CN112789872A - 低能量工业无线仪器网络 - Google Patents
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Abstract
工业无线仪器网络将多个工业无线仪器连接到监控控制应用。该网络采用无线中继节点，该无线中继节点作为它们在该网络中所连接的无线仪器的专用代理而进行操作。在一些实施例中，无线中继节点是能够实现蓝牙版本4.0或更高版本的蓝牙低能量(BLE)设备。在一些实施例中，中继节点被部署在多跳布置中，以拓展无线仪器与监控控制应用之间的范围。在一些实施例中，并行部署中继节点，以便提供容易的扩展、冗余和负载平衡。这种布置相对于像网格网络这样的传统解决方案具有若干优势。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2018年7月20日提交的题为“End Node and Bluetooth LowEnergy System”的美国临时专利申请第62/701,336号的优先权，其公开内容通过引用结合于此。
技术领域
本公开涉及工业无线仪器，更具体地，涉及用于实现低能量工业无线仪器网络的方法和系统。
背景技术
工业无线仪器，诸如传感器、致动器、控制器和各种其他工业设备，正越来越多地取代有线仪器的使用。这种工业无线仪器有几个好处。首先，工业无线仪器不需要在整个设施中铺设电缆，因此大大节省了安装成本。这些设备还提供了灵活性，因为它们可以容易地安装在设施中的任何数量的位置，并且容易地重新定位到设施中的任何数量的位置。
每个工业无线仪器通常作为无线网络中的节点而进行连接，该无线网络覆盖设施的全部或部分。无线网络在节点和监控控制应用(monitoring and control application)之间建立路由路径。监控控制应用然后可以从节点获得测量和读数，并且根据需要和/或定期地向节点发出命令和指令。监控控制应用还可以将测量和读数存储在数据库中，并以其他方式使它们可供其他应用和用户使用。
虽然在工业无线仪器网络领域已经取得了许多进步，但是很容易理解，仍然需要不断的改进。
发明内容
本公开提供了一种工业无线仪器网络。该网络采用无线中继节点，该无线中继节点作为它们在网络中所连接的无线仪器的专用代理而进行操作。在一些实施例中，中继节点被部署在多跳布置中，以拓展无线仪器与监控控制应用之间的范围。在一些实施例中，中继节点以并行布置部署，以便提供容易的扩展、冗余和负载平衡。
总的来说，在一个方面，本公开的实施例涉及一种形成工业无线仪器网络的方法。该方法尤其包括：使用低能量无线多跳网格协议在网络中提供至少一个路由路径，该至少一个路由路径中的每一个都是网络中特定的预定义面向连接路由路径，以及使用至少一个路由路径将至少一个工业无线仪器中的一个连接到至少一个网络网关中的一个。该方法还包括：通过在至少一个路由路径中的至少一个中继节点将数据从至少一个工业无线仪器中的一个中继到至少一个网络网关中的一个，该至少一个中继节点使用代理协议在至少一个路由路径中的特定的预定义发送节点和特定的预定义接收节点之间中继数据。
在一个或多个实施例中，发送节点是工业无线仪器或特定的预定义中继节点之一，并且接收节点是特定的预定义中继节点或网络网关之一。
在一个或多个实施例中，至少一个路由路径包括将至少一个工业无线仪器中的一个连接到至少一个网络网关中的一个的多跳路由路径，多跳路由路径包括多个中继节点，每个中继节点构成在多跳路由路径中的一跳。在一个或多个实施例中，至少一个路由路径包括将至少一个工业无线仪器中的一个连接到至少一个网络网关中的一个的活动路由路径，并且在至少一个路由路径中的至少一个中继节点中的每一个都专用于在至少一个路由路径中的特定的预定义发送节点和特定的预定义接收节点。在一个或多个实施例中，至少一个路由路径包括将至少一个工业无线仪器中的一个连接到至少一个网络网关中的一个的并行路由路径，并且在并行路由路径中的至少一个中继节点中的每一个都是并行中继节点。在一个或多个实施例中，至少一个路由路径包括将至少一个工业无线仪器中的一个连接到至少一个网络网关中的一个的冗余路由路径，并且在冗余路由路径中的至少一个中继节点中的每一个都是冗余中继节点。在一个或多个实施例中，至少一个路由路径包括将至少一个工业无线仪器中的一个连接到至少一个网络网关中的一个的冗余并行多跳路由路径，并且在冗余并行多跳路由路径中的至少一个中继节点中的每一个都是冗余并行中继节点。
在一个或多个实施例中，低能量无线多跳网格协议是蓝牙低能量。在一个或多个实施例中，至少一个中继节点包括工业无线仪器功能。
总的来说，在另一方面，本公开的实施例涉及一种工业无线仪器网络。该网络尤其包括至少一个工业无线仪器和至少一个中继节点，至少一个中继节点可操作以提供至少一个工业无线仪器和网络网关之间的路由路径的至少一部分。至少一个中继节点可操作以使用代理协议在路由路径中的特定的预定义发送节点和特定的预定义接收节点之间中继数据，并且该路由路径是使用低能量无线多跳网格协议的特定的预定义面向连接路由路径。
在一个或多个实施例中，发送节点是工业无线仪器或特定的预定义中继节点之一，接收节点是特定的预定义中继节点或网络网关之一。
在一个或多个实施例中，路由路径是将至少一个工业无线仪器连接到网络网关的多跳路由路径，多跳路由路径包括多个中继节点，每个中继节点构成在多跳路由路径中的一跳。在一个或多个实施例中，路由路径是将至少一个工业无线仪器连接到网络网关的活动路由路径，并且在活动路由路径中的至少一个中继节点中的每一个都专用于在路由路径中的特定的预定义发送节点和特定的预定义接收节点。在一个或多个实施例中，路由路径是将至少一个工业无线仪器连接到网络网关的并行路由路径，并且在并行路由路径中的至少一个中继节点中的每一个都是并行中继节点。在一个或多个实施例中，路由路径是将至少一个工业无线仪器连接到网络网关的冗余路由路径，并且在冗余路由路径中的至少一个中继节点中的每一个都是冗余中继节点。在一个或多个实施例中，至少一个路由路径包括将至少一个工业无线仪器连接到网络网关的冗余并行多跳路由路径，并且冗余并行多跳路由路径中的至少一个中继节点中的每一个都是冗余并行中继节点。
在一个或多个实施例中，低能量无线多跳网格协议是蓝牙低能量。在一个或多个实施例中，至少一个中继节点包括工业无线仪器功能。
总的来说，在又一方面，本公开的实施例涉及一种用于工业无线仪器网络的中继节点。中继节点尤其包括无线通信接口、与无线通信接口通信的处理系统以及连接到处理系统的存储系统。存储系统存储程序指令，程序指令在由处理系统执行时使得中继节点执行包括以下各项的操作：使用低能量无线多跳网格协议在网络中提供至少一个路由路径的一部分，至少一个路由路径中的每一个都是网络中特定的预定义面向连接路由路径。程序指令还使得中继节点执行包括以下各项的操作：使用至少一个路由路径的该部分将至少一个工业无线仪器连接到网络网关，并且将数据从至少一个工业无线仪器中继到网络网关，中继节点使用代理协议在至少一个路由路径的该部分中的特定的预定义发送节点和特定的预定义接收节点之间中继数据。
在一个或多个实施例中，发送节点是工业无线仪器或特定的预定义中继节点之一，接收节点是特定的预定义中继节点或网络网关之一。
在一个或多个实施例中，路由路径是将至少一个工业无线仪器连接到网络网关的多跳路由路径，多跳路由路径包括多个中继节点，每个中继节点构成在多跳路由路径中的一跳。在一个或多个实施例中，路由路径是将至少一个工业无线仪器连接到网络网关的活动路由路径，并且中继节点专用于在路由路径中的特定的预定义发送节点和特定的预定义接收节点。在一个或多个实施例中，路由路径是将至少一个工业无线仪器连接到网络网关的并行路由路径，并且中继节点是在并行路由路径中的并行中继节点。在一个或多个实施例中，路由路径是将至少一个工业无线仪器连接到网络网关的冗余路由路径，并且中继节点是在冗余路由路径中的冗余中继节点。在一个或多个实施例中，至少一个路由路径包括将至少一个工业无线仪器连接到网络网关的冗余并行多跳路由路径，并且中继节点是在冗余并行多跳路由路径中的冗余并行中继节点。
在一个或多个实施例中，低能量无线多跳网格协议是蓝牙低能量。在一个或多个实施例中，中继节点包括工业无线仪器功能。
附图说明
对上文简要概述的本公开的更详细描述可通过参考各种实施例来获得，其中一些实施例在附图中示出。虽然附图示出了本公开的选定实施例，但是这些附图不应被认为是对其范围的限制，因为本公开可以允许其他同等有效的实施例。
图1示出了根据本公开的实施例的在多跳路由路径中采用中继节点的示例性工业无线仪器网络的示意图；
图2示出了根据本公开的实施例可与图1的中继节点一起使用的示例性方法的流程图；
图3示出了根据本公开的实施例的采用中继节点来提供多个并行路由路径的示例性工业无线仪器网络的示意图；
图4示出了根据本公开的实施例可与图3的中继节点一起使用的示例性方法的流程图；
图5示出了根据本公开的实施例在多个并行多跳路由路径中采用中继节点的示例性工业无线仪器网络的示意图；以及
图6示出了根据本公开的实施例的可与中继节点一起使用的示例性节点的框图。
在可能的情况下，使用相同的附图标记来表示附图中相同的元素。然而，在一个实施例中公开的元素可以有益地用于其他实施例，而无需具体叙述。
具体实施方式
本说明书和附图示出了本公开的示例性实施例，并且不应被视为限制，其中权利要求限定了本公开的范围(包括等同物)。在不脱离本说明书和权利要求书的范围(包括等同物)的情况下，可以进行各种机械、组成、结构、电气和操作上的改变。在一些情况下，没有详细示出或描述众所周知的结构和技术，以免混淆本公开。此外，只要可行，参考一个实施例详细描述的元素及其相关方面可以被包括在没有具体示出或描述它们的其他实施例中。例如，如果参考一个实施例详细描述了元素，而没有参考第二实施例描述该元素，则该元素仍然可以被声明为被包括在第二实施例中。
注意，如在本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”以及任何单词的任何单数使用包括复数指代物，除非明确且毫不含糊地限制为一个指代物。如本文所使用的，术语“包括”及其语法变体旨在是非限制性的，使得列表中的项目的列举不排除可以替代或添加到所列项目的其他类似项目。
在高层次上，本公开的实施例提供了用于实现将多个工业无线仪器连接到监控控制应用的工业无线仪器网络的系统和方法。系统和方法采用无线中继节点，该无线中继节点作为它们在网络中所连接的工业无线仪器的专用代理而进行操作。在一些实施例中，无线中继节点是实现低能量无线多跳协议的低能量无线设备。可以使用任何合适的低能量无线多跳协议，诸如蓝牙低能量(Bluetooth Low Energy，BLE)版本4.0或更高版本。在一些实施例中，系统和方法以多跳布置部署中继节点，以拓展工业无线仪器和监控控制应用之间的范围。在一些实施例中，系统和方法并行部署中继节点，以便提供容易的扩展、冗余和负载平衡。这些实施例和本文描述的其他实施例相对于诸如网格(mesh)网络的传统解决方案提供了许多优势，在网格网络中，经常出现与网络建立时间(对于网格的每次改变)、吞吐量可预测性(或缺乏可预测性)、可扩展性、冗余和复杂性相关的问题。
现在参考图1，示出了根据本公开的一些实施例的示例性工业无线仪器网络100。在图1的示例中，网络100是为工业设施102(诸如化学处理设施、制造设施、仓库设施等)实现的。这些工业设施102通常占据很大的面积或空间，并且将极大地受益于使用工业无线仪器网络来监控和控制它们的操作。然而，传统的网格网络倾向于通过同时保持消耗大量功率的多个开放活动路径，来自给定无线仪器的数据可以通过这些路径被路由。相反，如本文所解释的，网络100可以采用网格协议来为给定的无线仪器维护特定的预定义活动路由路径(即，非网格路由路径)，从而显著降低网络功耗。当然，也可以在非工业设施(诸如办公楼、住宅区、零售机构等)中使用网络100。
网络100可以包括多个工业无线仪器104。工业无线仪器104可以是能够使用低能量无线连接发送和接收数据和/或命令的任何无线仪器，如106所示。更具体地，工业无线仪器104可以是包括低能量无线多跳协议栈的任何设备，该低能量无线多跳协议栈或者作为分立功能或者与其他功能集成。可使用的工业无线仪器104的示例包括各种传感器，诸如温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光传感器、液位传感器、粒子传感器和接近传感器，以及致动或控制其他设备(包括传感器、阀门、开关等)的致动的各种控制器。为便于引用，这些无线仪器104在网络100中被表示为“端节点(end node)”(例如，端节点1、端节点2、至端节点n)，以指示它们影响设施102的某些操作方面或者对设施102的某些操作方面的具有效应，这与网络100中主要用于促进网络100上的通信的其他节点不同。
在操作中，无线仪器104获取与设施102的某一操作方面相关的各种测量和读数和/或执行与设施102的某一操作方面相关的各种命令。此后，无线仪器104通过网络100将它们的测量、读数、状态等发送到一个或多个监控控制应用108和/或通过网络100从一个或多个监控控制应用108接收命令。一个或多个监控控制应用108可以是传统的计算机应用(例如，膝上型电脑应用)、移动应用(例如，智能电话应用/平板电脑应用)或需要更大计算能力的计算密集型应用。合适的监控控制应用的示例包括来自马萨诸塞州波士顿的施耐德电气美国有限公司的监控和数据采集(SCADA)应用的EcoStruxureTM系列。
网关110可以被提供为网络接口，以允许一个或多个监控控制应用108例如通过Wi-Fi连接112与无线仪器104通信。任何合适的网络接口设备都可以用作网关110，只要该设备可以在无线仪器104所使用的低能量无线多跳协议和其他标准网络协议之间转换。因此，除了一个或多个监控控制应用108之外，网关110还可以允许数据库服务器114(当存在时)例如通过以太网连接116接收并存储来自无线仪器104的各种测量和读数。数据库服务器114可以是任何合适的数据库服务器，诸如MQTT(Message Queuing TelemetryTransport，消息队列遥测传输)服务器或实现发布/订阅消息协议的其他服务器。在一些实施例中，客户端服务器120(当存在时)也可以通过以太网连接116以及互联网122连接到网关110。在一些实施例中，上述传感器可以提供过程测量值，过程测量值经由网关110传送到控制器模块128。然后，控制器模块128中的控制功能将测量值与工厂操作所定义的过程设定点进行比较。此后，这些控制功能可以根据需要计算一个或多个阀门130的适当变化，以满足工厂目标。
根据所公开的实施例，多个中继节点118可以被部署为工业无线仪器网络100的一部分，以提供网关110和工业无线仪器104之间的路由路径或通道，通常如124所示。像无线仪器104一样，每个中继节点118能够通过低能量无线连接来进行发送和接收(即，每个中继节点118包括低能量无线多跳协议栈)。然而，中继节点118已经被配置为形成通过网络100的特定的预定义面向连接路由路径124，而不是传统网格网络中常见的自组织(ad-hoc)路由路径。本文使用的术语“面向连接(connection-oriented)”意味着形成路由路径的节点在交换数据之前必须首先彼此建立连接。为此，网络100中的每个中继节点118被配置为连接在两个其他特定的预定义中继节点118之间，或者无线仪器104和特定的预定义中继节点118之间，或者特定的预定义中继节点118和网关110之间。
在图1的示例中，各个中继节点118被表示为中继节点A、中继节点B、至中继节点x。无线仪器104中的每一个被配置为建立与路由路径124中的第一中继节点118(中继节点A)的连接，这将在下面进一步描述。中继节点A进而被配置为连接到中继节点B，中继节点B进而被配置为连接到中继节点C(未明确示出)，以此类推，路由路径124中的最后一个中继节点118被配置为连接到网关110，这也将在下面进一步描述。每个连接在路由路径124中形成一“跳”，使得在无线仪器104和网关110之间可以有多跳。可以根据需要添加额外的中继节点118，以形成更长的多跳路由路径124，其拓展了无线仪器104的有效范围。
每个中继节点118作为专用于每个中继节点118在当前活动的任一路由路径(例如，路由路径124)中所连接的两个节点的代理(即，中介)而进行操作。在图1的示例中，中继节点A作为无线仪器104中的一个(例如，端节点1)和中继节点B之间的代理而进行操作，中继节点B进而作为中继节点A和中继节点C(未明确示出)之间的代理而进行操作，以此类推。当端节点1向网关110发送数据时，数据沿着路由路径124经过中继节点A，然后经过中继节点B，以此类推。当网关110向端节点1发送数据时，反向遵循相同的路由路径124。根据本公开的实施例，即使在网络100中除了路由路径124之外还有替代路由路径可用时，情况也是如此。
各个中继节点118的操作可以参考图2进行一般性解释，图2示出了说明可与中继节点118一起使用的示例性方法的流程图200。流程图200通常从框202开始，此时中继节点(例如，中继节点A)从另一节点(诸如端节点中的一个(即，端节点1-n)或另一中继节点(例如，中继节点B))接收传输请求。在框204，中继节点确定请求节点是否是中继节点被授权(例如，通过参考授权连接列表)与之建立连接的节点。如果确定为否，则中继节点在框206忽略传输请求，并返回到框202以等待进一步的传输请求。如果确定为是，则中继节点在框208尝试建立与请求节点的连接。
在框210，中继节点确定是否已经建立了与请求节点的连接。如果确定为否，则中继节点在框206忽略传输请求，并返回到框202以等待进一步的传输请求。如果确定为是，则中继节点在框212开始从请求节点接收数据和/或命令。在框214，中继节点确定它被授权(例如，通过参考授权连接列表)与之建立连接的通信通道中的下一节点。在框216，中继节点将接收到的数据和/或命令(经由框212)转发给通道中的下一节点。
在前述实施例中，应当理解，虽然本公开具体描述了端节点和中继节点，但是本领域普通技术人员将容易理解，除了任何端节点功能之外，端节点还可以提供中继节点功能，反之亦然。因此，在图1的示例中，通过添加额外的无线仪器104作为中继节点118，可以添加额外的跳来拓展网络100的范围。事实上，当无线仪器104被用作中继节点118时，本公开的实施例提供了特定的优势。像无线仪器104这样的大多数无线仪器依靠电池来进行操作，并且具有有限的电源。通过维持特定的预定义活动路由路径，与同时维持多个开放活动路由路径的传统解决方案(如网格网络)相比，本公开的实施例需要显著更少的消耗功率的中继节点/无线仪器。这允许电池供电的无线仪器和网络中其他电池供电的设备在电池更换之间可以运行更长时间。功耗的降低也将减少采用本地能量收集的设备中需要收集的能量的量。
接下来参考图3，示出了根据本公开的一些实施例的另一示例性工业无线仪器网络300。网络300类似于图1中的网络100，除了存在如图所示连接并且基本上彼此相同的多个网关110(表示为网关1和网关2)以及如图所示连接以处理通过附加网关110的数据的预期增加的多个数据库服务器114(表示为MQTT服务器1和MQTT服务器2)。
根据所公开的实施例，可以部署多个中继节点318作为网络300的一部分，以在网关110和无线仪器104之间提供并行路由路径(通常用324-1和324-2表示)。每个中继节点318，像图1中的中继节点118一样，被配置为连接在两个其他中继节点318之间，或者无线仪器104和另一中继节点318之间，或者中继节点318和网关110中的一个网关之间。此外，每个中继节点318作为专用于每个中继节点318所连接的两个节点的代理而进行操作，如参考图2所描述的。
在图3的示例中，然而，中继节点118被表示为中继节点1-1和中继节点1-2以及中继节点2-1和中继节点2-2。中继节点1-1形成将无线仪器104连接到网关1的路由路径324-1的至少一部分，而中继节点1-2提供也将无线仪器104连接到网关1的冗余或备用路由路径(未明确标记)的至少一部分。类似地，中继节点2-2形成将无线仪器104连接到网关2的通信通道324-2的至少一部分，而中继节点2-1提供也将无线仪器104连接到网关2的冗余或备用路由路径(未明确标记)的至少一部分。通过中继节点2-1和中继节点2-2添加并行且冗余的路由路径通常被称为“扩展(scale out)”，其中扩张是通过添加更多资源来实现的，而不是通过向现有资源添加更多功能和/或操作能力来实现的。
在一般操作中，无线仪器104中的每一个可以连接到路由路径中的任何一个，如虚线连接107所示，但是对于给定的无线仪器104，只有一个路由路径是活动的(即，可用于路由)，如实线连接106所示。对于每个无线仪器104，路由路径中的一个被指定为活动路由路径，而路由路径中的另一个被指定为备用，并且路由路径中的又一个被指定为第二备用，等等。几个无线仪器104可以具有相同的活动路由路径，如图3所示，并且还有相同(或不同)的备用路由路径。然后，当活动路由路径不可用时，例如由于断电或因为太多的请求正在被处理(例如，导致中继节点超时)，无线仪器104可以切换到备用或第二备用等。这不仅有助于确保无线仪器104和网关110之间的高可靠性连接，而且通过在路由路径之间自动分发大量网络流量来自动实现各个路由路径之间的负载平衡。
图4示出了说明可与无线仪器104一起使用的示例性方法的流程图400。流程图400通常始于框402，此时工业无线仪器(例如，端节点1)向中继节点(例如，中继节点1-2)发送传输请求。在框404，工业无线仪器确定在指定的时间量内是否已经从中继节点接收到响应。例如，利用支持BLE的设备，该时间段或间隔持续大约6ms，但是当然可以使用更长或更短的时间段(即，更少或更多的间隔)。如果确定为否，则在框406，工业无线仪器将中继节点的状态更新为不可用，并识别无线仪器被授权(例如，通过参考授权连接列表)与之建立连接的下一中继节点(例如，中继节点1-1)。如果确定为是，则工业无线仪器在框408尝试建立与中继节点的连接。
在框410，工业无线仪器确定是否已经建立与中继节点的连接。如果确定为否，则工业无线仪器在框406识别无线仪器被授权与之建立连接的下一中继节点。如果确定为是，则在框412，工业无线仪器开始向与其建立连接的中继节点发送数据和/或状态。来自无线仪器的数据的示例包括任何共同跟踪的工业过程数据(诸如温度数据、压力数据、湿度数据、液位数据等)以及这些数据的导数(包括滑行效率)和过程控制数据(诸如控制器设定点、阀门开/关点和其他控制器输出)。
现在参考图5，示出了根据本公开的一些实施例的又一示例性工业无线仪器网络500。网络500类似于图3中的网络300，因为存在如图所示连接的基本上彼此相同的多个网关110，以及如图所示连接以处理通过附加网关110的数据的预期增加的多个数据库服务器114。在图5的示例中，然而，可以部署多个中继节点518作为网络500的一部分以便在节点断电或网络拥塞的情况下不仅提供并行路由路径和冗余或备用路由路径，而且每个路由路径还可以是拓展网络500中无线仪器104的有效范围的多跳路由路径。
可以看出，图5中的中继节点518被表示为中继节点1-1a至中继节点1-1z、中继节点1-2a至中继节点1-2z、中继节点2-1a至中继节点2-1z、中继节点2-2a至中继节点2-2z。以中继节点1-1a开始的一系列中继节点518形成了将无线仪器104连接到网关1的路由路径524-1的至少一部分，而以中继节点1-2a开始的一系列中继节点提供了也将无线仪器104连接到网关1的冗余或备用路由路径(未明确标记)的至少一部分。类似地，以中继节点2-2a开始的一系列中继节点518形成了将无线仪器104连接到网关2的路由路径524-2的至少一部分，而以中继节点2-1a开始的一系列中继节点118提供了也将无线仪器104连接到网关2的冗余或备用路由路径(未明确标记)的至少一部分。
网络500中的无线仪器104和中继节点518的操作类似于它们在网络300中的对应物，如参考图3和图4所描述的，除了组成路由路径的附加中继节点118中的每一个向无线仪器104的范围增加了更大的距离。这种布置允许网络500容易地根据需要来扩展，同时还在网络中提供冗余和自动负载平衡。此外，与跟踪多个开放活动路由路径相比，对于给定的无线仪器104，具有特定的预定义活动路由路径显著减少了网关110上的计算负荷。以类似的方式，与潜在地跟踪几十个节点相比，仅跟踪两个节点显著减少了中继节点上的计算负荷。
在一些实施例中，本文讨论的各种中继节点使用GATT(Generic AttributeProfiles，通用属性配置文件)操作来发送和接收数据。GATT是指在BLE设备上实现的标准协议，它规定了如何发送和接收被称为“属性”的小数据段。使用GATT，一个设备可以作为客户端(即主设备或中央设备)或服务器(即外围设备)与另一设备形成本地(即直接)连接。一个客户端设备可以直接连接到多个服务器设备，但是一个服务器设备只能直接连接到一个客户端设备。为了拓展这种本地客户端-服务器连接，中继节点采用包含在GATT内的代理协议。GATT代理协议允许每个中继节点作为一个节点的客户端和另一节点的服务器来出现，允许每个中继节点同时有效地承担两个角色。
例如，考虑使用两个不同的无线温度传感器(输入温度传感器和输出温度传感器)来监控工业热交换单元。根据所公开的实施例，一个或多个GATT中继(代理)节点可以被添加到网络以提供一个或多个无线的跳。然后，来自两个无线温度传感器的温度数据可以通过GATT中继(代理)节点传递，以增加这些温度传感器的范围。此外，当数据从一个GATT中继节点传递到另一节点时，GATT协议将来自两个温度传感器的数据合并到单个GATT表中，以便进一步进行路由，这允许数据在网络功耗和网络跳数方面更有效率地传输。
示例性GATT表如下表1-表3所示。GATT表格的创建、解释和使用是众所周知的，因此这里仅提供表格的简要描述。同样，本领域普通技术人员将理解，表1-表3中所示的特定字段是出于说明的目的而提供的，并且根据特定应用的需要，附加和/或替代的字段可以包括在表中。
下面的表1示出了可用于无线仪器(诸如本文讨论的无线仪器104中的任何一个)的示例性GATT表。表1中的GATT表通常符合GATT协议的要求，因为该表包含了几项所需的信息。特别地，句柄(Handle)是给定信息项的索引引用，UUID(通用唯一标识符)是信息项的唯一标识符，UUID类型(UUID Type)是指信息项的数据类型，值(Value)是信息项的值(如果适用)的十六进制表示，描述(Description)提供了信息项的简要描述。从下面可以看出，表1中的GATT表用于无线温度传感器，诸如上述工业热交换装置中提到的两个无线温度传感器中的一个。
| 句柄 | UUID | UUID类型 | 值 | 描述 |
| 0x0001 | 0x2800 | GATT主要服务声明 | 0x1800 | 通用访问服务 |
| 0x0002 | 0x2803 | GATT特性声明 | 设备名称 | |
| 0x0003 | 0x2A00 | 设备名称 | 端节点1 | |
| 0x0004 | 0x2800 | GATT主要服务声明 | 0x1801 | 通用属性服务 |
| 0x0005 | 0x2800 | GATT主要服务声明 | 0x180A | 设备信息服务 |
| 0x0006 | 0x2803 | GATT特性声明 | 序列号特性 | |
| 0x0007 | 0x2A25 | 序列号字符串 | 序列号数据16个字符 | |
| 0x0008 | 0x2800 | GATT主要服务声明 | 温度服务 | |
| 0x0009 | 0x2803 | GATT特性声明 | 温度数据特性 | |
| 0x000A | 0xAA01 | 测量数据 | 当前测量数据32位浮点 |
表1：仪器GATT表
下面的表2示出了可以用于中继节点(诸如本文讨论的中继节点118、318、518中的任何一个)的示例性GATT表。同样，该表包含GATT协议所需的几项信息，如针对表1所描述的。本领域普通技术人员将注意到该表中任何代理信息的缺失。这是因为当前没有数据通过该中继节点进行路由。
| 句柄 | UUID | UUID类型 | 值 | 描述 |
| 0x0001 | 0x2800 | GATT主要服务声明 | 0x1800 | 通用访问服务 |
| 0x0002 | 0x2803 | GATT特性声明 | 设备名称 | |
| 0x0003 | 0x2A00 | 设备名称 | 中继节点1-1 | |
| 0x0004 | 0x2800 | GATT主要服务声明 | 0x1801 | 通用属性服务 |
| 0x0005 | 0x2800 | GATT主要服务声明 | 0x180A | 设备信息服务 |
| 0x0006 | 0x2803 | GATT特性声明 | 序列号特性 | |
| 0x0007 | 0x2A25 | 序列号字符串 | 序列号数据16个字符 |
表2：中继节点GATT表(没有节点被路由通过)
下面的表3还示出了可以用于中继节点(诸如本文讨论的中继节点118、318、518中的任何一个)的示例性GATT表。然而，该GATT表与表2中的GATT表的不同之处在于，表3的GATT表反映了当前连接到两个无线仪器并作为两个无线仪器(诸如上述两个无线温度传感器)的代理而进行操作的中继节点。更具体地，表3包括来自被代理的两个无线温度传感器的GATT表的副本。在表3中可以看到两个代理的GATT表，分别是代理1端节点1等等，代理2端节点2等等。然后，表3的GATT表可以通过路由路径中的下一中继节点进行路由，以发送两个温度传感器的组合数据，从而使数据通过网络的传输更加有效率。
表3：中继节点GATT表(两个端节点被路由通过)
图6示出了根据本公开的示例性实施例的可用于实现工业无线仪器网络的一个或多个方面的示例性处理节点600。处理节点600可以包括无线通信接口602、用户接口604以及与无线通信接口602和用户接口604通信的处理系统606。处理系统606包括存储系统608，存储系统608可以包括磁盘驱动器、闪存驱动器、存储器电路或其他存储器设备。存储系统608可以存储在处理节点600的操作中使用的软件610，诸如程序指令和通信协议，包括BLE协议栈。程序指令还可以包括计算机程序、固件或一些其他形式的机器可读指令，包括操作系统、实用程序、驱动程序、网络接口、应用或一些其他类型的软件。处理系统606可以包括微处理器和其他电路，以从存储系统608检索并执行软件610。处理节点600还可以包括其他组件，诸如电源管理单元、控制接口单元等，为了清楚起见而省略这些组件。通信接口602允许处理节点600与其他网络元件通信，并且用户接口604允许配置和控制处理节点600的操作。处理节点600也可以是网络的组件，例如分别是网络100、300和500的组件104、118、318和518。处理节点600也可以是另一网络中的另一网络元件。
在前述内容中，参考了各种实施例。然而，本公开的范围不限于具体描述的实施例。相反，所描述的特征和元素的任何组合，无论是否与不同的实施例相关，都被设想来实现和实践所设想的实施例。此外，虽然实施例可以实现优于其他可能的解决方案或现有技术的优势，但是特定的优势是否由给定的实施例实现并不限制本公开的范围。因此，前面的各方面、特征、实施例和优势仅仅是说明性的，并且不被认为是所附权利要求的要素或限制，除非在权利要求中明确陈述。
本文公开的各种实施例可以实现为系统、方法或计算机程序产品。相应地，各方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)或结合软件和硬件方面(这些方面通常都被称为“电路”、“模块”或“系统”)的实施例的形式。此外，各方面可以采取体现在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质具有体现在其上的计算机可读程序代码。
可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是非暂时性计算机可读介质。非暂时性计算机可读介质可以是例如但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体的系统、装置或设备，或前述的任何合适的组合。非暂时性计算机可读介质的更具体的示例(非穷举列表)可以包括以下各项：具有一条或多条导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光学存储设备、磁性存储设备，或前述的任何合适的组合。体现在计算机可读介质上的程序代码可以使用任何适当的介质来传输，包括但不限于无线、有线、光纤电缆、射频(RF)等，或前述的任何合适的组合。
用于执行本公开各方面的操作的计算机程序代码可以用一种或多种编程语言的任意组合来编写。此外，这种计算机程序代码可以使用单个计算机系统或通过彼此通信(例如，使用局域网(LAN)、广域网(WAN)、互联网等)的多个计算机系统来执行。虽然前面的各种特征是参照流程图图示和/或框图描述的，但是本领域普通技术人员将理解，流程图图示和/或框图的每个框以及流程图图示和/或框图中的框的组合可以由计算机逻辑(例如，计算机程序指令、硬件逻辑、两者的组合等)来实现。通常，计算机程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备的(多个)处理器。此外，使用(多个)处理器执行这样的计算机程序指令产生了能够执行流程图和/或框图的框中指定的(多个)功能或(多个)动作的机器。
附图中的流程图和框图示出了本公开的各种实施例的可能实现的架构、功能和/或操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可以表示模块、代码段或代码部分，其包括用于实现(多个)指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应当注意，在一些替代实施方式中，框中提到的功能可以不按图中提到的顺序发生。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意到，框图和/或流程图图示的每个框以及框图和/或流程图图示的框的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。
应当理解，以上描述旨在说明性的，而非限制性的。通过阅读和理解以上描述，许多其他实施例是显而易见的。虽然本公开描述了具体示例，但是应当认识到，本公开的系统和方法不限于本文描述的示例，而是可以在所附权利要求的范围内进行修改来实施。因此，说明书和附图被认为是说明性的，而不是限制性的。因此，本公开的范围应当参照所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定。
Claims (27)
1.一种形成工业无线仪器网络的方法，包括：
使用低能量无线多跳网格协议在网络中提供至少一个路由路径，所述至少一个路由路径中的每一个都是网络中特定的预定义面向连接路由路径；
使用所述至少一个路由路径将至少一个工业无线仪器中的一个连接到至少一个网络网关中的一个；以及
通过在所述至少一个路由路径中的至少一个中继节点将数据从所述至少一个工业无线仪器中的一个中继到所述至少一个网络网关中的一个，所述至少一个中继节点使用代理协议在所述至少一个路由路径中的特定的预定义发送节点和特定的预定义接收节点之间中继所述数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发送节点是工业无线仪器或特定的预定义中继节点中的一个，并且所述接收节点是特定的预定义中继节点或网络网关中的一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个路由路径包括将所述至少一个工业无线仪器中的一个连接到所述至少一个网络网关中的一个的多跳路由路径，所述多跳路由路径包括多个中继节点，每个中继节点构成在所述多跳路由路径中的一跳。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个路由路径包括将所述至少一个工业无线仪器中的一个连接到所述至少一个网络网关中的一个的活动路由路径，并且在所述至少一个路由路径中的所述至少一个中继节点中的每一个都专用于在所述至少一个路由路径中的特定的预定义发送节点和特定的预定义接收节点。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个路由路径包括将所述至少一个工业无线仪器中的一个连接到所述至少一个网络网关中的一个的并行路由路径，并且在所述并行路由路径中的所述至少一个中继节点中的每一个都是并行中继节点。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个路由路径包括将所述至少一个工业无线仪器中的一个连接到所述至少一个网络网关中的一个的冗余路由路径，并且在所述冗余路由路径中的所述至少一个中继节点中的每一个都是冗余中继节点。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个路由路径包括将所述至少一个工业无线仪器中的一个连接到所述至少一个网络网关中的一个的冗余并行多跳路由路径，并且在所述冗余并行多跳路由路径中的所述至少一个中继节点中的每一个都是冗余并行中继节点。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述低能量无线多跳网格协议是蓝牙低能量。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个中继节点包括工业无线仪器功能。
10.一种工业无线仪器网络，包括：
至少一个工业无线仪器；以及
至少一个中继节点，可操作以提供所述至少一个工业无线仪器和网络网关之间的路由路径的至少一部分，所述至少一个中继节点可操作以使用代理协议在所述路由路径中的特定的预定义发送节点和特定的预定义接收节点之间中继数据；
其中，所述路由路径是使用低能量无线多跳网格协议的特定的预定义面向连接路由路径。
11.根据权利要求10所述的网络，其中，所述发送节点是工业无线仪器或特定的预定义中继节点之一，并且所述接收节点是特定的预定义中继节点或所述网络网关之一。
12.根据权利要求10所述的网络，其中，所述路由路径是将所述至少一个工业无线仪器连接到所述网络网关的多跳路由路径，所述多跳路由路径包括多个中继节点，每个中继节点构成在所述多跳路由路径中的一跳。
13.根据权利要求10所述的网络，其中，所述路由路径是将所述至少一个工业无线仪器连接到所述网络网关的活动路由路径，并且在所述活动路由路径中的所述至少一个中继节点中的每一个都专用于在所述路由路径中的特定的预定义发送节点和特定的预定义接收节点。
14.根据权利要求10所述的网络，其中，所述路由路径是将所述至少一个工业无线仪器连接到所述网络网关的并行路由路径，并且在所述并行路由路径中的所述至少一个中继节点中的每一个都是并行中继节点。
15.根据权利要求10所述的网络，其中，所述路由路径是将所述至少一个工业无线仪器连接到所述网络网关的冗余路由路径，并且在所述冗余路由路径中的所述至少一个中继节点中的每一个都是冗余中继节点。
16.根据权利要求10所述的网络，其中，所述至少一个路由路径包括将所述至少一个工业无线仪器连接到所述网络网关的冗余并行多跳路由路径，并且在所述冗余并行多跳路由路径中的所述至少一个中继节点中的每一个都是冗余并行中继节点。
17.根据权利要求10所述的网络，其中，所述低能量无线多跳网格协议是蓝牙低能量。
18.根据权利要求10所述的网络，其中，所述至少一个中继节点包括工业无线仪器功能。
19.一种用于工业无线仪器网络的中继节点，包括：
无线通信接口；
与所述无线通信接口通信的处理系统；以及
连接到所述处理系统的存储系统，所述存储系统包括程序指令，所述程序指令在由所述处理系统执行时使得所述中继节点执行包括以下各项的操作：
使用低能量无线多跳网格协议提供网络中的至少一个路由路径的一部分，所述至少一个路由路径中的每一个都是网络中特定的预定义面向连接路由路径；
使用所述至少一个路由路径的所述部分将至少一个工业无线仪器连接到网络网关；以及
将数据从所述至少一个工业无线仪器中继到所述网络网关，所述中继节点使用代理协议在所述至少一个路由路径的所述部分中的特定的预定义发送节点和特定的预定义接收节点之间中继所述数据。
20.根据权利要求19所述的中继节点，其中，所述发送节点是工业无线仪器或特定的预定义中继节点之一，并且所述接收节点是特定的预定义中继节点或所述网络网关之一。
21.根据权利要求19所述的中继节点，其中，所述路由路径是将所述至少一个工业无线仪器连接到所述网络网关的多跳路由路径，所述多跳路由路径包括多个中继节点，每个中继节点构成在所述多跳路由路径中的一跳。
22.根据权利要求19所述的中继节点，其中，所述路由路径是将所述至少一个工业无线仪器连接到所述网络网关的活动路由路径，并且所述中继节点专用于在所述路由路径中的特定的预定义发送节点和特定的预定义接收节点。
23.根据权利要求19所述的中继节点，其中，所述路由路径是将所述至少一个工业无线仪器连接到所述网络网关的并行路由路径，并且所述中继节点是在所述并行路由路径中的并行中继节点。
24.根据权利要求19所述的中继节点，其中，所述路由路径是将所述至少一个工业无线仪器连接到所述网络网关的冗余路由路径，并且所述中继节点是在所述冗余路由路径中的冗余中继节点。
25.根据权利要求19所述的中继节点，其中，所述至少一个路由路径包括将所述至少一个工业无线仪器连接到所述网络网关的冗余并行多跳路由路径，并且所述中继节点是在所述冗余并行多跳路由路径中的冗余并行中继节点。
26.根据权利要求19所述的中继节点，其中，所述低能量无线多跳网格协议是蓝牙低能量。
27.根据权利要求19所述的中继节点，其中，所述中继节点包括工业无线仪器功能。
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