CN105659635B - 用于现场设备试运行和加入网络的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于使用配置工具将第一现场设备加入无线传感器致动器网络的方法。该无线传感器致动器网络包括多个互连的现场设备和用于将该互连的现场设备连接至包括控制器和网络管理器的工厂自动化网络的网关。该方法包括：接收与第一现场设备相关联的设备信息，发送用于第一现场设备的试运行请求，该试运行请求包括第一现场设备的地理位置信息和设备信息，接收包括会话密钥、网络密钥和路由信息的试运行信息，以及使用接收的试运行信息试运行第一现场设备用于将所述现场设备加入该无线传感器致动器网络。

Description

用于现场设备试运行和加入网络的方法

发明领域

本发明一般涉及无线通信领域，并且更特别地涉及现场设备试运行和加入无线传感器致动器网络。

背景技术

无线传感器致动器网络包括多个嵌入有传感器节点的现场设备，其空间上分布在过程工厂中。在这些现场设备加入无线传感器致动器网络期间，关于连接完整性、机密性和身份验证的安全性考虑必须被解决。需要考虑的另一个方面是用于该现场设备加入/再加入无线传感器致动器网络的时间，该时间是指示无线传感器致动器网络性能的关键参数。按照现有技术，当安全性更复杂时，该现场设备加入或再加入的时间变得更长。例如，在标准化通信协议如无线高速公路可寻址远程传送器通信协议，更通常称为WHART，该现场设备加入过程通过128位AES加密机制来保护，这导致更长的用于该现场设备加入或再加入的时间。

通常，现场设备的配置和加入无线传感器致动器网络常常包括一连串费时的过程，其在数据的递送中提供高水平的可靠性，同时牺牲了时间效率。通常，现场设备加入无线传感器致动器网络的时间被分成配置时间和加入时间。使用维护端口初始配置现场设备所花费的时间是配置时间，而现场设备成为无线传感器致动器网络的一部分所花费的时间是加入时间。常规地，现场设备的加入过程包括多个步骤，诸如与网络管理器通信、广告加入请求、接收确认并且在加入网络之后分配会话密钥。现场设备和网络管理器对如网络ID、加入密钥、会话密钥、网络密钥、图ID和时隙号的网络证书的交换在加入过程期间用无线电自动完成。根据所述步骤，用于加入的时间被多个不确定的参数影响，如网络管理器的不可用性、网络规模、在无线传感器致动器网络中的跳数、距网关的距离、设备处理速度等等，因此导致低效和无法预知的加入。

因此，根据上述讨论，存在对一种用于现场设备加入到无线传感器致动器网络的方法和系统的需要。

发明目的

本发明的目的是要提议一种用于通过由网络管理器生成现场设备证书并且由配置工具配置所述现场设备而将现场设备加入无线传感器致动器网络的方法。本发明提议一种用于将现场设备快速加入和再加入无线传感器致动器网络的方法。本发明的目的也要提议执行本发明的所述方法的系统。

发明内容

本文解决上述缺点、不足和问题，这将通过阅读和理解下面的说明书来理解。

本发明公开了一种用于使用配置工具将第一现场设备试运行和加入过程工厂中的无线传感器致动器网络的方法。该无线传感器致动器网络包括多个互连的现场设备和用于将该多个互连的现场设备连接至包括多个控制器和网络管理器的工厂自动化网络的网关。

该方法包括：接收与第一现场设备相关的设备信息，传输用于第一现场设备的试运行请求，接收用于第一现场设备的试运行信息，以及使用接收的试运行信息试运行该第一现场设备(53)用于将所述现场设备加入该无线传感器致动器网络。该设备信息包括与第一现场设备相关联的唯一设备标识符。该试运行请求包括与第一现场设备相关联的接收的设备信息，和第一现场设备的地理位置信息。试运行信息包括会话密钥、网络密钥和路由信息，该路由信息包括在该第一现场设备预定的无线通信范围内的相邻现场设备的列表。

在一个实施例中，该方法进一步包括由网络管理器基于与第一现场设备相关联的唯一设备标识符生成会话密钥和网络密钥。会话密钥用于在第一现场设备和网络管理器之间的配对通信(pairwise communication)，并且网络密钥用于在数据链路层服务中用于跳-至-跳验证。在一个实施例中，该方法进一步包括由网络管理器基于第一现场设备的地理位置和一个或多个路由表生成相邻的现场设备的列表。在一个实施例中，该方法进一步包括在预定的持续时间后由网络管理器将会话密钥折旧。在一个实施例中，该方法进一步包括由该第一现场设备在加入该无线传感器致动器网络时向多个控制器中的控制器发送过程数据。在一个实施例中，该方法进一步包括由网络管理器将加入密钥设置成折旧的会话密钥。

在另一方面，当前发明公开一种用于将第一现场设备试运行和加入无线传感器致动器网络的系统，其中该无线传感器致动器网络包括多个现场设备和用于将该多个互连的现场设备连接至包括多个控制器的工厂自动化网络的网关。该系统包括：通信地耦合至该网关的网络管理器，并且该网络管理器配置成基于与第一现场设备相关联的唯一设备标识符生成会话密钥，以及基于第一现场设备的地理位置信息和一个或更多路由表生成包括相邻现场设备列表的路由信息；以及配置工具，配置成接收与第一现场设备相关联的设备信息，传送用于第一现场设备的试运行请求，接收用于第一设备的试运行信息，以及使用接收的试运行信息试运行第一现场设备用于使所述现场设备加入该无线传感器致动器网络，其中该设备信息包括与第一现场设备相关联的唯一设备标识符，该试运行请求包括接收的与第一现场设备相关联的设备信息和第一现场设备的地理位置信息，其中试运行信息包括会话密钥、网络密钥和与第一现场设备对应的路由信息，其中该路由信息包括在该第一现场设备预定的无线通信范围内的相邻现场设备列表。

在一个实施例中，该第一现场设备配置成在经由网关加入该无线传感器致动器网络时，向多个控制器中的控制器发送过程数据。在一个实施例中，该网络管理器具有包括无线传感器致动器网络的一个或多个现场设备的列表的认证设备列表(ADL)和包括具有为其生成试运行信息的一个或多个现场设备列表的会话分配设备列表。

本文描述了不同范围的系统和方法。除了在本发明内容里描述的方面和优点之外，其他特征和优点还将通过对附图的参考和参考随后的详细描述变得显而易见。

附图说明

图1图示依照当前发明用于将现场设备试运行和加入无线传感器致动器网络的系统；

图2是用于图示依照现有技术将现场设备试运行和加入无线传感器致动器网络的方法的定时图；

图3图示依照当前发明用于将现场设备试运行和加入无线传感器致动器网络的方法；

图4依照本发明图示说明用于将现场设备试运行和加入无线传感器致动器网络的方法的定时图；

图5图示依照本发明用于将现场设备试运行和加入无线传感器致动器网络的框图。

具体实施方式

在下面的具体描述中，参考形成其一部分的附图，并且在附图中通过说明方式示出其可实施的特定实施例。充分详细地描述这些实施例以使得本领域的技术人员能够实践本发明，并且要理解，可利用其它实施例并且可在不脱离本发明范围的情况下作出逻辑、机械、电子或其它改变。因此，不应在限制性意义上进行下面详细描述。

图1依照本发明图示用于使用配置工具55将第一现场设备53试运行和加入无线传感器致动器网络的系统100。系统100包括在网格中连接以形成无线传感器致动器网络的多个现场设备(在图1中示为现场设备30，现场设备35，现场设备53，现场设备45，现场设备60，现场设备65和现场设备70)。无线传感器致动器网络包括网关25和一个或多个路由器(在图中表示为路由器40和路由器50)以支持现场设备之间通信。

网关25连接无线传感器致动器网络至工厂自动化网络20。该工厂自动化网络20包括必需的控制组件，例如控制器、中继接口、I/O接口、配置和自动化服务器(在图1中表示为服务器15和服务器10)、操作站等。提供配置工具55以将第一现场设备53试运行和加入无线传感器致动器网络。在一个实施例中，该配置工具是由工厂操作者在工厂的现场设备试运行期间使用的手持设备。另外，提供网络管理器以管理例如会话密钥、网络密钥、加入密钥等的现场设备证书连同必要的路由信息的生成。这进一步在图2和图3的详细描述中解释。

图2是用于图示依照现有技术用于第一现场设备试运行和加入无线传感器致动器网络的方法200的定时图。方法200分为两部分：涉及现场设备配置的第一部分(在图中表示为CT，也称为配置过程)和涉及现场设备加入的第二部分(在图中表示为JT，也称为加入过程)。在第一部分期间，配置工具提供网络的网络id(第一现场设备要变成该网络的一部分)和由第一现场设备加入网络所需的必要的加入密钥。在接收网络id和对应的加入密钥时，现场设备发送相应的确认(在图2中表示为点线箭头)至配置工具。这完成配置过程。

在配置过程的完成时，加入过程开始。第一现场设备53处于等待，监听来自范围内的任何相邻设备的广告消息。在注意到附近存在未连接的第一现场设备53时，现场设备35发送广告消息至该第一现场设备53。在接收广播消息时，第一现场设备53向相邻现场设备35发送包括加入密钥的加入请求。现场设备35经由网关25转发该加入请求至位于配置服务器10的网络管理器。在接收加入请求时，网络管理器验证加入请求的加入密钥以保证该请求来自合法的现场设备。当加入密钥已被验证时，网络管理器生成第一现场设备试运行和加入无线传感器致动器网络所必须的试运行信息。从在配置服务器10上的网络管理器经由网关25和相邻现场设备35传输生成的试运行信息至第一现场设备53。

完成上述方法200所花费的时间是配置时间和加入时间的总和，配置时间是在第一部分期间用于使用配置工具通过现场设备的设备维护端口初始配置现场设备所花费的时间，加入时间是现场设备成为无线传感器致动器网络一部分所花费的时间。配置时间的持续时间常常是不变的。加入时间的持续时间取决于网络管理器的可用性、网络规模、无线电包传输的跳数、设备距网关的距离和一些其它设备因素例如设备处理速度。这些因素通常是不确定的，并且因此导致了不可预知的加入时间。一般而言，现场设备花费加入时间通常为2-15分钟或甚至更多，以被验证和变成网络的一部分。如果网络管理器繁忙和网络规模较大，加入时间可能较长。上述方法200不允许新的现场设备立刻加入无线传感器致动器网络和为快速网络形成提供相邻设备列表信息。本发明提供的方法解决这些问题。

图3图示依照本发明用于使用配置工具55将现场设备试运行和加入无线传感器致动器网络的方法300。在步骤310处，配置工具55向第一现场设备53询问对应于该第一现场设备53的设备信息。在步骤320处，该配置工具从第一现场设备53接收设备信息。

在步骤330处，配置工具传输包括接收到的设备信息的试运行请求到网络管理器。在实施例中，配置工具确定第一现场设备53在工厂的地理位置。确定的地理位置被包括在试运行请求中。在另一个实施例中，对应于第一现场设备53的设备信息包括第一现场设备53在工厂的地理位置。在又一个实施例中，试运行该第一现场设备的工厂操作者向配置工具输入第一现场设备53的地理位置。该输入的地理信息被包括在试运行请求中。

在从配置工具接收到试运行请求时，网络管理器通过从授权现场设备的列表中查找设备信息来确定第一现场设备是否被授权加入该网络。在设备信息验证后，网络管理器为第一现场设备生成包括路由信息、会话密钥和网络密钥的试运行信息。在实施例中，使用第一现场设备53的MAC id生成会话密钥和网络密钥。该会话密钥被用于与网络管理器的配对通信，该网络密钥被用于数据链路层服务中的跳-至-跳的验证。在分配会话密钥和网络密钥后，网络管理器基于第一现场设备53的地理位置信息更新无线传感器网络中的路由表。路由表包括以图形形式的现场设备网络信息，其中由节点表示现场设备，并且由具有id的边或链接表示它们之间的连接。

然后，基于第一现场设备53的地理位置，网络管理器为第一现场设备生成路由信息，其中指定相邻现场设备的列表和对应的网络信息(例如网格中的图id)。网络管理器基于来自相邻设备的近似距离和第一现场设备的地理位置基于路由表或工厂设施地图以确定列出的相邻设备。

网络管理器向配置工具55传输生成的试运行信息。配置工具使用接收到的试运行信息试运行第一现场设备53。连同会话密钥和网络密钥，配置设备在第一现场设备中配置路由信息。在试运行阶段期间配置路由信息排除了第一现场设备等待来自相邻现场设备的广告消息的需求，并且排除了相邻搜索操作。

一旦使用会话密钥、网络密钥和路由信息配置第一现场设备53，试运行后第一设备将开始向网关直接发送过程数据，并且如即插即用设备一样工作。

在实施例中，网络管理器维护两个设备列表：所验证设备列表(ADL)和会话分配设备列表(SADL)。ADL表是用于连接至网关并且是无线传感器致动器网络的一部分的设备，并且SADL表是用于已经为其生成试运行信息的设备。在变成无线传感器致动器网络一部分后，SADL中的设备将从SADL移动至ADL表。在实施例中，会话密钥包括超时属性。当会话密钥期满或被折旧，同样的密钥能够自动转换为加入密钥。当现场设备接收到具有期满或折旧的会话密钥的消息时，该现场设备将该消息视为加入请求，并且遵循方法200。

为了安全性可以实现任何用于如公共私有密钥的数据加密和解密的标准方法。并且，本领域技术人员能够注意：网络管理器能够位于配置服务器10或位于网关25上。

图4依照本发明示出图示用于将现场设备试运行和加入到无线传感器致动器网络的方法的定时图。

图5中，示出用于将第一现场设备53试运行和加入到无线传感器致动器网络的系统500的简化框图。系统500包括网关25、网络管理器250、配置工具55和第一现场设备53。提供网络管理器250以生成现场设备证书，并且可位于网关25内部或外部。在其中网络管理器位于网关25外部的实施例中。在另一个实施例中，网络管理器是连接至网关25的外部组件。第一现场设备53连接至无线适配器(图中未示)，并且第一现场设备53在现场总线中可以是无线的或有线的。

网络管理器250被提供有工厂设施地图。该工厂设施地图包括多个现场设备的位置。网络管理器250利用工厂设施地图以确定相邻现场设备的列表。配置工具55向现场设备询问设备信息，并且向网络管理器250提供设备信息。在实施例中，设备信息包括用于试运行第一现场设备53的位置和第一现场设备53的唯一标志符。在实施例中，该唯一标志符是第一现场设备53的媒体接入控制(也被称为“MAC”)地址。

在实施例中，从配置工具55经由网关25网络管理器250被提供有与第一现场设备53相关的信息。然后，配置工具55请求网络管理器250生成现场设备证书。网络管理器250生成该现场设备证书、例如网络ID、加入密钥、会话密钥、网络密钥、图ID、时隙编号和相邻设备列表。网络管理器250经由网关25传输现场设备证书至配置工具55。配置工具使用试运行信息试运行第一现场设备53。

因此本发明通过使用配置工具预配置密钥管理机制减少了加入时间。在试运行阶段，设备将被配置有包括网络证书例如网络ID、加入密钥、会话密钥、网络密钥、图ID和相邻现场设备列表等的试运行信息。在试运行后，不需要冗长的加入过程和搜索相邻现场设备，第一现场设备53能够向网关发送数据。由于网络管理器在试运行期间生成网络证书和路由信息，以及通过配置工具使用生成的信息配置现场设备，用于现场设备加入到无线传感器致动器网络的时间被相当大地减少。

本文仅仅具体图示和描述本发明的某些特征，而对于本领域技术人员会想到许多修改和改变。本发明不限于本文在描述中所描述的优选实施例。要注意，本发明通过示范性实施例进行解释，并且不是穷举的，也不是限制性的。本文在描述中未详细描述本发明的某些方面由本领域技术人员很好地理解。而且，本文在描述中使用的与单数形式有关的术语还包括其复数，并且反之亦然，在适用的情况下。没有在说明书中具体描述的任何相关修改或变化，事实上被解释为恰好在本发明的范围内。所附权利要求书旨在涵盖落入本发明精神内的所有这些修改和改变。

Claims (6)

1.一种用于使用配置工具（55）将第一现场设备（53）试运行以及加入过程工厂中的无线传感器致动器网络的方法，其中所述无线传感器致动器网络包括多个互连的现场设备和网关（25），所述网关（25）用于将所述多个互连的现场设备连接至包括多个控制器和网络管理器的工厂自动化网络（20），其中所述配置工具（55）执行包括如下步骤的所述方法：

a）接收与所述第一现场设备（53）相关联的设备信息，其中所述设备信息包括与所述第一现场设备（53）相关联的唯一设备标识符；

b）传输用于所述第一现场设备（53）的试运行请求，其中所述试运行请求包括与所述第一现场设备（53）相关联的所接收的设备信息和所述第一现场设备（53）的地理位置信息；

c）接收所述第一现场设备（53）的试运行信息，其中试运行信息包括用于所述第一现场设备（53）和所述网络管理器之间的配对通信的会话密钥、用于跳-至-跳的验证数据链路层服务的网络密钥和对应于所述第一现场设备（53）的路由信息；其中路由信息包括所述第一现场设备（53）的预定无线通信范围内相邻现场设备的列表；

d）使用所接收的试运行信息试运行所述第一现场设备（53）以将所述第一现场设备（53）加入到所述无线传感器致动器网络；以及

e）在预定的持续时间后，在所述网络管理器折旧所述会话密钥时，设置所述会话密钥作为加入密钥。

2.如权利要求1的方法，进一步包括：

a．由所述网络管理器基于与所述第一现场设备（53）相关联的所述唯一设备标识符生成所述会话密钥和所述网络密钥，以及

b．由所述网络管理器基于路由表和工厂设施地图中的至少一个以及所述第一现场设备（53）的地理位置生成相邻现场设备（35，70）的列表。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：由所述第一现场设备（53）在加入所述无线传感器致动器网络时向所述多个控制器中的控制器发送过程数据。

4.一种用于将第一现场设备（53）试运行和加入过程工厂内的无线传感器致动器网络的系统，其中所述无线传感器致动器网络包括多个互连的现场设备和网关（25），所述网关（25）用于将所述多个互连的现场设备连接至包括多个控制器的工厂自动化网络，所述系统包括：

a）网络管理器，所述网络管理器通信地耦合至所述网关并且配置成基于与所述第一现场设备（53）相关联的唯一设备标识符生成会话密钥，以及基于所述第一现场设备（53）的地理位置生成包括相邻现场设备（35，70）的列表的路由信息；以及

b）配置工具，配置成：

a. 接收与所述第一现场设备（53）相关联的设备信息，其中所述设备信息包括与所述第一现场设备（53）相关联的唯一设备标识符；

b. 传输用于所述第一现场设备（53）的试运行请求，其中所述试运行请求包括与所述第一现场设备（53）相关联的所接收的设备信息和所述第一现场设备（53）的地理位置信息；

c. 接收所述第一现场设备（53）的试运行信息，其中试运行信息包括与所述第一现场设备（53）对应的路由信息、会话密钥和网络密钥；其中路由信息包括所述第一现场设备（53）的预定无线通信范围内相邻现场设备的列表；以及

d. 使用所接收的试运行信息试运行所述第一现场设备（53）以使所述现场设备加入到所述无线传感器致动器网络。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述第一现场设备（53）配置成：在经由所述网关（25）加入所述无线传感器致动器网络时，向所述多个控制器中的控制器发送过程数据。

6.如权利要求4的系统，其中所述网络管理器具有验证设备列表（ADL）和会话分配设备列表，所述验证设备列表包括所述无线传感器致动器网络的一个或多个现场设备的列表，所述会话分配设备列表包括具有为其生成的试运行信息的一个或多个现场设备的列表。