CN102857935A - 用于增强无线网状网络通信的器件和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于增强无线网状网络通信的器件和方法，其中，无线网状网络包含至少一个数据收集装置(105)。无线网状网络还包含可操作地彼此耦合并且耦合到至少一个数据收集装置的多个定向天线(280)。无线网状网络配置为以大致250千比特每秒(Kbits/sec)或更低的数据速率、并且以大致2.4千兆赫(GHz)或更低的频率来传送信息。

Description

用于增强无线网状网络通信的器件和方法

技术领域

本文描述的实施例通常涉及无线通信，并且更特别地，涉及用于增强经由无线网状网络传送的通信的方法和器件。

背景技术

许多已知的通信网络配置为无线网状网络(Wireless MeshNetwork，WMN)。这样的WMN包含以网状拓扑组织的多个无线电节点。至少一些已知的WMN是无线宽带网络，有时称为Wi-Fi网络，其使用电气和电子工程师协会(IEEE)标准802.16^TM。这样的Wi-Fi网络以超过10兆比特每秒(Mbits/sec)传送大量信息并且操作于超过2.4千兆赫(GHz)的频率范围内。而且，这样的Wi-Fi网络使用全向天线、定向天线、或其组合，并且已知具有相对高的功耗率，例如，超过400毫安(mA)每网络装置。

此外，至少一些已知的WMN使用

规格或WirelessHART^TM标准，两者都基于用于低速率无线网络的IEEE标准802.15.4^TM。这样的低速率无线网络传送相对少量的信息，例如，大致250千比特每秒(Kbits/sec)或更少。这样的低速率无线网络以大致2.4千兆赫(GHz)或更低的频率操作。同样，与Wi-Fi网络相比，这样的低速率无线网络具有相对低的功耗率，例如少于50mA每装置。

对于更昂贵的Wi-Fi网络这样的低速率无线网络是复杂度更低、具有成本效益的替代品，并且用于网络业务典型地限于传感器信息的工业设施中。然而，这样的已知的低速率无线网络排他地使用全向天线。这样的全向天线具有大致25米(m)(82英尺(ft))的范围。此外，很多工业设施安置在具有崎岖地形的区域中，并且可能要求大量的全向天线，每个放置在彼此之间50m之内，由此增加了安装的复杂性和成本。而且，一些极其崎岖的地带可能实质上排除全向天线的使用。

发明内容

在一个方面，提供一种无线网状网络。无线网状网络包含至少一个数据收集装置。无线网状网络还包含多个定向天线，其可操作地(operatively)彼此耦合并耦合到该至少一个数据收集装置。无线网状网络配置为以大致250千比特每秒(Kbits/sec)或更低的数据速率、并且以大致2.4千兆赫(GHz)或更低的频率传送信息。

在另一方面，提供一种组装网络的方法。该方法包含提供至少一个数据收集装置以及提供多个定向天线。该方法还包含将多个定向天线中的至少一个可操作地耦合到该至少一个数据收集装置。该网络配置为以大致250千比特每秒(Kbits/sec)或更低的数据速率、并且以大致2.4千兆赫(GHz)或更低的频率传送信息。

在又一方面，提供一种监测***。监测***包含至少一个传感器测量装置和至少一个数据收集装置。监测***还包含耦合到该至少一个数据收集装置和该至少一个传感器测量装置的无线网状网络。无线网状网络包含多个定向天线，其可操作地彼此耦合并且耦合到该至少一个数据收集装置。无线网状网络配置为以大致250千比特每秒(Kbits/sec)或更低的数据速率、并且以大致2.4千兆赫(GHz)或更低的频率传送信息。

附图说明

通过结合附图参考以下描述可以更好地理解本文所描述的实施例。

图1是可以用于监测和/或控制机器的操作的示范性的计算装置的框图。

图2是示范性的机器监测***的框图，该***包含机器控制器以及经由网络的一部分在通信上耦合的设施控制器。

图3是图2所示出的机器监测***的示意图。

图4是可以与图3所示出的监测***一起使用的多个示范性的全向天线的示意图。

图5是可以与图3所示出的监测***一起使用的多个定向天线的示意图。

图6是将图4所示出的全向天线和图5所示出的定向天线集成在图2所示出的监测***的示意图。

图7是组装图6所示出的网络的示范性的方法的流程图。

具体实施方式

图1是可以用于监测和/或控制机器(在图1中未示出)的操作的示范性的计算装置105的框图。在一些实施例中，计算装置105是数据收集装置。计算装置105包含存储器装置110和可操作地耦合到存储器装置110用于执行指令的处理器115。在一些实施例中，可执行指令存储于存储器装置110中。计算装置105配置为通过编程处理器115来进行本文所描述的一个或多个操作。例如，处理器115可以通过将操作编码为一个或多个可执行指令以及在存储器装置110中提供可执行指令来编程。处理器115可包含一个或多个处理单元(例如，在多核配置中)。

在示范性的实施例中，存储器装置110是使能信息(例如可执行指令和/或其它数据)的存储和取回的一个或多个装置。存储器装置110可以包含一个或多个计算机可读介质，例如但不限于，随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、固态盘、硬盘、只读存储器(ROM)、可擦除可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)和/或非易失性RAM(NVRAM)存储器。上述存储器类型只是示范性的，因此并不限制可用于存储计算机程序的存储器的类型。

另外，如本文所使用的，术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包含存储在存储器中用于由个人计算机、工作站、客户端和服务器来执行的任何计算机程序。

存储器装置110可以配置为存储操作的测量，包含但不限于，振动读数、场电压和电流读数、场参考设置点、定子电压和电流读数、转子速度读数、维护任务和/或任何其它类型的数据。在一些实施例中，处理器115基于数据的年龄从存储器装置110移除或“清除”数据。例如，处理器115可覆写以前记录并存储的与后续的时间和/或事件关联的数据。此外或备选地，处理器115可移除超出预定时间间隔的数据。

在一些实施例中，计算装置105包含耦合到处理器115的呈现接口(presentation interface)120。呈现接口120呈现信息(例如用户接口和/或警报)给用户125。例如，呈现接口120可包含可以耦合到显示装置(未示出)的显示适配器(未示出)，该显示装置例如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、有机LED(OLED)显示器和/或“电子墨”显示器。在一些实施例中，呈现接口120包含一个或多个显示装置。此外或备选地，呈现接口120可包含音频输出装置(未示出)(例如，音频适配器和/或扬声器)和/或打印机(未示出)。在一些实施例中，呈现接口120例如通过使用人机接口(HMI)(未示出)来呈现与同步机器(在图1中未示出)关联的警报。

在一些实施例中，计算装置105包含用户输入接口130。在示范性实施例中，用户输入接口130耦合到处理器115并接收来自用户125的输入。用户输入接口130可包含例如键盘、指向装置、鼠标、触屏笔、触敏面板(例如，触摸板或触摸屏)、陀螺仪、加速表、位置检测器和/或音频输入接口(例如，包含麦克风)。例如触摸屏等单个部件可作为用户输入接口130和呈现接口120的显示装置起作用。

通信接口135耦合到处理器115并且配置为与一个或多个其它装置(例如传感器或其它计算装置105)在通信上耦合，并且配置为相对于这样的装置进行输入和输出操作。例如，通信接口135可包含但不限于，有线网络适配器、无线网络适配器、移动电信适配器、串行通信适配器和/或并行通信适配器。通信接口135可以从一个或多个远程装置接收数据和/或传送数据到一个或多个远程装置。例如，一个计算装置105的通信接口135可传送警报到另一计算装置105的通信接口135。

呈现接口120和/或通信接口135都能够提供适于与本文所描述的方法一起使用的信息(例如，给用户125或另一装置)。因此，呈现接口120和通信接口135可以称作输出装置。类似地，用户输入接口130和通信接口135能够接收适于与本文所描述的方法一起使用的信息并且可以称为输入装置。

图2是可以用于监测和/或操作机器205的示范性***200的框图。在一些实施例中，***200是数据采集***(DAS)和/或监控与数据采集***(SCADA)中的一个。机器205可以是用于任何工业过程的任何工业设备，包含但不限于，化学过程反应器、热恢复蒸汽发生器、蒸汽涡轮机、燃气涡轮机、开关场断路器以及开关场变压器。在示范性实施例中，机器205是更大的集成工业设施208的一部分。设施208可包含但不限于机器205的多个单元。而且，在示范性实施例中，设施208包含崎岖的地理地带，包含但不限于，多山地带和延伸的水道(未示出)。另外，在示范性实施例中，***200包含机器控制器210和设施控制器215，其经由网络220在通信上彼此耦合。

在示范性实施例中，网络220是无线电网状网络，或更具体地，是使用

规格的低速率无线网状网络(WMN)。

是美国加利福尼亚州圣拉蒙的ZigBee联盟的注册商标。备选地，网络220是使用基于可寻址远程传感器高速通道

协议的WirelessHART^TM标准的低速率WMN。WirelessHART^TM是商标，并且

是美国德克萨斯州奥斯汀的HART通信基金会的注册商标。WirelessHAR^TM标准和

规格都基于电气和电子工程师协会(IEEE)标准802.15.4^TM。备选地，使用使能如本文所描述的网络220的操作的基于IEEE标准802.15.4^TM的任何低速率规格、标准、和/或协议。IEEE标准802.15.4^TM是美国新泽西州皮斯卡塔韦的IEEE标准协会的商标。

低速率无线网络220传送相对少量的信息，即，大致或少于250千比特每秒(Kbits/sec)并且以大致或少于2.4GHz的频率。网络220的实施例可以包含但不限于，互联网、局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线局域网(WLAN)和/或虚拟专用网(VPN)。虽然相对于特定的计算装置105在下面描述某些操作，但预计任何计算装置105可进行一个或多个所描述的操作。例如，控制器210和控制器215可进行以下所有的操作。

参考图1和图2，机器控制器210和设施控制器215是计算装置105。在示范性实施例中，每个计算装置105经由通信接口135耦合到网络220。在备选实施例中，控制器210与控制器215一起集成。

控制器210与第一操作员225交互(例如，经由用户输入接口130和/或呈现接口120)。例如，控制器210可呈现关于机器205的信息(例如警报)给操作员225。设施控制器215与第二操作员230交互(例如，经由用户输入接口130和/或呈现接口120)。例如，设施控制器215可以呈现警报和/或维护任务给第二操作员230。如本文所使用的，术语“操作员”包含具有与操作和维护设施208关联的任何能力的任何人，包含但不限于，移位操作人员、维修技师以及设施监事。

机器205包含一个或多个监测传感器235。在示范性实施例中，监测传感器235收集操作的测量，包含但不限于，振动读数、场电压和电流读数、场参考设置点、定子电压和电流读数、转子速度读数、维护任务和/或任何其它类型的数据。监测传感器235重复地(例如，周期性地、持续地、和/或基于请求地)传送当前时间的操作的测量读数。例如，监测传感器235可产生在最小值(例如，4毫安(ma))和最大值(例如，20ma)之间的电流。最小值表示没有检测到场电流的指示。最大值表示检测出场电流的最高可检测量的指示。控制器210接收并处理操作的测量读数。

设施208包含与监测传感器235类似的额外的监测传感器(未示出)来收集与设施208的剩余部分关联的操作的数据测量，包含但不限于，来自冗余机器205的数据和设施环境数据，包含但不限于，本地风速、本地风速度以及本地室外温度。这样的数据跨网络220传送并且可以由能够访问网络220的任何装置访问，该装置包含但不限于，台式计算机、膝上计算机以及个人数字助理(PDA)(均未示出)。

图3是机器监测***200的示意图。在示范性实施例中，计算装置105是机器控制器210和/或设施控制器215中的一个。而且，在示范性实施例中，每个计算装置105经由通信接口135耦合到网络220。网络220包含网关装置250，其中装置250是使能在如本文所描述的网络220中通信的任何网关装置，包含但不限于，路由器、调制解调器以及交换机。网络220也包含无线网状网络220的第一部分260。第一部分260包含多个具有至少一个全向天线265(即OARDN 265)的无线电数据节点。每个OARDN 265是一个通信节点，并且更具体地，是中继器装置中的一个，以及在示范性实施例中是全向无线传感器接口模块(wSIM)。备选地，每个OARDN 265是任何全向无线传感器接口装置。至少一个OARDN 265与网关装置250在通信上可操作地耦合。

图4是可以与监测***200一起使用的多个OARDN 265的示意图。每个OARDN 265与至少一个邻近的OARDN 265在通信上可操作地耦合。而且，每个OARDN 265具有如范围圆270所指示的大致25米(m)(82英尺(ft))的范围，以致定义了重叠区域275。因此，在邻近OARDN 265之间的操作的距离大致是50m(164ft)或更少。

图5是具有至少一个定向天线280(即DARDN 280)的可以与监测***200一起使用的多个无线电数据节点的示意图。DARDN 280定义了网络220的第二部分285。每个DARDN 280与反向并邻近的DARDN 280在通信上可操作地耦合。而且，每个DARDN 280具有如范围椭圆290所指示的大致100m(328ft)到175m(574ft)的范围，以致定义了重叠区域295。这样的范围与邻近DARDN 280关联，并且可以随包括邻近OARDN 265(在图4中示出)的其它配置而变化。这样的范围也可以作为DARDN 280的增益值和/或地理位置的函数而变化。另外，每个DARDN 280是通信节点，并且更具体地，在示范性实施例中，是定向wSIM。备选地，每个DARDN 280是任何定向无线传感器接口装置。

图6是集成在监测***200中的OARDN 265和DARDN 280的示意图。耦合无线网状网络220的第一部分260和第二部分285，以致每个邻近于第一DARDN 280的OARDN 265在通信上可操作地耦合。此外，第一DARDN 280和第二DARDN 280彼此在通信上可操作地耦合。此外，第二DARDN 280与额外的OARDN 265(图6中未示出)在通信上可操作地耦合。因此，包含具有排除使用OARDN 265的崎岖地形的区域的设施208(在图2中示出)可以通过使用DARDN280的那些地理上崎岖的区域延伸网络220。使用这样的DARDN 280也减少网络220的安装的复杂度和成本。

图7是组装网络220(在图6中示出)的示范性方法300的流程图。在示范性实施例中，提供302至少一个计算装置105/210/215(在图1、图2和图3中示出)。符合IEEE标准802.15.4^TM的已编程的计算机指令安装304在计算装置105/210/215的至少一部分上。具体地，网络220是使用

规格，或者备选地，基于IEEE标准802.15.4^TM的WirelessHART^TM标准的低速率无线网状网络。提供306至少一个全向天线，即OARDN 265(在图3、图4和图6中示出)和多个定向天线，或DARDN 280(在图5和图6中示出)。OARDN 265中的至少一个和多个DARDN 280中的至少一个可操作地耦合308到计算装置105/210/215。

与已知的无线网状网络相比，本文所描述的方法、***和器件提供了监测数据的低成本传送。具体地，与已知的无线网状网络相比，本文所描述的监测方法、***和器件促进传送与设施关联的操作数据到设施的远程和/或难以接入的区域。更具体地，与已知的无线网状网络相比，本文所描述的监测方法、***和器件促进使用具有低数据速率和低功耗的传送和接收装置。

本文所描述的方法、***以及器件的示范性的技术效果包含下述至少之一：(a)使能设施的远程区的监测数据的传送和接收，该远程区以其它方式用全向天线会无法接入；(b)使能在设施的远程和/或难以接入区域的低功率/低数据速率装置的使用，以致促进使用这样的低功率装置用于延伸的时间段，由此增加了这样的装置的可靠性并降低了充满电的备份装置的需求；以及(c)减少了额外的全向天线的数量和关联的成本。

本文描述的是无线网状网络和监测***的示范性实施例，其促进使能设施的远程和/或难以接入区域中的监测数据的传送和接收。具体地，本文所描述的无线网状网络和监测***使用定向天线以促进通过具有排除使用全向天线的崎岖地形的区域延伸这样的网络和监测***。而且，具体地，本文所描述的无线网状网络和监测***使用具有低功率/低数据速率网络和***的定向天线来代替更多数量的全向天线，由此促进这样的无线网状网络和监测***的操作和安装的成本和复杂度。

本文所描述的方法和***不限于本文所描述的具体实施例。例如，每个***的部件和/或每个方法的步骤可以与本文所描述的其它部件和/或步骤独立地并且单独地使用和/或实践。此外，每个部件和/或步骤也可以与其它组件和方法一起使用和/或实践。

一些实施例涉及一个或多个电子或计算装置的使用。这样的装置典型地包含处理器或控制器，例如通用中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、精简指令集计算机(RISC)处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)和/或能够执行本文所描述的功能的任何其它电路或处理器。本文所描述的方法可以编码为实施于计算机可读介质中的可执行指令，计算机可读介质包含但不限于存储装置和/或存储器装置。当由处理器执行时，这样的指令引起处理器进行本文所描述的方法的至少一部分。上述示例只是示范性的，因此，并不意在以任何方式限制术语处理器的定义和/或含义。

虽然本发明已经依据各具体实施例进行了描述，但本领域技术人员将认识到本发明可以用在权利要求的精神和范围内的修改来实践。

部件列表

105 计算装置

110 存储器装置

115 处理器

120 呈现接口

125 用户

130 用户输入接口

135 通信接口

200 ***

205 机器

208 设施

210 机器控制器

215 工厂控制器

220 网络

225 第一操作员

230 第二操作员

235 监测传感器

250 网关装置

260 无线网状网络的第一部分

265 具有全向天线的无线电数据节点(OARDN)

270 范围圆

275 重叠区域

280 具有定向天线的无线电数据节点(DARDN)

285 无线网状网络的第二部分

290 范围椭圆

295 重叠区域

300 方法

302 提供至少一个数据收集装置

304 在数据收集装置的至少一部分上安装符合IEEE标准802.15.4^TM的已编程的计算机指令

306 提供至少一个全向天线并提供多个定向天线

308 将该至少一个全向天线中的至少一个和该多个定向天线中的至少一个可操作地耦合到至少一个数据收集装置。

Claims (10)

1.一种无线网状网络(220)，包含：

至少一个数据收集装置(105)；以及

多个定向天线(280)，可操作地彼此耦合并且耦合到所述至少一个数据收集装置，

其中所述无线网状网络配置为以大致250千比特每秒(Kbits/sec)或更低的数据速率、并且以大致2.4千兆赫(GHz)或更低的频率来传送信息。

2.根据权利要求1所述的无线网状网络(220)，还包含至少一个全向天线(265)，可操作地耦合到所述至少一个数据收集装置(105)中的至少一个和所述多个定向天线(280)中的至少一个。

3.根据权利要求1所述的无线网状网络(220)，其中所述多个定向天线(280)包含：

第一定向天线(280)，安置于第一全向天线(265)的通信范围内；以及

第二定向天线(280)，安置于第二全向天线(265)的通信范围内。

4.根据权利要求1所述的无线网状网络(220)，还包含至少一个存储器装置(110)和耦合到所述至少一个存储器装置的至少一个处理器(115)，其中所述至少一个存储器装置配置为：

存储从至少一个传感器测量装置(235)传送的数据；以及

存储已编程的计算机指令以指示所述处理器传送存储于所述至少一个存储器装置中的数据的至少一部分到以下中的至少一个：

所述多个定向天线(280)；以及

至少一个全向天线(265)，可操作地耦合到所述多个定向天线中的至少一个。

5.根据权利要求1所述的无线网状网络(220)，其中所述多个定向天线(280)以符合用于低速率无线网络的电气和电子工程师协会(IEEE)标准802.15.4^TM的方式来传送来自所述至少一个存储器装置(110)的数据的部分。

6.根据权利要求1所述的无线网状网络(220)，还包含：

第一部分(260)，包含多个全向天线(265)；以及

第二部分(285)，包含所述多个定向天线(280)，其中所述多个定向天线中的至少一个可操作地耦合到所述多个全向天线中的至少一个。

7.根据权利要求1所述的无线网状网络(220)，其中所述多个定向天线(280)包含两个彼此反向并邻近的定向天线。

8.一种监测***(200)，包含：

至少一个传感器测量装置(235)；

至少一个数据收集装置(105)；以及

无线网状网络(220)，耦合到所述至少一个数据收集装置和所述至少一个传感器测量装置，所述无线网状网络包含多个定向天线(280)，所述多个定向天线可操作地彼此耦合并且耦合到所述至少一个数据收集装置，

其中所述无线网状网络配置为以大致250千比特每秒(Kbits/sec)或更低的数据速率、并且以大致2.4千兆赫(GHz)或更低的频率来传送信息。

9.根据权利要求8所述的监测***(200)，还包含至少一个全向天线(265)，可操作地耦合到所述至少一个数据收集装置(105)中的至少一个和所述多个定向天线(280)中的至少一个。

10.根据权利要求8所述的监测***(200)，其中所述多个定向天线(280)包含：

第一定向天线(280)，安置于第一全向天线(265)的通信范围内；以及

第二定向天线(280)，安置于第二全向天线(265)的通信范围内。

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