CN109218300A - 一种LoRa到WIA-PA的交互方法 - Google Patents

Abstract

一种LoRa到WIA‑PA的交互方法，包括以下流程：创建包含LoRa控制器和WIA‑PA模块的硬件设施；在LoRa控制器上运行LoRaWAN协议栈，在WIA‑PA模块上运行WIA‑PA协议栈；在LoRa控制器中运行调配软件，实现LoRa到WIA‑PA的统一调配。本发明实现了LoRa到WIA‑PA双向数据传输，保证了LoRa到WIA‑PA的数据流变换双向数据变换，并且实现了服务级映射，具有实时性、通用性，具有十分优良的兼容性，可以满足多种网络方式下的通信。

Description

一种LoRa到WIA-PA的交互方法

技术领域

本发明涉及控制领域及现场总线领域，具体说是一种LoRa到WIA-PA交互方法。

背景技术

无线通信技术是网络通信技术向工业化现场总线发展的产物，是信息交互的背景下发展起来的新型技术，具有全数字化、分散、双向传输和多分支的特征。然而，由于各种原因，目前国际上无线通信技术都有各自的应用范围和应用领域。而无线通信的关键技术之一是互操作性，解决与其他总线网络硬件设施互联与互操作性，已成是无线通信技术成熟的一个里程碑。

LoRa技术用于工业控制中具有传播距离远、成本低廉以及功耗低等优势，LoRa的工业化正在成是控制网络的主流技术。LoRaWAN标准，已经解决的关键技术有：控制系统结构设计、通信实时性技术、总线供电技术、互可操作技术、远距离传输技术、网络安全技术、可靠性与干扰技术等。随着这些技术的解决，LoRa在自动化领域的应用也越来越广泛。WIA-PA标准作是我国自主研发的总线标准，对我国的工业信息化提供了基础，解决LoRa与WIA-PA的互联和互操作问题，不仅是LoRa技术的一个突破点，而且推动了LoRa的发展。

在LoRa的市场应用中，存在很多通信和互联的方法。由于WIA-PA现场总线的市场应用非常广泛，与LoRa可能应用于一个工厂的自动化系统中，现场总线互联与互操作问题是不可避免的。

发明内容

针对现有技术存在的尚无法解决由LoRa到WIA-PA现场总线互联与互操作问题等不足之处，本发明提出了一种提供能够实现由LoRa到WIA-PA交互的方法。

为了实现上述目的，本发明创造采用的技术方案为：一种LoRa到WIA-PA的交互方法，其特征在于，步骤为：

1)创建包含LoRa控制器和WIA-PA模块的硬件设施；

2)在LoRa控制器上运行LoRaWAN协议栈，在WIA-PA模块上运行WIA-PA协议栈；

3)在LoRa控制器中进行协议变换，实现LoRaWAN协议栈到WIA-PA协议栈的协议变换，协议变换具体方法如下：

3.1)当LoRa控制器的LoRa通信接口接收到请求信息时，对请求信息进行解包，得到服务信息信息头，判断该请求信息类别；

3.1.1)如果接受的信息数据是实时数据，则查找LoRa控制器中跨网段链接对象映射表，得到使用LoRaWAN协议栈的硬件设施中功能块的链接关系，从而得到服务信息头；

3.1.2)如果LoRa控制器通过第1无线通信模块接受到信息时，直接对接收信息进行解包，得到服务信息信息头：

3.2)根据服务信息信息头分析，若该信息数据类别是LoRa本网段的信息，则按LoRaWAN协议栈进行处理；若该信息数据类别是协议数据，则将对接收信息重新打包；若接收到的信息是需要发送到WIA-PA网段的信息，则对该请求信息进行协议变换，并重新打包，LoRa控制器通过第1无线通信模块将重新打包的信息发送到WIA-PA模块，完成一次 LoRa信息到WIA-PA信息的变换；

3.3)LoRa控制器组织LoRa信息将实时数据发布给使用LoRaWAN协议栈的硬件设施，完成一次无线通信过程；

4)在LoRa控制器中运行调配软件，实现LoRa到WIA-PA的统一调配，调配方法为：

4.1)根据WIA-PA模块中的调配表创建LoRa控制器调配表；

4.2)当WIA-PA协议栈的硬件设施有实时数据发布到LoRaWAN协议栈的硬件设施时， WIA-PA模块作为WIA-PA网段的订阅者，将接受到的实时数据转发到LoRa控制器；LoRa控制器在活动期信息传输阶段将接受到的实时数据发布到LoRa网段；

4.3)LoRa活动期信息传输结束后进入非活动期信息传输阶段，LoRa控制器将突发性的非活动期数据转发到LoRa网段或者WIA-PA网段。

所述的步骤3.1.1)中，跨网段链接对象映射表是指：LoRa上位机将运行WIA-PA协议的硬件设施中的功能模块，与运行LoRaWAN协议的硬件设施中的功能模块组态后，下载到LoRa控制器中的组态关系映射表。

所述的组态关系映射表包括：准备发布实时数据、运行WIA-PA协议栈的硬件设施中的功能块索引和标识、接收WIA-PA网段实时数据、运行LoRa硬件设施中的功能块标识和索引、WIA-PA硬件设施地址，LoRa硬件设施地址。

本发明创造的有益效果为：

1.保证了LoRa到WIA-PA数据的双向传输，实现了LoRa到WIA-PA的数据流变换、WIA- PA到LoRa的数据流变换，并且实现了服务级映射；

2.实时性：LoRa和WIA-PA之间的数据交互能实现以单位毫秒级通信；

3.通用性：本发明能够把任何符合WIA-PA标准的硬件设施接入通信控制网络，并且实现交互；

4.灵活性：采用本发明技术创建控制系统具备很高的拓展性可以创建以LoRa或以WIA- PA是主的多种结构的控制网络；

5.兼容性：该方法的技术方案具备很好的容错性和兼容性。

附图说明

图1是本发明LoRa到WIA-PA网关的原理示意图；

图2是本发明方法采用的网关结构示意图；

图3是LoRa系统控制器数据处理步骤示意图；

图4是LoRa控制器第1无线通信模块接收到信息的处理流程；

图5是本发明方法中交互示意图；

图6是本发明一个实际应用的读/写服务变换过程示意图；

图7是本发明方法中的一个实际应用示意图。

具体实施方式

一种LoRa到WIA-PA的交互方法，其特征在于，步骤为：

1)创建包含LoRa控制器和WIA-PA模块的硬件设施。

2)在LoRa控制器上运行LoRaWAN协议栈，在WIA-PA模块上运行WIA-PA协议栈。

3)在LoRa控制器中进行协议变换，实现LoRaWAN协议栈到WIA-PA协议栈的协议变换，协议变换具体方法如下：

3.1)当LoRa控制器的LoRa通信接口接收到请求信息时，对请求信息进行解包，得到服务信息信息头，判断该请求信息类别；

3.1.1)如果接受的信息数据是实时数据，则查找LoRa控制器中跨网段链接对象映射表，得到使用LoRaWAN协议栈的硬件设施中功能块的链接关系，从而得到服务信息头；

跨网段链接对象映射表是指：LoRa上位机将运行WIA-PA协议的硬件设施中的功能模块，与运行LoRaWAN协议的硬件设施中的功能模块组态后，下载到LoRa控制器中的组态关系映射表；

组态关系映射表包括：准备发布实时数据、运行WIA-PA协议栈的硬件设施中的功能块索引和标识、接收WIA-PA网段实时数据、运行LoRa硬件设施中的功能块标识和索引、WIA- PA硬件设施地址，LoRa硬件设施地址；

3.1.2)如果LoRa控制器通过第1无线通信模块接受到信息时，直接对接收信息进行解包，得到服务信息信息头：

3.2)根据服务信息信息头分析，若该信息数据类别是LoRa本网段的信息，则按LoRaWAN协议栈进行处理；若该信息数据类别是协议数据，则将对接收信息重新打包；若接收到的信息是需要发送到WIA-PA网段的信息，则对该请求信息进行协议变换，并重新打包，LoRa控制器通过第1无线通信模块将重新打包的信息发送到WIA-PA模块，完成一次 LoRa信息到WIA-PA信息的变换；

3.3)LoRa控制器组织LoRa信息将实时数据发布给使用LoRaWAN协议栈的硬件设施，完成一次无线通信过程。

4)在LoRa控制器中运行调配软件，实现LoRa到WIA-PA的统一调配，调配方法为：

4.1)根据WIA-PA模块中的调配表创建LoRa控制器调配表；

4.2)当WIA-PA协议栈的硬件设施有实时数据发布到LoRaWAN协议栈的硬件设施时，WIA-PA模块作为WIA-PA网段的订阅者，将接受到的实时数据转发到LoRa控制器；LoRa控制器在活动期信息传输阶段将接受到的实时数据发布到LoRa网段；

4.3)LoRa活动期信息传输结束后进入非活动期信息传输阶段，LoRa控制器将突发性的非活动期数据转发到LoRa网段或者WIA-PA网段。

实施例1：

如图1所示，本发明方法基于LoRa到WIA-PA交互的网关系统实现，使用一种拥有LoRa和WIA-PA硬件接口的网关硬件的现有硬件设施即可，硬件设施中包括LoRa物理层和WIA-PA物理层，详细地说，是包含LoRa接口和WIA-PA接口的硬件设施。在硬件设施中分别植入LoRaWAN和WIA-PA协议栈，即LoRa控制器与WIA-PA模块。在LoRa控制器中开发协议变换和调配，实现使用LoRaWAN协议与使用WIA-PA协议硬件设施之间的互联与互操作。

如图2所示，给出了一种LoRa到WIA-PA交互的网关硬件设施，包括LoRa控制器、WIA-PA模块两部分，其中：LoRa控制器通过LoRa通信接口与LoRa网段硬件设施进行通信；WIA-PA模块是WIA-PA网段的链路活动调配器，控制信息在WIA-PA总线上通信活动。 WIA-PA模块与LoRa控制器通过无线通信。

LoRa控制器包括第1通信控制模块、第1无线通信模块以及LoRa通信接口，其中第通信控制模块运行LoRaWAN协议栈，通过LoRa通信接口链接到LoRa网段，通过第1无线通信模块连接到WIA-PA网段。

WIA-PA模块包括第2通信控制模块、第2无线通信模块和WIA-PA通信接口，其中第2通信控制模块运行WIA-PA协议栈，用通信接口WIA-PA现场硬件设施；第2通信控制模块通过第2无线通信模块与LoRa控制器中的第1无线通信模块进行连接。

WIA-PA模块具有两个接口，可以同时连接两个WIA-PA网段的硬件设施。

本发明LoRa到WIA-PA交互方法是通过LoRa到WIA-PA交互的网关完成其控制，详细实施步骤如下：

首先创建包含LoRa控制器和WIA-PA模块的硬件硬件设施，其目的是构成LoRa到WIA- PA硬件基础；

在LoRa控制器上运行LoRaWAN协议栈，在WIA-PA模块上运行WIA-PA协议栈；

然后在LoRa控制器中运行LoRaWAN协议栈到WIA-PA协议栈的协议变换软件，实现LoRaWAN协议栈到WIA-PA协议栈的协议变换；

最后在LoRa控制器中实现LoRa到WIA-PA的调配，实现LoRa到WIA-PA的统一调配。

在实际应用时，LoRa控制器负责网关系统的通信和调配，WIA-PA模块负责WIA-PA网段的通信和调配。

协议变换是将收到的LoRa信息进行处理，按WIA-PA协议标准进行处理，通过第1无线通信模块将打包后的信息发送到WIA-PA网段；将接收到的WIA-PA网段的响应信息进行解包，按LoRa信息格式进行打包，通过LoRa通信接口重新打包后的信息发送到LoRa网段。协议变换软件实现了跨网段现场硬件设施之间数据的透明传输。

如图1所示，LoRaWAN与WIA-PA协议的网络有两个网段：LoRa网段，包括使用LoRaWAN协议的硬件设施A到使用LoRaWAN协议的硬件设施C；WIA-PA网段，包括使用WIA 协议的硬件设施D到使用WIA协议的硬件设施F。非跨网段的通信和调配有LoRa控制器和 WIA-PA模块完成。而跨网段的通信有LoRa控制器中的协议变换软件完成，跨LoRa和WIA- PA的调配由LoRa控制器中的调配完成。

当硬件设施A与D通信时，硬件设施A按LoRaWAN协议标准将数据传递给LoRa控制器，由LoRa控制器解包后转发给协议变换软件，协议变换软件编址相应的WIA-PA信息，并且发送给WIA-PA网段。LoRa控制器等待无线数据的到来，然后将接收到的响应信息按LoRa 信息格式进行重新打包，发送给硬件设施A，完成互相通信过程。

如图3所示，在LoRa控制器中实现LoRaWAN协议栈到WIA-PA协议栈的协议变换包括以下流程：

当LoRa控制器LoRa接口接收到请求信息时，对请求信息进行解包，得到服务信息信息头；

判断该请求信息的类别；

假设是发送到WIA-PA网段的数据，则对该请求信息进行协议变换，并重新处理打包；

LoRa控制器使用第1无线通信模块将重新处理后的数据发送到WIA-PA模块，完成一次 LoRa数据到WIA-PA数据的变换。

假设是LoRa本网段的信息，则按LoRaWAN协议栈进行处理。

发送到WIA-PA网段的信息分是网络管理层信息，系统管理层信息和信息规范子层信息。

网络管理是集成数据链路层的通信协议到应用层的通信协议，并实行运行监视。

系统管理主要负责与网络系统相关的管理任务。

信息规范子层主要描述用户应用所需要的通信服务、信息格式、状态等。

如图4所示，当LoRa控制器使用第1无线通信模块接收数据时，对接收数据进行解包，得到服务信息头判断接收信息的数据类别；假设该接收信息数据是实时数据，则查找LoRa控制器中跨网段连接对象映射表，得到使用LoRaWAN协议栈的硬件设施中功能块的链接关系；LoRa控制器组织LoRa数据将实时数据发布给使用LoRaWAN协议栈的硬件设施，完成一次无线通信过程。假设该信息数据类别是协议数据，则将对接收信息重新打包；通过LoRa通信接口将重新打包后的信息发送到LoRa网段(通常发送到LoRa上位机)。

跨网段映射表是指LoRa控制器将运行WIA-PA协议的硬件设施中的功能块与运行LoRaWAN协议的硬件设施中的功能块组态后下载到LoRa控制器中的组态关系映射表，包括：准备发布实时数据的运行WIA-PA协议栈的硬件设施中的功能块索引和标识、接收WIA- PA网段实时数据的LoRa硬件设施中的功能块标志和索引、WIA-PA硬件设施地址与LoRa硬件设施地址。

上位机，指可以直接发出操作和控制命令的计算机，能显示出各种信息变化。

功能块是一个软件单元，用一个序列号来独立特殊标识由输入、输出、内含参数以及这些参数进行操作的算法组成。

组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某以具体任务的过程。

协议数据，即非实时的、突发性的信息。主要是对LoRa上位机请求信息的响应，如读、写、初始化等服务。

实时数据，即运行WIA-PA协议的硬件设施中功能块与运行LoRaWAN协议的硬件设施中功能块跨网段组态后，WIA-PA硬件设施在调配活动期到来时发布到相应的LoRa硬件设施的监测硬件设施数据。

在WIA-PA协议中，使用WIA协议的硬件设施之间实时信息的传递采用超帧结构，分是 CAP、CFP和非活动期，具体流程是：创建连接→数据传输→休眠。

CAP指有硬件设施加入，实时信息的簇内管理和重传。

CFP指实时数据在移动硬件设施的与簇首间的通信。

非活动期：指实时数据的簇间通信、簇内通信和休眠。

如图5所示，调配在的作用是统一LoRa网段和WIA-PA网段。WIA-PA模块作是WIA-PA网段中的簇首,负责WIA-PA网段中信息的调配。WIA-PA网段的调配由信标触发，调配表进行组织，保存在WIA-PA模块中。根据WIA-PA模块中的调配表创建以个全局的LoRa硬件设施调配表，即使用WIA-PA协议的硬件设施发布实时数据之后也恰好是LoRa硬件设施的活动期数据传输活动期，在LoRa网段活动期数据传输活动期可实时的获得WIA-PA网段的实时数据。在LoRa网段中，WIA-PA硬件设施的实时数据作是LoRa控制器发布的活动期数据发布出来，进而实现WIA-PA到LoRa数据的发布。调配将跨网段的WIA-PA硬件设施发布的数据进行订阅，订阅之后得到控制数据，经过协议转换软件重新打包LoRa发布信息，然后LoRa 控制器的实时数据发布出去。

WIA-PA网段到LoRa网段的实时数据发布步骤如下：

WIA-PA模块运行WIA-PA协议栈的硬件设施的实时数据，将实时数据在WIA-PA网段发布。WIA-PA模块部分作是WIA-PA网段的一个订阅者，WIA-PA模块接收到实时数据信息后，将该信息转发到LoRa控制器。LoRa控制器对该信息进行接收和解包，判断信息类别是实时数据，进而查找跨网段组态链接关系映射表，并按照LoRa信息格式进行打包，在LoRa活动期信息传输阶段将实时数据信息传输到LoRa网段。

LoRa活动期信息传输结束后进入非活动期信息传输阶段，LoRa控制器突发性的非活动期数据转发到LoRa网段或者WIA-PA网段。

活动期数据是指用于工业现场的，定时更新的关键型数据。

非活动期数据是指不定时更新的非关键性数据。

订阅者是指网络中接收实时数据或活动期数据的硬件设施或功能块，订阅者接收发布者发布的数据，进而可以完全控制现场过程。

WIA—PA全部应用IEEE 802.15.4协议体系，该体系是当前无线短程网的主流协议体系，几乎所有无线网络协议都在物理层和MAC层遵循其规范，而在数据链路子层、网络层、应用层上则各自自行定义。

如图6所示，本发明完成了LoRa到WIA-PA之间的读写服务变换，可将LoRa读/写服务变换成WIA-PA读/写服务。

该读/写服务的变换是指：由硬件设施A读/写硬件设施D，先有硬件设施A发布LoRa格式的读/写请求服务，该读/写服务被本发明接收后，由协议变换软件将数据解包分析之后，与硬件设施D建立客户/服务型虚拟连接关系，然后按WIA-PA的读/写服务格式进行打包，并且通过调配将重新打包后的信息发送到WIA-PA网段，对硬件设施D进行读/写操作。硬件设施D返回的读/写响应信息转发到LoRa控制器后，由协议变换软件将数据解包、分析之后转发给硬件设施A，完成读/写服务的变换。在此通信过程中需要统一的调配软件的调配。读/写服务在LoRa和WIA现场总线中都属于非实时数据。LoRa控制器在非活动期数据传输阶段发送/接收信息，WIA-PA模块在非调配通信活动期接收/发送信息。

客户/服务器型虚拟通信关系满足使用面向连接数据传输的确认性应用层服务，这种应用关系只在两个应用进程之间建立。它是队列式的，只用于非调配的点对点通信中。同一硬件设施既可以是客户又可以是服务器。

读/写请求信息包括硬件设施的物理地址、硬件设施的索引、子索引。

索引是指对象的索引号，对象是硬件设施的网络可视对象提供定义与描述。

子索引是指操作目标的索引号，该索引号实际上是一个偏移量。

本发明能够同时实现多个硬件设施之间的互联与互操作。如图7所示，硬件设施D发布数据又硬件设施A订阅，硬件设施E发布数据又硬件设施B订阅，硬件设施C接收硬件设施 F的第0个参数，其过程如下：

在第一个活动期数据时隙里，硬件设施D得到了指令，发布实时数据。由WIA-PA模块进行订阅，WIA-PA模块将订阅信息发送到LoRa控制器，通过本发明的协议变换软件和调配方法，LoRa控制器在第一个活动期数据时隙内将来自硬件设施D的实时信息发布，硬件设施A收到经过本发明转发的来自硬件设施D的实时数据。

在第二个活动期数据时隙内，硬件设施E发布信息到硬件设施B与第一个活动期时隙类似。

在非活动期数据时隙1中，硬件设施C发送接收请求，接收硬件设施F的第0个参数。该请求由LoRa控制器读取，由LoRa控制器中的协议变换软件信息变换成WIA-PA接收请求信息后，在非活动期传输时隙1中将变换后的请求信息发送给WIA-PA模块，WIA-PA模块发布到WIA-PA网段，硬件设施F收到硬件设施C的读请求。在非活动期数据时隙2中，硬件设施F收到指令后发送接收响应给WIA-PA模块，WIA-PA模块将响应信息传递给LoRa控制器，由LoRa控制器中的协议变换软件将信息变换成LoRa读响应信息后，由调配进行调配，在非活动期传输时隙2中变换后的读响应信息发送给硬件设施C，一个调配活动期完成。

Claims (3)

1.一种LoRa到WIA-PA的交互方法，其特征在于，步骤为：

1)创建包含LoRa控制器和WIA-PA模块的硬件设施；

2)在LoRa控制器上运行LoRaWAN协议栈，在WIA-PA模块上运行WIA-PA协议栈；

3)在LoRa控制器中进行协议变换，实现LoRaWAN协议栈到WIA-PA协议栈的协议变换，协议变换具体方法如下：

3.1)当LoRa控制器的LoRa通信接口接收到请求信息时，对请求信息进行解包，得到服务信息信息头，判断该请求信息类别；

3.1.1)如果接受的信息数据是实时数据，则查找LoRa控制器中跨网段链接对象映射表，得到使用LoRaWAN协议栈的硬件设施中功能块的链接关系，从而得到服务信息头；

3.1.2)如果LoRa控制器通过第1无线通信模块接受到信息时，直接对接收信息进行解包，得到服务信息信息头：

3.2)根据服务信息信息头分析，若该信息数据类别是LoRa本网段的信息，则按LoRaWAN协议栈进行处理；若该信息数据类别是协议数据，则将对接收信息重新打包；若接收到的信息是需要发送到WIA-PA网段的信息，则对该请求信息进行协议变换，并重新打包，LoRa控制器通过第1无线通信模块将重新打包的信息发送到WIA-PA模块，完成一次LoRa信息到WIA-PA信息的变换；

3.3)LoRa控制器组织LoRa信息将实时数据发布给使用LoRaWAN协议栈的硬件设施，完成一次无线通信过程；

4)在LoRa控制器中运行调配软件，实现LoRa到WIA-PA的统一调配，调配方法为：

4.1)根据WIA-PA模块中的调配表创建LoRa控制器调配表；

4.2)当WIA-PA协议栈的硬件设施有实时数据发布到LoRaWAN协议栈的硬件设施时，WIA-PA模块作为WIA-PA网段的订阅者，将接受到的实时数据转发到LoRa控制器；LoRa控制器在活动期信息传输阶段将接受到的实时数据发布到LoRa网段；

4.3)LoRa活动期信息传输结束后进入非活动期信息传输阶段，LoRa控制器将突发性的非活动期数据转发到LoRa网段或者WIA-PA网段。

2.根据权利要求1所述的一种LoRa到WIA-PA的交互方法，其特征在于：所述的步骤3.1.1)中，跨网段链接对象映射表是指：LoRa上位机将运行WIA-PA协议的硬件设施中的功能模块，与运行LoRaWAN协议的硬件设施中的功能模块组态后，下载到LoRa控制器中的组态关系映射表。

3.根据权利要求2所述的一种LoRa到WIA-PA的交互方法，其特征在于：所述的组态关系映射表包括：准备发布实时数据、运行WIA-PA协议栈的硬件设施中的功能块索引和标识、接收WIA-PA网段实时数据、运行LoRa硬件设施中的功能块标识和索引、WIA-PA硬件设施地址，LoRa硬件设施地址。