一种基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４的工业无线通信方法技术

本发明专利技术涉及一种基于ＩＥＥＥ？８０２．１５．４的工业无线通信方法，包括以下步骤：将工业无线网络中的各种设备搭建成网状及星型混合拓扑结构；建立基于ＩＥＥＥ？８０２．１５．４的工业无线通信协议栈模型；基于上述拓扑结构和协议栈模型定义基于ＩＥＥＥ？８０２．１５．４的超帧结构；基于上述协议栈模型定义帧结构；基于协议栈模型及超帧结构和帧结构实现工业无线通信过程。本发明专利技术方法采用网状及星型混合拓扑结构，通过星型结构简化了网络结构，降低了维护和管理的难度，提高了系统的灵活性，利用网状结构，提高了网络的可靠性；充分利用了ＩＥＥＥ？８０２．１５．４的优势，提高了系统的兼容性，保护了已有投资，通过扩展满足了工业应用的要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线通信技术，具体地说明是一种基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通 信方法。
技术介绍
与有线网络相比，无线网络具有无需布线、易于维护、高度灵活、快速实施等特点， 对于工业应用而言这无疑是一个巨大的优势。随着无线通信技术的成熟与成本的降低，工 业网络无线化已成为趋势之一，一个典型的工业无线测控网络如图1所示，大量的无线传 感器节点分布在工业现场的各个监测点上，这些节点与具有路由功能的节点共同形成网 络，并将现场监测数据以多跳的方式传送回网关设备节点。工业网络无线化带来便利的同 时，工业应用对无线网络提出了更为严格的可靠性、实时性和节能性要求。在可靠性方面， 工业现场环境下，窄带多频噪声、共存网络干扰和多途效应，使得利用稀缺的信道资源实现 可靠通信成为急需解决的难题；在实时性方面，工业对实时性的要求较其它应用更为严格， 微小的延迟都会造成重大事故，具有硬实时保证的通信是工业的基本要求；在节能性方面， 低能耗是保证设备长期运行、降低维护成本的关键，也是工业应用的又一要求，特别是对电 源更换困难的设备而言。 在目前的无线通信标准中，IEEE 802. 15. 4以其低功耗、低成本和简单灵活等特 点，最有希望地成为无线传感器网络底层通信协议的无线标准。无线传感器网络，特别是 工业无线网络已经成为IEEE 802. 15. 4的主要市场对象。而目前无线HART和ISA SPlOO 等已经发布和正在征求意见的工业无线网络标准中的介质访问控制机制都不是基于IEEE 802. 15.4介质访问控制(MAC)协议的。为此，需要设计一种专用面向工业监测应用、基于 IEEE802. 15. 4的无线通信方法，而目前上述所需的无线通信方法尚未见报道。
技术实现思路
针对现有技术中存在的现有工业无线网络的介质访问控制技术对IEEE802. 15. 4 的不兼容的缺陷，本专利技术要解决的技术问题是供一种可提高系统的兼容性的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法。 为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是 本专利技术一种基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法包括以下步骤 将工业无线网络中的各种设备搭建成网状及星型混合拓扑结构； 建立基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信协议栈模型； 基于上述拓扑结构和协议栈模型定义基于IEEE 802. 15. 4的超帧结构； 基于上述协议栈模型定义帧结构； 基于协议栈模型及超帧结构和帧结构实现工业无线通信过程。 所述网状及星型混合拓扑结构为 星型网络由路由设备节点和现场设备节点构成，又称为簇；现场设备节点之间不直接通信，现场设备节点只和一个路由设备节点通信； 网状网络由路由设备节点、网关设备节点及上位机构成；路由设备节点至少和 一个现场设备节点通信，和网关设备通信或者至少和一个其它路由设备节点通信，上位机 和网关设备通信； 其中，上位机为用户及管理者提供与工业无线网络交互的平台；网关设备提供工业无线网络与其他工业网络之间的接口 ；路由设备完成网络互连、现场设备数据的简单处理和局部的网络管理功能；现场设备将传感器或执行器接入工业无线网络。 本专利技术还可具有手持设备，为用户临时访问工业无线网络的接入设备，用于现场维护与网络配置。 所述通信协议栈模型由物理层、介质访问控制层和数据链路子层组成，其中物理 层和介质访问控制层，分别采用IEEE 802. 15. 4的物理层和介质访问控制层，数据链路子 层对介质访问控制层的超帧进行了扩展，负责扩展所需要的通信资源分配、信息库的维护。 所述超帧结构具体结构包括信标帧阶段、竞争访问阶段、非竞争访问阶段、簇内通 信阶段、簇间通信阶段和休眠阶段；其中信标帧用于时隙同步，发布超帧信息；竞争访问阶 段用于设备加入和簇内管理，采用时隙载波监听多路访问/冲突避免CSMA/CA方法进行通 信；非竞争访问阶段用于紧急通信、移动设备与簇首间通信，由路由设备自主分配，采用时 分多址TDMA方法进行通信；簇内通信阶段是非竞争访问阶段的扩展，用于簇内通信，簇间通信阶段用于簇间通信和管理；簇内通信阶段和簇间通信阶段都采用时分多址方法和时隙 跳频方式进行通信，通信资源以〈信道、时隙 > 的形式写到设备中。 所述每个超帧的属性包括超帧号、最大数据更新周期与超帧长度的比值、超帧长 度、超帧激活标志和超帧激活的绝对时隙号；超帧中每个时隙所对应的链路属性包括链路 号、邻居号、链路类型、链路特性、时隙类型、相对时隙号、链路数据周期与超帧长度的比值、 超帧号。 不同星型网络的信标帧时隙和活动期采用不同信道；如果信道不足，则不同的信 标帧时隙和活动期采用时分策略。 所述基本超帧长度为32个时隙，超帧长度为基本超帧长度的2N倍，N为正整数； 超帧长度由数据的更新周期决定。 所述信标帧的载荷包括星型网络ID、网络的绝对时隙号和下一个超帧周期Active阶段所用信道；网关设备和路由设备发送信标帧，但不转发信标帧；网关设备节点发送信标帧，用于其邻居路由设备的时间同步和加入以及网关设备超帧信息的广播；路由设备发送信标帧，用于其下属现场设备的加入和时间同步以及路由设备超帧信息的广播。 基于协议栈模型及超帧结构和帧结构实现工业无线通信的过程为 在网状网络内，路由设备通过IEEE 802. 15. 4介质访问控制层的关联(Associate)服务向相邻的路由设备或者网关设备发起加入网络；如果向网关设备发起加入，则网关设备通过对超帧和链路操作的命令帧将超帧和链路分配给该路由设备，该路由设备正常工作；如果向相邻的路由设备发起加入，邻近路由设备则通过数据链路子层的转发加入请求和转发加入响应命令帧逐跳转发加入请求和响应，并通过对超帧和链路操作的命令帧将超帧和链路分配给新加入的路由设备，新加入的路由设备可正常工作； 在星型网络中，现场设备通过IEEE 802. 15. 4介质访问控制层的关联(Associate)服务加入网络，路由设备通过介质访问控制层的有保证时隙管理服务为现场 设备分配非竞争阶段的通信资源，并通过对超帧和链路操作的命令帧将簇内通信阶段的通 信资源分配给现场设备，现场设备开始工作； 新加入网络设备通过信标帧进行时间同步，已加入网络设备通过时间同步命令帧 进行时间同步。 所述帧结构由IEEE 802. 15. 4物理层帧头、IEEE 802. 15. 4介质访问控制帧头、数 据链路子层帧控制、数据链路子层载荷和FCS组成，其中，数据链路子层帧控制域具体包括 帧类型、时钟接收者、安全使能和MIC选项；数据链路子层的帧分为数据帧和命令帧两种。 所述命令帧包括转发加入请求命令帧、转发加入响应命令帧、超帧增加请求命令 帧、超帧更新请求命令帧、超帧释放请求命令帧、链路增加请求命令帧、链路更新请求命令 帧、链路释放请求命令帧、时间同步命令帧以及链接保持命令帧 所述命令帧具体形式为 转发加入请求命令帧以广播的方式发送，命令帧的载荷域填充发起加入请求的新 设备的物理地址和设备能力信息；每个路由设备收到后重新封装和广播该命令帧，直到网 关设备收到该命令帧； 转发加入请求响应帧以广播的方式发送，命令帧的载荷域填充发起加入请求的新路由设备的物理地址、网关设本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４的工业无线通信方法，其特征在于包括以下步骤：将工业无线网络中的各种设备搭建成网状及星型混合拓扑结构；建立基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４的工业无线通信协议栈模型；基于上述拓扑结构和协议栈模型定义基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４的超帧结构；基于上述协议栈模型定义帧结构；基于协议栈模型及超帧结构和帧结构实现工业无线通信过程。

【技术特征摘要】
一种基于IEEE 802.15.4的工业无线通信方法，其特征在于包括以下步骤将工业无线网络中的各种设备搭建成网状及星型混合拓扑结构；建立基于IEEE 802.15.4的工业无线通信协议栈模型；基于上述拓扑结构和协议栈模型定义基于IEEE 802.15.4的超帧结构；基于上述协议栈模型定义帧结构；基于协议栈模型及超帧结构和帧结构实现工业无线通信过程。2. 按权利要求1所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法，其特征在于所述 网状及星型混合拓扑结构为星型网络由路由设备节点和现场设备节点构成，又称为簇；现场设备节点之间不直 接通信，现场设备节点只和一个路由设备节点通信；网状网络由路由设备节点、网关设备节点及上位机构成；路由设备节点至少和一个 现场设备节点通信，和网关设备通信或者至少和一个其它路由设备节点通信，上位机和网 关设备通信；其中，上位机为用户及管理者提供与工业无线网络交互的平台；网关设备提供工业无 线网络与其他工业网络之间的接口 ；路由设备完成网络互连、现场设备数据的简单处理和 局部的网络管理功能；现场设备将传感器或执行器接入工业无线网络。3. 按权利要求2所述的的基于IEEE 802. 15.4的工业无线通信方法，其特征在于还 可具有手持设备，为用户临时访问工业无线网络的接入设备，用于现场维护与网络配置。4. 按权利要求1所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法，其特征在于所述 通信协议栈模型由物理层、介质访问控制层和数据链路子层组成，其中物理层和介质访问 控制层，分别采用IEEE 802. 15. 4的物理层和介质访问控制层，数据链路子层对介质访问 控制层的超帧进行了扩展，负责扩展所需要的通信资源分配、信息库的维护。5. 按权利要求1所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法，其特征在于所述 超帧结构具体结构包括信标帧阶段、竞争访问阶段、非竞争访问阶段、簇内通信阶段、簇间 通信阶段和休眠阶段；其中信标帧用于时隙同步，发布超帧信息；竞争访问阶段用于设备 加入和簇内管理，采用时隙载波监听多路访问/冲突避免方法进行通信；非竞争访问阶段 用于紧急通信、移动设备与簇首间通信，由路由设备自主分配，采用时分多址方法进行通 信；簇内通信阶段是非竞争访问阶段的扩展，用于簇内通信，簇间通信阶段用于簇间通信和 管理；簇内通信阶段和簇间通信阶段都采用时分多址方法和时隙跳频方式进行通信，通信 资源以〈信道、时隙 > 的形式写到设备中。6. 按权利要求5所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法，其特征在于所述 每个超帧的属性包括超帧号、最大数据更新周期与超帧长度的比值、超帧长度、超帧激活 标志和超帧激活的绝对时隙号；超帧中每个时隙所对应的链路属性包括链路号、邻居号、链 路类型、链路特性、时隙类型、相对时隙号、链路数据周期与超帧长度的比值、超帧号。7. 按权利要求5所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法，其特征在于不同 星型网络的信标帧时隙和活动期采用不同信道；如果信道不足，则不同的信标帧时隙和活动期采用时分策略。8. 按权利要求5所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法，其特征在于所述 基本超帧长度为32个时隙，超帧长度为基本超帧长度的2M咅，N为正整数；超帧长度由数据的更新周期决定。9. 按权利要求5所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法，其特征在于所述 信标帧的载荷包括星型网络ID、网络的绝对时隙号和下一个超帧周期Active阶段所用信 道；网关设备和路由设备发送信标帧，但不转发信标帧；网关设备节点发送信标帧，用于其 邻居路由设备的时间同步和加入以及网关设备超帧信息的广播；路由设备发送信标帧，用 于其下属现场设备的加入和时间同步以及路由设备超帧信息的广播。10. 按权利要求1所述的基于IEEE 802. 15. 4的工业无线通信方法，其特征在于基于协议栈模型及超帧结构和帧结构实现工业无线通信的过程为在网状网络内，路由设备通过IEEE 802. 15. 4介质访问控制层的关联(Associate...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁炜，曾鹏，于海斌，张晓玲，杨志家，徐皑冬，
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：89[中国|沈阳]