专利名称：基于无线hart网络的数据采集器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数据采集器，具体说是一种基于无线HART网络的数据采集器。
背景技术：
工业过程自动化数据采集设备需要长时间不断处理海量工业过程监控数据，现有 工业过程自动化数据采集设备大多以有线方式连接并运行且年代久远，在无线网络大量普 及以及工业企业亟待降低生产成本以便提高产品竞争力的今天，有线的数据采集设备连接 方式带来了设备难维护、运营成本高、实施灵活度低、产业信息化亟待升级等诸多问题。随 着无线传感器网络技术研究的深入和应用的推广，工业无线网络以其低成本、易维护、高度 灵活、快速实施等特点，引起了各国政府和学者的高度重视，正在成为工业自动化领域的新 的研究热点。可寻址远程传感器高速通道HART是一种用于现场智能仪表和控制室设备之 间的开放通信协议。无线HART是一种专门为工业过程自动化应用设计的，无线网格拓扑结构的 网络通信协议，它提供了一种低成本、低传输速率的无线解决方案。无线HART通讯标 准是建立在已有的经过现场测试的国际标准上的，它们包括HART协议(IEC 61158)、 EDDL(IEC61804-3)、IEEE 802. 15. 4无线电和跳频、扩频和网状网络技术。由于兼容传统4 20mA模拟系统、提供具有相对低的带宽和适度响应时间的通信 等诸多优点，HART通信协议目前已被世界上三分之二以上的现场设备所采用，成为智能工 业控制领域事实上的国际标准。随着工业无线网络的发展，无线HART在兼容现有的HART 设备和应用的基础上，进行了功能补充和应用拓展，能够满足流程工业应用对无线通信技 术的可靠、稳定和安全等关键需求，对降低工业测控系统的成本，提高产品质量和生产效率 有非常积极的意义。
发明内容
发明目的本发明的目的是针对现有有线工业过程自动化现场设备存在的缺陷， 提供一种基于无线HART网络的数据采集器；它能运行于无线HART网络，获取设备诊断和过 程信息并传输到主控设备，实现传输现场智能信息，改善质量、安全性、可用性、运营并降低 维护成本；它主要应用于工业过程监控、财产管理、在线测试和诊断等领域。技术方案为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为—种基于无线HART网络的数据采集器，包括嵌入式硬件平台、与嵌入式硬件平台 相配套的嵌入式操作系统、完整无线HART协议栈，所述完整无线HART协议栈通过命令分别 与嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统连接。所述数据采集器硬件平台采用CC2430F128片上系统功能模块。所述嵌入式操作系统采用TinyOS嵌入式操作系统。所述完整无线HART协议栈包括物理层、数据链路层、网络层和应用层，所述物理 层、数据链路层、网络层和应用层从下往上依次排列；其中，
物理层采用IEEE Std 802. 15. 4-2006协议规范定义的2. 4GHz频带无线模块，采 用交错正交相移键控技术和直接序列扩频技术，完成激活和停止无线接收器、当前信道能 量检测、接收包链路质量指标、使用CSMA/CA前的清理信道评估、以及信道频率选择和数据 收发等工作；数据链路层包括无线HART协议规范定义的逻辑链路控制子层和IEEE Std 802. 15. 4-2006协议规范定义的介质访问控制子层两部分，并为上层通信提供接口，支持长 短两种地址，指定数据链路协议数据单元附加位，确定数据包类型，采用时间同步机制和信 道调频技术；网络层完全无线网格网络，源节点和目标节点网络数据协议单元支持多节点路 由机制，网络提供冗余路径；应用层接收命令、执行、产生响应并发送给请求者；所述命令包括一般命令、通 用命令和特殊命令。
有益效果与现有技术相比，本发明的优点是具有转发现场设备、相邻数据采集 器以及主控设备数据包，实现与自动化现场设备、计算机、网络路由设备进行连接等功能； 能够满足工业过程自动化应用对无线通信技术的可靠、稳定和安全等关键需求，对降低工 业测控系统的成本，提高产品质量和生产效率有非常积极的意义；通过本发明建立的无线 HART网络，具有自组织、自愈合、可靠MESH网络等特性。无线HART协议栈，基于易用、可靠、 安全、与无线网格传感器协议兼容的设计原则，包括兼容IEEE Std802. 15. 4-2006协议规范 的物理层和介质访问控制子层，以及遵循无线HART协议规范的逻辑链路控制子层、网络层 和应用层，其中介质访问控制子层和逻辑链路控制子层同属于由无线HART协议规范定义 的数据链路层。该协议栈运行于嵌入式操作系统和嵌入式硬件平台，满足无线传感器节点 内存小、功耗低、运行高效的特点。
图1为本数据采集器的体系结构图；图2为本数据采集器所构成的无线HART网络示意图；图3为本数据采集器所运行的完整无线HART协议栈示意图；图2中设备.基于无线HART网络的数据采集器，网关.无线HART网络原属组件 设备，上位机.工业过程自动化主控设备。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。如图1至图3所示，本发明一种基于无线HART网络的数据采集器，包括嵌入式硬 件平台、与嵌入式硬件平台相配套的嵌入式操作系统、完整无线HART协议栈，所述完整无 线HART协议栈通过命令分别与嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统连接。嵌入式硬件平台(即数据采集器硬件平台)提供无线HART协议栈硬件环境，其片 上系统功能模块型号为CC2430F128，它整合了射频前端、内存和微控制器，即集成了 1个高 性能和低功耗的8051微控制器、符合IEEE Std 802. 15. 4-2006协议标准的2. 4GHz的RF 无线电收发机、14位模数转换的ADC、AES安全协处理器、2个支持几组协议的USART、1个符合IEEE Std 802. 15. 4-2006协议标准的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计 时器。嵌入式操作系统(即数据采集器软件平台)提供无线HART协议栈软件环境，采用无线传感器网络普遍使用并与所采用嵌入式硬件平台配套的操作系统类型TinyOS，满足嵌 入式硬件平台内存小的要求，使得无线HART协议栈运行更加高效。数据采集器完整无线HART协议栈运行于嵌入式硬件平台所提供的硬件环境以及 嵌入式操作系统提供的软件环境，是数据采集器的核心部件，兼容有线HART协议与有线 HART命令，包括通用命令、一般命令和特殊命令，实现工业控制自动化现场设备数据与命令 的封装与解析、有线HART现场设备在无线HART网络中的组态、无线HART网络的配置与动 态管理等功能。完整的无线HART协议栈按照OSI七层网络协议设计原则，选择了其中的物理层、 数据链路层、网络层以及应用层作为自己的协议栈设计架构。物理层采用IEEE Std 802. 15. 4-2006协议规范定义的2. 4GHz频带无线模块，采 用交错正交相移键控技术和直接序列扩频技术，完成激活和停止无线接收器、当前信道能 量检测、接收包链路质量指标、使用CSMA/CA前的清理信道评估、以及信道频率选择和数据 收发等工作。最大有效载荷127字节。数据链路层包括无线HART协议规范定义的逻辑链路控制子层和IEEE Std 802. 15. 4-2006协议规范定义的介质访问控制子层两部分并为上层通信提供接口，支持长 短两种地址，指定数据链路协议数据单元附加位，确定数据包类型，为减小其它无线系统的 干扰采用TDMA时间同步机制和调频技术，支持不同时隙的多种超帧，允许快速、慢速、循环 和非循环网络流量，根据反应时间管理和流控制确定数据链路协议数据单元优先权。逻辑 链路控制子层包括HART帧格式、HART设备地址结构、用于消息完整性和错误检测的安全服 务。介质访问控制子层完成产生网络信标帧、同步网络信标帧、支持个人接入网络的连接和 断开、支持设备安全性、为信道访问提供CSMA/CA机制、处理和维护保障时间片机制以及提 供对等介质访问控制子层实体的可靠链路等工作。网络层完全无线网格网络，源节点和目标节点网络数据协议单元支持多节点路 由机制，完成的工作包括为了更可靠和控制时延，网络提供冗余路径，可在上游下游图表中 进行路由选择；为了 ad-hoc通信，确认路径可行性，进行信源路由选择；支持广播、多点传 送和单播传输；需求驱动的动态网络带宽管理，导致对超帧和链接的配置/重新配置；配置 现场设备时，带宽被请求或释放以满足现场设备通信需求；提供基本带宽和弹性带宽，实现 最小能量消耗；网络数据协议单元在源节点自动分割，在目标节点重新组装；网络性能持 续监控、报告和网络整理，维护节点与相邻节点的统计数据以及整理网络确保信道备份，减 少能耗，扁平化网络。应用层与有线HART命令兼容，基于标准数据类型和程序，包括一系列一般命令、 通用命令和特殊命令。应用层应用是为了解决不同任务，但是一般工作流程是接收命令、执 行、产生响应并发送给请求者。只在需要时生成过程数据信息并智能发布数据，可实时地、 或由信号触发、或自定义时间开始发布。可实时追踪过程数据采样，以减轻反应时间的变化 影响。可一次传输多次读取命令，以便更快地上传配置。
权利要求
一种基于无线HART网络的数据采集器，其特征在于包括嵌入式硬件平台、与嵌入式硬件平台相配套的嵌入式操作系统、完整无线HART协议栈，所述完整无线HART协议栈通过命令分别与嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统连接。
2.根据权利要求1所述的基于无线HART网络的数据采集器，其特征在于所述数据采 集器硬件平台采用CC2430F128片上系统功能模块。
3.根据权利要求1所述的基于无线HART网络的数据采集器，其特征在于所述嵌入式 操作系统采用TinyOS嵌入式操作系统。
4.根据权利要求1所述的基于无线HART网络的数据采集器，其特征在于所述完整无 线HART协议栈包括物理层、数据链路层、网络层和应用层，所述物理层、数据链路层、网络 层和应用层从下往上依次排列；其中，物理层采用IEEE Std 802. 15. 4-2006协议规范定义的2. 4GHz频带无线模块，采用交 错正交相移键控技术和直接序列扩频技术，完成激活和停止无线接收器、当前信道能量检 测、接收包链路质量指标、使用CSMA/CA前的清理信道评估、以及信道频率选择和数据收发 等工作；数据链路层包括无线HART协议规范定义的逻辑链路控制子层和IEEE Std 802. 15. 4-2006协议规范定义的介质访问控制子层两部分，并为上层通信提供接口，支持长 短两种地址，指定数据链路协议数据单元附加位，确定数据包类型，采用时间同步机制和信 道调频技术；网络层完全无线网格网络，源节点和目标节点网络数据协议单元支持多节点路由机 制，网络提供冗余路径；应用层接收命令、执行、产生响应并发送给请求者；所述命令包括一般命令、通用命 令和特殊命令。
全文摘要
本发明公开了一种基于无线HART网络的数据采集器，包括嵌入式硬件平台、与嵌入式硬件平台相配套的嵌入式操作系统、完整无线HART协议栈，所述完整无线HART协议栈通过命令分别与嵌入式硬件平台、嵌入式操作系统连接。本发明的优点是能应用于工业过程监控、财产管理、在线测试和诊断等领域，能够满足工业过程自动化应用对无线通信技术的可靠、稳定和安全等关键需求，对降低工业测控系统的成本，提高产品质量和生产效率有非常积极的意义。
文档编号H04W84/18GK101866540SQ201010200469
公开日2010年10月20日 申请日期2010年6月13日 优先权日2010年6月13日
发明者廖建明, 张景东, 王亦德 申请人:苏州阊亦宏环保科技有限公司