CN101771597A - 一种用于现场级工业无线网络的多报文聚合传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于现场级工业无线网络的多报文聚合传输方法，包括以下步骤：构建由星型结构与网状结构结合的现场级工业无线网络；在现场级工业无线网络的路由设备中构建聚合对象，配置聚合对象的聚合周期；在上述网关设备中构建解聚对象；由现场级工业无线网络中的现场设备按需求采集应用数据，发出包含应用数据的报文；路由设备中的聚合对象收集并缓存聚合周期内的包含应用数据的报文进行聚合处理，形成聚合后的报文；路由设备将聚合后的报文发送到网关设备中的解聚对象；解聚对象对聚合后报文进行解聚处理，并分发给相应的用户应用程序。本发明在传输相同数量应用数据的情况下，减少报头通信开销，需要使用的无线报文数量大大减小。

Description

一种用于现场级工业无线网络的多报文聚合传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体地说是一种用于现场级工业无线网络的多报文聚合传输方法。

背景技术

与有线网络相比，无线网络具有布设快速、易于维护、高度灵活等优点。随着无线通信技术的成熟及构建相应网络成本的降低，工业网络无线化已成发展趋势。

工业现场监视、测量与控制工业过程的无线网络***简称为现场级工业无线网络。现场级工业无线网络的物理层和介质接入层一般基于国际电子与电气工程师协会无线个域网标准IEEE 802.15.4标准。在这类网络中，多数设备都由电池供电，以最节电的方式运行是设计这类网络协议的主要要求之一。

目前，现场级工业无线网络的主要目的是监视工业过程的一些相关参数。这些被监视的参数数据为应用数据。与完成文件、语音、图像传输的网络不同，现场级工业无线网络中，应用数据在一条无线报文中所占的比例很小，其长度一般为整条无线报文长度的5％到10％。这种报文结构导致网络中的报头通信开销极大，浪费了自身电能。

发明内容

针对现场级工业无线网络报头通信开销大的缺点，本发明要解决的技术问题是提供一种用于现场级工业无线网络的多报文聚合传输方法，应用于网状与星型结合的网络拓扑结构中，减小报头通信开销。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种用于现场级工业无线网络的多报文聚合传输方法包括以下步骤：

构建由星型结构与网状结构结合的现场级工业无线网络；

在现场级工业无线网络的路由设备中构建聚合对象，配置聚合对象的聚合周期；

在现场级工业无线网络的网关设备中构建解聚对象；

由现场级工业无线网络中的现场设备按需求采集应用数据，发出包含应用数据的报文；

路由设备中的聚合对象收集并缓存聚合周期内包含应用数据的报文，通过聚合处理，形成聚合后报文；

路由设备通过网状结构中的其他路由设备将聚合后的报文发送到网关设备中的解聚对象；

解聚对象对聚合后报文进行解聚处理，并分发给相应的用户应用程序。

所述现场级工业无线网络采用网状与星型结合的两层网络拓扑结构，其中第一层为网状结构，由网关设备及多个路由设备构成；第二层为星型结构，也称为簇，由上述每个路由设备及现场设备或手持设备构成。

所述构建聚合对象包括：

每一类用户应用对象建立一个聚合对象，具体为：现场级工业无线网络中主控计算机的组态软件首先根据用户需求配置用户应用对象，由网络管理者中的聚合管理对象配置路由设备中的网络管理代理，网络管理代理根据用户应用对象种类建立聚合对象。

所述聚合对象由预先配置相应大小的报文缓冲队列及完成聚合功能的程序构成。

所述配置聚合对象的聚合周期包括：

聚合周期设置为簇内用户应用对象的最小数据更新周期。

所述构建解聚对象包括：解聚对象由按聚合报文的最大长度设置的相应大小的聚合后报文缓冲区及完成解聚功能的程序构成。

所述聚合处理包括：

聚合对象在聚合周期内每收到的一条现场设备发送的报文后将之转换为聚合前报文，聚合前报文由数据源设备地址、应用对象标识和监控数据构成；

聚合对象使用多个聚合前报文生成聚合后报文，聚合后报文由两大部分构成：头部为设备聚合控制位，用于说明聚合报文中聚合的报文数量；聚合报文载荷由多个聚合前报文构成，即：设聚合后报文头部为设备聚合控制位，用于说明聚合报文中聚合的报文数量，聚合控制位设为聚合对象所记录的收到的现场设备报文数量；聚合报文载荷由多个聚合前报文构成，聚合对象依次提取报文缓冲区内的聚合前报文，将提取的第一条聚合前报文列于聚合控制位之后；随后提取的聚合前报文顺次排列；当包括聚合控制位及多个聚合前报文总长度小于预设的聚合后报文最大长度，且不能再增加下一条聚合前报文时，聚合对象将聚合控制位的值设置为已排列的聚合前报文数量，从而生成一条完整的聚合后报文。

所述解聚对象对聚合后报文进行解聚处理包括：

首先判断聚合后报文中的聚合控制位数值是否大于1；

当聚合控制位的数值大于1时，恢复聚合后报文，生成多个聚合前报文；

根据上述聚合前报文中的用户应用对象标识、源设备地址将各个应用数据分发给相应的用户应用进程。

当聚合控制位等于1时，由于聚合控制位后的报文不是经过聚合后的报文，所以解聚对象不需要完成上述恢复聚合前报文的过程。

本发明方法还包括以下步骤：

使用虚拟通信关系区分在聚合传输过程中，不同类用户应用对象所使用的通信资源；所述虚拟通信关系在网络中具有唯一的标识号，与该标识号相关联的属性有通信类型、通信端点、通信优先级。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.使用本发明方法可以在传输相同数量应用数据的情况下，减少报头通信开销。

2.本发明方法使网络中无线报文数量减少，增大了工业无线网络内能容纳的业务量。

3.本发明方法减少了工业无线网络中的无线报文发送数量，也减少了无线仪表的的能耗。

附图说明

图1为本发明方法采用的网络体系结构示意图；

图2为本发明方法中报文格式关系图；

图3A、3B为现场设备中有一个以上的用户应用对象时，聚合与解聚使用的虚拟通信关系示意图(一)、(二)；

图4为本发明采用的聚合方法流程图；

图5为本发明采用的解聚方法流程图。

具体实施方式

本发明方法应用于现场级工业无线网络中，包括以下步骤：

构建由星型结构与网状结构结合的现场级工业无线网络；

在现场级工业无线网络的路由设备中构建聚合对象，配置聚合对象的聚合周期；

在现场级工业无线网络的网关设备中构建解聚对象；

网络管理者配置现场设备中的用户应用对象、路由设备中的聚合对象、网关中的解聚对象间的虚拟通信关系；

由现场级工业无线网络中的现场设备按需求采集应用数据，发出包含应用数据的报文；

路由设备中的聚合对象收集并缓存聚合周期内的包含应用数据的报文进行聚合处理，形成聚合后报文；

路由设备通过网状结构中的其他路由设备将聚合后报文发送到网关设备中的解聚对象；

解聚对象对聚合后报文进行解聚处理，并分发给相应的用户应用程序。

本发明采用的网状与星型结合的两层网络拓扑结构，该网络涉及5类网络设备：

(1)主控计算机，指供用户管理和维护现场级工业无线网络的计算机；

(2)网关设备，指具有收发无线报文功能，与主控计算机相连的网络设备；

(3)路由设备，指具有发送和接收无线报文功能，同时可根据预设的路由表转发无线报文的网络设备；

(4)现场设备，指完成应用数据采集，具有收发无线报文功能，但不具备转发无线报文功能的无线仪表；

(5)手持设备，指用户临时访问现场级工业无线网络，完成现场维护与网络配置的接入设备。如果不作特殊声明，下文提到的现场设备包括手持设备。

本发明中的星型结构与网状结构结合的拓扑结构如图1所示，冗余网关、冗余路由设备分别对应于网关设备和路由设备的热备份。网络管理者、安全管理者、主控计算机、网关设备、冗余网关可通过有线或无线方式连接。网络管理者和安全管理者由虚框示出，代表它们可不作为一个单独的物理实体存在。本实施例的网络中设有4个路由设备，形成了网状结构，再以每个路由设备为中心节点，与周围的现场设备形成星型结构，也称为簇。

聚合与解聚过程需要以下实体参与完成：

(1)现场设备应用对象，指现场设备协议栈软件中实现的一个或多个完成用户指定监视某参数的软件模块。

(2)路由设备聚合对象，指路由设备协议栈软件中实现的处理聚合前报文，生成聚合后报文的软件模块。

(3)网关设备中的解聚对象，指网关设备协议栈软件中实现的解聚聚合后报文，恢复并分发聚合前报文的软件模块。

(4)聚合管理对象，指网关设备协议栈软件中实现的完成网络管理模块，配置路由设备中的聚合对象。

(5)网络管理代理，指路由设备协议栈软件中的网络管理模块，负责管理簇内的路由设备和现场设备。

在聚合与解聚过程运行之前，聚合管理对象要配置以下内容：

(1)聚合对象，如果使用聚合功能，网络管理代理(NMA)要根据聚合管理对象的命令生成相应的聚合对象。

(2)聚合周期，聚合对象以聚合周期为时间间隔重复报文聚合行为。

(3)虚拟通信关系(VCR)，虚拟通信关系(VCR)规定了通信类型、通信端点、通信优先级等；通过虚拟通信关系(VCR)标识符可区分不同用户应用对象所使用的通信资源。

所述构建聚合对象包括：

每一类用户应用对象建立一个聚合对象，具体为：现场级工业无线网络中主控计算机的组态软件首先根据用户需求配置用户应用对象，由网络管理者中的聚合管理对象配置路由设备中的网络管理代理(NMA)，网络管理代理获取簇内的用户应用对象种类，然后根据用户应用对象种类建立聚合对象，簇内有一类用户应用对象就建立一个聚合对象。

所述聚合对象由根据最大可聚合报文数量设置的相应大小的报文缓冲队列及完成聚合功能的程序构成。

所述配置聚合对象的聚合周期为：聚合周期设置为簇内用户应用对象的最小数据更新周期。

所述构建解聚对象包括：解聚对象由按聚合后报文的最大长度所设置的报文缓冲区及完成解聚功能的程序构成。

所述聚合处理过程如图4所示。

路由设备中的聚合对象接收现场设备发出的报文，并缓存于预先设置的缓冲区队列中。之后，聚合对象将收到的报文转换为聚合前报文；聚合前报文由数据源设备地址、应用对象标识和应用数据构成；如果被转换的报文为缓冲队列中第一条聚合前报文，聚合对象将报文缓冲区中的第一个字节设置为聚合控制位，并将其值初始化为1，同时设置接收报文计数器，将其值初始化为1；将所接收到的第一条聚合前报文加至报文缓冲区的聚合控制位后，返回缓存现场设备发出的报文步骤；如果聚合对象收到的不是第一条报文，聚合对象将接收报文计数器的值加1，将聚合前报文加至当前聚合后报文的尾部；如果此时聚合后报文的长度还可以加入新的聚合前报文，则返回缓存现场设备发出的报文步骤，聚合对象可以重复完成上述的对现场设备报文的处理过程；如果此时聚合后报文的长度已不能加入新的聚合前报文，则将聚合后报文缓冲区中的聚合控制位设置为当前接收报文计数器的值。至此，聚合对象生成一条完整的聚合后报文。

所述解聚对象对聚合后报文进行解聚处理过程如图5所示。

首先取出聚合后报文中的聚合控制位，判断聚合控制位数值是否大于1；

当聚合控制位的数值大于1时，恢复聚合后报文，生成聚合前报文并根据上述聚合前报文中的用户应用对象标识、源设备地址将各个应用数据分发给相应的用户应用程序。

当聚合控制位的数值等于1时，解聚对象不需要恢复聚合后报文，直接取出聚合控制位后报文发送给用户应用程序。

如图2所示，为从现场设备发出的原始报文到生成聚合后报文过程示意图。现场设备发出的报文由报头、用户应用对象标识、应用数据构成。聚合对象对现场设备发出的报文进行处理，得到聚合前报文，聚合前报文由源设备地址、用户应用对象标识、应用数据构成。其中源设备地址取自现场设备发出的报文的报头部分。聚合对象得到N个聚合前报文后，生成聚合后报文。聚合后报文由聚合控制位、目的设备地址和N个聚合前报文构成。

如图3A、3B所示，给出了每个现场设备中具有一个以上用户应用对象时所采用的聚合传输方法。在这种情况下，聚合传输需要使用虚拟通信关系(VCR)来区分不同的用户应用对象数据。图3A、3B中的现场级工业无线网络作为一个实施例由两个现场设备A和B、一个路由设备R、一个网关GW、一个主控计算机构成。现场设备A有两个用户应用对象，即用户应用对象a1和用户应用对象a2；现场设备B有两个用户应用对象，即用户应用对象b1和用户应用对象b2。

在使用本发明聚合传输方法之前，主控计算机的组态软件首先根据用户需求配置用户应用对象a1，用户应用对象a2，用户应用对象b1，用户应用对象b2。这一过程通过网络管理者中的聚合管理对象完成。这里假设用户应用对象a1和用户应用对象a2的数据更新周期配置为1秒，用户应用对象b1和用户应用对象b2的数据更新周期配置为4秒；

报文聚合步骤如下：

(1)网络管理者中通过聚合管理对象配置路由设备R中的网络管理代理NMA，网络管理代理NMA建立两个聚合对象，即聚合对象AGO1和聚合对象AGO2；与聚合对象AGO1和聚合对象AGO2对应，网关设备中设置两个解聚对象DAGO1和DAGO2，分别负责解开聚合对象AGO1和聚合对象AGO2聚合后的报文。

(2)在收到配置信息后，现场设备A、B与路由设备R之间共建立四个VCR：A_vcr1，B_vcr1，A_vcr2，B_vcr2。其中，A_vcr1的端点分别为用户应用对象a1和AGO1，B_vcr1的端点分别为用户应用对象b1和聚合对象AGO1，A_vcr2的端点分别为用户应用对象a2和聚合对象AGO2，B_vcr2的端点分别为用户应用对象b2和聚合对象AGO2；

(3)在簇内VCR的建立过程后，路由设备R和网关设备GW间建立VCR1和VCR2两个簇间VCR。其中，VCR1的端点分别为聚合对象AGO1和解聚对象DAGO1，VCR2的端点分别为聚合对象AGO2和解聚对象DAGO2；

(4)在所有的数据VCR均建立完成后，网络管理者通过聚合管理对象开始配置聚合周期。由于用户应用对象a1、用户应用对象a2、用户应用对象b1以及用户应用对象b2的最小数据更新周期为1秒，聚合对象AGO1和聚合对象AGO2的聚合周期配置为1秒；

(5)路由设备每秒完成一次报文转发动作。在1秒的时间间隔中，路由设备缓存收到的报文，并按图2中的聚合前报文格式生成聚合前报文。当1秒时间到时，将所有收到的聚合前报文聚合成一条聚合后报文。图2中，说明了本发明所使用的聚合后报文结构。聚合后的应用层报文由聚合控制位和N个聚合前报文组成。其中每个聚合前报文由源设备地址、用户应用对象标识和应用数据构成。

Claims (11)

1.一种用于现场级工业无线网络的多报文聚合传输方法，其特征在于包括以下步骤：

构建由星型结构与网状结构结合的现场级工业无线网络；

在现场级工业无线网络的路由设备中构建聚合对象，配置聚合对象的聚合周期；

在现场级工业无线网络的网关设备中构建解聚对象；

由现场级工业无线网络中的现场设备按需求采集应用数据，发出包含应用数据的报文；

路由设备中的聚合对象收集并缓存聚合周期内的包含应用数据的报文进行聚合处理，形成聚合后的报文；

路由设备通过网状结构中的其他路由设备将聚合后的报文发送到网关设备中的解聚对象；

解聚对象对聚合后报文进行解聚处理，并分发给相应的用户应用程序。

2.按权利要求1所述的用于现场级工业无线网络的多报文聚合传输方法，其特征在于：星型结构与网状结构采用网状与星型结合的两层网络拓扑结构，其中第一层为网状结构，由网关设备及多个路由设备构成；第二层为星型结构，也称为簇，由上述每个路由设备及现场设备或手持设备构成。

3.按权利要求1所述的用于现场级工业无线网络的多报文聚合传输方法，其特征在于所述构建聚合对象包括：

每一类用户应用对象建立一个聚合对象，具体为：现场级工业无线网络中主控计算机的组态软件首先根据用户需求配置用户应用对象，由网络管理者中的聚合管理对象配置路由设备中的网络管理代理，网络管理代理根据用户应用对象种类建立聚合对象。

4.按权利要求3所述的用于现场级工业无线网络的多报文聚合传输方法，其特征在于所述聚合对象由根据最大可聚合报文数量设置的相应大小的报文缓冲队列及完成聚合功能的程序构成。

5.按权利要求1所述的用于现场级工业无线网络的多报文聚合传输方法，其特征在于所述配置聚合对象的聚合周期包括：

聚合周期设置为簇内用户应用对象的最小数据更新周期。

6.按权利要求1所述的用于现场级工业无线网络的多报文聚合传输方法，其特征在于所述构建解聚对象包括：解聚对象由按聚合报文的最大长度设置相应大小的聚合后报文缓冲区及完成解聚功能的程序构成。

7.按权利要求1所述的用于现场级工业无线网络的多报文聚合传输方法，其特征在于所述聚合处理包括：

聚合对象在聚合周期内每收到的一条现场设备发送的报文转换为聚合前报文；聚合对象使用多个聚合前报文组合生成聚合后报文。

8.按权利要求7所述的用于现场级工业无线网络的多报文聚合传输方法，其特征在于所述聚合前报文由数据源设备地址、应用对象标识和监控数据构成；

9.按权利要求7所述的用于现场级工业无线网络的多报文聚合传输方法，其特征在于所述聚合后报文由两部分构成：头部为设备聚合控制位，用于说明聚合报文中聚合的报文数量；聚合后报文载荷由多个聚合前报文构成，即：设聚合后报文头部为设备聚合控制位，用于说明聚合报文中聚合的报文数量，聚合控制位设为聚合对象所记录的收到的现场设备报文数量；聚合报文载荷由多个聚合前报文构成；聚合对象依次提取报文缓冲区内的聚合前报文，将提取的第一条聚合前报文列于聚合控制位之后；随后提取的聚合前报文顺次排列；当包括聚合控制位及多个聚合前报文总长度小于预设的聚合后报文最大长度，且不能再增加下一条聚合前报文时，聚合对象将聚合控制位的值设置为已排列的聚合前报文数量，从而生成一条完整的聚合后报文。

10.按权利要求1所述的用于现场级工业无线网络的多报文聚合传输方法，其特征在于所述解聚对象对聚合后报文进行解聚处理包括：

首先判断聚合后报文中的聚合控制位数值是否大于1；

当聚合控制位的数值大于1时，恢复聚合后报文，生成多个聚合前报文；

根据上述聚合前报文中的应用对象标识、源设备地址将各个应用数据分发给相应的用户应用进程。

当聚合控制位等于1时，由于聚合控制位后的报文不是经过聚合后的报文，所以解聚对象不需要完成上述恢复聚合后报文的过程。

11.按权利要求1所述的用于现场级工业无线网络的多报文聚合传输方法，其特征在于还包括以下步骤：

使用虚拟通信关系区分在聚合传输过程中不同类用户应用对象所使用的通信资源；所述虚拟通信关系在网络中具有唯一的标识号，与该标识号相关联的属性有通信类型、通信端点、通信优先级。

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