CN104937855A - 用于提供无线传感器网络中的可靠无线通信的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明包括一种用于无线传感器网络(WSN)中的无线装置节点与工业控制系统的控制设备或控制过程之间的通信的方法。该方法用来确定提供节点之间的传输质量的更大或更小量度的无线电传输的方法。因此，发射器节点a)测量(30)从两个或更多不同切换支路所接收的至少一个分组的传输质量度量，b)识别(32)两个或更多切换支路的哪一个具有更大传输质量度量，c)将具有第一优先级的数据分组分配(34)给具有更大传输质量度量的切换支路，以及d)在具有更大传输质量度量的切换支路上传送(38)具有第一优先级的数据分组、例如实时数据。在本发明的其他方面，描述无线节点、传感器网络系统以及用于执行该方法的计算机程序。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在工业控制系统或过程控制系统的无线网络中的节点之间进行通信的方法。具体来说，本发明涉及一种用于确定提供传输质量的更大或更小量度的无线传输的方法的方法以及具有用于执行该方法的硬件和/或软件的无线节点。
背景技术
过程工业中的工业控制系统、过程系统、分布式控制系统等常常包括硬连线数据网络和无线数据网络。无线传感器网络用来在无线现场装置、例如传感器和/或致动器与工业控制系统之间传递测量和一些控制数据。无线传感器常常是电池供电的。
已知工业工厂和装备中的环境是恶劣的，其能够使可靠无线通信成为难题。在本描述中，工业工厂可包括：石油和天然气(石油)勘探、石油和天然气生产/提取装备中的生产和处理装备；船舶上或者石油平台、地面或地下矿井的纸浆和造纸厂、金属轧机、水泥厂、发电、输电和配电装备、过程或设备。在一些情况下，工业工厂中的信号强度可波动大约40-50 dB。以及另外在一些情况下，信号强度因遮蔽衰落(例如当卡车依靠在无线装置前面时)而甚至进一步下降。尽管恶劣无线环境所造成的难题，但是预测工业无线传感器网络的使用在工业自动化领域中呈指数增加，并且它们将部署在极恶劣工业环境中，这将使得难以确保可靠通信。
易受无线传输/接收条件的暂时变化的这种恶劣无线环境使工业工厂中的无线电通信成为难题，特别是对于具有严格延迟要求和确定性行为的实时通信。诸如IEEE 802.15.4 [1]、ISA100 [3]、WIA-PA [4]和Industrial WLAN [5]之类的可用工业无线传感器网络标准提供正常传输和接收的指导。但是，这些标准没有提供关于如何改进工业装置中使用的无线传感器网络的可靠性的信息。
从另一个技术领域、即移动无线通信网络的领域，转让给Harris Corp.、标题为“Wireless communication network including data prioritization and packet reception error determination features and related methods”的专利US6982987描述一种优先化移动通信网络中的通信的方法。它还公开一种移动自组网络(MANET)，其中向数据指配具有相应服务质量(QoS)要求的优先等级。被说成是例如信号干扰比(SIR)的QoS量度对不同传输时隙来确定，并且用来将优先化数据映射到最佳时隙。类似地，也转让给Harris Corp.、标题为“Load leveling in mobile ad-hoc networks to support end-to-end delay reduction, QoS and energy leveling”的另一个专利US7142866也公开一种移动自组网络(MANET)，其中数据按照服务类型(ToS)来优先化，并且在按照其服务质量(QoS)的路由上传送。QoS被说成是基于例如链路可靠性，但是该术语的含意没有进一步说明。
在转让给Samsung Electronics、标题为“Method for routing data in networks”的US7864682中，公开一种无线网格网络，其中不同类型的业务具有不同要求并且因此以不同方式来路由。在这个公开中，所使用的度量是链路等待时间或链路带宽。在依靠路由标识的另一个公开、即转让给Toshiba K.K.、标题为“Forwarding and routing in sensor networks”的US2012099587中，公开一种无线网格传感器网络和一种方法，其中将业务分类为两个不同优先等级(标准或关键)。关键优先级数据在最可靠路由中路由，其通过测量各路由的信号干扰噪声(SINR)值来确定。此公开描述，最可靠路由是由节点基于先前成功传输可识别的，成功基于来自分组接收方节点的确认的接收所确定。
但是，虽然存在进行所识别最佳路由的静态确定的一些已知方法，但是在工业无线传感器网络的领域中存在无线通信的可靠性的改进的空间。
发明内容
本发明的目的是纠正上述问题的一个或多个。这个和其他目的通过权利要求1所表征的方法来获得。
在本发明的第一方面，公开一种用于通过确定具有传输质量的更多或更小量度的无线电传输的方法来提供连接到工业控制系统的无线传感器网络中的可靠无线通信的方法，该方法包括
在发射器节点测量从两个或更多不同极化切换支路所接收的至少一个数据分组的传输质量度量，
识别两个或更多极化切换支路的哪一个具有更大传输质量度量，将具有第一优先级的数据分组分配给具有更大传输质量度量的极化切换支路，以及
在具有更大传输质量度量的极化切换支路上传送具有第一优先级的数据分组(例如实时数据)。
按照一实施例，公开一种用于通过确定具有传输质量的更大或更小量度的无线电传输的方法来提供连接到工业控制系统的无线传感器网络中的可靠无线通信的方法，该方法包括在发射器节点测量从两个或更多不同极化切换支路所接收的至少一个数据分组的传输质量度量，其还包括
识别或检索无线传感器网络中用于送往给定节点的数据分组的一个或多个预定路由，预定路由具有已知信噪质量量度，
确定所识别预定路由的一部分上的两个或更多极化切换支路的哪一个具有更大传输质量度量，以及
通过所识别的具有更大信噪质量量度的预定路由使用所识别的具有更大传输质量度量的极化切换支路来传送具有第一优先级的数据分组。
按照另一个实施例，公开一种用于通过确定具有传输质量的更大或更小量度的无线电传输的方法来提供连接到工业控制系统的无线传感器网络中的可靠无线通信的方法，该方法包括在发射器节点测量从两个或更多极化切换支路所接收的至少一个数据分组的传输质量度量，该方法还可包括将具有第二优先级的数据分组分配给具有更小传输质量度量的切换支路，并且在具有更小传输质量度量的极化切换支路上传送第二或较低优先级数据。
按照一实施例，公开一种用于通过确定具有传输质量的更大或更小量度的无线电传输的方法来提供连接到工业控制系统的无线传感器网络中的可靠无线通信的方法，该方法包括在发射器节点测量从两个或更多不同极化切换支路所接收的至少一个数据分组的传输质量度量，该方法还包括在配置为下列项的组的任何天线元件的极化切换支路上传送数据分组：线性极化；水平极化；垂直极化；圆形极化。
按照另一个实施例，公开一种用于通过确定具有传输质量的更大或更小量度的无线电传输的方法来提供连接到工业控制系统的无线传感器网络中的可靠无线通信的方法，该方法包括在发射器节点测量从两个或更多不同极化切换支路所接收的至少一个数据分组的传输质量度量，该方法还包括通过从多个极化切换支路元件中选择一个或多个极化切换支路元件来选择极化切换支路。
按照一实施例，公开一种用于通过确定具有传输质量的更大或更小量度的无线电传输的方法来提供连接到工业控制系统的无线传感器网络中的可靠无线通信的方法，该方法包括在发射器节点测量从两个或更多不同极化切换支路所接收的至少一个数据分组的传输质量度量，该方法还包括通过调整两个或更多极化切换支路元件之间的相对传输信号强度来选择极化切换支路。
按照一实施例，公开一种用于通过确定具有传输质量的更大或更小量度的无线电传输的方法来提供连接到工业控制系统的无线传感器网络中的可靠无线通信的方法，该方法包括在发射器节点测量从两个或更多不同极化切换支路所接收的至少一个数据分组的传输质量度量，该方法还包括在其传输质量度量是下列项的组的任一个的切换支路上传送数据分组：信号干扰噪声SINR；信号干扰比(SIR)；分组接收误差值(PREV)；与丢弃分组的数量相关的传输质量度量。
按照一实施例，公开一种用于通过确定具有传输质量的更大或更小量度的无线电传输的方法来提供连接到工业控制系统的无线传感器网络中的可靠无线通信的方法，该方法包括在发射器节点测量从两个或更多不同极化切换支路所接收的至少一个数据分组的传输质量度量，该方法还包括
在无线发射器节点或传感器装置中接收数据分组，并且读取其至少一部分，
从分组报头、发送方地址、接收方地址、数据库列表中检索将数据分组识别为第一优先级数据的信息；
确定所接收数据分组是否具有第一优先级，以及如果是的话，则将它分配给具有更大传输质量度量的切换支路，以及
如果不是第一优先级，则将它分配给具有更小传输质量度量的极化切换支路。
本发明公开一种简单但极为有效的方法以提供工业无线传感器网络中的可靠通信，而没有违反基于例如IEEE 802.15.4 [1]的标准的任何当前标准。该方法在各节点中使用多个极化支路(在本描述中又称作极化切换支路)来区分最佳链路、即具有最佳传输质量度量的链路，其上传送实时通信。具有更小质量的一个或多个链路用于尽力业务、即没有第一优先级的业务。通过这种方法，具有最高优先级的数据、例如实时数据始终在最佳链路(具有最佳传输质量度量的链路)上传送。这种方法的另一优点在于，环境中的无线干扰可例如每分钟改变。但是，链路质量实时地动态确定和测量，使得具有最佳质量的链路在绝大多数情况下的传输时具有最佳链路质量。
在一个极化切换支路上发送第一优先级业务而在另一个极化切换支路上发送第二优先级业务还降低原本在常规无线网络中使用的带宽。第一优先级数据业务要求较少重发，并且具有较少丢弃分组。另外，通过所选极化切换支路的无线传输仍然与工业标准、例如WirelessHART兼容，并且将较少干扰其他周围无线网络、例如WLAN、ZigBee、蓝牙等以及具体来说是工作在2.4 GHz ISM频带的任何网络。
在正常操作中，连接到工业控制系统的无线传感器网络中使用的本发明提供
- 高优先级数据的改进传递，
- 网络的改进可靠性，
- 节点的降低总能量消息，
- 增加的网络吞吐量，
- 网络中的降低端对端等待时间。
对于与执行过程、工业工厂和生产设施的监控的工厂设备、当前和历史过程数据、趋势等有关的信息存在持续和一般增加的要求。这个信息通常由通常采取一个或多个分布式控制系统(DCS)和/或监控和数据获取(SCADA)系统的形式的工业控制系统来提供。控制系统又依靠来自传感器、致动器、例如阀等、温度测量、压力测量等的测量数据的稳定及时流动。
无线传感器网络可永久或暂时连接到用于监测和控制目的的控制系统，并且广泛用于多个不同工业环境、例如纸浆和造纸过程、石油和天然气生成过程以及电力生产过程。
无线传感器网络可暂时安装或扩展。在这种情况下，无线传感器装置将通常是电池供电的，而不要求安装电力电缆布线。添加电池供电的无线传感器装置可以以对现有基础设施和生产的最小中断进行。按照本发明的方法进行传送的无线传感器装置的降低能量消耗表示电池供电节点的更长工作使用期限。
已经具有传统硬连线现场装置、传感器和传感器数据网络的工厂中的附加或更换改型无线传感器项目获益于本发明。无线系统的改型因对现有装备的最小中断而是非常有利的，因为新数据电缆布线不必进行。另外，如所述，对于任何电池或自供电无线传感器装置，电力电缆布线均无需进行，因而极大地降低安装工作的停工期和安装的总成本。
在本发明的第二方面中，公开一种无线发射器节点、例如无线传感器装置，其配置用于连接到工业控制系统的无线传感器网络中的通信，该节点或装置设置有处理器硬件和程序指令以用于确定提供传输质量的更大或更小量度的无线电传输的方法，并且配置成在处理器硬件中执行指令，以使无线传输节点或无线传感器装置执行下列步骤：
在无线发射器节点测量从两个或更多不同极化切换支路所接收的至少一个分组的传输质量度量，
识别两个或更多极化切换支路的哪一个具有更大传输质量度量，将具有第一优先级的数据分组分配给具有更大传输质量度量的极化切换支路，以及
在具有更大传输质量度量的极化切换支路上传送具有第一优先级的数据分组(例如实时数据)。
按照一实施例，无线传输节点或无线传感器装置可以是设置为下列项的组的任一个的装置：无线现场装置、无线传感器、无线仪器、无线计量表、一个或多个现场装置的无线适配器、安装在致动器上的无线传感器、无线集线器、路由器、接入点、无线网关。
按照一实施例，无线传输节点或无线传感器装置可以是配置为下列项的组的任一个的装置：处理器、多核处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑装置(CPLD)、专用集成电路(ASIC)。
在本发明的第三方面，公开一种连接到工业控制系统的无线传感器网络，其包括其中包含无线传感器装置的多个无线发射器节点，其中两个或更多节点和/或装置配置用于连接到工业控制系统的无线传感器网络中的通信，节点和/或装置设置有处理器硬件和程序指令以用于确定提供传输质量的更大或更小量度的无线电传输的方法，并且配置成在处理器中执行指令，以使无线发射器节点和/或无线传感器装置执行下列步骤：
在无线发射器节点测量从两个或更多不同极化切换支路所接收的至少一个分组的传输质量度量，
识别两个或更多极化切换支路的哪一个具有更大传输质量度量，将具有第一优先级的数据分组分配给具有更大传输质量度量的极化切换支路，以及
在具有更大传输质量度量的极化切换支路上传送具有第一优先级的数据分组。
在本发明的第四方面，公开一种计算机程序以及在非暂时计算机可读介质、例如计算机程序产品上记录的计算机程序，以用于执行工业控制系统的无线传感器网络中的一个或多个无线传感器装置与无线节点之间的无线通信的上述方法。
附图说明
通过结合附图参照以下详细描述，可具有对本发明的方法和系统的更完整了解，附图包括：
图1示出按照本发明的第一方面、用于提供无线传感器网络中的更可靠无线通信、具体来说是第一或高优先级类型的数据的改进可靠性的方法的示意流程图；
图2是按照图1的本发明的方法的示意流程图，以及更具体来说是包括涉及使用预定最佳路由的附加步骤的一实施例；
图3是按照图1的本发明的方法的示意流程图，并且更具体来说是用于按照一优选实施例来操控具有第二或较低优先级的通信一实施例；
图4是按照图1、具体是用于确定数据分组的第一或第二传输优先级的方法的示意流程图；
图5a、图5b和图5c示出工业过程工厂设定中的测量传输信号质量度量的三个示例，测量对于使用图1的本发明是相干的；
图6示出图1的本发明的第二方面的无线节点的天线、具体来说是天线的极化元件或极化切换支路的示意图；
图7示出连接到工业控制系统的无线传感器网络(WSN)的示意图，其中包括按照本发明的第二方面的一个或多个无线节点，可用以有利地实施图1的本发明；
图8a、图8b示出图1的本发明的第二方面的无线节点的天线的另一个简图，具体示意示出具有不同极化特性的天线的极化元件或极化切换支路；
图9示出具有用于执行按照图1的本发明的方法的计算机程序或计算机指令的计算机可读介质。
具体实施方式
下面将参照附图更全面地描述本发明，附图中示出本发明的某些实施例。描述中，相似标号通篇表示相似元件。
图7示出连接到工业控制系统12的一部分的无线传感器网络1(WSN)。工业控制系统可以是过程控制系统、分布式控制系统等。图7示出过程接口单元20、21、22与其连接的工业控制系统12的数据总线9。过程接口单元20、21和22用于提供一个或多个过程的控制以及用于接收来自一个或多个过程的测量数据。
该附图还示出无线传感器网络5中的多个无线传感器3a-p。无线网络还具有无线路由器3r，并且可设置为无线网格网络。工业控制系统12设置有无线接入点14和无线网关10。无线装置3v表示安装在电动阀、即一种类型的致动器上的无线传感器，以及无线传感器3p安装在另一种类型的致动器、即泵上。所示的其他无线传感器装置是无线计量表3c和3f、无线流量计3m、具有无线适配器3a的测量仪器以及安装在电动机上的无线振动传感器3d。
一些无线传感器是控制环的组成部分，控制环由工业控制系统来控制，其中实时地或者几乎实时地要求来自无线传感器的数据，以便使控制环按照设计来起作用。
例如，安装在致动器、例如泵3p或阀3v上的无线传感器装置或节点可以是实时或近实时控制环或反馈环的组成部分。来自这类无线传感器装置的数据是可配置成以第一优先级来发送的数据分组的示例。比如每2分钟更新一次的传感器返回测量信号可优先化为第二优先级数据分组，并且经由尽力或足够良好传输路径来发送。
无线传感器网络可作为网格网络进行操作。例如，安装在流量计上的无线传感器3a可使用多个路由的任一个向无线网关10或无线接入点14传送数据分组，以到达工业控制系统中的地址。无线传感器3m例如可
i)直接向无线网关10传送；
ii)经由另一节点、例如路由器3r传送；
iii)经由三个节点3c、3p和路由器3r向网关10传送；
iv)备选地，经由两个其他节点振动传感器3d和仪器3a向无线网关10传送。
传输路由的每个部分或链路上的各传输路径可具有不同的信号传输特性。存在与信号传输质量相关的若干度量，其可用来测量信号传输质量或效能。这些包括：信号干扰噪声SINR；信号干扰比(SIR)；分组接收误差值(PREV)；或者与丢弃分组的数量相关的传输质量度量。质量度量的组合也可用来测量传输链路的质量。所测量传输信号质量用来提供关于应当在哪一个信道或极化切换支路上传送高优先级数据分组(其在这个工业上下文中主要表示实时业务)，以及识别应当在哪一个(哪些)其他信道上发送不太时间敏感数据分组(其可称作尽力业务)。
诸如3m到3d或者3m到3r之类的数据链路的传输质量使用至少两个不同极化切换支路来测量。在本说明书中，切换支路是用于传送极化无线信号的天线的元件的布置。
图6示意示出本发明的第二方面的无线传感器装置节点的天线。天线具有多个元件或切换支路r1至rL，其接收或发送具有不同极化特性并且因而具有不同程度的传输质量的信号。测量使用各切换支路、例如r1-L1和/或44-47的所接收信号的一个或多个信号传输质量度量进行。给予最佳信号质量的切换支路或元件因为具有在无线接收环境中最有效的极化特性，所以用于第一优先级数据。第二优先级数据使用其余切换支路其中之一来发送。
天线的切换支路或不同设计可对特定类型的极化来优化。一些已知极化类型在图8a、图8b中概括。图8a示意示出垂直线性极化信号v从与水平平面H垂直设置的垂直切换支路45沿垂直方向发射。该附图还示出水平线性极化信号h从与垂直线性极化信号v垂直设置的水平切换支路44进行传播。垂直切换支路45可以是简单或复合天线的元件。类似地，水平切换支路44可以是简单或复合天线的一个元件。另一种类型的极化、即圆形极化在图8b中示意示出。该附图示出左向圆形极化信号lhc，并且可通过示为lh(左向或逆时针旋转)圆形天线46和示为rh圆形天线47(右向或顺时针旋转)的YAGI类型的圆形极化切换支路或者多元件天线来产生。无线信号作为顺时针或逆时针旋转波沿切换支路46、47的长轴方向传播。圆形极化传输的变体是椭圆传输。
用于提供最可靠通信路径的方法按照一优选实施例通过图1的流程图来概括。图1示出下列步骤：
30 测量(a)来自两个或更多不同极化切换支路(r1-rL；44-47)的所接收数据分组的信号质量，
32 识别(b)两个或更多不同极化切换支路的哪一个具有更大传输质量度量，
34 将具有第一优先级的数据分组(例如实时数据)分配(c)给具有更大传输质量度量的极化切换支路，
38 在具有更大传输质量度量的极化切换支路上传送(d)具有第一优先级的数据分组(例如实时数据)。
因此，调查两个或更多极化切换支路，以查找哪一种形式的极化无线传输在给定时间、即进行测量的时间通过给定链路提供最佳传输质量。第一优先级业务然后通过具有传输质量的最佳量度的极化切换支路和链路来传送。第二优先级业务通过测量为具有传输的更小质量的链路来发送。
提供最可靠通信路径并且识别传输路径的方法按照用于发送较低优先级数据、即具有第二优先级的数据的另一个实施例在图3的流程图中概括。图3示出下列步骤：
30 测量(a)来自两个或更多不同极化切换支路(r1-rL；44-47)的所接收数据分组的信号质量，
32 识别(b)两个或更多不同极化切换支路的哪一个具有更大传输质量度量，
36 将具有第二或较低优先级的数据分组(尽力数据)分配(c)给具有更小传输质量度量的极化切换支路，
40 在具有更小传输质量度量的极化切换支路上传送(e)具有第二或较低优先级的数据分组(尽力数据)。
这样，识别为较低优先级数据的通信业务使用具有较低传输质量的极化切换支路来传送，这有利地降低必须由操控第一优先级业务的无线节点来操控的数据业务量。
环境中的无线干扰例如每分钟改变。其示例在图7中通过车辆、例如叉车11来表明，叉车11可驶过工业过程装备、例如轧钢厂、水泥厂、炼油厂或造纸厂。叉车11或另一个运载车或维修车也可依靠在无线节点前面几秒钟或者几小时。但是，由于链路质量实时地动态确定和测量，所以具有最佳传输质量的切换支路在绝大多数情况下的传输时也具有最佳传输质量。
图5a：示出作为工业工厂中的RSSI(接收信号强度指标)、dBm(每毫瓦分贝)对小时周期所绘制的连续RF(射频)测量。简图示出，第一优先级(实时)业务在一天的大多数时间期间应当在作为两个靠近绘制的上曲线5a-1、5a-3所绘制的切换支路或信道上发送，而第二优先级(尽力)业务应当在作为两个靠近绘制的下曲线5a-2、5a-4所绘制的切换支路或信道上发送。
图5b：示出在造纸厂的连续RF测量，示出对于复杂“加权”，通过使用特定极化切换支路，在信号传输质量度量中存在大约20 dB增益。在这个简图和示例中，第一优先级(实时)业务应当在作为上曲线5b-1所绘制的切换支路或信道上发送，而第二优先级(尽力)业务应当在作为下曲线5b-2所绘制的切换支路或信道上发送。
图5c：示出对工业装备中的通信链路的连续RF测量，并且如根据RSSI所测量的传输质量度量在14.00小时附近突然改变。第一优先级(实时)业务应当在作为上曲线5c-1所绘制的极化切换支路或信道上发送，一直到14.00。然后在14.30与16.00之间，第一优先级数据分组应当在作为下曲线5c-2所绘制的切换支路上发送，一直到大约16.00，以及再次在大约18.30与19.00+之间。在18.30之后，作为上曲线5c-2所绘制的极化切换支路的传输质量度量在14.00之前获得优于如RSSI所测量的另一切换支路的10 dB或以上。在进行这些测量的无线环境中，很显然，测量具有最佳信号传输质量的切换支路、因此识别具有最有效极化特性的切换支路并且使用那个切换支路进行传送提供更可靠的无线通信。
图5a-5c的每个还证明，环境中的无线干扰可例如每分钟改变。因为链路质量按照本发明动态地测量，所以该方法因而能够操控工业环境中的变化或波动无线通信条件。
具有第一优先级的数据分组、例如实时数据、涉及某些安全条件的数据、涉及紧急停止或者以其他方式被给予第一优先级的数据可在数据分组中包含某种标记。指示优先级的这个标记例如可以是分组报头中或者始终由接收节点来读取的数据分组的另一个部分中的控制位。
第一优先级数据分组也可识别为来自特定无线传感器节点的数据分组，其可在所有无线传感器装置可访问的无线地址方案、列表或数据库中识别。类似地，第一优先级数据分组可识别为送往特定地址、所有无线传感器装置可访问的无线地址方案、列表或数据库中的地址的数据分组或者随有效载荷数据所包含的数据或指示符。也可使用在数据分组中写入的信息和特定传感器和/或接收器地址的组合。
这在图4的流程图中概括。图4示出下列步骤：
27 接收数据分组并且读取其至少一部分，
28 从分组报头、数据有效载荷、发送方地址、接收方地址、数据库列表中检索将数据分组识别为第一优先级数据的信息；
35 确定所接收数据分组是否具有第一优先级，以及如果是的话，则将它分配34给具有更大传输质量度量的切换支路，以及
如果不是第一优先级，则将它分配36给具有更小传输质量度量的切换支路。
虽然数据的优先级根据第一优先级和第二优先级来描述，但是这并不是要排队某些状况中的一个或多个附加优先级的使用。例如，可使用附加优先级：在生产启动阶段期间；在换班时间附近的时间周期中；在白班或夜班期间；在工厂区域中存在有源气体或爆炸报警的时间期间的工厂区域之内；在异常气候活动、例如严重雷暴的时间期间。
无线传感器网络中的各节点、例如无线装置3a-3p、无线路由器3r、无线接入点14或无线网关10(图7)具有无线网络中的地址。各节点能够将包含测量、状态数据、控制信息等的数据分组发送给主系统中的特定监测或控制单元，其中主系统在这种情况下表示工业控制系统ICS 12。无线传感器网络WSN也可连接到无线LAN的节点或接入点或网关，和/或可以是运行适合于工业环境的任何无线电协议的另一种无线节点，例如由蓝牙特殊兴趣组(SIG)所发布的任何标准、IEEE-802.11的任何变化、WiFi、超宽带(UWB)、ZigBee或IEEE-802.15.4、IEEE-802.13或等效体等。可使用工作在ISM频带、例如来自ABB的称作传感器和致动器的无线接口(Wisa)的协议的无线电技术。
在本发明的另一个实施例中，该方法可修改成使用给定一对节点(其基于具有更好或最佳传输质量度量的路由的预定历史信息来选择)之间的无线传输路径。这在图2的流程图中概括。图2示出下列步骤：
29 识别/检索无线传感器网络中用于送往给定节点的数据分组的一个或多个预定路由，预定路由具有已知信噪质量量度，
30 测量(a)在所识别的预定路由的一部分上来自两个或更多不同切换支路的所接收分组的信号质量，
32 识别(b)两个或更多不同极化切换支路的哪一个具有更大传输质量度量，
34 将具有第一优先级的数据分组分配(c)给具有更大传输质量度量的切换支路，
39 通过所识别的预定路由的一部分在具有更大传输质量度量的切换支路上传送(d)具有第一优先级的数据分组(实时数据)。
因此，每对无线现场装置、无线传感器3a-p或无线传输节点3r、10、14之间的无线链路可部分基于历史测量预先确定、先前确定的最佳路由来选择29。这个所识别的路由可被选择并且然后使用一个或多个极化切换支路来测量30，以识别32两个无线传感器或节点之间的所选无线链路上的哪一个切换支路具有最佳传输质量度量。第一优先级业务然后在具有最佳传输质量度量的切换支路上(并且通过所识别的预定路由的一部分)发送39，如先前相对图1和图2所述。
使用图1-4中以及本说书的其他位置中的如上所述对一个或多个切换支路测量传输质量来提供无线传感器网络中的可靠无线通信的方法可由计算机应用来执行，计算机应用包括计算机程序指令或计算机程序元件或软件代码，其在处理器或计算机中加载时使计算机或处理器执行方法步骤。处理数据分组、测量传输质量量度、根据数据分组的优先级向第一切换支路或第二切换支路分配数据分组以及在第一或第二优先级链路上传送数据分组的功能可通过处理数字功能、算法和/或计算机程序和/或通过模拟组件或模拟电路或者通过数字和模拟功能的组合来执行。功能或通过标准处理器或者微处理器或者多核处理器或者通过硬件或者可配置硬件、例如现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑装置(CPLD)或专用集成电路(ASIC)来执行。
无线传感器装置中使用的天线可包括一个或多个金属元件或导线。无线传感器装置中使用的天线可从电路板PCB(印刷电路板)或类似或等效衬底上的组件来构成。天线可包括一个或多个物理极化切换支路或天线元件。天线还可包括用于通过例如调整两个或更多组件或极化切换支路元件之间的相对传输信号强度来对无线信号进行滤波或调整、以形成和传送具有预期极化特性的无线传输信号的电路组件。
如先前所述，本发明的方法可通过一个或多个计算机程序来执行，计算机程序包括运行于计算机或处理器、至少部分存储在存储器中并且因此是无线现场装置或无线传感器装置3a-3p或无线传输节点、例如节点10、14和3r中的一个或多个处理器可访问的计算机程序代码或软件部分。所述或每个处理器可具有存储器存储单元，或者可连接到另一个单元、例如过程系统控制单元或PLC(可编程逻辑控制器)或者其另一系统部分的存储器存储单元。计算机程序包括计算机程序代码元件、指令或软件代码部分，其使计算机使用算法和/或方程、数据、存储值、预定值和先前所述计算来执行数据分组聚合的方法。程序的一部分如上所述可存储在处理器中，但是也可存储在ROM、RAM、PROM、EPROM或EEPROM芯片或类似存储器部件中。
采取具有携带这种计算机程序指令代码的计算机程序81的CD ROM光盘的形式的一种这样的数据载体80在图9中示意示出。
程序也可部分或完全存储在其他适当计算机可读介质、例如磁盘或者非暂时计算机可读介质、例如CD(致密光盘)或DVD(数字多功能光盘)上、存储在硬盘、磁光存储器存储部件上、易失性存储器中、闪速存储器中、作为固件、存储在数据服务器上或者数据服务器的一个或多个阵列上。也可使用其他已知和适当介质、包括可拆卸存储器介质、例如USB存储棒和其他可拆卸闪速存储器、硬盘驱动器等。
参考文献
应当注意，虽然以上描述本发明的示范实施例，但是存在对这里所述的测量传输质量度量的方法、具体来说是对用于选择极化切换支路以用于无线通信的方法的若干变化和修改，其可按照所公开解决方案进行，而没有背离如所附权利要求书所限定的本发明的范围。
Claims (21)
1.一种用于通过确定具有传输质量的更大或更小量度的无线电传输的方法来提供连接到工业控制系统(12)的无线传感器网络(WSN)中的可靠无线通信的方法，
其特征在于
a)在无线发射器节点(3a-3r，10，14)测量(30)从两个或更多不同极化切换支路(r1-rL；44-47)所接收的至少一个数据分组的传输质量度量，
b)识别(32)所述两个或更多极化切换支路的哪一个具有更大传输质量度量，
c)将具有第一优先级的数据分组分配(34)给具有更大传输质量度量的所述极化切换支路，以及
d)在具有更大传输质量度量的所述极化切换支路上传送(38)具有所述第一优先级的数据分组。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于
- 识别或检索(29)所述无线传感器网络中用于送往给定无线传输节点的数据分组的一个或多个预定路由，所述预定路由具有已知信噪质量量度，
- 确定(30)所述识别的预定路由的一部分上的所述两个或更多极化切换支路的哪一个具有更大传输质量度量，以及
f)通过所识别的具有更大信噪质量量度的所述预定路由使用所识别的具有更大传输质量度量的所述极化切换支路来传送(39)具有所述第一优先级的数据分组。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于
将具有第二优先级的数据分组分配(36)给具有更小传输质量度量的所述切换支路，以及
e)在具有更小传输质量度量的所述极化切换支路上传送(40)所述第二或较低优先级数据。
4.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，其特征在于，在配置为来自下列项的组的任何天线元件的极化切换支路(r1-rL；44-47)上传送数据分组：线性极化；水平极化(h)；垂直极化(v)；圆形极化(1lhc；rhc)。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过从多个极化切换支路元件(r1-rL；44-47)中选择一个或多个极化切换支路元件来选择极化切换支路。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，通过调整两个或更多极化切换支路元件(r1-rL；44-47)之间的相对传输信号强度来选择极化切换支路。
7.如权利要求1-6中的任一项所述的方法，其特征在于，在其传输质量度量是来自下列项的组的任一个的切换支路上传送数据分组：信号干扰噪声SINR；信号干扰比(SIR)；分组接收误差值(PREV)；与丢弃分组的数量相关的传输质量度量。
8.如权利要求1-7中的任一项所述的方法，其特征在于，在无线发射器节点(3a-3r，10，14)或传感器装置(3a-3r)中接收数据分组并且读取(27)其至少一部分，
从分组报头、发送方地址、接收方地址、数据库列表、数据有效载荷中检索(28)将所述数据分组识别为第一优先级数据的信息；
确定(35)所述接收的数据分组是否具有第一优先级，以及如果是的话，则将它分配(34)给具有更大传输质量度量的切换支路，以及
如果不是第一优先级，则将它分配(36)给具有较小传输质量度量的极化切换支路。
9.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，其特征在于，使用与来自下列项的组的任何工业无线标准兼容的协议来传送实时数据：IEEE 802.15.4、WirelessHART、ISAl00.11a、WIA-PA、蓝牙特殊兴趣组(SIG)、IEEE-802.11、WiFi、超宽带(UWB)、ZigBee或IEEE-802.13。
10.一种配置用于连接到工业控制系统(12)的无线传感器网络(1)(WSN)中的通信的无线发射器节点(3a-3r，10，14)，该节点设置有处理器硬件和程序指令，以用于确定提供传输质量的更大或更小量度的无线电传输方法，其特征在于
在所述处理器硬件中执行使所述无线发射器节点执行下列步骤的指令：
a)在发射器节点(3a-3r，10，14)测量(30)从两个或更多不同极化切换支路(r1-rL；44-47)所接收的至少一个分组的传输质量度量，
b)识别(32)所述两个或更多极化切换支路的哪一个具有更大传输质量度量，
c)将具有第一优先级的数据分组分配(34)给具有更大传输质量度量的所述切换支路，以及
d)在具有更大传输质量度量的所述极化切换支路上传送(38)具有所述第一优先级的数据分组。
11.如权利要求10所述的无线发射器节点，其特征在于，所述处理器硬件包括用于在所述处理器硬件或软件中执行下列步骤的程序指令：
- 识别/检索(29)所述无线传感器网络中用于送往给定节点的数据分组一个或多个预定路由，所述预定路由具有已知信噪质量量度，
- 确定(32)所述识别的预定路由上的所述两个或更多极化切换支路的哪一个具有更大传输质量度量，以及
f)通过所识别的具有更大信噪质量量度的所述预定路由使用所识别的具有更大传输质量度量的所述极化切换支路来传送(39)具有所述第一优先级的数据分组。
12.如权利要求10或11所述的无线发射器节点，其特征在于，所述处理器硬件包括用于在所述处理器硬件中执行下列步骤的程序指令：
c)将具有第二优先级的数据分组分配(36)给具有更小传输质量度量的所述极化切换支路，以及
e)在具有更小传输质量度量的所述极化切换支路上传送(40)具有所述第二优先级的数据分组。
13.如权利要求10-12中的任一项所述的无线发射器节点，其特征在于，在配置为来自下列项的组的一个或多个元件的切换支路(r1-rL；44-47)上传送数据分组：线性极化；水平极化(h)；垂直极化(v)；圆形极化(lhc；rhc)。
14.如权利要求10-13中的任一项所述的无线发射器节点，其特征在于，通过调整两个或更多极化切换支路元件(r1-rL；44-47)之间的相对传输信号强度在所选一个或多个极化切换支路上传送数据分组。
15.如权利要求10-14中的任一项所述的无线发射器节点，其特征在于，所述处理器硬件包括用于在无线传感器节点(3a-3r，10，14)中接收数据分组并且读取(27)其至少一部分的程序指令，
从分组报头、发送方地址、接收方地址、数据库列表、数据有效载荷中检索(28)将所述数据分组识别为第一优先级数据的信息；
确定(35)所述接收的数据分组是否具有第一优先级，以及如果是的话，则将它分配(34)给具有更大传输质量度量的切换支路，以及
如果不是第一优先级，则将它分配(36)给具有更小传输质量度量的极化切换支路。
16.如权利要求10-15中的任一项所述的无线发射器节点，其特征在于，所述处理器硬件包括用于在其传输质量度量按照来自下列项的组的任一个来测量的极化切换支路(r1-rL；44-47)上传送数据分组的程序指令：信号干扰噪声SINR；信号干扰比(SIR)；分组接收误差值(PREV)；与丢弃分组的数量相关的质量度量。
17.如权利要求10-16中的任一项所述的无线发射器节点，其特征在于，所述无线发射器节点(3a-3r，10，14)配置成与来自下列项的组的任一个兼容：IEEE 802.15.4、WirelessHART、ISAl00.11a、WIA-PA、蓝牙特殊兴趣组(SIG)、IEEE-802.11、WiFi、超宽带(UWB)、ZigBee或IEEE-802.13。
18.如权利要求10-17中的任一项所述的无线发射器节点，其特征在于，所述处理器硬件包括来自下列项的组的任何装置：处理器、多核处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、复杂可编程逻辑装置(CPLD)、专用集成电路(ASIC)。
19.一种计算机程序，包括使计算机或处理器执行如权利要求1-9中的任一项所述的方法的步骤的软件代码部分或计算机代码。
20.一种计算机程序产品，具有存储在计算机可用介质上的软件代码部分或计算机代码，包括用于使计算机执行如权利要求1-9中的任一项所述的方法的步骤的计算机可读程序部件。
21.如权利要求10-18中的任一项所述的无线发射器节点(3a-3r，10，14)用于在连接到工业控制系统(12)或过程控制系统的无线传感器网络(1)的无线发射器节点(3a-3r，10，14)或无线传感器装置(3a-3p)之间传递数据。
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