作尚未完成，现在处于三个标准共存阶段，将ISA100.11a和WIA-PA的帧格式进行相互的转换和分布式通信资源的分配，实现ISA100.11a和WIA-PA两个网络的互联互通，增强两个网络的实时性、共存性和互操作性。

本发明解决上述问题的技术方案是，在现有ISA100.11a和WIA-PA协议栈的基础上，将协议栈路由代码进行融合，设计出一种ISA100.11a和WIA-PA融合路由器，该融合路由器能够作为ISA100.11a和WIA-PA网络设备之间的桥梁。通过工业无线网络国际标准ISA100.11a和WIA-PA的核心支撑技术的对比可知，其中与时间紧急性相关的功能涵盖了数据链路层的核心技术，包括时间同步技术、超帧调度技术和自适应跳频技术等。这些核心技术在两个协议栈中具有很多的共同性，在协议栈中均使用软件代码实现，因此融合的主要是数据链路层的核心技术。

融合路由器主要使用在ISA100.11a网络和WIA-PA网络共同工作的区域，两者互不干扰进行通信，当两个网络的其中一个网关出现问题而停止工作，在这种情况下融合路由器就可以打开进行工作，充当桥梁作用，将ISA100.11a协议和WIA-PA协议进行互相转换，完成不同网络设备之间的通信，实现数据实时可靠地进行传输，并显示在监控系统中。

一种基于ISA100.11a和WIA-PA的融合路由器，包括信道检测单元、帧信号判断单元、信息解析单元、计算单元、时间同步单元、资源分配单元。其中，信道检测单元检测并设置工作信道；帧信号判断单元侦听网络的帧信号，解析并判断是否为网关或者路由器发送的广告帧，获取网络的PANID并设置为融合路由器的PANID；信息解析单元解析数据链路层辅助子头获取超帧信息；计算单元计算时隙长度和超帧时隙数目，并设置超帧信息；时间同步单元在下一个超帧周期，接收广告帧，解析数据链路层辅助子头，获取时间戳信息，完成融合路由器与网络的时间同步；资源分配单元为融合路由器分配地址资源和时隙资源；计算单元根据超帧信息计算信标帧载荷，如果网络采用跳信道模式，下一个信标信道按照信标帧载荷值装载，否则下一个信标信道就装载初始信道，其他信息按照标准信标帧格式装载，并周期性进行广播。

判断广告帧具体步骤为：首先判断帧控制域中的Frame Type（帧类型）是否是数据帧类型，如果是数据帧类型，进一步解析并查看DHDR（数据链路层帧头子头）中的第3位，判断是否含有数据链路层辅助子头，根据辅助子头类型确认广告帧；判断网络采用跳信道模式具体为：查看数据链路层帧头子头中的第6位，如果包含跳信道时隙偏移，解析并查看数据链路层辅助子头中的超帧属性信息，确认信道偏移的初始值和跳频频率。

进一步，计算单元根据公式：Lts=TsDur×2^-20(s)计算时隙长度，根据公式：TimeSlotNum_ISA100.11a=SfPeriod/Lts计算超帧时隙数目，其中：TsDur为时隙间隔，Lts为时隙长度，SfPeriod为超帧周期，TimeSlotNum为超帧时隙数目。

信标帧载荷包括：信标帧序列BO、超帧序列SO、绝对时隙数目ASN、当前超帧偏移SfOffset和下一个信标帧信道NBC，其中，根据公式

计算信标帧序列BO，根据公式

计算超帧序列SO，根据公式ASN=(CTI×10⁶+CTF)/Lts计算绝对时隙数目ASN，根据公式计算当前超帧偏移SfOffset=(ASN-SfBirth)modSfPeriod，根据公式计算下一个信标帧信道NBC=(ASN+SfPeriod-SfOffset-Chbirth)modChCycle，其中：CTI为当前时间的整数，CTF为当前时间的小数部分，Lts为时隙长度，SfBirth为超帧初始偏移，ChBirth为信道初始值，ChCycle为信道循环周期。

本发明还提出一种基于ISA100.11a和WIA-PA融合路由器的路由方法，包括步骤：融合路由器自适应加入网络，终端设备通过融合路由器加入网络，所述融合路由器自适应加入网络包括：信道检测单元检测工作信道并进行设置；帧信号判断单元侦听网络的帧信号，解析并判断是否为网关或者路由器发送的广告帧，获取网络的个域网标识符PANID并设置为融合路由器的PANID；信息解析单元解析数据链路层辅助子头获取超帧加入信息；计算单元计算时隙长度和超帧时隙数目，并设置超帧信息；时间同步单元在下一个超帧周期，接收广告帧，解析数据链路层辅助子头，获取时间戳信息，完成融合路由器与网络的时间同步；资源分配单元为融合路由器分配地址资源和时隙资源；计算单元根据超帧信息计算信标帧载荷；如果网络采用跳信道模式，下一个信标信道按照信标帧载荷值装载，否则下一个信标信道就装载初始信道，其他信息按照标准信标帧格式装载，并周期性进行广播；终端设备通过融合路由器加入网络具体包括，终端设备解析信标帧载荷，从超帧描述子域中获取信标帧序列BO、超帧序列SO，计算超帧间隔、活跃期时间和时隙长度并设置超帧信息，向融合路由器发送入网请求，融合路由器回复入网响应，融合路由器向终端设备发送配置超帧信息和配置链路信息请求，根据配置的超帧和链路信息，将采集到的现场数据装载成数据帧周期性发送给融合路由器，融合路由器接收到数据之后在数据链路层将数据帧的有效载荷取出来，重新构造成数据帧，将该数据帧转发给网关。

ISA100.11a和WIA-PA融合路由器建立在双栈结构基础上，融合路由器能够运行ISA100.11a和WIA-PA两种协议栈，根据两者层次结构之间的差异以及不同层次的不同技术，共享相同信息，对两种协议进行融合与转化，协议转换和异构网络互联。融合路由器在底层物理层的主要功能是信道检测、信道切换和硬件驱动。数据链路层包括信标帧和广告帧解析引擎模块、确定性调度模块、跳信道模块和时间同步模块。这些模块共同构成融合路由器的核心。其中信标帧和广告帧的解析引擎是融合路由器工作的基础，通过对ISA100.11a协议的广告帧和WIA-PA信标帧的正确解析确定超帧调度信息，通过超帧调度信息完成确定性调度和时间同步等功能，实现两种协议信息共享和协议数据相互转换。

相对现有的无线传感器网络共存技术，本发明设计的ISA100.11a和WIA-PA融合路由器充分考虑了基于IEEE802.15.4的无线传感器网络具有周期发送和时隙调度等特点，从异构网络互通性和实时性的角度，针对两种协议共有的技术进行融合，能够实现ISA100.11a和WIA-PA两种网络的共存与融合。因此，本发明的融合路由器既能满足两种网络独立运行的要求，又能够对ISA100.11a和WIA-PA帧格式的相互转化和分布式通信资源分配，实现两种网络的实时转化，提高了工业无线网络的稳健性。

附图说明

图1融合路由器协议栈架构；

图2融合路由入网过程；

图3判断广告帧或信标帧的方法；

图4终端设备入网和融合路由器资源分配过程。

具体实施方式

由于ISA100.11a与WIA-PA协议的基础在于设备入网和网络资源分配，而这部分的功能主要集中在协议栈底层实现，因此协议栈介质访问控制子层的功能构成了融合路由器的核心。融合路由器从ISA100.11a广告帧与WIA-PA信标帧之中的超帧信息中计算出PANID（个域网标识符）、时隙间隔、下一个信道、超帧周期和超帧偏移初始值等信息，通过这些信息实现管理信息共享并完成时间同步和分布式资源分配。进而使现场设备能够通过融合路由器加入不同的网络之中并进行正常通信，完成ISA100.11a与WIA-PA融合。

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明：

融合路由器通过解析接收到的帧来判断是否加入网络并从中提取出网络的属性和参数。ISA100.11a标准协议中广告帧、数据帧、命令帧和确认帧均以数据帧类型存在，下面通过表1详细描述广告帧结构。

表1广告帧结构域

ISA100.11a广告帧主要分为三个部分：物理层帧头、介质访问控制层帧头(MHR)和数据链路层帧头。IEEE802.15.4MAC帧头完全符合IEEE802.15.4-2006标准；数据链路层帧头单元由三部分组成：数据链路层帧头子头（DHDR）、数据链路层MAC扩展子头（DMXHR）和数据链路层辅助子头（DAUX）。

MAC层帧结构使用了最简单的设计实现了在复杂环境下可靠的无线通信。MAC层帧头主要由帧控制域信息（FCF）、序列号（DSN）和地址信息（Address）构成。其中，帧控制域信息决定了该帧的类型、安全类型和地址模式，帧控制域结构如表2所示，Frame Type占用3个比特位，当FrameType=001时，表示该帧为数据帧。表2为帧控制域详细信息。

表2帧控制域信息

数据链路层帧头子头主要包含数据链路层的参数设置和版本号等信息。其中，第7位比特位决定接收到该帧后是否需要回复确认帧；第6位决定如果回复确认帧，确认帧中是否含有信号质量；第4-5位决定回复的确认帧的类型；第3位决定了该帧是否需要数据链路层辅助子头（DAUX）。其中，数据链路层辅助子头（DAUX）主要包含广告帧选项、时间同步信息、超帧信息、加入网络信息和校验，融合路由器通过对DAUX的解析就能够获取这些信息。

WIA-PA的信标帧由MAC帧头和信标帧载荷两部分组成，MAC帧头也完全符合IEEE802.15.4-2006标准，信标帧载荷包含簇标识符、绝对时隙数目、时间戳信息和下一个信标帧的信道，表3列出了信标帧的结构信息，WIA-PA信标帧主要完成全网设备的时间同步和广播超帧信息。

表3WIA-PA信标帧结构信息

当Frame Type=000时，表示该帧的类型为信标帧，信标帧载荷中的超帧描述（SuperframeSpec）信息占2个字节，表4描述了超帧描述信息的构成。

表4超帧描述信息结构

信标序列子域占4个比特位，用来表示信标帧的传输间隔。信标帧序列简称为BO，BO和信标帧间隔（BI）之间的关系为：

BI=BSD×2^BO  0≤BO<15   (1)

其中，BSD表示超帧序列为0时，组成超帧的符号数；超帧序列（Superframe Order）子域使用4个比特位，用来表示超帧结构中活跃时期的时间长度，该时间长度包含信标帧的发送时间，超帧序列简称为SO，SO和超帧活跃期间隔（SD）之间的关系如下：

SD=BSD×2^SO  0≤SO≤BO≤14   (2)

N表示组成超帧的时隙符号数目其值为60，SNum表示任何超帧中包含的时隙个数为16。

BSD=N×SNum   (3)

Final CAPSlot（最终竞争接入时隙）子域为4个比特位，表示竞争访问时隙段最终的那个时隙，该子域表示竞争访问时期的时隙间隔长度。

信标帧载荷中的AbsoluteSlotNumber（绝对时隙数目）是从设备开始上电开始，每经过一个时隙绝对时隙数目就加1。

Time Value（时间戳信息）占4个字节，表示UTC（协调世界时）的整数部分和小数部分，单位为秒。

下一个信标帧信道是指下一个超帧周期发送信标帧所在的信道，如果没有选择跳信道模式，则该值保持原来初始扫描信道不变；如果选择跳信道模式，则按照预先设定的信道序列进行计算获得信道号并装载该子域。

ISA100.11a和WIA-PA的数据链路层具有共性核心技术，如图1所示为融合路由器协议栈框架结构，是以ISA100.11a和WIA-PA双栈结构为基础，在融合路由器中集成了两个协议栈，将数据链路层的时间同步、超帧引擎调度和跳信道机制协议栈代码进行融合，两个协议栈共用一个数据链路层和物理层，共享管理信息库，而数据链路层以上各层保持各协议栈层次不变。

融合路由器包括信道检测单元、帧信号判断单元、信息解析单元、计算单元、时间同步单元和资源分配单元。信道检测单元检测工作信道并进行设置；帧信号判断单元侦听网络的帧信号，解析并判断是否为网关或者路由发送的广告帧，获取网络的PANID（个域网标识符）并设置融合路由器的PANID；信息解析单元解析DAUX（数据链路层辅助子头），获取超帧加入信息；计算单元计算时隙长度和超帧时隙数目，并设置超帧信息；时间同步单元在下一个超帧周期，接收广告帧，解析数据链路层辅助子头，获取时间戳信息，完成融合路由器与网络的时间同步；资源分配单元为融合路由器分配地址资源和时隙资源；计算单元根据超帧信息计算信标帧载荷；如果网络采用跳信道模式，下一个信标信道按照信标帧载荷值装载，否则下一个信标信道就装载初始信道，其他信息按照标准信标帧格式装载，并周期性进行广播。

终端设备入网并获取资源，解析信标帧载荷，从超帧描述子域中获取信标帧序列（BO）、超帧序列（SO），计算超帧间隔、活跃期时间和时隙长度并设置超帧信息；向融合路由器发送入网请求，融合路由器回复入网响应；融合路由器向终端设备发送配置超帧信息请求和配置链路信息请求；根据配置的超帧和链路信息，将采集到的现场数据装载成数据帧进行周期性发送给融合路由器，融合路由器接收到数据之后在数据链路层将数据帧的有效载荷取出来，重新构造成数据帧，将该数据帧转发给网关。

ISA100.11a和WIA-PA融合路由器就是两种协议之间的相互转换调整，主要包括超帧信息的转换、帧格式的转换和协议功能的转换，这些转换均在融合的数据链路层进行，以上各层的功能都在各自协议栈层进行。终端设备通过融合路由器入网，融合路由器的实现分为两种情况。

融合路由器自适应加入网络，然后终端设备通过融合路由器加入网络，路由器的协议转换为网络协议。

第一种情况是，WIA-PA网络的终端设备在融合路由器的桥梁作用下加入到ISA100.11a网络中，并正常工作，在此过程中主要实现的是ISA100.11a协议通过融合路由器转换为WIA-PA协议。WIA-PA终端设备加入ISA100.11a网络，该过程可以分为两步进行，首先是融合路由器自适应加入ISA100.11a网络，然后是WIA-PA终端设备通过融合路由器加入ISA100.11a网络，并正常工作。

融合路由器入网具体过程如图2所示：

（1）信道检测单元进行信道扫描监测ISA100.11a网络的工作信道，当检测到该网络的工作信道，则设置自身的信道。

（2）帧信号判断单元，侦听该网络的帧信号，解析并判断是否为ISA100.11a网络网关或者路由发送的广告帧，获取网络的PANID（个域网标识符）并设置融合路由器的PANID，广告帧或者信标帧的判断方法如图3所示：

要判断该帧是否为广告帧，首先判断帧控制域中的Frame Type（帧类型）是否是数据帧类型，如果是数据类型，则接着解析并查看DHDR（数据链路层帧头子头）中的第3位，判断是否含有数据链路层辅助子头，其中的辅助子头类型默认为广告帧。

进一步判断该网络的跳信道模式，首先查看数据链路层帧头子头中的第6位，判断是否包含跳信道时隙偏移，如果包含则继续解析并查看数据链路层辅助子头中的超帧属性信息，进一步确认信道偏移的初始值和跳频频率。

查看该网络的加入超帧信息获得超帧属性，比如时隙间隔，超帧周期和超帧偏移初始值，该网络的设备一旦侦听到广告帧就可以将设备自身的属性进行配置，同时完成时间同步，发送加入网络请求，实现资源分配并进行实时可靠的通信。

（3）信息解析单元，解析数据链路层辅助子头，获取超帧加入信息，其中包括时隙间隔（TsDur）、信道序列（ChIndex）、信道初始值（ChBirth）、超帧周期（SfPeriod）、超帧初始偏移（SfBirth）和跳信道频率（ChRate）。

计算单元根据公式(4)和(5)计算时隙长度和超帧时隙数目，融合路由器设置超帧信息，为下一步加入网络进行准备。

其中，时隙间隔（TsDur）和时隙长度（Lts）之间满足关系如下：

Lts_ISA100.11a=TsDur×2^-20(s)   （4）

则超帧周期（SfPeriod）和超帧时隙数目（TimeSlotNum）之间满足关系：

TimeSlotNum_ISA100.11a=SfPeriod/Lts_ISA100.11a   （5）

（4）时间同步单元在下一个超帧周期，接收到广告帧，解析数据链路层辅助子头，获取时间戳信息，完成融合路由器与ISA100.11a网络的时间同步。

（5）融合路由器按照ISA100.11a路由入网过程加入网络，资源分配单元完成资源分配，资源主要包括地址资源和时隙资源，采用分布式资源分配方法，为融合路由器分配地址资源和时隙资源。

（6）融合路由器加入ISA100.11a网络后，开始构造并周期性发送WIA-PA信标帧，从自身获取介质访问控制子层帧头信息，根据ISA100.11a超帧信息通过以下公式计算获得信标帧载荷。信标帧载荷主要有超帧描述中的信标帧序列（BO）和超帧序列（SO）、绝对时隙数目（ASN），当前时间值、下一个信标帧信道（NBC）和时隙间隔（TsDur）。ISA100.11a的超帧周期（SfPeriod）和WIA-PA的信标帧间隔（BI）是相等的，同样时隙长度（Lts）也是相等的，关系如下：

SfPeriod=BI   （6）

Lts_ISA100.11a=Lts_WIA-PA   （7）

由公式(1)和(6)可知，BSD×2^BO=SfPeriod   （8）

由此可以计算出信标帧序列（BO）的值如下：

$\mathrm{BO}={\log }_2^{\mathrm{SfPeriod}}-{\log }_2^{\mathrm{BSD}}---\left(9\right)$

WIA-PA时隙长度（Lts_WIA-PA）如下：

Lts_WIA-PA=BSD×2^SO   （10）

由公式（4）和（7）可以得出超帧序列（SO）,关系如下：

$\mathrm{SO}={\log }_2^{\mathrm{TsDur}\&times;2^{-20}/\mathrm{BSD}}---\left(11\right)$

简化公式（11）得，

$\mathrm{SO}={\log }_2^{\mathrm{TsDur}}-{\log }_2^{\mathrm{BSD}}-20---\left(12\right)$

绝对时隙数目（ASN）可以通过融合路由器的系统时间计算获得，系统时间是从定时计数器中读取的当前时间，包含当前时间的整数部分（CTI）和当前时间的小数部分（CTF），绝对时隙数目（ASN）和当前时间之间的关系如下：

ASN=(CTI×10⁶+CTF)/Lts_ISA100.11a   （13）

当前的超帧偏移（SfOffset）和绝对时隙数目（ASN）以及超帧初始偏移（SfBirth）之间的关系如下：

SfOffset=(ASN-SfBirth)modSfPeriod   (14)

信道循环周期（ChCycle）和信道数目（ChNum）关系为：

ChCycle=ChNum×ChRate   (15)

根据公式(14)和(15)可以得出下一个信标帧信道（NBC），关系如下：

NBC=(ASN+SfPeriod-SfOffset-Chbirth)modChCycle   (16)

其中：SfOffset为超帧偏移，Chbirth为信道初始值，ChCycle为信道循环周期。

如果ISA100.11a网络采用跳信道模式，时隙跳信道或者慢跳信道，下一个信标信道按照上面公式计算所得信标帧载荷值装载；如果没有采用跳信道模式，下一个信标信道就装载初始信道，其他信息按照WIA-PA标准信标帧格式装载，并周期性进行广播。

WIA-PA终端设备通过融合路由器加入ISA100.11a网络。如图4所示终端设备入网并获取资源，其具体过程如下：

（1）WIA-PA终端设备进行信道扫描，并设置自身的初始信道，侦听融合路由器的帧，判断该帧是否是融合路由器的信标帧。

（2）如果是信标帧，解析信标帧载荷，从超帧描述子域中获取信标帧序列（BO）、超帧序列（SO），通过公式(1)、(2)和(10)计算超帧周期（SfPeriod）、活跃期时间和时隙长度（Lts）并设置超帧信息。

（3）继续解析信标帧，获取当前时间戳信息并读取当前时间对比完成时间校准，完成时钟同步。

（4）按照WIA-PA终端设备加入网络的过程，向融合路由器发送入网请求，融合路由器回复入网响应。

（5）加入网络后，融合路由器向终端设备发送配置超帧信息请求和配置链路信息请求。

（6）根据配置的超帧和链路信息，将采集到的现场数据装载成数据帧进行周期性发送给融合路由器，融合路由器接收到数据之后在数据链路层将数据帧的有效载荷取出来，重新构造成ISA100.11a的数据帧，然后融合路由器将该帧转发给ISA100.11a网络网关，并在监控系统上显示。

第二种情况是，ISA100.11a终端设备脱离ISA100.11a网络，在融合路由的作用下，ISA100.11a的终端设备加入到WIA-PA网络中，并正常工作，在此过程中主要实现的是WIA-PA协议通过融合路由器转换为ISA100.11a协议。图8为ISA100.11a终端设备通过融合路由器加入WIA-PA网络，具体过程同样分为两步进行：

融合路由器入网的具体过程如下步骤所述：

（1）WIA-PA网络在正常情况下，信道检测单元，将信道进行逐个扫描监测WIA-PA网络的工作信道，如果扫描到了，则将该信道设置为融合路由器的初始信道。

（2）融合路由器判断单元将接收到的帧进行解析并判断是否是WIA-PA网络的信标帧，按如图2所示方法进行判断是否为信标帧。

（3）解析单元解析信标帧的超帧描述子域，获取信标序列（BO）和超帧序列（SO），由此根据公式(1)和(10)可以计算出信标帧间隔（BI）和时隙长度（Lts）。融合路由器设置这些超帧信息，为入网做准备。

（4）继续解析信标帧，时间同步单元读取本地时钟，并将时间戳信息取出进行校对，完成时钟同步。

（5）按照WIA-PA标准规定的入网过程，融合路由器请求单元发送加入网络请求给网关，网关设备在通过安全管理者的安全认证之后，回复入网响应。

（6）入网响应成功后，网关设备的网络管理者要对通过安全认证的路由设备进行资源分配，采用分布式资源分配方法。通信资源主要包括路由信息、超帧信息和链路信息。

（7）融合路由器加入WIA-PA网络之后，在数据链路层装载ISA100.11a的广告帧，并进行周期性发送。ISA100.11a的广告帧所需的信息主要有时隙间隔（TsDur）、超帧周期（SfPeriod）、跳信道频率（ChRate）和超帧序列为0时，组成超帧的符号数（BSD）等。由公式(4)、(7)和(10)可以计算出时隙间隔（TsDur）为：

TsDur=BSD×2^so+20   (17)

通过公式(8)能够计算出超帧周期SfPeriod。WIA-PA网络如果采用跳信道模式，时隙跳信道或者慢跳信道，当前的信道偏移为CurCh，BI为信标帧间隔，根据公式(16)计算得出下一个信标信道为NBC，由此可以计算出信道序列循环周期（ChCycle）为：

ChCycle=BI|NBC-CurCh|   (18)

根据公式(15)和(18)可以得出信道频率ChRate，其中ChNum为信道数：

ChRate=BI/|NBC-CurCh|×ChNum   (19)

如果没有采用跳频模式，ChCycle默认值为0。将这些超帧信息按照ISA100.11a标准的广告帧的格式进行装载，并周期性地发送。

ISA100.11a终端设备加入WIA-PA网络如图4所示，其具体过程如下：

（1）ISA100.11a终端设备启动接收机进行信道扫描监测，当侦听到ISA100.11a路由发送的广告帧时，将此信道设置为设备的通信初始信道，解析并配置PANID。根据如图3所述方法判断是ISA100.11a路由发送的广告帧。

（2）解析该广告帧，获得MAC帧头、数据链路帧头子头、数据链路MAC扩展子头和数据链路辅助子头等信息，将这些信息设置同时解析时间戳信息完成时钟同步。

（3）ISA100.11a终端设备按照标准规定的设备入网过程发送入网请求，当接收入网响应后，发送contract请求分配资源，然后融合路由回复contract响应，整个过程如图4所示。

资源分配成功后，按照分配的地址和时隙在确定性调度下采集现场数据并发送给融合路由器；当融合路由器接收到ISA100.11a终端设备发送的数据包，在数据链路层进行解析获取有效载荷，然后构造成WIA-PA的数据包，转发给WIA-PA的网关设备，然后显示在监控系统上。

ISA100.11a和WIA-PA都是基于IEEE802.15.4标准的工业过程测量、监视与控制的无线网络系统，因此可靠性和实时性是网络能否实用的重要标准，而融合路由器的设计，能够实现ISA100.11a网络和WIA-PA网络的相互转换和互相接入，在实际实用过程中能够有效的提高这两种网络的实时性和可靠性，而且为工业无线标准的融合和统一奠定了实践基础。

Claims (8)

1.一种基于ISA100.11a和WIA-PA的融合路由器，其特征在于，包括信道检测单元、帧信号判断单元、信息解析单元、计算单元、时间同步单元、资源分配单元，信道检测单元检测并设置工作信道；帧信号判断单元侦听网络的帧信号，解析并判断是否为网关或者路由器发送的广告帧，获取网络的个域网标识符（PANID）并设置为融合路由器的PANID；信息解析单元解析数据链路层辅助子头获取超帧加入信息；计算单元计算时隙长度和超帧时隙数目，并设置超帧信息；时间同步单元在下一个超帧周期，接收广告帧，解析数据链路层辅助子头，获取时间戳信息，完成融合路由器与网络的时间同步；资源分配单元为融合路由器分配地址资源和时隙资源；计算单元根据超帧信息计算信标帧载荷；如果网络采用跳信道模式，下一个信标信道按照信标帧载荷值装载，否则下一个信标信道就装载初始信道，并周期性进行广播。

2.根据权利要求1所述的融合路由器，其特征在于，判断广告帧具体为：首先判断帧控制域中的帧类型（Frame Type）是否是数据帧类型，如果是数据帧类型，进一步解析并查看数据链路层帧头子头（DHDR）中的第3位，判断是否含有数据链路层辅助子头，根据辅助子头类型确认广告帧；判断网络采用跳信道模式具体为：查看数据链路层帧头子头中的第6位，如果包含跳信道时隙偏移，解析并查看数据链路层辅助子头中的超帧属性信息，确认信道偏移的初始值和跳频频率。

3.根据权利要求1所述的融合路由器，其特征在于，计算单元根据公式：Lts=TsDur×2^-20(s)计算时隙长度，根据公式：TimeSlotNum=SfPeriod/Lts计算超帧时隙数目，其中：TsDur为时隙间隔，Lts为时隙长度，SfPeriod为超帧周期，TimeSlotNum为超帧时隙数目。

4.根据权利要求1所述的融合路由器，其特征在于，信标帧载荷包括：信标帧序列BO、超帧序列SO、绝对时隙数目ASN、当前超帧偏移SfOffset和下一个信标帧信道NBC，根据公式计算信标帧序列BO，根据公式

计算超帧序列SO，根据公式ASN=(CTI×10⁶+CTF)/Lts计算绝对时隙数目，根据公式SfOffset=(ASN-SfBirth)modSfPeriod计算当前超帧偏移，根据公式NBC=(ASN+SfPeriod-SfOffset-Chbirth)modChCycle计算下一个信标帧信道，其中：SfPeriod为超帧周期，BSD表示超帧序列为0时组成超帧的符号数，TsDur为时隙间隔，CTI为当前时间的整数，CTF为当前时间的小数部分，Lts为时隙长度，SfBirth为超帧初始偏移，ChBirth为信道初始值，ChCycle为信道循环周期。

5.一种基于ISA100.11a和WIA-PA融合路由器的路由方法，包括步骤：融合路由器自适应加入网络，终端设备通过融合路由器加入网络，其特征在于，所述融合路由器自适应加入网络包括：信道检测单元检测工作信道并进行设置；帧信号判断单元侦听网络的帧信号，解析并判断是否为网关或者路由器发送的广告帧，获取网络的个域网标识符PANID并设置为融合路由器的PANID；信息解析单元解析数据链路层辅助子头获取超帧加入信息；计算单元计算时隙长度和超帧时隙数目，并设置超帧信息；时间同步单元在下一个超帧周期，接收广告帧，解析数据链路层辅助子头，获取时间戳信息，完成融合路由器与网络的时间同步；资源分配单元为融合路由器分配地址资源和时隙资源；计算单元根据超帧信息计算信标帧载荷；如果网络采用跳信道模式，下一个信标信道按照信标帧载荷值装载，否则下一个信标信道就装载初始信道，并周期性进行广播；终端设备通过融合路由器加入网络具体包括，终端设备解析信标帧载荷，从超帧描述子域中获取信标帧序列BO、超帧序列SO，计算超帧间隔、活跃期时间和时隙长度并设置超帧信息，向融合路由器发送入网请求，融合路由器回复入网响应，融合路由器向终端设备发送配置超帧信息和配置链路信息请求，根据配置的超帧和链路信息，将采集到的现场数据装载成数据帧周期性发送给融合路由器，融合路由器接收到数据之后在数据链路层将数据帧的有效载荷取出来，重新构造成数据帧，将该数据帧转发给网关。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，判断广告帧具体为：首先判断帧控制域中的Frame Type是否是数据帧类型，如果是数据帧类型，进一步解析并查看DHDR中的第3位，判断是否含有数据链路层辅助子头，根据辅助子头类型确认广告帧；判断网络采用跳信道模式具体为：查看数据链路层帧头子头中的第6位，如果包含跳信道时隙偏移，解析并查看数据链路层辅助子头中的超帧属性信息，确认信道偏移的初始值和跳频频率。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，计算单元根据公式：Lts=TsDur×2^-20(s)计算时隙长度，根据公式：TimeSlotNum=SfPeriod/Lts计算超帧时隙数目，其中：TsDur为时隙间隔，Lts为时隙长度，SfPeriod为超帧周期，TimeSlotNum为超帧时隙数目。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，信标帧载荷包括：信标帧序列BO、超帧序列SO、绝对时隙数目ASN、当前超帧偏移SfOffset和下一个信标帧信道NBC，其中，根据公式

计算信标帧序列BO，根据公式

计算超帧序列SO，根据公式ASN=(CTI×10⁶+CTF)/Lts计算绝对时隙数目，根据公式SfOffset=(ASN-SfBirth)modSfPeriod计算当前超帧偏移，根据公式NBC=(ASN+SfPeriod-SfOffset-Chbirth)modChCycle计算下一个信标帧信道，其中，CTI为当前时间的整数，CTF为当前时间的小数部分，Lts为时隙长度，SfBirth为超帧初始偏移，SfPeriod为超帧周期。

Images