CN103886730A - 一种基于无线Hart适配器终端的通信方法 - Google Patents

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牛泽田
曾鹏
赵雪峰
徐洪垚
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Abstract

本发明涉及一种工业无线网络WIA-PA与有线Hart适配器相结合的无线Hart适配器终端的通信方法。无线节点上电入网后，主动的周期性的询问与其连接的Hart表的地址信息，直至Hart表应答，并存储Hart表的地址信息；通过WIA-PA网络无线节点主动的周期性的通过Hart适配器询问相应的Hart命令，将适配器所连接的各种厂商各种功能的Hart仪表的相应应答信息接收至无线节点，再经由WIA-PA网络传输至无线网关。本发明采用无线节点主动上传仪表Hart信息的方式，每1秒钟上传1次，由WIA-PA网络中无线网关存储并实时更新仪表Hart信息，确保上位机组态软件中的仪表Hart信息的实时性。

Description

一种基于无线Hart适配器终端的通信方法
技术领域
本发明涉及工业无线网络WIA技术和Hart通讯协议，具体说明一种工业无线网络WIA-PA与有线Hart适配器相结合的无线Hart适配器终端的通信方法。
背景技术
工业无线网络WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)技术是由中国科学院沈阳自动化研究所推出的具有自主知识产权的高可靠、超低功耗的智能多跳无线传感器网络技术，该技术提供一种自组织、自治愈的智能Mesh网络路由机制，能够针对应用条件和环境的动态变化，保持网络性能的高可靠性和强稳定性。
Hart数字通讯协议被广泛接受为用于数字化增强的4-20mA通讯协议的工业标准。
基于当前工业现场中有线的Hart仪表的大量使用，但其中大部分只传输4-20mA的模拟量，大部分信息(诸如设备信息，传感器信息，Hart命令的版本信息了，仪表固有信息等等)都未上传；又由于工业现场环境较复杂，上传其余信息布线难度较大。因此提出无线Hart适配器终端的概念。
现有的无线Hart适配器采用应答方式传输报文，由于无线网络延时导致信息实时性较差，不能即时显示当前仪表信息，而且需要与其匹配的上位机组态软件配合使用。
发明内容
为了适应工业现场的复杂环境，又最大程度的发挥Hart仪表的功能，本发明提出了一种基于WIA-PA网络的无线Hart适配器终端的通信方法，通过WIA-PA无线网络传输Hart信息。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于无线Hart适配器终端的通信方法，所述无线Hart适配器，所述方法包括：无线网络节点通过无线Hart适配器搜索并连接Hart仪表；无线网络节点通过无线Hart适配器与Hart仪表报文交互。
所述无线网络节点通过无线Hart适配器搜索并连接Hart仪表包括以下步骤：
无线网络节点主动的周期性的发送Hart表地址轮询报文；
等待Hart仪表的应答信息直至定时器到时，若无应答，则无线节点会在轮询地址位上加1，继续发送Hart表地址轮询报文；
若接收到应答，则通过应答信息中前导码的数量判断应答报文的有效性；若应答信息有效，则过滤掉前导码，对应答报文做CRC校验，若校验不通过将该报文丢弃；若校验通过则仪表地址根据Hart协议解析应答报文，提取并储存Hart仪表的地址信息；
在判断存储轮询地址的数组不为空后，停止地址轮询定时器，跳出轮询Hart地址的过程。
所述Hart表地址轮询报文格式包括5个前导码0xFF，定界符02，轮询地址，命令号00，数据长度00，校验位。
所述轮询地址的范围是从0x00到0x0F，轮询地址到0x0F之后会重新从0x00开始轮询仪表地址，若始终得不到仪表的应答信息，会在轮询十个周期后上报给管理器，用来通知用户可能存在有线连接的问题。
所述通过应答信息中前导码的数量判断应答信息的有效性的方法为：若前导码0x0F数量在3-20个之间时认为应答报文有效。
所述Hart仪表的地址信息包括2个字节的厂商号及设备类型和3个字节的设备ID。
所述无线网络节点通过无线Hart适配器与Hart仪表报文交互包括以下步骤：
通过存储的仪表地址信息并根据Hart协议构造下发Hart命令的报文；
无线网络节点等待Hart仪表的应答报文；若接收不到应答报文，在定时器到时后会自动下发下一条Hart命令；若接收到应答报文，则判断前导码的有效性；若前导码有效，则过滤掉前导码，对应答报文做CRC校验，若校验不通过将该报文丢弃；若校验通过则将接收到的Hart信息通过WIA-PA网络发送至无线网关。
所述下发Hart命令的报文格式的格式包括5个前导码0xFF，定界符82，仪表地址，命令号，数据长度，校验位。
所述下发Hart命令的报文的构造方法为：根据储存的Hart仪表的地址信息，判断该无线适配器在其所在的Hart回路上是一级主设备还是二级主设备；在该无线适配器作为一级主设备的情况下无需做处理，直接将存储的仪表地址信息作为命令报文中仪表地址一栏构造下发Hart命令的报文即可；若该无线适配器作为二级主设备，则对地址信息做相应的处理，及将存储的地址信息的5个字节中的第1个字节的最高位置1后作为命令报文中仪表地址一栏构造下发Hart命令的报文。
所述判断前导码的有效性的方法为：若前导码0x0F数量在3-20个之间时认为应答报文有效。
本发明具有以下优点：
1.本发明采用无线节点主动上传仪表Hart信息的方式，每1秒钟上传1次，由WIA-PA网络中无线网关存储并实时更新仪表Hart信息，确保上位机组态软件中的仪表Hart信息的实时性(最大数据延时为1秒钟)，同时由于实时性好，可兼容现有的多种符合Hart协议的组态软件；
2.无线节点轮询Hart仪表地址的机制，在节点入网后自动轮询仪表地址直至接收到仪表应答，解析应答报文，识别并储存仪表长地址；
3.适配各种Hart仪表，根据地址轮询过程后得到的地址构造Hart命令，主动询问Hart仪表，得到相应的仪表相关信息，支持各个厂商各种功能的Hart仪表，而且针对Hart命令的扩充很方便；
4.无线模块低功耗，休眠电流仅为30uA左右，供电端只需从Hart总线上取电即可，无需外接电源；
5.现有技术中的数据上行频率为8s一次，本发明的数据上行频率最快可达1s一次，无下限，数据实时性好，适用于各种工业现场；
6.传输距离远，WIA-PA网络在此场景应用可支持5跳中继节点，无线终端节点与中继配合使用，传输距离可达2000米以上。
附图说明
图1为本发明的整体网络结果图；
图2为节点轮询仪表地址流程图；
图3为节点构造Hart轮询地址格式；
图4为节点下发Hart命令流程图；
图5为节点构造Hart命令格式。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明提供一种无线适配器装置，与Hart仪表一同串联在Hart总线中，使得有线仪表可以通过无线适配器接入WIA无线网络。WIA网络可以通过无线适配器对Hart仪表完成变量读取，状态检测，命令发送等操作。
图1展示了WIA-PA网络与Hart适配器配合使用的无线网络组网结构。WIA-PA网络无线节点与Hart适配器有线或集成连接，串联在Hart总线中。WIA-PA网络无线节点接收WIA-PA网络管理器下行的命令信息，解析下行命令，并将下行的命令控制Hart仪表的命令通过Hart适配器传输给Hart仪表，获取或修改一些Hart仪表的相关信息；同时WIA-PA网络无线节点主动通过Hart适配器与Hart仪表做相应的报文交互，将仪表的相关信息通过WIA-PA网络无线传输给WIA-PA网络管理器，以备用户在上位机组态上获取到Hart仪表的相关信息。
图2展示了WIA-PA网络无线节点通过Hart适配器搜索并连接Hart仪表的过程。首先，WIA-PA网络无线节点主动的周期性的发送Hart表地址轮询报文，根据通用的Hart协议，如图3所示，无线节点轮询地址的报文格式包括5个前导码0xFF，定界符02，轮询地址，命令号00，数据长度00，校验位。等待Hart仪表的应答信息直至定时器到时，若无应答，则无线节点会在轮询地址位上加1，继续发送Hart表地址轮询报文，轮询地址的范围是从0x00到0x0F，轮询地址到0x0F之后会重新从0x00开始轮询仪表地址，若始终得不到仪表的应答信息，会在轮询十个周期后上报给管理器，用来通知用户可能存在有线连接的问题；若接收到应答，首先通过应答信息中前导码的数量判断应答信息的有效性，若前导码0x0F数量在3-20个之间时认为应答报文有效。其次，过滤掉前导码，对应答报文做CRC校验，若校验不通过将该报文丢弃；若校验通过进行下一步。最后，继续仪表地址根据Hart协议解析应答报文，提取并储存Hart仪表的地址信息共5个字节，该仪表信息包括2个字节的厂商号及设备类型和3个字节的设备ID，该仪表地址信息为独一无二的。在定时器到时后判断存储轮询地址的数组不为空后，跳出轮询Hart地址的过程，进入下发Hart命令阶段。
图4展示了WIA-PA无线网络节点通过Hart适配器与Hart仪表报文交互的过程。通过上一阶段存储的仪表地址信息并根据Hart协议构造下发Hart命令的报文格式。如图5所示，无线节点轮询地址的报文格式包括5个前导码0xFF，定界符82，仪表地址，命令号，数据长度，校验位。根据储存的仪表地址信息可以判断出该适配器在其所在的Hart回路上是一级主设备还是二级主设备。在其作为一级主设备的情况下无需做处理，直接将存储的仪表的地址信息作为命令报文中仪表地址一栏构造报文即可；若其作为二级主设备的情况下需对地址信息做相应的处理，及将存储的地址信息的5个字节中的第1个字节的最高位置1后作为命令报文中仪表地址一栏构造报文。本发明WIA-PA无线节点支持所有Hart协议中的Hart命令，通常工业现场中的Hart仪表上传的Hart信息大概在10种Hart报文中，其主要区分的标志为Hart命令中命令号位的不同。通常情况下包括02号命令(读主变量电流值和百分比)、03号命令(读动态变量和主变量电流)、0D号命令(读标签，描述，日期)、0E号命令(读主变量传感器信息)、0F号命令(读主变量输出信息)、10号命令(读最终装配号)等等，对于通用的Hart信息采用节点主动的周期性询问Hart仪表，并主动的周期性的上传仪表的Hart信息；对于不通用的(例如各个仪表厂家根据各自需要会自定义一些Hart信息)采用WIA-PA网络无线网关下发Hart命令至无线节点，无线节点将接收到的Hart命令下发至Hart仪表。若该信息在实际应用中需频繁的周期性的上传，也可将其升级为通用的Hart命令，有无线节点主动的周期性的询问Hart仪表，该发明中无线节点端不仅支持所有Hart命令，而且可扩展性很强。无线节点构造完Hart命令后下发至Hart仪表，等待Hart仪表的应答报文。若接收不到应答报文，在定时器到时后会自动下发下一条Hart命令；若接收到应答报文，首先判断前导码的有效性，若前导码0x0F数量在3-20个之间时认为应答报文有效。其次，过滤掉前导码，对应答报文做CRC校验，若校验不通过将该报文丢弃；若校验通过进行下一步。最后，将接收到的Hart信息通过WIA-PA网络发送至无线网关。

Claims (10)

1.一种基于无线Hart适配器终端的通信方法，其特征在于，所述无线Hart适配器，所述方法包括：无线网络节点通过无线Hart适配器搜索并连接Hart仪表；无线网络节点通过无线Hart适配器与Hart仪表报文交互。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线Hart适配器终端的通信方法，其特征在于，所述无线网络节点通过无线Hart适配器搜索并连接Hart仪表包括以下步骤：
无线网络节点主动的周期性的发送Hart表地址轮询报文；
等待Hart仪表的应答信息直至定时器到时，若无应答，则无线节点会在轮询地址位上加1，继续发送Hart表地址轮询报文；
若接收到应答，则通过应答信息中前导码的数量判断应答报文的有效性；若应答信息有效，则过滤掉前导码，对应答报文做CRC校验，若校验不通过将该报文丢弃；若校验通过则仪表地址根据Hart协议解析应答报文，提取并储存Hart仪表的地址信息；
在判断存储轮询地址的数组不为空后，停止地址轮询定时器，跳出轮询Hart地址的过程。
3.根据权利要求2所述的一种基于无线Hart适配器终端的通信方法，其特征在于，所述Hart表地址轮询报文格式包括5个前导码0xFF，定界符02，轮询地址，命令号00，数据长度00，校验位。
4.根据权利要求2所述的一种基于无线Hart适配器终端的通信方法，其特征在于，所述轮询地址的范围是从0x00到0x0F，轮询地址到0x0F之后会重新从0x00开始轮询仪表地址，若始终得不到仪表的应答信息，会在轮询十个周期后上报给管理器，用来通知用户可能存在有线连接的问题。
5.根据权利要求2所述的一种基于无线Hart适配器终端的通信方法，其特征在于，所述通过应答信息中前导码的数量判断应答信息的有效性的方法为：若前导码0x0F数量在3-20个之间时认为应答报文有效。
6.根据权利要求2所述的一种基于无线Hart适配器终端的通信方法，其特征在于，所述Hart仪表的地址信息包括2个字节的厂商号及设备类型和3个字节的设备ID。
7.根据权利要求1所述的一种基于无线Hart适配器终端的通信方法，其特征在于，所述无线网络节点通过无线Hart适配器与Hart仪表报文交互包括以下步骤：
通过存储的仪表地址信息并根据Hart协议构造下发Hart命令的报文；
无线网络节点等待Hart仪表的应答报文；若接收不到应答报文，在定时器到时后会自动下发下一条Hart命令；若接收到应答报文，则判断前导码的有效性；若前导码有效，则过滤掉前导码，对应答报文做CRC校验，若校验不通过将该报文丢弃；若校验通过则将接收到的Hart信息通过WIA-PA网络发送至无线网关。
8.根据权利要求7所述的一种基于无线Hart适配器终端的通信方法，其特征在于，所述下发Hart命令的报文格式的格式包括5个前导码0xFF，定界符82，仪表地址，命令号，数据长度，校验位。
9.根据权利要求7或8所述的一种基于无线Hart适配器终端的通信方法，其特征在于，所述下发Hart命令的报文的构造方法为：根据储存的Hart仪表的地址信息，判断该无线适配器在其所在的Hart回路上是一级主设备还是二级主设备；在该无线适配器作为一级主设备的情况下无需做处理，直接将存储的仪表地址信息作为命令报文中仪表地址一栏构造下发Hart命令的报文即可；若该无线适配器作为二级主设备，则对地址信息做相应的处理，及将存储的地址信息的5个字节中的第1个字节的最高位置1后作为命令报文中仪表地址一栏构造下发Hart命令的报文。
10.根据权利要求7所述的一种基于无线Hart适配器终端的通信方法，其特征在于，所述判断前导码的有效性的方法为：若前导码0x0F数量在3-20个之间时认为应答报文有效。
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