面向过程自动化工业无线网络的超帧测试方法技术

本发明专利技术涉及面向工业应用的无线网络技术，具体是请求保护面向过程自动化工业无线网络的超帧测试方法。本发明专利技术方法主要用于测试被测设备(路由设备或现场设备)能否正确配置超帧，并根据超帧信息正确进行数据收发。本发明专利技术方法充分考虑环境干扰和时钟漂移等因素对测试的干扰，采用最小二乘法估计超帧的时间偏移量，在不需要改变被测设备功能和通信模式的前提下，对被测设备的超帧配置及超帧的误差进行测试，达到了高效率、高精度和易于实现的效果。

Hyper frame testing method for process automation industrial wireless network

The invention relates to wireless network technology for industrial application, in particular to a super frame testing method requesting protection of process oriented automatic industrial wireless network. The method of the invention is mainly used for testing whether the equipment under test (routing equipment or field equipment) can correctly configure super frames, and correctly transmit and receive data according to the super frame information. The method of the invention fully consider the factors of environment interference and interference of clock drift test, time offset estimation of the super frame by using the least square method, on the premise of the tested equipment does not need to change the function and mode of communication, in the test of the super frame configuration of the device under test and the error of the super frame, to achieve a high efficiency, high precision and easy to realize the effect of.

【技术实现步骤摘要】
面向过程自动化工业无线网络的超帧测试方法
本专利技术涉及面向过程自动化的工业无线网络技术，具体地说是一种面向过程自动化工业无线网络的超帧测试方法。
技术介绍
面向过程自动化的工业无线网络技术具有低成本、低能耗和易使用等优点。随着面向过程自动化的工业无线网络的推广应用，以低成本实现“泛在感知”和“全流程优化控制”的工业测控系统成为热点技术，且具有广阔的发展前景，代表着工业自动化系统技术的发展方向之一，将在提高产品生产效率、简化工业生产过程等方面发挥重要作用，在石油天然气开采、石化、冶金、污水处理等高耗能、高污染行业有广泛的应用前景。工业无线网络WIA-PA(WirelessnetworkforIndustrialAutomation-ProcessAutomation)是该领域的一项国际水平的新兴技术。为了保证数据传输的实时性和可靠性，WIA-PA工业无线网络采用的是基于信标的IEEESTD802.15.4:2006超帧结构。随着WIA-PA工业无线网络应用规模的扩大，WIA-PA设备的超帧能否被合理的分配和正确的执行，将成为制约网络性能的一个重要因素。对被测设备超帧的执行情况和时间偏移误差进行测试，将保证被测设备的实时和可靠通信。超帧测试已经成与设备功能测试同等重要的一个测试环节。用于工业过程自动化的WIA-PA协议一致性测试规范(WIA-PAConformanceTestSpecificationforuseinIndustrialProcessAutomation)是针对WIA-PA标准进行测试的参考依据，为工业无线网络设备、系统和工程应用于WIA-PA工业无线通信协议的符合程度提供了标准的测试规范，为工业无线产品认证和多个厂家不同协议实现之间的设备互联提供了保证。但WIA-PA协议一致性测试规范只给出测试流程和内容，未给出相关的测试技术。目前针对WIA-PA协议的一致性测试技术的研究刚刚起步，特别是针对超帧的测试技术未见研究。现有WIA-PA测试系统以及测试方法存在以下问题：1)只考虑了被测设备的执行流程，没有从超帧的角度对系统进行整体执行时间测试；2)未对影响超帧的各个影响因素进行测试，且未测试时间偏移是否在超帧可接受范围内；3)一些测试方法需要修改被测设备的报文收发要求以及部分功能，降低了测试的效率。
技术实现思路
针对现有的WIA-PA协议一致性测试方法没有考虑到被测设备执行超帧对测试超帧时间的影响，导致对设备的测试存在较大的误差，也就无法准确测试出被测设备超帧的执行情况，本专利技术提出了一种面向过程自动化工业无线网络的超帧测试方法。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种面向过程自动化工业无线网络的超帧测试方法，包括以下步骤：将测试系统和被测设备组建成单跳的星型结构或星型和网状结合的结构；利用时间同步命令帧使被测设备和测试系统同步，利用资源分配命令帧设定被测设备的超帧信息，使得被测设备能够进行连续收发；测试系统在每一个发送时隙周期性地发送数据请求报文，并等待ACK和数据响应报文；统计数据请求报文的发送时间和数据响应报文的响应时间戳，利用最小二乘法，根据回归方程计算数据响应报文的接收时间，并检测回归方程的显著性，如果回归显著，则继续下一步；如果回归不显著，则超帧错误；利用数据响应报文的接收时间和数据响应报文的时间戳计算超帧时间偏移值，并检验所述超帧时间偏移值是否为数据响应报文的接收时间的无偏估计；如果是，则认为无偏估计有效，说明超帧时间偏移在可接受误差范围内，超帧准确，否则认为无偏估计无效，超帧错误。所述被测设备包括路由设备和现场设备；其中，现场设备安装在工业现场，用于负责连接或控制生产过程；路由设备负责现场设备的管理和报文转发。所述测试系统在每一个发送时隙周期性地发送数据请求报文，并等待ACK和数据响应报文，如果测试系统收到数据响应报文，则认为是一次有效的数据访问过程；如果没有收到响应报文，则认为此次数据访问过程无效，不进行分析。所述被测设备的超帧中配置多条可连续收发的链路。所述回归方程为线性回归方程：其中，为y的最小二乘估计，y为数据响应报文的接收时间，x为数据请求报文的发送时间，其中，(xi,yi)为样本点，为样本数据x1,x2...xn的平均值，为样本数据y1,y2...yn的平均值，n为事件发生的次数，即样本点的个数。所述检验回归方程的显著性，具体为：当F＞Fa(1.n-2)时，回归显著，否则，则认为回归不显著；其中，α为分位点，通过查F分布表可知Fa(1,n-2)，n为事件发生的次数，即样本点的个数，Qe为残差平方和，U为回归平方和，且其中，为回归直线斜率，(xi,yi)为样本点，为样本数据x1,x2...xn的平均值，为样本数据y1,y2...yn的平均值，为y的最小二乘估计。所述超帧时间偏移值为数据响应报文的接收时间和数据响应报文的时间戳之差。所述检验所述超帧时间偏移值是否为数据响应报文的接收时间的无偏估计，即检测无偏估计的有效性，具体为：如果公式(10)成立，则无偏估计有效；否则，无偏估计无效；是超帧时间偏移值，θ是由公式(4)计算出的响应报文接收时间，即其中，为b的最小二乘估计，为x和y的期望；是报文发送时延为数据报文的发送时间与ACK的接收时间之差。本专利技术具有以下优点及有益效果：1.本专利技术提出了一种面向过程自动化工业无线网络的超帧测试方法，充分考虑了基于过程自动化的工业无线网络的实际测试需求，在不需要改变被测设备功能和收发特殊数据帧的基础上，实现了高效率、高精度的超帧测试方法；2.本专利技术通过构造由数据请求报文和数据响应报文构成的回归方程，并检验回归方程的显著性，判断被测设备是否能够在超帧规定的范围内对数据请求数据做出响应，进而检测出被测设备的超帧是否正确地运行；3.本专利技术计算数据请求报文的发送时间和ACK的接收时间，得出数据报文的发送时延，通过检测超帧时间偏移相对于发送时延的有效性，测试出被测设备超帧的偏移情况，能够有效地避免由于环境和硬件处理等因素对于测试的干扰；4.本专利技术完善了WIA-PA超帧的测试方法，明确了超帧的测试方法和流程，使得WIA-PA一致性测试更加完整，简化了测试流程，便于测试人员执行测试工作，并在实践中验证了可行性。本专利技术提出了一种面向过程自动化工业无线网络的超帧测试方法，用于测试被测WIA-PA设备的超帧执行情况和超帧时间偏移误差是否满足要求，充分考虑了面向过程自动化的工业无线网络的实际测试需求，实现了便捷、高效率、高精度的超帧测试。面向WIA-PA无线网络设备和TDMA通信机制，通过发送周期性的数据报文，提出了一种判断被测设备正确执行超帧的方法，包括测试超帧的运行情况和超帧时间偏移情况有效区分环境和硬件处理导致的时间偏移，有助于提高测试效率。附图说明图1为本专利技术中超帧测试系统示意图；图2为本专利技术中超帧时间测试示意图；图3为本专利技术中超帧测试方法流程图；图4为本专利技术中网络层数据包的结构设计示意图；图5为本专利技术中报文收发时间的示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。如图1所示为本专利技术中采用的是WIA-PA网络星型拓扑结构，其中被测设备为路由设备或现场设备；利用资源分配命令帧，设定被测设备的时间和超帧信息，使得被测设备本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向过程自动化工业无线网络的超帧测试方法，其特征在于，包括以下步骤：将测试系统和被测设备组建成单跳的星型结构或星型和网状结合的结构；利用时间同步命令帧使被测设备和测试系统同步，利用资源分配命令帧设定被测设备的超帧信息，使得被测设备能够进行连续收发；测试系统在每一个发送时隙周期性地发送数据请求报文，并等待ACK和数据响应报文；统计数据请求报文的发送时间和数据响应报文的响应时间戳，利用最小二乘法，根据回归方程计算数据响应报文的接收时间，并检测回归方程的显著性，如果回归显著，则继续下一步；如果回归不显著，则超帧错误；利用数据响应报文的接收时间和数据响应报文的时间戳计算超帧时间偏移值，并检验所述超帧时间偏移值是否为数据响应报文的接收时间的无偏估计；如果是，则认为无偏估计有效，说明超帧时间偏移在可接受误差范围内，超帧准确，否则认为无偏估计无效，超帧错误。

【技术特征摘要】
1.一种面向过程自动化工业无线网络的超帧测试方法，其特征在于，包括以下步骤：将测试系统和被测设备组建成单跳的星型结构或星型和网状结合的结构；利用时间同步命令帧使被测设备和测试系统同步，利用资源分配命令帧设定被测设备的超帧信息，使得被测设备能够进行连续收发；测试系统在每一个发送时隙周期性地发送数据请求报文，并等待ACK和数据响应报文；统计数据请求报文的发送时间和数据响应报文的响应时间戳，利用最小二乘法，根据回归方程计算数据响应报文的接收时间，并检测回归方程的显著性，如果回归显著，则继续下一步；如果回归不显著，则超帧错误；利用数据响应报文的接收时间和数据响应报文的时间戳计算超帧时间偏移值，并检验所述超帧时间偏移值是否为数据响应报文的接收时间的无偏估计；如果是，则认为无偏估计有效，说明超帧时间偏移在可接受误差范围内，超帧准确，否则认为无偏估计无效，超帧错误。2.根据权利要求1所述的面向过程自动化工业无线网络的超帧测试方法，其特征在于，所述被测设备包括路由设备和现场设备；其中，现场设备安装在工业现场，用于负责连接或控制生产过程；路由设备负责现场设备的管理和报文转发。3.根据权利要求1所述的面向过程自动化工业无线网络的超帧测试方法，其特征在于，所述测试系统在每一个发送时隙周期性地发送数据请求报文，并等待ACK和数据响应报文，如果测试系统收到数据响应报文，则认为是一次有效的数据访问过程；如果没有收到响应报文，则认为此次数据访问过程无效，不进行分析。4.根据权利要求1所述的面向过程自动化工业无线网络的超帧测试方法，其特征在于，所述被测设备的超帧中配置多条可连续收发的链路。5.根据权利要求1所述的面向过程自动化工业无线网络的超帧测试方法，其特征在于，所述回归方程为线性回归方程：其中，为y的最小二乘估计，y为数据响应报文的接收时间，x为数据请求报文的发送时间，

【专利技术属性】
技术研发人员：王恺，梁炜，张思超，张晓玲，孙浩，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21