CN103797863A - 无线传感器网络 - Google Patents

Abstract

一种无线传感器网络，包括：包括用于感测参数的传感器的至少一个传感器单元（2）和至少一个询问节点（8）。该询问节点（8）被配置为向所述传感器单元（2）周期性发送询问消息并接收来自所述传感器单元（2）的回复消息。传感器单元（2）被配置为在预定的故意延迟之后发送所述回复消息，除非传感器单元（2）确定已经满足警报状况，在已满足警报状况的情况下，传感器单元（2）被配置为在故意延迟结束之前发送所述回复消息。

Description

无线传感器网络

技术领域

本发明涉及通常由电池供电的分布式无线远程传感器单元的网络，其报告来自不同物理位置的数据。

背景技术

这种众所周知的远程传感器网络用于各种不同的应用中，例如，用于报告温度、压力等。它们提供了一种从多个不同位置获得数据，然后可将数据以集中方式记录、分析并用在控制系统中的方法。

在许多应用中，远程传感器网络的目的在于收集媒介或长期监测的数据以及性能分析，并因此其相对低的更新速率是可接受的。然而，存在定时对安全是至关重要的一些应用。例如，在用于检测危险气体的过高水平的气体传感器的网络中，尽可能快的对任何这种升高水平的报告是至关重要的。这可以通过利用高的更新速率来实现，但这面临功耗显著增加的代价，并因此随之降低地电池寿命或成本和重量增加。

发明内容

本发明寻求解决这一问题，并从第一方面的角度提供了一种无线传感器网络，包括：至少一个传感器单元，包括用于感测参数的传感器；以及至少一个询问节点，其中，该询问节点被配置为向所述传感器单元周期性发送询问消息并接收来自所述传感器单元的回复消息，其中，除非传感器单元确定已经满足警报状况，否则，该传感器单元被配置为在预定的故意延迟之后发送所述回复消息，其中在已满足警报状况的情况下，该传感器单元被配置为在故意延迟结束之前发送所述回复消息。

因此，本领域的这些技术人员应理解到，根据本发明，远程传感器在正常情况下可以具有相对低的更新速率（源自响应于询问消息的故意延迟），虽然如此，但如果满足警报状况也能更迅速地进行报告。这有益于用于远程传感器单元的更持久电池寿命的同时保留了其在安全关键系统中使用的能力。在正常状况下故意延长回复但在警报状况下很快发送回复的特征是有利的，这是因为其使得传感器单元能够控制何时发送回复但与协议兼容，并且远程传感器单元能够仅响应于询问消息，即它不能发起通信。

本文所使用的术语‘故意延迟’旨在表示比由于处理延迟、时钟延迟等在系统中不可避免产生的延迟长的延迟。

应当理解，本发明拓展至它们自身中的传感器单元的这种网络，并因此当从第二方面的角度看时，本发明提供用于无线传感器网络的传感器单元，其中，该传感器单元包括用于感测参数的传感器，并且被配置为周期性接收来自询问节点的询问消息并在预定的故意延迟之后向所述询问节点发送回复，除非传感器单元确定满足警报状况，而在这种满足警报状况的情况下，传感器单元被配置为在故意延迟结束之前发送所述回复。

本发明还拓展至一种用于操作包括至少一个传感器单元和至少一个询问节点的无线传感器网络的方法，该方法包括：询问节点将询问消息周期性发送至所述传感器单元；以及除非传感器单元确定已经满足警报状况，否则，传感器单元在预定的故意延迟之后将回复发送至询问节点，而在已满足警报状况的情况下，传感器单元在故意延迟结束之前将所述回复发送。

询问节点本身可以生成询问消息。然而，在一组优选实施方式中，询问节点被配置为传送由诸如利用询问设备与通用网络连接的控制器的另一设备生成的询问消息。

警报状况可以采用多种形式。在一组优选实施方式中，它包括感测参数的阈值。在气体传感器的实例中，警报状况可以包括阈值浓度，这样使得如果检测到超过阈值的任意浓度，则满足警报状况。然而，也存在许多其他可能形式，例如，参数的低阈值（例如，氧气浓度）或者可接收范围（例如，针对温度）以及也可以是基于一个以上参数的复合警报状况。附加地或可替代地，警报状况可以具有时间分量，例如，警报可以包括参数变化的速率、平均值、用于预定的时间量的阈值的突破值或它们的任意组合。

例如，传感器单元包括多个检测器时，传感器单元可以具有基于同一参数或者基于不同参数的一个以上的警报状况。

回复消息可以采用多种不同形式。虽然这可能不适合安全关键应用，但可以设想在正常条件下和在警报状况采用同一形式，利用询问节点仅注意回复定时以确定是否出现警报状况。在一组优选的实施方式中，如果检测到警报状况，则回复消息包括不同的警报消息，以确保可靠并快速解释警报消息和网络采取适合动作，例如，生成警报。例如，在传感器单元具有多个警报状况时，警报消息可以包括单个标记或多值状态码。

回复消息可以包括与传感器单元所感测的参数相关的定量数据。这种定量数据可形成正常条件下、所有条件下或警报状况下的回复消息的一部分。在警报状况下提供的数据可以但非必须与定义警报状况的参数相关。例如，如果警报状况为过高的气体浓度，则警报消息可包括关于所检测到的实际浓度的数据。

根据本发明，当检测到警报状况时发送单个警报消息。然而，优选重复发送消息，优选比正常回复消息更频繁地发送消息。这确保即使在传输期间丢失一个或多个数据包，警报消息也能够被最终接收到并起作用。另一优点在于，警报消息包括定量数据，因为它允许频繁地更新数据，因此允许用户或监测软件追踪问题的发展。由传感器单元发送的、回复消息额外的消息（即，不直接回复请求消息）在一些协议中被视为未被请求的消息，并因此有较低的机会被询问节点/控制器接收或处理，虽然如此，但认为发送它们是有益的。

在一组优选实施方式中，回复消息包括用于识别传感器单元的识别信息。然而，这并不是必要的。应用可仅要求网络意识到在网络中任何点发生的警报状况，例如，允许使用诸如关闭系统等的应用。可替代地，具体地，在非安全关键的系统中，询问节点能够推断发送回复消息的传感器单元的身份：例如，由于每个传感器单元与特定信道相关联（通过时间、频率或码分）；或者根据被配置为传感器单元仅响应于明确指向它们的询问消息的网络。虽然在优选实施方式中，询问节点或每个询问节点与多个传感器单元通信，但这不是必须的；它或它们也可仅与一个传感器单元通信。

优选地，一个或多个传感器单元被配置成为其他传感器单元或网络节点中继消息和/或数据。这可以允许提供其中一些传感器单元能够用作其他节点的中间节点的层次网络。这意味着来自一些传感器单元的回复消息沿着多跳路径。

因此，询问节点可包括用于感测参数的传感器，这样使得询问节点本身可以检测并报告警报状况，而不必与另一询问节点通信。

优选，传感器单元被电池供电。这允许在其放置地点方面具有高度灵活性。并不需要排除由一个或多个电池供电；其还可以包括太阳能电池或其他能量获取源以延长电池的寿命。许多传感器单元可以共用电源。

在一组实施方式中，根据本发明的传感器网络包括通过数据网络而连接一起和/或连接至中央服务器的多个询问节点。可以采用常规的有线或无线数据网络，例如，以太网、WiFi、TCP/IP等。在一组实施方式中，采用PROFINET和PROFISAFE。

询问节点可以由主电源供电以方便于此。中央服务器可包括与其一体的询问节点。

根据本发明，传感器单元被配置为在检测到警报状况不久就发送回复（例如，警报消息），而传感器单元将以其他的方式发送回复。这仍然可以允许故意延迟，但优选传感器单元被配置为在检测到警报状况之后尽可能快地发送所述回复消息。

优选地将传感器单元中的故意延迟被配置为，使得在接收下一条询问消息之前立刻发送对询问消息的回复，换言之，故意延迟尽可能不与下一条消息重叠。这最大化根据本发明的可实现的优点：在检测到警报状况的情况下，能够尽可能与回复一样快的发送警报消息。还具有的优势是允许传感器单元在接收询问消息和发送回复之间进入睡眠状态，这样使得它在每个循环仅醒来一次。在睡眠状态下，传感器单元仅需要监测警报状况和执行任何其他必要功能，但可以关闭与发送器和接收器有关的电路。

在一组实施方式中，当以周期T发送询问消息时，故意延迟为大于T的80%。换言之，除非检测到警报状况，否则回复消息在接收询问消息之后的最后20%周期内被发送。

虽然，在一些实施方式中其他类型的信号可以用于一个或两个方向的通信，例如，超声波、红外线灯，但优选地无线传感器单元被配置为通过射频信号与询问节点通信。

在一组实施方式中，如果接收到警报消息，则（内部或由外部控制器）将询问节点控制为更频繁地发送请求消息。在这种情况下，优选地使询问节点向传感器单元发送控制消息，以相应地使传感器单元减少故意延迟。这确保了传感器单元更频繁地发送回复消息（即，这些回复消息应当由将要接收的协议来保证）。附加地或可替代地，如果接收到警报消息，则传感器单元可以发送额外的未被请求消息（该消息并非回复消息），因此，无法保证回复消息将被询问节点接收或者由节点或控制器来处理。

发送请求消息的速率的任何增加例如仅针对某个时间量或直到不再出现警报状况。

传感器网络可以基于任何数量的不同协议，例如，无线HART（可寻址远程传感器高速通道），但在一组实施方式中，传感器网络基于由自动控制国际协会设定的ISA100标准。

传感器单元所感测的参数可以是任何数量的取决于应用的不同可能情况。在一组实施方式中，传感器单元包括气体传感器。

附图说明

现在将参照附图仅以实施例的方式描述本发明的优选实施方式，附图中：

图1是体现本发明的传感器网络的示意性表示；

图2是与正常操作相关的通信时序图；以及

图3是与警报状况操作相关的通信时序图。

具体实施方式

首先参照图1，示出碳氢化合物气体传感器单元2、4的网络。传感器单元2、4中的每一个包括气体检测器和被设计为操作ISA100.11a或无线HART通信协议并连接至天线3的2.4GHz无线电发送机和接收机。当然，这些具体的细节仅用于说明，可替代使用其他的传感器和/或通信方法。

一些传感器单元2与网关或代理服务器8之间具有直接双向的无线电链路6，其中网关或代理服务器8用作下文中将更详细描述的询问节点。剩余单元4与其他单元2之间具有无线电链路，以使能远程传感器单元4和网关8之间的多跳通信。在这种情况下，具有直接链路的传感器单元2用作中间节点。传感器单元可以全部相同并根据需要可被配置为中间节点或非中间节点。可替换地，一些仅能够用作远程节点。其他的拓扑和层次也是可行的，并且因此在从给定传感器单元回到主网络的路径中具有两跳或多跳。

网关8连接至以太网10，以太网10连接至控制系统操作的控制器12。现在将参照图2和图3描述该操作。

在正常操作情况下，如图2所示，网关8按照控制器12的命令来每20秒发送包括下行链路消息safeReq(x)的询问消息至给定的传感器单元2，以请求对传感器单元处安全状况的确认。传感器单元2接收safeReq(x)消息，并进入十八秒的睡眠，由此无线电收发机电路和所有其他非必要子系统被断电。十八秒之后，传感器单元然后唤醒以基于最后所接收的消息safeReq(x)构造并发送响应数据包safeRes(x)。响应数据包safeRes(x)由网关8接收并被传送至控制器12。不久之后，控制器12启动下一条消息safeReq(x+1)并重复该过程。因此，传感器单元每二十秒执行一次接收和一次发送。

警报状态情况下的操作如图3所示。在此图中，由控制器12经由网关8发送第一询问消息safeReq(x)，以及仅过十八秒(x)后接收到相应的回复safeRes(x)。然后，发送下一条询问消息safeReq(x+1)，但传感器单元2并不停留在随后十八秒的睡眠状态，而是被其气体检测器唤醒，其中气体检测器检测出碳氢化合物气体的浓度超过构成警报状况（也可以是其他警报状况）的预定阈值。在下一个两秒内，传感器单元2以警报消息safeRes(x+1)的形式发送对safeReq(x+1)询问消息的回复。应当理解，发送回复早于之前的情况。其还包括包含用于指定其为警报消息的标记的不同信息。将警报消息safeRes(x+1)传送至控制器12，其可以采用诸如发出警报声音、关闭安全阀等适合动作。在发送请求的safeRes(x+1)消息之后，传感器单元2继续发送未被请求的消息Unsafe()，其包括表示检测器所实际测量的浓度的数据。每两秒重复发送一次Unsafe()消息以给出关于气体浓度的最新消息，直到重置传感器单元2。当发送下一条询问消息safeReq(x+2)（未示出）时，假定警报状况仍持续，则传感器单元将如之前一样以跟随有一系列Unsafe()消息的‘safe’（即，请求）回复消息safeRes(x+2)来响应。这持续到控制器12指示网关8向传感器单元2发送重置消息。

因此，可以看出，正常使用情况下，二十秒周期中仅有一次接收和一次发送（在上一条回复的发送的发生紧接在下一条消息的接收之前的事实下），意味着传感器单元可以在睡眠模式中消耗大部分时间并因此具有非常低的功耗。然而，在警报状态的情况下，可以在两秒内发送警报消息。由于这用作对轮询/询问消息的回复，所以网关8能够立刻接收并处理。因此，利用不对称带宽分配高效建立了无线通信：针对下行链路每二十秒一次发送，但针对上行链路每两秒一次发送。这种配置允许检测器被保证为兼容SIL2标准的同时保持非常持久的电池寿命。传感器单元和询问节点之间的通信还被配置为包括超时、传感器识别和数据一致性检查（本领域内所有已知自身数据）以确保兼容于SIL2安全标准。

设置二十秒的轮询周期，以使得两个连续的数据包可以在六十秒的处理安全时间内丢失，而不丧失传感器单元的功能。

Claims (49)

1.一种无线传感器网络，所述无线传感器网络包括：包括用于感测参数的传感器的至少一个传感器单元和至少一个询问节点，其中，所述询问节点被配置为向所述传感器单元周期性发送询问消息并接收来自所述传感器单元的回复消息，其中，除非所述传感器单元确定已经满足警报状况，否则所述传感器单元被配置为在预定的故意延迟之后发送所述回复消息，在已满足所述警报状况的情况下，所述传感器单元被配置为在所述故意延迟结束之前发送所述回复消息。

2.根据权利要求1所述的网络，其中，所述询问节点被配置为传送由另一个设备生成的询问消息。

3.根据权利要求1或2所述的网络，其中，所述警报状况包括感测的参数的阈值。

4.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，如果检测到警报状况，则所述回复消息包括不同的警报消息。

5.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，所述回复消息包括与由所述传感器单元感测的参数相关的定量数据。

6.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，如果检测到警报状况，则所述传感器单元被配置为比正常回复消息更频繁地重复发送消息。

7.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，所述回复消息包括用于识别所述传感器单元的识别信息。

8.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，所述询问节点与多个传感器单元通信。

9.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，一个或多个传感器单元被配置成为其他传感器单元或网络节点中继消息和/或数据。

10.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，所述传感器单元是电池供电的。

11.根据前述权利要求中任一项所述的网络，包括通过数据网络连接一起接和/或连接至中央服务器的多个询问节点。

12.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，所述传感器单元被配置为在检测到警报状况之后尽可能快地发送所述回复消息。

13.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，所述传感器单元中的所述故意延迟被配置为使得在紧接在接收到下一条询问消息之前发送对所述询问消息的回复。

14.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，以周期T发送所述询问消息以及所述故意延迟大于T的80%。

15.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，所述传感器单元被配置为通过射频信号与所述询问节点通信。

16.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，如果接收到警报消息，则所述询问节点被控制为更频繁地发送请求消息。

17.根据权利要求16所述的网络，其中，使所述询问节点向所述传感器单元发送控制消息以使所述传感器单元相应地减少所述故意延迟。

18.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，所述传感器单元包括气体传感器。

19.一种用于无线传感器网络的传感器单元，其中，所述传感器单元包括用于感测参数的传感器，并且所述传感器单元被配置为周期性接收来自询问节点的询问消息，以及除非所述传感器单元确定已经满足警报状况，否则在预定的故意延迟之后向所述询问节点发送回复，在满足所述警报状况的情况下，所述传感器单元被配置为在所述故意延迟结束之前发送所述回复。

20.根据权利要求19所述的传感器单元，其中，所述警报状况包括用于感测的参数的阈值。

21.根据权利要求19或20所述的传感器单元，其中，如果检测到警报状况，则所述回复消息包括不同的警报消息。

22.根据权利要求19至21中任一项所述的传感器单元，其中，所述回复消息包括与由所述传感器单元感测的参数相关的定量数据。

23.根据权利要求19至22中任一项所述的传感器单元，其中，如果检测到警报状况，则所述传感器单元被配置为比正常回复消息更频繁地重复发送消息。

24.根据权利要求19至23中任一项所述的传感器单元，其中，所述回复消息包括用于识别所述传感器单元的识别信息。

25.根据权利要求19至24中任一项所述的传感器单元，其中，所述传感器单元被配置成为其他传感器单元或网络节点中继消息和/或数据。

26.根据权利要求19至25中任一项所述的传感器单元，其中，所述传感器单元是电池供电的。

27.根据权利要求19至26中任一项所述的传感器单元，其中，所述传感器单元被配置为在检测到警报状况之后尽可能快地发送所述回复消息。

28.根据权利要求19至27中任一项所述的传感器单元，其中，所述故意延迟被配置为使得在紧接在接收到下一条询问消息之前发送对所述询问消息的回复。

29.根据权利要求19至28中任一项所述的传感器单元，其中，所述故意延迟大于T的80%，其中，T为接收所述询问消息间的周期。

30.根据权利要求19至29中任一项所述的传感器单元，其中，所述传感器单元被配置为通过射频信号与所述询问节点通信。

31.根据权利要求19至30中任一项所述的传感器单元，包括气体传感器。

32.一种操作无线传感器网络的方法，所述无线传感器网络包括至少一个传感器单元和至少一个询问节点，所述方法包括：所述询问节点周期性将询问消息发送至所述传感器单元；以及除非所述传感器单元确定已经满足警报状况，否则所述传感器单元在预定的故意延迟之后将回复发送至所述询问节点，在满足所述警报状况的情况下，所述传感器单元在所述故意延迟结束之前发送所述回复。

33.根据权利要求32所述的方法，包括：所述询问节点传送由另一设备生成的询问消息。

34.根据权利要求32或33所述的方法，其中，所述警报状况包括感测参数的阈值。

35.根据权利要求32至34中任一项所述的方法，其中，如果检测到警报状况，所述回复消息包括不同的警报消息。

36.根据权利要求32至35中任一项所述的方法，其中，所述回复消息包括与由所述传感器单元感测的参数相关的定量数据。

37.根据权利要求32至36中任一项所述的方法，包括：如果检测到警报状况，则所述传感器单元比正常回复消息更频繁地重复发送消息。

38.根据权利要求32至37中任一项所述的方法，其中，所述回复消息包括用于识别所述传感器单元的识别信息。

39.根据权利要求32至38中任一项所述的方法，包括：所述询问节点与多个传感器单元进行通信。

40.根据权利要求32至39中任一项所述的方法，包括：一个或多个传感器单元为其他传感器单元或网络节点中继消息和/或数据。

41.根据权利要求32至40中任一项所述的方法，其中，所述传感器单元是电池供电的。

42.根据权利要求32至41中任一项所述的方法，其中，所述网络包括通过数据网络连接一起和/或连接至中央服务器的多个询问节点。

43.根据权利要求32至42中任一项所述的方法，包括：所述传感器单元在检测到警报状况之后尽可能快地发送所述回复消息。

44.根据权利要求32至43中任一项所述的方法，包括：所述传感器单元在紧接在接收到下一条询问消息之前发送对所述询问消息的回复。

45.根据权利要求32至44中任一项所述的方法，包括：以周期T发送所述询问消息，并以大于周期T的80%的故意延迟发送所述回复消息。

46.根据权利要求32至45中任一项所述的方法，包括：所述传感器单元通过射频信号与所述询问节点通信。

47.根据权利要求32至46中任一项所述的方法，包括：如果接收到警报消息，则询问节点更频繁地发送请求消息。

48.根据权利要求47所述的方法，包括：所述询问节点将控制消息发送至所述传感器单元以使所述传感器单元相应减少所述故意延迟。

49.根据权利要求32至48中任一项所述的方法，其中，所述传感器单元包括气体传感器。

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