CN112135336B - 一种基于WirelessHART协议的适配器节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于WirelessHART协议的适配器节能方法，对于适配器工作状态中的搜索态进行节能优化：设定适配器最优入网系数，如果实际入网系数大于最优入网系数，则无线信号强度强，接收广告包频率增加，入网速度加快，此状态下取消搜索时间限制；如果实际入网系数小于最优入网系数，则当前无线信号强度弱，调整搜索时间。本发明优化了广告包搜索策略，提高了广告包搜索效率，缩短了入网时间，解决WirelessHART适配器因功耗高造成回路压降大，导致工作不稳定以及过程数据回传周期长、实时性差的问题。

Description

一种基于WirelessHART协议的适配器节能方法

技术领域

本发明涉及基于WirelessHART协议的适配器领域，具体地说是一种基于WirelessHART协议的适配器节能方法。

背景技术

在工业现场，传统有线HART设备大面积的布线，给后期维护、诊断工作带来巨大压力。基于WirelessHART协议，兼容有线HART仪表设备的无线适配器，实现了传统4～20mA有线HART仪表设备与WirelessHART网络的无缝连接。适配器主要采取外部供电与回路供电两种方式。使用外部供电的适配器，需要外接电源，这会对传统HART设备4-20mA回路信号产生共模干扰，加之使用灵活度差、成本高等原因，未被广泛使用。

回路供电的适配器可以避免以上问题，但却因功耗居高，导致入网阶段供给电容电量消耗迅速，回路压降过大，影响入网效率。入网以后，功耗问题同样制约着过程数据的回传周期，所以，现阶段回路供电适配器往往牺牲掉数据回传的实时性来换取其工作的稳定性。加之适配器需要在工业现场复杂、多变的环境中稳定工作，高、低温条件下将加快供给电容电量的消耗，从而更严重影响适配器的入网时间。因此，必须降低适配器功耗来解决这些问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于WirelessHART协议的适配器节能方法，解决WirelessHART适配器因功耗高造成回路压降大，导致工作不稳定以及过程数据回传周期长、实时性差的问题。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种基于WirelessHART协议的适配器节能方法，对于适配器工作状态中的搜索态进行节能优化：

设定适配器最优入网系数，如果实际入网系数大于最优入网系数，则无线信号强度强，接收广告包频率增加，入网速度加快，此状态下取消搜索时间限制；如果实际入网系数小于最优入网系数，则当前无线信号强度弱，调整搜索时间。

所述调整搜索时间包括：

如果在搜索时间内，适配器尝试n次未能加入网，将自动进入搜索睡眠态，其中2<n≦6，睡眠时间为搜索时间m倍，3<m≦6；如果适配器结束搜索睡眠态，则进入下一搜索周期，并重复上述过程；

如果适配器依旧无法入网，则进入深度睡眠状态，等待深度睡眠状态结束，复位CPU。

还包括对于适配器工作状态中的运行态采用TDMA时隙调度方法和电能自适应调节方法进行节能优化。

所述TDMA时隙调度方法包括：

适配器使用超帧发送数据，超帧包括若干竞争时隙和若干数据时隙，数据时隙用于传输数据报文，竞争时隙用于仲裁数据优先级。

所述仲裁数据优先级包括：

在数据发送初期阶段，超帧随机挑选一个竞争时隙进行优先级评定，优先级高的数据获得发送权。

所述电能自适应调节方法包括：

根据任务功耗评定优先级，其中任务功耗越低则优先级越高；

按照优先级由高到低的顺序，实时切换对应优先级的任务，依次进行电能匹配。

所述根据任务功耗评定优先级，包括：

S_W＝N_i·T

E_i＝P·C_f·N_i·T

其中，K为与MCU本身有关的常数，V_DD为供电电压，V_T为门限电压，T为执行时钟周期，N_i为完成任务i所需时钟周期数，P为能耗系数，C_f为电能转换器的负载，S_W为任务期望时间，E_i为任务i的工作能耗。

所述实时切换对应优先级的任务包括：

在执行当前任务阶段，计算当前任务结束时间，使下一个任务的起始时间临近当前任务结束时间或与当前任务结束时间重合，即：

其中，S_t为转换时间，I_max是最大工作电流，C_f为电能转换器的负载，V_a和V_b是转换前后的实际电压值，e是电能转换器的转换效率，S_i为任务i开始执行时间，S_0i表示该任务执行结束时间，S_W为任务期望时间，E为工作能耗，S_j为任务j开始执行时间，M(i,j)∈{0,1}来表示任务i与任务j之间的依赖关系,当M(i,j)＝1时，任务j紧跟任务i执行，即任务j为任务i的下一个待执行任务。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明优化了广告包搜索策略，提高了广告包搜索效率，缩短了入网时间；

2.本发明采用TDMA时隙调度算法，保证了通信的实时性；

3.本发明引入电能自适应调节方法，降低了适配器功耗。

附图说明

图1为本发明的方法示意图；

图2为本发明搜索态节能流程图；

图3为本发明超帧结构图；

图4为本发明运行态降低延时示意图；

图5为本发明电能自适应反馈系统流程图。

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1所示为本发明的方法示意图。

本发明采用多态独立式节能策略，即针对适配器能耗最高的搜索态、运行态，结合各自状态下工作特点，分别设计最优节能策略，包括以下步骤：

搜索态节能策略:优化广告包搜索算法，设计动态调节搜索时间策略，提高适配器工作稳定性的同时，降低大量功耗；

运行态节能策略：引入电能自适应调节方法，降低电能消耗，结合TDMA时隙调度算法，提升过程数据回传的实时性。

方法包括以下步骤：

步骤1，搜索态节能策略:优化广告包搜索算法，根据信号强度，动态调节搜索广告包时间。

步骤2，运行态节能策略中采用TDMA时隙调度算法，令适配器使用超帧收发数据。将超帧划分为竞争时隙和数据时隙，保证数据包在连续、无冲突的时隙中传输。

步骤3，运行态节能策略中引入电能自适应调节方法，将嵌入式处理器中加入反馈调节环路和电压转换器，不同任务自适应匹配最优电能。

在步骤1中，如图2所示，搜索态节能策略具体如下：

设定适配器最优入网系数，如果实际入网系数大于最优入网系数，此时信号强度大，接收广告包频率增加，入网速度加快，此状态下取消搜索时间限制。相反，若实际入网系数小于最优入网系数，即当前信号强度差，调整搜索时间。如果搜索时间内，适配器尝试6次未能加入网，将自动进入搜索睡眠态，睡眠时间为搜索时间5倍，睡醒将进入下一搜索周期。若适配器依旧无法入网，进入深度睡眠状态，深度睡眠时间为30分钟，睡醒后，直接复位CPU。

实施例中，结合公式(1)、(2)设计节能策略。其中K_a是适配器最优入网系数。△S为单位搜索时间，I_sea是搜索电流，N为单位时间内搜索到广告包的数量。K_act是实际入网系数，S_lim是极限搜索时间，S_act为自适应搜索时间。如果K_act大于K_a，说明信号强度大，接收广告包频率增加，入网速度加快，此状态下取消搜索时间限制。相反，假如K_act小于K_α，说明当前信号质量差，将根据公式(2)调整搜索时间。如果搜索时间内，适配器尝试6次未能加入网，将自动进入搜索睡眠态，睡眠时间为搜索时间5倍，睡醒将进入下一搜索周期。若适配器依旧无法入网，进入深度睡眠状态，深度睡眠时间为30分钟，睡醒后，直接复位CPU。

在步骤2中，采用TDMA时隙调度算法，如图3所示，将超帧结构划分为两部分，一部分为竞争时隙，另一部分为数据时隙。设置不同的占空比作为竞争时隙，数量从1到M，发送时隙数为N。运行态节能策略中采用TDMA时隙调度算法，适配器使用超帧收发数据，保证其在连续的时隙中传输数据包。

运行态降低延时过程如图4所示，在发送初期阶段，超帧在竞争时隙中随机挑选一个时隙参与竞争评定，优先级高的超帧获取发送权。优先级由数据包类型和生存跳数决定。仲裁取胜的超帧可以在数据时隙发送DATA/ACK，仲裁失败的超帧使用退避机制，退后发送。当已经处于时隙尾时，立即计算出下一个服务时隙到来的时间。正向设定好所有工作序列。

当适配器系统调度进入空闲任务时，通过系统时钟计算出最近需要响应的任务时间、距离下一个需要工作的时隙时间，减少MCU响应睡眠/唤醒机制产生的延时。在发送初期阶段，超帧在竞争时隙中随机挑选一个时隙参与竞争评定，优先级高的超帧获取发送权。优先级由数据包类型和生存跳数决定。仲裁取胜的超帧可以在数据时隙发送DATA/ACK，仲裁失败的超帧使用退避机制，退后发送。当已经处于时隙尾时，立即计算出下一个服务时隙到来的时间。正向设定好所有工作序列。当适配器系统调度进入OSTaskIdleHook函数时，通过系统时钟计算出最近需要响应的任务时间、距离下一个需要工作的时隙时间，减少MCU响应睡眠/唤醒机制产生的延时。

在步骤3中，引入电能动态自适应调节系统，在嵌入式处理器中加入反馈调节环路和电压转换器，如图5所示。

电能动态自适应调度反馈控制系统由调度器、控制器以及监视器三部分构成。这三部分的主要功能如下：

调度器：判断适配器各个任务空闲时间，空闲时间短的任务比空闲时间长的任务优先级更高，即空闲时间短的任务优先压入调度栈。

监视器：实时监测适配器任务的执行情况，它会将每个任务的实际执行时间(时钟周期数)实时反馈给控制器。

控制器：比较相应的性能参考值与控制变量，来调节输出电能。

根据系统任务集调度期望，实时计算出各个任务期望的工作时间和最优工作电能。

实施例中，根据系统任务集调度期望，实时计算出各个任务期望的工作时间和最优工作电能，如下公式：

S_W＝N_i·T (3)

E_i＝P·C_f·N_i·T (4)

公式(2)中K为与MCU本身有关的常数，V_DD为供电电压，V_T为门限电压，T为执行时钟周期，公式(3)中N_i为完成任务i所需时钟周期数，公式(4)中P为能耗系数，C_f为电能转换器的负载。根据文中参数，可得任务期望时间S_W和工作能耗E。

适配器系统做高精度任务功耗控制时，电能转换时间是不可忽略的，而其他电能控制系统往往将其忽略，公式(5)为转换时间计算公式：

公式(5)中,I_max是最大工作电流，V_a和V_b是转换前后的实际电压值，e则是电能转换器的转换效率。假设，S_i为任务i开始执行时间，S_0i表示该任务执行结束时间，S_t为转换时间，可得任务间关系如公式(6)、(7)所示：

在适配器系统任务调度中，V为总任务数，E为任务依赖关系总边数，公式(8)中M(i,j)∈{0,1}来表示任务i与任务j之间的依赖关系,当M(i,j)＝1时，任务j必须紧跟任务i执行。T_i为每个任务执行时间极限值，最终得到公式(9)、(10)、(11)，使整个适配器系统达到降低功耗的最终目标。

Claims (5)

1.一种基于WirelessHART协议的适配器节能方法，其特征在于，对于适配器工作状态中的搜索态进行节能优化：

设定适配器最优入网系数，如果实际入网系数大于最优入网系数，则无线信号强度强，接收广告包频率增加，入网速度加快，此状态下取消搜索时间限制；如果实际入网系数小于最优入网系数，则当前无线信号强度弱，调整搜索时间；

还包括对于适配器工作状态中的运行态采用TDMA时隙调度方法和电能自适应调节方法进行节能优化；

所述电能自适应调节方法包括：

根据任务功耗评定优先级，其中任务功耗越低则优先级越高；

按照优先级由高到低的顺序，实时切换对应优先级的任务，依次进行电能匹配；

所述根据任务功耗评定优先级，包括：

S_W＝N_i·T

E_i＝P·C_f·N_i·T

其中，K为与MCU本身有关的常数，V_DD为供电电压，V_T为门限电压，T为执行时钟周期，N_i为完成任务i所需时钟周期数，P为能耗系数，C_f为电能转换器的负载，S_W为任务期望时间，E_i为任务i的工作能耗。

2.根据权利要求1所述的基于WirelessHART协议的适配器节能方法，其特征在于：所述调整搜索时间包括：

1)如果在搜索时间内，适配器尝试n次未能入网，将自动进入搜索睡眠态，其中2<n≦6，睡眠时间为搜索时间m倍，3<m≦6；如果适配器结束搜索睡眠态，则进入下一搜索周期，并重复步骤1)；

2)如果适配器依旧无法入网，则进入深度睡眠状态，等待深度睡眠状态结束，复位CPU。

3.根据权利要求1所述的基于WirelessHART协议的适配器节能方法，其特征在于：所述TDMA时隙调度方法包括：

适配器使用超帧发送数据，超帧包括若干竞争时隙和若干数据时隙，数据时隙用于传输数据报文，竞争时隙用于仲裁数据优先级。

4.根据权利要求3所述的基于WirelessHART协议的适配器节能方法，其特征在于：所述仲裁数据优先级包括：

在数据发送初期阶段，超帧随机挑选一个竞争时隙进行优先级评定，优先级高的数据获得发送权。

5.根据权利要求1所述的基于WirelessHART协议的适配器节能方法，其特征在于：所述实时切换对应优先级的任务包括：

在执行当前任务阶段，计算当前任务结束时间，使下一个任务的起始时间临近当前任务结束时间或与当前任务结束时间重合，即：

其中，S_t为转换时间，I_max是最大工作电流，C_f为电能转换器的负载，V_a和V_b是转换前后的实际电压值，e是电能转换器的转换效率，S_i为任务i开始执行时间，S_0i表示该任务执行结束时间，V为总任务数，S_W为任务期望时间，E为工作能耗，S_j为任务j开始执行时间，M(i,j)∈{0,1}来表示任务i与任务j之间的依赖关系,当M(i,j)＝1时，任务j紧跟任务i执行，即任务j为任务i的下一个待执行任务。