JP5405123B2 - 電力節約のための低電力無線ネットワークの制御 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

[発明の背景]
本発明は、無線ネットワークに関する。具体的には、本発明は、ホストと、無線メッシュネットワークの各ノードにおけるフィールドデバイスとの間で、プロセス制御メッセージが通信される無線メッシュネットワークに関する。

多くの工業環境では、在庫やプロセス等を監視および制御するのに、制御システムが使用されている。そのような制御システムは、集中制御室を有し、集中制御室には、集中制御室から分離されていたり、集中制御室から配置上離間されたフィールドデバイスと通信する、ホストコンピュータが設けられていることが多い。

一般的に、各フィールドデバイスにはトランスデューサが含まれており、トランスデューサは、物理的入力に基づいて出力信号を生成したり、入力信号に基づいて物理的出力を生成することができる。フィールドデバイスで用いられるトランスデューサの種類としては、各種分析機器、各種圧力センサ、各種サーミスタ、各種熱電対、各種ひずみゲージ、各種流量センサ、各種位置決め装置、各種アクチュエータ、各種ソレノイド、各種表示器等がある。従来、アナログフィールドデバイスは、２線式ツイストペアカレントループでプロセスサブシステムおよび制御室に接続されると共に、各デバイスは、単一の２線式ツイストペアループで制御室に接続されてきた。通常、２線間の電圧差は約２０〜２５ボルトに維持され、４〜２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流がループ内を流れる。アナログフィールドデバイスは、カレントループ内を流れる電流を、感知されたプロセス変量に比例した電流に変調することによって、制御室に信号を送信する。制御室の制御下で動作するアナログフィールドデバイスは、ループ内を流れる電流の大きさによって制御され、ループ内を流れる電流は、コントローラによって制御されるプロセスサブシステムのポートにより変調される。

これまで、フィールドデバイスは１つの機能しか果たすことができなかったが、最近では、ディジタルデータをカレントループに重畳するハイブリッドシステムが、分散制御システムで用いられるようになってきている。ハイウェイ・アドレッサブル・リモート・トランスデューサ（ＨＡＲＴ）は、ディジタル搬送波信号をカレントループ信号に重畳する。ディジタル搬送波信号は、二次情報および診断情報を送信するのに用いることができる。ディジタル搬送波信号上で提供される情報の例としては、二次プロセス変量、（例えば、センサ診断、デバイス診断、配線診断、プロセス診断等の）診断情報、作動温度、センサ温度、較正データ、デバイスＩＤ番号、設定情報等が挙げられる。したがって、単一のフィールドデバイスが様々な入出力変数を有することが可能であり、また様々な機能を果たすことが可能である。

別の方法では、制御室にあるホストに複数のフィールドデバイスを接続するのに、ディジタル通信バスを用いる。ディジタルバスに接続されたフィールドデバイスと共に用いられるディジタル通信プロトコルの例としては、ファウンデーション・フィールドバス、プロフィバス、モドバス、およびデバイスネットが挙げられる。ホストコンピュータと複数のフィールドデバイスとの間におけるメッセージの双方向ディジタル通信は、フィールドデバイスに電力を供給するのと同一の２線式伝送路上で行われ得る。

一般的に、制御室から遠隔アプリケーションへと、非常に長い、ホームラン方式ケーブルを設置することによって、制御システムに遠隔アプリケーションが加えられてきている。遠隔アプリケーションが、例えば半マイル離れているとすると、そのような長いケーブルを設置するのに関わる費用は高くなり得る。複数のホームラン方式ケーブルを遠隔アプリケーションへと設置する必要がある場合には、その費用はさらに高くなる。無線通信は、望ましい代案を提供し、産業用プロセス制御システムで使用するために、無線メッシュネットワークが提案されるようになった。しかし、費用を最小限に抑えるためには、既存の制御システムおよび通信プロトコルを維持することで、無線通信を調整するために、既存のシステムを変更するのに関わる費用を削減することも望ましい。

低電力のセンサまたは低電力のアクチュエータを基礎としたアプリケーション用に設計された無線メッシュネットワークシステムでは、ネットワーク内の多数のデバイスに、長寿命バッテリーによって、あるいは低電力のエネルギー抽出（energy-scavenging）電源によって、電力を供給しなければならない。１２０ＶＡＣの設備のような電源出力は、一般的にすぐ近くに配置されないか、あるいは多大な設置費用を発生することなく、計装（センサ）やアクチュエータを配置しなければならない危険領域内に配置できない可能性がある。設置費用を低減する必要があるために、無線メッシュネットワークの一部として通信を行うバッテリー駆動デバイスの必要性が高まっている。再充電不能な一次電池のような有限電源を有効利用することが、無線デバイスを正常に機能させるためには不可欠である。バッテリーには、５年を上回る寿命を持つことが期待されており、製品寿命と同程度長持ちすることが好ましい。

実際の無線メッシュネットワークでは、各ノードが、メッシュネットワーク内の他のノードと同様に、個別にメッセージをルーティングする能力を持たなければならない。メッセージがネットワークを通じてノードからノードへとホッピングするという概念は、有益である。その理由は、より低電力のＲＦ無線機を用いることができ、なおかつメッシュネットワークは、メッセージを一端から他端まで配信する大きな物理的範囲におよぶことができるからである。集中基地局と直接通信する遠隔ノードを使用するポイントツーポイント（２地点間）システムとは対照的に、メッシュネットワークでは、高出力無線機は必要とされない。

メッシュネットワークプロトコルによって、ノード間でのメッセージ通信、および各ノードとデータ収集装置との間のメッセージ通信、または各ノードと、より高レベルでより高速な特定のデータバスへのブリッジあるいはゲートウェイとの間のメッセージ通信に用いる、代替伝送路を形成することができる。無線メッセージのために別の冗長な伝送路を有すれば、環境の影響によって、あるいは干渉によって、たとえ一方の伝送路が遮断されたり、劣化したとしても、メッセージを流すための少なくとも１つの代替伝送路の存在を確保することで、データ信頼性を高めることになる。

メッシュネットワークプロトコルの中には、全てのノードが、指定された親ノードと、少なくとも１つの代替親ノードを有するように、確定的にルーティングされるものがある。メッシュネットワークの階層では、人間の家族と同じように、親が子を持ち、子が孫を持つなどしている。各ノードは、各々の子孫（派生ノード）のためのメッセージを、ネットワークを通じてゲートウェイなどの特定の最終送信先まで中継する。親ノードは、バッテリー駆動のデバイス、あるいは有限エネルギー駆動のデバイスであってもよい。ノードは、派生ノードを多く有するほど、多くのトラフィックをルーティングしなければならず、その結果、ノード自体の電力消費が直接的に増大し、そのノードのバッテリー寿命が短くなる。

電力を節約するために、プロトコルの中には、メッセージを検出する限られた時間の間だけノードの無線機をオンにすることによって、任意の期間中に任意のノードが処理することができるトラフィックの量を制限しているものがある。したがって、平均電力を低減するために、プロトコルは、無線機をオン／オフ状態間でデューティサイクルさせることが可能である。プロトコルの中には、電力を節約するために、ネットワーク全体が同時にオン／オフ状態になるような、広域的なデューティサイクルを用いるものがある。（例えば、ＴＤＭＡに基づく）他のプロトコルは、互いにリンクされているノードの通信ペアのみが、所定の時間毎に、同期化された方法で、オン／オフするようにスケジュールされた、局所的なデューティサイクルを用いている。一般的には、通信のための特定のタイムスロットと、無線機が使用するＲＦ周波数チャネルと、その時点でどちらが受信側（Ｒｘ）となるのかと、その時点でどちらが送信側（Ｔｘ）となるのかとを、ノードのペアに割り当てることによって、ノードのリンクは事前に設定される。

プロトコルの中には、定期的に繰り返されるスケジュールで、ノードにリンクを割り当てるという概念を採用することにより、ネットワーク内のデバイスから、定期的に最新情報およびメッセージを配信することができるものがある。ＴＭＤＡに基づいた先進のプロトコルにおいては、複数の能動的スケジュールの概念を採用できるものがある。これら複数のスケジュールは、全てが同時に実行されるか、あるいは必要性が生じたときに、広域的なネットワークコントローラによって、特定のスケジュールが起動／停止される。例えば、低速動作スケジュールでは、低電力消費を達成するために、メッセージ間でより長い時間（長期サイクルタイム）をかけてメッセージを送信するノード同士をリンクする。高速動作スケジュールでは、スループットを高め、待ち時間を短縮するために、より迅速にメッセージを送信するノード同士をリンクするものの、ノードでの電力消費は結果的により大きくなる。複数の動作スケジュールを許容するプロトコルでは、上流トラフィック用に最適化できるスケジュールもあれば、下流トラフィック用に最適化できるスケジュールもあれば、さらに、デバイスの参加やデバイスの設定などといったネットワーク管理機能用に最適化できるスケジュールもある。様々な時間に様々な必要性を満たすために、ネットワーク全体を通して多様なスケジュールを広域的に起動／停止することは、電力消費と待ち時間の短縮との間で好適なバランスをとることを達成する上で、わずかな柔軟性をもたらすものの、同一のスケジュールを全てのノードに適用するため、局所的な最適化をもたらすことがない。

同期システムでは、ノードは、メッセージを転送することができるようになる前に、ノードにおける次回の所定のオン時間まで送信するのを待たなければならないことになる。待つことで待ち時間が増加することになるため、適切な宛先の設定および適切な管理がされなければ、多くのアプリケーションで大きな支障が生じ得る。互いにリンクされたノードのペアが適切に同期されない場合、無線機は、誤った時間に、あるいは誤った時間に誤ったモード（ＲｘまたはＴｘ）で、オンになってしまうので、ノードは、メッセージの転送に成功しないようになる。唯一の動作スケジュールが長期間サイクルタイムを有する場合、スケジュールされたリンク間の時間は長くなり、待ち時間に影響するようになる。高速スケジュールが起動された場合、スケジュールされたリンク間の時間は短くなるものの、バッテリー寿命は、やがてある程度まで低下するようになる。

プロトコルの中には、バックグラウンドで低速スケジュールを実行しつつ、さらに高速スケジュールを広域的に起動／停止することができるものがある。ネットワーク全体を通して、高速スケジュールを広域的に起動し、広域的なコマンドを受信したという確認が全てのノードから返ってくるのには時間が掛かるため、ネットワークまたはサブネットワークは、遷移時間の間、応答性の低いモードのままである。さらに、高速スケジュールが広域的に起動された場合、派生ノードが高速スケジュールから利点を得るようなことがない親ノードさえも含む、ネットワーク内の全ての親ノードで電力が浪費される。これら感知性の低い親ノードは、たとえこれら親ノードの派生ノードが、ネットワークのその部分での定期的な起動スケジュールが不十分であるということを送信するのに何も余分に有していない場合であっても、広域的な高速起動スケジュールでは、より頻繁に受信を試みなければならない（すなわち、より頻繁にＲｘに対して、これら親ノードの無線機をオンにしなければならない）。

プロトコルの中には、1つのノードが有することができる派生ノードの数を制限することで、そのノードがサポートしなければならない負荷を低減することができるものがある。他には、平均電力消費を低減するために、これら全ての手段を組み合わせて用いることができるプロトコルがある。これら省電力手段の全てが、メッセージの転送作業をする、ネットワーク内のノードの可用性を低減するという影響をもたらすので、ネットワークを介して配信されるメッセージの待ち時間が増加する。無線機をデューティサイクルすると、待ち時間が増加する。メッセージをノードからノードへとホッピングさせると、待ち時間が増加する。派生ノードの数を制限することで、ホップ深度（ホップ回数）を増大させると、待ち時間が増加する。低速起動スケジュール（長期間の繰り返し周期）を実行すると、待ち時間が増加する。高速起動スケジュールを広域的に起動することでさえ、時間が掛かる。情報の価値は、時間とともに下がる可能性があるので、待ち時間が長ければ長いほど、情報の価値が低くなり得る。

プロトコルに改良を加えて、電力消費と待ち時間との間のトレードオフを低減することは、非常に有益である。その理由は、プロトコルの改良によって、ユーザによる介入および設定なしに、同じプロトコルを幅広い種類のエンドアプリケーション（end applications）に使用することが可能になるからである。広域的最適化を介した局所的最適化をもたらす改良は、最も柔軟性があり、最も有益である。

[発明の概要]
制御システムのホストコンピュータは、無線メッシュネットワークを通じてフィールドデバイスと通信する。選択されたフィールドデバイスにアドレス指定された、ホストコンピュータからのメッセージに基づいて、メッセージをそれらの選択されたフィールドデバイスにルーティングできるように、ネットワークは、どのノードが起動している必要があるのかを決定する。ネットワークが起動状態に入ると、選択されたフィールドデバイスとの通信に必要なノードは、オンのままとなる一方、残りのノードは、停止状態に戻ることができる。ホストコンピュータと選択されたフィールドデバイスとの間の通信が停止した後、ネットワーク全体は、停止状態に戻される。選択的に起動を維持しなければならないノードの決定は、選択されたフィールドデバイスのアドレス、および無線メッシュネットワークにおける通信の接続形態（トポロジー）に基づいたり、あるいは、メッセージの送受信に能動的に参加しているノードによって動的に決定され得る。

[詳細な発明]
図１は、制御システム１０を示しており、制御システム１０は、ホストコンピュータ１２、高速ネットワーク１４、および無線メッシュネットワーク１６を有し、無線メッシュネットワーク１６は、ゲートウェイ１８および無線ノード２０，２２，２４，２６，２８，３０を有する。ゲートウェイ１８は、高速ネットワーク１４を介して、メッシュネットワーク１６をホストコンピュータ１２と相互接続する。メッセージは、ネットワーク１４を介して、ホストコンピュータ１２からゲートウェイ１８へと伝送されたのち、複数の異なる伝送路の１つを介して、メッシュネットワーク１６内の選択されたノードへと伝送され得る。同様に、メッシュネットワーク１６内の個々のノードからのメッセージは、複数の伝送路の１つを介して、ノードからノードへとメッシュネットワーク１６を通してルーティングされたのち、ゲートウェイ１８に到達し、続いて高速ネットワーク１４を介してホスト１２へ伝送される。

制御システム１０は、有線分散制御システム用に設計され、有線分散制御システムに使用されてきたフィールドデバイスを利用できるだけでなく、無線メッシュネットワークで使用するための無線伝送装置として特別に設計されたフィールドデバイスを利用することもできる。ノード２０，２２，２４，２６，２８，３０は、従来のフィールドデバイスを含んでいる無線ノードの例を示している。

無線ノード２０は、無線機３２、無線機器ルータ（ＷＤＲ）３４、およびフィールドデバイスＦＤ１，ＦＤ２を有する。ノード２０は、１つの固有の無線アドレスと、２つの固有のフィールドデバイスアドレスとを有する、ノードの一例である。

ノード２２，２４，２６，２８は、各々が、１つの固有の無線アドレスと、１つの固有のフィールドデバイスアドレスとを有するノードを示す例である。ノード２２は、無線機３６、ＷＤＲ３８、およびフィールドデバイスＦＤ３を有する。同様に、フィールドデバイス２４は、無線機４０、ＷＤＲ４２、およびフィールドデバイスＦＤ４を有し、ノード２６は、無線機４４、ＷＤＲ４６、およびフィールドデバイスＦＤ５を有し；ノード２８は、無線機４８、ＷＤＲ５０、およびフィールドデバイスＦＤ６を有する。

ノード３０は、１つの固有の無線アドレスと、３つの固有のフィールドデバイスアドレスとを有する。ノード３０は、無線機５２、ＷＤＲ５４、およびフィールドデバイスＦＤ７，ＦＤ８，ＦＤ９を有する。

無線ネットワーク１６は、長寿命バッテリーあるいは低電力のエネルギー抽出電源によって、多数のノードが駆動される、低電力ネットワークであることが好ましい。無線ネットワーク１６を介した通信は、メッシュネットワークの構成に従って行うことができ、メッシュネットワークの構成では、メッセージは、ネットワーク１６を通して、ノードからノードへと伝送される。メッセージがネットワーク１６を通してノードからノードへと伝送されることにより、低電力のＲＦ無線機を使用することが可能になる一方、ネットワーク１６は大きな物理的範囲におよび、メッセージをネットワークの一端から他端まで配信することが可能になる。

フィールドデバイスを含む低電力無線ネットワークでは、ネットワーク全体およびフィールドデバイスを低電力状態（オフすなわち休止状態）に設定することによって、電力を節約することができる。低電力無線ネットワークは、ホストコンピュータがフィールドデバイスと通信できるように、高電力状態（オンすなわち起動状態）に切り替わる。例えば、メッセージを送受信するために、いつ全てのノードをオンするのかを規定する、無線ネットワークの広域的なデューティサイクルを設定することができる。

しかし、無線ネットワークが起動されるときに、無線ネットワークの当該オン期間中すなわち起動期間中に、ごく一部のフィールドデバイスだけが利用される予定である場合、全てのフィールドデバイスを起動するのは無駄なことである。通信に関与する予定のないフィールドデバイスを起動するために電力を使用することは、当該ノードで利用可能なエネルギーを浪費することになり、バッテリーの寿命に影響を与え得る。

さらに、限られた数のフィールドデバイスのみが通信に関与する場合、無線ネットワークにおける少なくとも一部のノードは必要とされないと思われる。その理由は、それらノードが、フィールドデバイスとホストコンピュータとの間の無線ネットワークを介する通信経路内に存在する可能性が低いからである。メッセージが全く受信されないときに、メッセージを受信するために無線機をオンに維持しておくことは、エネルギーを浪費することになり、バッテリーの寿命に影響を与える。

制御システム１０は、フィールドデバイスをオンにしたりオフにしたり、また、無線ノードをオンにしたりオフにしたりする微細管理を行うことが可能であり、その結果、全電力状態に維持しておく必要があるのは、実行中の通信に必要なノードおよびフィールドデバイスのみである。同時に、制御システム１０は、ホストコンピュータ１２と所望の通信が行われている間、全電力である必要があるフィールドデバイスおよびノードを、確実にオン状態に維持しておくことができる。

制御システム１０では、ホストコンピュータ１２が、特定のフィールドデバイスと長期間にわたって通信することが必要になり得る状況がある。例えば、制御システム１０が起動するときに、ホストコンピュータ１２は、各フィールドデバイスの存在を検出して、各フィールドデバイスから、記憶されたパラメータおよび設定データの全てを得るために、発見を行う場合がある。この処理の間、ホストコンピュータ１２と個々のフィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９との間で、複数のメッセージが送信されるであろう。別の例は、ホストコンピュータ１２がフィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９のうちの１つを設定をする必要があるときである。伝送する必要がある設定データの量によって、ホストコンピュータ１２と、設定中の特定のフィールドデバイスとの間で、複数のメッセージが送信されることになる。

これらの場合のいずれにおいても、１つのフィールドデバイスだけが通信に関与し得る場合に、無線ネットワーク１６がオンになり、フィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９の全てがオンになることは、非効率的であると思われる。制御システム１０は、特定のフィールドデバイスにアドレス指定された制御メッセージが、ホストコンピュータ１２から受信されるまで、全てのフィールドデバイスを休止状態、すなわちオフ状態に維持しておくことによって、この問題に対処している。その際に、当該ノードの無線機器ルータ（ＷＤＲ）によって、アドレス指定されたフィールドデバイスに電力が供給される。例えば、フィールドデバイスＦＤ３にアドレス指定された、ホストコンピュータ１２からの制御メッセージを受信したことに応答して、ノード２２のＷＤＲ３８は、フィールドデバイスＦＤ３の電源をオンにする。

複数のフィールドデバイスを有する無線ノードの場合では、フィールドデバイスのうちの１つをオンにすることによって、当該ノードの全てのフィールドデバイスをオンする必要が生じる可能性がある。例えば、ノード２０におけるフィールドデバイスＦＤ１，ＦＤ２が、共通の電力および通信バスをＷＤＲ３４と共有している場合、その通信バスに電力が加えられるとフィールドデバイスＦＤ１，ＦＤ２の双方がオンになると思われる。

ひとたびフィールドデバイスの電源がオンになれば、ホストコンピュータ１２が当該フィールドデバイスとの通信を完了するまで、当該フィールドデバイスを全電力状態に維持しておくことが望ましい。無線ネットワーク１６が、たとえスケジュールされたデューティサイクルに従って、オンとオフとを繰り返しているとしても、実行中の通信が継続している限りは、ホストコンピュータ１２と通信しているフィールドデバイスを全電力状態に維持しておくことが望ましい。フィールドデバイスがホストコンピュータ１２からの制御メッセージに応答して、全電力状態に到達するのに要する時間は、フィールドデバイスの種類によって、ほんの数秒から６０秒にもなり得る。

アドレス指定されたフィールドデバイスをオンすることを要求する制御メッセージをホストコンピュータ１２から受信したとき、目的の通信を完了するために必要であるとして、その制御メッセージには、ホストコンピュータ１２によって指定された特定の期間中、フィールドデバイスを全電力のオン状態に維持させるコマンドが含まれ得る。あるいは、ホストコンピュータ１２との通信が停止するまでフィールドデバイスをオン状態に維持させるコマンドが含まれ得る。コマンドは、フィールドデバイスに関連付けられている無線機器ルータによって決定され、無線機器ルータは、ホストコンピュータ１２から制御メッセージを受信して、その制御メッセージをフィールドデバイスにルーティングし、フィールドデバイスからホストコンピュータ１２に返信される応答の受信も行う。メッセージの休止期間が生じると、無線機器ルータは、自動的にフィールドデバイスをオフする。

個々のフィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９の電力状態を個別に制御することによって、制御システム１０は、無線ネットワーク１６の全体的な電力消費を低減し、特にネットワーク１６の個々のノード２０〜３０における電力消費を低減する。ホストコンピュータ１２との通信が停止した後にのみ、フィールドデバイスを低電力状態に復帰させることによって、ホストコンピュータ１２と特定のフィールドデバイスとの間の応答性は向上する。望ましくない、フィールドデバイスの高電力（オン）状態と低電力（オン）状態との間の変化が避けられる。

無線ネットワーク１６のノード２０〜３０で電力を節約可能にする別の方法は、ホストコンピュータ１２が、選択されたフィールドデバイスとの通信を完了できるように、能動的に通信に参加しているノードを、延長された高電力（オン）状態に維持しておく一方で、通信に参加する予定のないノードを、低電力（オフ）状態にさせておくことである。

無線メッシュネットワークにおいて、メッセージは、一般的に、ノードからノードへと伝送される。無線メッセージのための、代替の冗長伝送路が通常存在するものである。無線メッシュネットワーク内で、メッセージが特定のフィールドデバイスに向けられているとき、メッセージを最終送信先まで伝送するのに、いくつものノードがそのメッセージの送受信に関与する可能性がある。例えば、ノード３０のフィールドデバイスＦＤ７に向けられたメッセージについて考察する。ノード３０への無線メッセージの伝送路は、ゲートウェイ１８からノード２０，２２を介してノード３０へと通じる可能性がある。あるいは、メッセージは、ノード２６を介してノード３０へと通じたり、ノード２４，２８を介して、ノード３０へと通じたりする可能性がある。ノード３０からゲートウェイ１８に送信されたのち、ホストコンピュータ１２に送信される、フィールドデバイスＦＤ７からの応答メッセージのための帰還伝送路が同様に存在し得る。ホストコンピュータ１２とフィールドデバイスＦＤ７との間の通信が、ゲートウェイ１８からノード２６を介してノード３０へと通じる伝送路上で行われ、その同じ伝送路に沿って戻る場合、その通信がホストコンピュータ１２およびフィールドデバイスＦＤ７のみを関与させるものである限り、その他のノード２０，２２，２４，２８は不要である。

ゲートウェイ１８は、ホストコンピュータ１２が必要として、無線ネットワーク１６上に送信されたメッセージを受信する。無線ネットワーク１６の高電力（オン）状態が生じたとき、ゲートウェイ１８は、ホストコンピュータ１２からのメッセージを送受信するのに関与するであろう各ノードにメッセージを送信することができると共に、それらノードに、特定の期間中、あるいはその通信が終了するまで、オン状態を維持するように指示することができる。ゲートウェイ１８は、ネットワーク１６内で信号をルーティングする伝送路に関する情報を維持することによって、関与するであろうノードを特定することができる。メッセージを送受信するために、各ノードが隣接するノードと確立したリンクを突き止めるために、ゲートウェイ１８は、各ノードに定期的に問い合わせることができる。問い合わせた情報に基づいて、ゲートウェイ１８は、ホストコンピュータ１２からのメッセージが通過する可能性のある１つまたは複数の伝送路を特定することができ、特定された伝送路は、必要となるノードに指示を与えるのに用いられ得る。ゲートウェイ１８から、オン状態を維持するよう指示するメッセージを受信していないノードは、通信のデューティサイクルにおける通常の高電力（オン）状態の終了するときに、自動的にオフされるようになる。オン状態を維持することを指示された残りのフィールドデバイスは、ホストコンピュータ１２が少なくとも１つのフィールドデバイスと通信を継続している限り、高電力（オン）状態を維持するようになる。

あるいは、ゲートウェイ１８は、計画された通信に能動的に関与する予定ではないノードのそれぞれにメッセージを供給して、それらのノードがオフになることを指示することができる。オフになる指示を受信していないノードは全て、オンし続けるようになる。しかし、この手段は、たとえノードが通信に関与していなくても、ノードが、オフさせるメッセージを受信していなかったという理由だけで、オンし続けるノードが生じることになり得る。

どのノードがオンのままとなり、どのノードがオフとなるのかを管理する別の方法では、通信のデューティサイクルにおける通常の高電力（オン）期間の間にメッセージを送受信したフィールドデバイスは全て、ゲートウェイ１８からオフになることを指示するメッセージを受信するまで、あるいは当該ノードによってさらなるメッセージが送受信されることなく、ある一定の期間が経過するまで、オンのままでいる必要がある。このようにして、メッセージを目標のフィールドデバイスにルーティングできると共に、メッセージを目標のフィールドデバイスからルーティングできるように維持する必要があるノードをオンに維持するように、ネットワーク１６は、当該ネットワーク１６を動的に設定する。関与していないノードは、デューティサイクルの高電力（オン）期間が終了するときに、自動的にオフになるようになっている。

能動的に通信に参加しているノードのみを関与させた通信を、延長されたオン状態で継続させておくことにより、無線ネットワーク１６を恒久的にオン状態のままにしておかなくても、待ち時間を低減することができ、通信を改善することができる。通信が停止すると、延長されたオン状態に関与してきたノードは、無線ネットワーク１６における通常の通信デューティサイクルのオフ／オンに再同期されるようになる。

有線制御システムでは、ＨＡＲＴ、フィールドバス、プロフィバス等の制御メッセージプロトコルに従った、周知の制御メッセージを用いて、ホストコンピュータとフィールドデバイスとの間で通信が行われる。（例えば、図１に示すフィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９等の、）有線制御システムに用いることが可能であるフィールドデバイスは、周知の制御メッセージプロトコルの１つに従った、制御メッセージを利用する。無線ノード２０〜３０は、無線ネットワーク１６の一部であり、これら周知の制御メッセージを、ホストコンピュータ１２と直接やり取りすることはできない。その理由は、ネットワーク１６を介した無線通信は、本来は汎用である無線プロトコルに従って行われるからである。

無線プロトコルを用いて通信することをホストコンピュータ１２およびフィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９に要求するのではなく、無線ネットワーク１６を介して、ホストコンピュータ１２とフィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９との間で、周知のフィールドデバイス制御メッセージを送受信できる方法を提供することができる。周知のフィールドデバイス制御メッセージは、汎用の無線プロトコルに組み込まれているので、ホストコンピュータ１２とフィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９との間で、その制御メッセージをやり取りすることができ、フィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９との通信を制御することができる。その結果、無線ネットワーク１６および無線ネットワーク１６の無線通信プロトコルは、ホストコンピュータ１２およびフィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９に対して、本質的に透過的である。以下の説明では、周知の制御メッセージプロトコルの一例として、ＨＡＲＴプロトコルが使用される。ただし、本発明は、（例えば、ファウンデーション・フィールドバス、プロフィバス等の）他の制御メッセージプロトコルにも適用できる。

同様の問題は、メッセージをフィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９へ向けて送り出すためにホストコンピュータ１２が用いるアドレスに関連している。有線システムでは、ホストコンピュータは、固有のフィールドデバイスアドレスを用いて、各フィールドデバイスをアドレス指定する。そのアドレスは、使用されている特定の通信プロトコルの一部として定義され、一般的に、ホストコンピュータによってフィールドデバイスに送信される制御メッセージの一部を形成する。

図１に示すネットワーク１６のような無線ネットワークが、メッセージをホストコンピュータからフィールドデバイスにルーティングするのに用いられる場合、ホストコンピュータが用いるフィールドデバイスアドレスは、無線ネットワークの通信プロトコルが用いる無線アドレスとは互換性がない。さらに、図１の無線ノード２０，３０によって例示されるように、単独の無線ノードに関連付けられた複数のフィールドデバイスが存在し得る。無線ノード２０が２つのフィールドデバイスＦＤ１，ＦＤ２を有する一方で、無線ノード３０は、３つのフィールドデバイスＦＤ７〜ＦＤ９に関連付けられている。

アドレスに対処する１つの方法は、フィールドデバイスアドレスではなく、無線アドレスを使用するように、ホストコンピュータ１２に要求することである。しかし、この方法を用いると、ホストコンピュータ１２が有線通信リンクを介してフィールドデバイスと通信しているのか、それとも、ホストコンピュータ１２が少なくとも一部を無線ネットワークを介して通信しているのかによって、ホストコンピュータ１２に異なるプログラミングを施すことが必要になる。さらに、複数のフィールドデバイスの問題が残っており、複数のフィールドデバイスは、一般に異なった目的を持つため、個別にアドレス指定される必要がある。

別の方法では、ホストコンピュータ１６によって提供されたフィールドデバイスアドレスを、対応する無線アドレスに変換するために、ゲートウェイ１８を用いる。無線メッセージは、その無線アドレスに送られ、また、メッセージを受信するノードがメッセージを適切なフィールドデバイスに向けて送り出すことができるように、フィールドデバイスアドレスも有している。フィールドデバイスアドレスを、対応する無線アドレスに変換することによって、ホストコンピュータ１２は、フィールドデバイスと通信する際に、固有のフィールドアドレスドメインにおいて機能することができる。無線ネットワーク１６の存在は、ホストコンピュータ１２およびフィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９にとって透過的である。

ホストコンピュータ１２とフィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９との間で通信するために、無線ネットワーク１６を使用することによって生じるさらに別の問題は、電力節約によりフィールドデバイスが利用できないことである。有線制御システムでは、ホストコンピュータは、あたかもフィールドデバイスが要求に応じて利用可能であるかのように、フィールドデバイスと通信する。フィールドデバイスには常に電源が入っており、フィールドデバイスは常に利用可能であるということを前提としている。

低電力無線ネットワークでは、この問題はあてはまらない。電力を節約するために、低電力無線ネットワーク内のフィールドデバイスは、ほとんど常に利用不可、あるいは休止状態である。周期的に、無線ネットワークは起動状態に入り、起動状態の間では、メッセージを、フィールドデバイスへ伝送、あるいはフィールドデバイスから伝送することができる。ある期間経過後に、無線ネットワークは再び、低電力の休止状態に入る。

無線ネットワークが休止状態である期間中に、あるいは、特定のフィールドデバイスが低電力の休止状態である期間中に、ホストコンピュータが通信を試みた場合、フィールドデバイスが即座に応答しないことは、通信障害であるとホストコンピュータに解釈される可能性がある。ホストコンピュータは、メッセージが無線ネットワークを通過する特定のルートを判定するものでもなければ、無線通信のために電源をオン／オフにする周期を制御するものでもない。その結果、ホストコンピュータは、フィールドデバイスの応答がないことを、デバイスの不具合であると解釈する可能性があるが、応答がないときというのは、低電力無線ネットワーク内で行われる通信方法に内在する結果である。

無線ネットワーク１６の存在を、ホストコンピュータ１２に対して透過的にするために、ゲートウェイ１８は、ホストコンピュータ１２と無線ネットワーク１６との間のフィールドデバイスメッセージの伝送を分離する。ゲートウェイ１８は、無線ネットワーク１６の現在の状態を判定し、無線ネットワーク１６の電力サイクルを特定する。さらに、ゲートウェイ１８は、フィールドデバイスがオンされてから、ホストコンピュータ１２からの制御メッセージに対する応答メッセージを供給する準備ができるのに要する応答時間についての情報を蓄積する。

メッセージがホストコンピュータ１２によってゲートウェイ１８に供給されるとき、フィールドデバイスアドレスに基づいて、予測応答時間が決定される。その予測応答時間はホストコンピュータ１２に供給されるので、ホストコンピュータ１２は、予測応答時間経過前に応答メッセージがないことを、通信障害であると処理しないようになる。その結果、ホストコンピュータ１２は、実際には無線ネットワーク１６およびフィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９が要求に応じて利用できない場合に、あたかも無線ネットワーク１６およびフィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９が要求に応じて利用可能であるかのように、フィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９を取扱うことができる。

図２は、図１に示される制御システム１０の一部のブロック図を示す。図２では、ホストコンピュータ１２、高速ネットワーク１４、ゲートウェイ１８、および無線ノード２２が示されている。

図２において、ホストコンピュータ１２は、フィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９にメッセージを送信すること、そしてフィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９からのメッセージに含まれたデータを受信および分析することを促進するアプリケーションプログラムを実行する、分散制御システムのホストである。ホストコンピュータ１２は、ユーザがフィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９を監視し、またフィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９と通信することができるように、例えば、アプリケーションプログラムとしてＡＭＳ（ｔｍ）デバイスマネージャを使用することができる。

ホストコンピュータ１２は、拡張可能なマークアップ言語（ＸＭＬ）のフォーマットであるメッセージを用いて、ゲートウェイ１８と通信する。フィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９宛の制御メッセージは、ＨＡＲＴプロトコルに従って送出され、ＸＭＬフォーマットでゲートウェイ１８に伝送される。

図２に示された実施形態において、ゲートウェイ１８は、ゲートウェイインターフェイス６０、メッシュマネージャ６２、および無線機６４を備える。ゲートウェイインターフェイス６０は、ホストコンピュータ１２からＸＭＬドキュメントを受信して、ＨＡＲＴ制御メッセージを抽出し、その制御メッセージを、無線ネットワーク１６上に送信される無線メッセージに組み込まれるフォーマットに変更する。

メッシュマネージャ６２は、組み込まれたＨＡＲＴ制御メッセージと、ＨＡＲＴメッセージの宛先のフィールドデバイスに対応するノードの無線アドレスとを用いて、無線メッセージを形成する。メッシュマネージャ６２は、例えば、ルックアップテーブルを維持することができ、そのルックアップテーブルには、各フィールドデバイスアドレスが、そのフィールドデバイスアドレスに対応するフィールドデバイスが設置されたノードの無線アドレスと相互に関連付けられている。この例において、注目すべきフィールドデバイスは、無線ノード２２に設置されたデバイスＦＤ３である。無線プロトコルに従った無線メッセージには、無線ノードアドレスが含まれており、その無線ノードアドレスは、ネットワーク１６を介して無線メッセージをルーティングするのに用いられる。フィールドデバイスアドレスは、無線メッセージ内に組み込まれたＨＡＲＴメッセージに格納され、ネットワーク１６を介して無線メッセージをルーティングするのには用いられない。その代わりに、フィールドデバイスアドレスは、無線メッセージが目的のノードに到達したら用いられる。

メッシュマネージャ６２は、無線機６４に無線メッセージを送信させ、送信された無線メッセージは、ネットワーク１６内を１回あるいは複数回ホップして、ノード２２に送信される。例えば、ノード２２へのメッセージは、ゲートウェイ１８からノード２０へ送信されたのち、ノード２２へと送信され得る。あるいは、ゲートウェイ１８からノード２６へ送信されたのち、ノード２２へと送信され得る。ネットワーク１６における別のルートもまた可能である。

フィールドデバイスへの制御メッセージの配信を管理するために、ゲートウェイインターフェイス６０およびメッシュマネージャ６２もまた、たとえ無線ネットワーク１６の電源がオフ（すなわち休止モード）になっている可能性があっても、あたかも無線ネットワーク１６の電源がオンになっているかのように、ホストコンピュータ１２と通信する。メッシュマネージャ６０は、無線ネットワーク１６の正確な電力の供給状態を判定する。メッシュマネージャ６０は、また、無線ネットワーク１６への電力供給がオンからオフへ、あるいはオフからオンへと状態が変化する今後の時間を決定するために、電力サイクルの時間を算出する。電源がオンである間に、メッセージが無線ネットワークに送信された場合、応答時間は影響を受ける可能性がある。しかし、次回電源がオンになる周期になるまで、応答は行われないものと推測される。さらに別の要因は、フィールドデバイスの起動時間である。メッシュマネージャ６２またはゲートウェイインターフェイス６０は、様々なフィールドデバイスの起動時間を記録したデータベースを蓄積することができる。フィールドデバイスアドレスが分かれば、予測起動時間を決定できる。

無線ネットワーク１６の現在の電力状態に基づいて算出できるのは、無線ネットワークが状態を変化させるまでの時間、フィールドデバイスの起動時間、ネットワークメッセージの予測ルーティング時間、現在の周期ではなく、次回電源がオンになる周期において応答が行われる可能性、メッセージがフィールドデバイスに配信されるのに要する推定時間、および応答メッセージがゲートウェイ１８に返信されるのに要する推定時間である。それらの情報は、算出後、ホストコンピュータ１２に供給され得る。ホストコンピュータ１２は、推定応答時間の前には応答を予期しないので、推定応答時間の前にメッセージを受信できなくても、ホストコンピュータ１２によって、通信障害またはフィールドデバイスの不具合として処理されることはないものと考えられる。

無線ネットワーク１６の電力サイクルが予め把握されているので、ゲートウェイ１８は、応答時間に影響を与える要因に基づいて、フィールドデバイスとの通信を試みる上での最良の方策を決定することもまた可能である。例えば、電力サイクルがオンからオフへと変化する直前であれば、次回電源がオンになる周期が始まるまで、無線ネットワーク１６を通じたメッセージのルーティングを開始するのを待つことが、よりよい方策となり得る。

図２に示すように、無線ノード２２は、無線機３６、無線機器ルータ（ＷＤＲ）３８、およびフィールドデバイスＦＤ３を備える。この特定の例では、フィールドデバイスＦＤ３は、標準的なＨＡＲＴフィールドデバイスであり、ＨＡＲＴ制御メッセージプロトコルを用いてフィールドデータを伝送する。フィールドデバイスＦＤ３は、ＷＤＲ３８によって電源をオン／オフにされ、また、ＷＤＲ３８と直接通信する。

ネットワーク１６上に送信された無線メッセージは、無線ノード２２の無線機３６で受信される。受信された無線メッセージは、ＷＤＲ３８によって検査され、ノード２２宛であるか確認される。ノード２２は宛先アドレスであるので、無線メッセージは開封され、組み込まれたＨＡＲＴメッセージが抽出される。ＷＤＲ３８は、組み込まれたＨＡＲＴメッセージに格納されたフィールドデバイスアドレスに基づいて、ＨＡＲＴメッセージがフィールドデバイスＦＤ３に向けられたものであると判定する。

電力を節約するため、ＷＤＲ３８は、何らかの動作が必要になるまで、フィールドデバイスＦＤ３を休止モードに維持しておくことができる。無線メッセージ内に格納されたＨＡＲＴメッセージを受信すると、直ちに、ＷＤＲ３８は、フィールドデバイスＦＤ３を起動する措置を取る。ＨＡＲＴメッセージを受信してからフィールドデバイスＦＤ３を起動するまでは、ほんの数秒ともなり得るし、あるいは、例えば約３０〜６０秒の遅れともなり得る。フィールドデバイスＦＤ３が、ＨＡＲＴメッセージを受信して、受信したＨＡＲＴメッセージに従って動作する準備ができたときに、ＷＤＲ３８は、ＨＡＲＴ制御メッセージをフィールドデバイスＦＤ３に送信する。

フィールドデバイスＦＤ３によって受信されたメッセージは、ＷＤＲ３８に応答して、測定データまたはその他のステータス情報を含むメッセージを供給することが必要となり得る。フィールドデバイスＦＤ３は、測定データを収集するため、またはステータス情報を生成するために必要な動作を行い、ＨＡＲＴ制御フォーマットで応答メッセージを生成し、生成した応答メッセージをＷＤＲ３８に送信する。ＨＡＲＴ応答メッセージは、送信後に修正され、無線プロトコルに従って無線応答メッセージに組み込まれ、ゲートウェイ１８にアドレス指定される。ＷＤＲ３８は、無線ネットワーク１６上に送信するために、無線応答メッセージを無線機３６に供給する。無線応答メッセージは、無線機３６への供給後に１つあるいは複数のホップによってゲートウェイ１８に送信され、ゲートウェイ１８では、無線応答メッセージからＨＡＲＴ応答メッセージが抽出され、抽出されたＨＡＲＴ応答メッセージはＸＭＬ形式にフォーマットされ、高速ネットワーク１４を介してホストコンピュータ１２に送信される。

図３は、図１，２に示された無線ネットワークを介して送信される、一般的な無線メッセージの図面を示す。無線メッセージ７０は、無線プロトコルビット７２、ペイロード７４、および無線プロトコルビット７６を備える。プロトコルビット７２，７６は、無線メッセージ７０を、メッシュネットワーク１６を介して所望の送信先に適切にルーティングするのに必要とされる。ペイロード７４は、送信されている制御メッセージの内容を表す。本発明では、（ホストコンピュータ１２およびフィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９の双方によって用いられる制御メッセージプロトコルにおける）制御メッセージは、無線メッセージ７０内にペイロード７４として組み込まれる。

図４は、ホストコンピュータ１２によって生成されたときの、制御メッセージ８０のフォーマットを示す。この特定の例では、制御メッセージ８０は、ＨＡＲＴプロトコルを用いて構成される。制御メッセージ８０は、プリアンブル８２、デリミタ８４、フィールドデバイスアドレス８６、コマンド８８、バイトカウント９０、データ９２、およびチェックバイト９４を備える。制御メッセージ８０は、ゲートウェイインターフェイス６０で修正されたのち、ペイロード７４として無線メッセージ７０に組み込まれる。

図５は、制御メッセージ８０から形成されたペイロード７４のフォーマットを示す。ペイロード７４を形成するために、インターフェイス６０は、制御メッセージ８０から物理層オーバーヘッドを除去し、シーケンス情報を付加する。

図４，５を比較することによって示されているように、ペイロード７４と制御メッセージ８０との第１の相違点は、プリアンブル８２が除去されているという点である。制御メッセージは、無線プロトコルを用いてネットワーク上に送信されることになるので、プリアンブルを使用する必要はない。プリアンブル８２を除去することで、不必要な情報が削除された分、ネットワーク１６の効率が高まる。

ペイロード７４と制御メッセージ８０との第２の相違点は、メッセージＩＤ９６が付加されている点であり、メッセージＩＤ９６は、データ９２の後ろに続くとともに、チェックバイト９４に先行する２バイトの番号である。プリアンブル８２を除去してメッセージＩＤ９６を付加することにより、チェックバイト９４の再計算も必要になる。

メッセージＩＤ９６の用途は、遅延メッセージの拒否である。メッセージＩＤ９６により、メッセージの受信側は、順序から逸脱したメッセージを拒否することができる。無線メッシュネットワーク１６は、メッセージが、当該メッセージの送信先に到達するのに複数の伝送路を通ることができるように、設計されている。メッセージは、１つのノードから別のノードへと伝送され、特定のノードで遅延する可能性がある。特定のノードでの遅延は、干渉あるいは信号の品質の劣化によって起こり得る。メッセージが十分に長い時間遅延した場合、ホスト１２は、再試行を行う、および／または新規のメッセージを発行する可能性がある。その場合、遅延したメッセージが配信される前に、少なくとも１つのメッセージが送信先のノードに到達する可能性がある。遅延した制御メッセージが配信されたとき、その遅延した制御メッセージを受容、あるいは拒否するために、メッセージＩＤ９６を用いることができる。

図６は、ペイロード７４のフォーマットの第２実施形態を示し、第２実施形態では、トレイラ・ファンクション・コード９８およびトレイラペイロード（またはメッセージＩＤ）９６が、トレイラフレーム１００を形成する。トレイラフレーム１００は、デリミタ８４、フィールドデバイスアドレス８６、コマンド８８、バイトカウント９０、データ９２、およびチェックバイト９４によって形成された制御メッセージに付加される。トレイラ１００は、チェックバイト９４に含まれない代わりに、データの完全性および信頼性を、無線ネットワークプロトコル層に依存している。

トレイラ１００は、ファンクション・コード９８および（もしあれば、メッセージＩＤを含む）ペイロード９６を格納する。ファンクション・コード９８は、トレイラ１００の内容を定義する、符号なしのバイトである。追加的なパディングバイトのような、未定義のペイロードバイトは、無視されることになる。トレイラ１００の使用は、ゲートウェイ１８と無線フィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９との間のメッセージにのみ適用される。表１は、トレイラ１００用に定義されたファンクション・コードの一例を示す。

ファンクション・コード０〜３は、メッセージＩＤを参照して用いられる。メッセージＩＤは、無線メッシュネットワーク１６上で、遅延メッセージを拒否するために用いられる。メッセージＩＤにより、メッセージの受信側は、順序から逸脱したメッセージを拒否することができる。さらに、発行されたデータが順序を逸脱して到達したかを判定するために、ゲートウェイ１８は、メッセージＩＤを用いることができる。

メッセージＩＤを生成する規則は、以下のとおりである。
メッセージＩＤは、送信側から受信側へのメッセージシーケンスを列挙する。メッセージＩＤは、固有であり、かつ新たなメッセージＩＤ毎に１ずつ増加しなければならない、符号なしの２バイトの値である。

新たなメッセージＩＤは、全ての要求／応答トランザクション毎に生成されることになっている。送信側から受信側への要求を再試行する場合、送信側から受信側への要求で未処理の要求がただ１つしかなければ、メッセージＩＤを再使用することができる。有効なメッセージＩＤを有する有効な要求メッセージを受信した後、フィールドデバイスは、受信したメッセージＩＤを応答と共にそのまま送り返さなければならない（エコーバックしなければならない）。

新たなメッセージＩＤは、デバイスからの全ての発行メッセージ毎に生成されることになっている。発行メッセージＩＤは、要求／応答メッセージＩＤとは関係なく生成される。

メッセージＩＤを認証する規則は、以下のとおりである。
受信側は、妥当性比較がメッセージＩＤカウンタのロールオーバー（rollover）を回避ように、メッセージＩＤを認証するためのウィンドウを実行しなければならない。一例としては、２５６個の以前のＩＤを有する１つのウィンドウ内のいかなるメッセージも、ＷＤＲ／フィールドデバイスによって、順序から逸脱しているとして無視される可能性がある。しかし、メッセージＩＤが支障なくウィンドウの外にあれば、受信側はそのメッセージを受容することになっている。メッセージを受容すると、常に、メッセージＩＤは、最後に有効に受信されたメッセージＩＤとして、キャッシュに格納される。

再起動後、受信側は、受信する最初のメッセージＩＤを受容してもよいし、受容しないのであれば、デバイスのアプリケーションが適当とみなすいかなる方法でも、妥当性チェックを初期化しなければならない。この初期化の指針では、デバイスは、デバイス発行が最初にゲートウェイに到達することを要求することなく、処理状態が把握されていない新たな要求を、常に受容する。

無効な（順序を逸脱した）ＩＤを有する、発行されたメッセージの受信側は、受信側のアプリケーションに応じて、そのメッセージを利用してもよいし、拒否してもよい。
ファンクション・コードを解釈する規則は、以下のとおりである。

送信側は、トレイラ１００を省略する、あるいはファンクション・コードとしてＮＯ ＭＥＳＳＡＧＥ ＩＤを指定することによって、メッセージＩＤなしでメッセージを送信することができる。応答が発生して、ＷＤＲ／フィールドデバイスがトレイラをサポートする場合、返信のファンクション・コードは「ＮＯ ＭＥＳＳＡＧＥ ＩＤ」に設定されることになる。

メッセージＩＤが与えられている場合、ファンクション・コードがＦＯＲＣＥ ＡＣＣＥＰＴまたはＣＬＥＡＲ ＦＯＲＣＥ ＡＣＣＥＰＴ ＷＩＴＨ ＦＯＲＣＥに設定されていたら、そのメッセージＩＤは受容されなければならない。ＮＯＲＭＡＬ ＩＤのファンクション・コードを有するメッセージは、メッセージＩＤの認証規則を通して、潜在的な破棄の対象になるものと考えられる。

ゲートウェイ１８がリセットした場合、ゲートウェイ１８は、ＦＯＲＣＥ ＡＣＣＥＰＴのファンクション・コードを用いて最初の要求を行うことになっている。最初の要求により、受信側のフィールドデバイスは、その要求およびそれに付随するメッセージＩＤを受容することを強制される。また、フィールドデバイスに要求およびメッセージＩＤの受容を強制することにより、ゲートウェイ１８は、デバイスの有効なメッセージＩＤのカウンタの値を確認する必要がなくなる。ゲートウェイ１８は、ひとたび有効な応答メッセージを適合するメッセージＩＤと共に受信したら、ＦＯＲＣＥ ＡＣＣＥＰＴの使用を停止することになっている。

ゲートウェイ１８は、ＣＬＥＡＲ ＦＯＲＣＥ ＡＣＣＥＰＴ ＷＩＴＨ ＦＯＲＣＥのファンクション・コードを、有効なメッセージＩＤとして受容することになっているものの、ＷＤＲ／フィールドデバイスは、ＣＬＥＡＲ ＦＯＲＣＥ ＡＣＣＥＰＴ ＷＩＴＨ ＦＯＲＣＥをゲートウェイ１８に送信しないことになっている。

システム内のＷＤＲ／フィールドデバイスがリセットした場合、ＷＤＲ／フィールドデバイスは、ＦＯＲＣＥ ＡＣＣＥＰＴに設定されたコマンドと共に、発行メッセージを送信することになっている。ＦＯＲＣＥ ＡＣＣＥＰＴに設定されたコマンドにより、ゲートウェイ１８は、発行されたデータを受容することを強制される。

ゲートウェイ１８がＦＯＲＣＥ ＡＣＣＥＰＴのファンクション・コードを認識した場合、ゲートウェイ１８は、それに続くメッセージで、有効なメッセージＩＤと共に、ＣＬＥＡＲ ＦＯＲＣＥ ＡＣＣＥＰＴ ＷＩＴＨ ＦＯＲＣＥを発行してもよい。

ＣＬＥＡＲ ＦＯＲＣＥ ＡＣＣＥＰＴ ＷＩＴＨ ＦＯＲＣＥを受信すると、ＷＤＲ／フィールドデバイスは、強制受容の状態を解除して、供給されたメッセージＩＤを常に受容することになっている。

（無線プロトコルの）無線メッセージ内において、（制御メッセージプロトコルの）組み込まれた制御メッセージを使用することによって、分配制御システムのホストコンピュータは、無線通信ネットワークを介してフィールドデバイスと通信することが可能になる。無線ネットワーク上での制御メッセージの伝送に適応させるために、制御メッセージは、ホストコンピュータ、あるいはフィールドデバイスによって修正される必要はなく、制御メッセージは、ＨＡＲＴ、フィールドバス等のような周知の制御メッセージフォーマットを用いて、ホストコンピュータとフィールドデバイスとの間でやり取りされることが可能である。ホストコンピュータとフィールドデバイスとの間でやり取りされる制御メッセージの内容が、無線ネットワークを通過した結果、変更されないように、制御メッセージは、無線通信プロトコル内に組み込まれる。

無線通信プロトコルを介してルーティングするには大きすぎる制御メッセージは、細分化され、複数の断片として送信され得る。各断片は、無線メッセージに組み込まれ、複数の断片は、当該複数の断片が無線ネットワークから出たときに、元の制御メッセージに再構築され得る。元の制御メッセージの組み込まれた断片を有する個々の無線メッセージが、たとえ無線ネットワークを通じた異なる伝送路を通過するとしても、組み込まれた制御メッセージ内のメッセージＩＤを用いることにより、複数の断片は本来の順番で再構築され得る。

フィールドデバイスアドレスを、対応する無線アドレスに変換することによって、ホスト１２は、無線アドレスドメイン内のフィールドデバイスと通信する一方で、ホスト１２の固有のフィールドデバイスアドレスドメインで機能することができる。メッセージをフィールドデバイスへルーティングすること、およびメッセージをフィールドデバイスからルーティングすることに、無線ネットワーク１６を用いることは、ホスト１２にとって透過的である。アドレスを変換すること、および無線アドレスとフィールドデバイスアドレスとの双方を無線メッセージに含めることで、単一のノード（すなわち、単一の無線アドレス）に関連付けられている複数のフィールドデバイスを、個別にアドレス指定することができる。

制御メッセージの一部として、無線メッセージのペイロードにフィールドデバイスアドレスを組み込むことは、簡単で効果的ではあるものの、必要に応じて、フィールドデバイスアドレスを、無線メッセージ内のペイロードや他の場所に別々に格納することも可能である。

フィールドデバイスへのメッセージの送信を、ホストコンピュータ１２と無線ネットワーク１６との間で分離することによって、無線ネットワーク１６の存在は、ホストコンピュータ１２にとって透過的にもなる。ゲートウェイ１８は、無線ネットワーク１６の状態、およびメッセージに対する応答時間に影響を与え得る要因を監視する。ホストコンピュータ１２によって送信されるメッセージに対する推定応答時間が与えられることによって、ゲートウェイ１８は、たとえネットワーク１６およびフィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９が頻繁に低電力の休止状態であったとしても、フィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９および無線ネットワーク１６があたかも要求に応じて利用可能であるかのように、ホストコンピュータ１２に、フィールドデバイスＦＤ１〜ＦＤ９および無線ネットワーク１６を取り扱わせることができる。

個々のフィールドデバイスおよび個々のノードのオン／オフ状態を微細管理することによって、ホストと特定の通信をするのに必要とされるフィールドデバイスおよびノードのみが、特定の通信が完了するまでオンのままとなる。ホストと特定の通信をするのに必要とされるフィールドデバイスおよびノードのみが、特定の通信が完了するまでオンのままとなることにより、通信に関与していないノードおよびフィールドデバイスによる電力消費が低減され、さらに、ノードおよびフィールドデバイスは、ホストと通信している最中にオンとオフとを繰り返さないため、ホストとの通信がより効率的になる。

本発明は、好ましい実施形態を参照しながら説明されているが、当業者は、本発明の精神および本発明の範囲から逸脱することなく、形態の変更及び詳細な変更が可能であることを認識するであろう。例えば、制御システム１０は、６つのノードと９つのフィールドデバイスと共に図示されているが、より少ない、またはより多い数のノードおよびフィールドデバイスを備える別の構成も、同様に適用可能である。

無線メッシュネットワークが、ホストとフィールドデバイスとの間で無線メッセージをルーティングする、制御システムを示す図面である。 ホストコンピュータ、ゲートウェイノード、およびフィールドデバイスを有する無線ノードを含む、図１における制御システムの一部を示すブロック図である。 無線ネットワークによって伝送される、無線メッセージのフォーマットを示す図面である。 制御システムプロトコルに基づいた、ホストからフィールドデバイスへの制御メッセージのフォーマットを示す。 図３に示された無線メッセージのペイロードを形成するように修正された場合の、制御メッセージの一実施形態を示す。 図３に示された無線メッセージのペイロードを形成するように、トレイラを付加されて修正された場合の、制御メッセージの別の実施形態を示す。

Claims (8)

1. 産業用プロセス制御システムにおいて、ホストコンピュータと複数のフィールドデバイスとの間でメッセージをルーティングするために、無線メッシュネットワークを動作させる方法であって、前記無線メッシュネットワークが、メッセージを送受信可能な複数のノードを有し、各ノードが、前記フィールドデバイスのうちの少なくとも１つに関連付けられている、方法において、
   該方法は、
   前記ノードによってメッセージがいつ送受信可能であるのかを規定する、広域的で、定期的な起動スケジュールに、前記無線メッシュネットワークの前記ノードを同期させることと、
   選択されたフィールドデバイスにアドレス指定されたメッセージを、前記ホストコンピュータから受信することと、
   前記広域的で、定期的な起動スケジュールに従って、前記無線メッシュネットワークのノードを起動することと、
   前記広域的で、定期的な起動スケジュールに従えば、前記選択されたフィールドデバイスにメッセージをルーティングするのに必要なノードが、前記フィールドデバイスと前記ホストコンピュータとの通信が完了する前に停止されるところ、前記ホストコンピュータが前記選択されたフィールドデバイスと通信している限り、前記広域的で、定期的な起動スケジュールに反して、前記選択されたフィールドデバイスにメッセージをルーティングするのに必要なノードを、起動状態に維持することと
   を備えており、
   起動状態でメッセージを受信する各々のノードは、さらなるメッセージが送受信されない状態で所定の期間が経過するまでオンに維持される
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   さらに、
   前記ホストコンピュータと前記選択されたフィールドデバイスとの間の通信が停止したときに、メッセージをルーティングするのに必要な前記ノードを停止状態に自動的に復帰させること
   を備えていることを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   さらに、
   前記広域的で、定期的な起動スケジュールの次回の起動状態の間、メッセージをルーティングするのに必要な前記ノードが起動し続けることになる期間を延長すること
   を備えていることを特徴とする方法。
4. 産業用プロセス制御システムであって、
   複数のフィールドデバイスと、
   前記フィールドデバイスに制御メッセージを送信するため、および前記フィールドデバイスから応答メッセージを受信するためのホストコンピュータと、
   無線ネットワークの電力サイクルに従って、休止状態と起動状態とを繰り返す複数の無線ノードであって、前記フィールドデバイスのうちの少なくとも１つが各ノードに関連付けられており、メッセージの通信を受信する無線ノードは起動状態に維持される、複数の無線ノードと、
   前記ホストコンピュータと前記無線ノードとの間に接続されたゲートウェイであって、該ゲートウェイは、前記ホストコンピュータから前記無線ノードへのメッセージおよび前記無線ノードから前記ホストコンピュータへのメッセージをルーティングすると共に、前記ホストコンピュータと選択されたフィールドデバイスとの間の通信が完了したときに、起動状態に維持されている無線ノードに、休止状態に復帰させるコマンドを供給するゲートウェイと
   を備えていることを特徴とする産業用プロセス制御システム。
5. 請求項１に記載の産業用プロセス制御システムであって、
   前記フィールドデバイスは、休止状態と起動状態とを有する
   ことを特徴とする制御システム。
6. 請求項５に記載の産業用プロセス制御システムであって、
   前記無線ノードは、該無線ノードに関連付けられている前記フィールドデバイスが、前記休止状態であるのか、それとも前記起動状態であるのかを制御する
   ことを特徴とする制御システム。
7. 産業用プロセス制御装置において、ホストコンピュータとフィールドデバイスとの間で通信する方法であって、
   該方法は、
   選択されたフィールドデバイスにアドレス指定された制御メッセージを、前記ホストコンピュータから複数の無線ノードを有する無線ネットワークに配信することと、
   メッセージを送受信するために、前記無線ネットワークを定期的にオンすることと、
   前記選択されたフィールドデバイスへの制御メッセージを、前記無線ネットワークを介して選択された複数の無線ノードによって、該選択されたフィールドデバイスに関連付けられた無線ノードに送信することと、
   前記選択されたフィールドデバイスにメッセージを通信するのに必要な前記選択された複数の無線ノードをオン状態に維持することと、
   前記選択されたフィールドデバイスにアドレス指定された、受信した制御メッセージに応答して、前記フィールドデバイスをオンすることと、
   前記選択されたフィールドデバイスからの応答メッセージを生成することと、
   前記無線ネットワーク上に前記応答メッセージを送信することと、
   前記応答メッセージを、前記ホストコンピュータに配信することと、
   さらなるメッセージが送受信されない状態で所定の期間が経過したときに、前記選択されたフィールドデバイスにメッセージを通信するのに必要な前記選択された複数の無線ノードをオフ状態に復帰させることと
   を備えていることを特徴とする方法。
8. 産業用プロセス制御システムであって、
   各フィールドデバイスが固有のフィールドデバイスアドレスを有する、複数のフィールドデバイスと、
   前記フィールドデバイスにメッセージを送信すると共に、前記フィールドデバイスからメッセージを受信するためのホストコンピュータであって、前記フィールドデバイスのうちの１つへの各メッセージが、当該フィールドデバイスの前記固有のフィールドデバイスアドレスを含んでいる、ホストコンピュータと、
   無線ネットワークであって、
   広域的で、定期的な起動スケジュールに従って、オンおよびオフされ、各ノードが、固有の無線アドレスを有し、各ノードが、無線メッセージを送受信するための無線機と、受信した無線メッセージに格納された前記フィールドデバイスアドレスに基づいて、前記受信した無線メッセージをフィールドデバイスにルーティングするための無線機器ルータとを含んでいる、複数の無線ノードと、
   前記無線ネットワークを前記ホストコンピュータにインターフェイス接続すると共に、前記無線ネットワークの起動状態と停止状態とを制御する、ゲートウェイと、を有し、
   前記複数の各無線ノードは、前記ゲートウェイによって通信されるメッセージを受信すると、広域的で、定期的な起動スケジュールに反して、オン状態に維持され、さらなるメッセージが送受信されない状態で所定の期間が経過するまでオン状態に維持される
   無線ネットワークと
   を備えていることを特徴とする産業用プロセス制御システム。

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