基于工业无线网络的通用hart网关的数据通信方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于工业无线网络的通用HART网关。对于连接在hart仪表上的终端适配器上传的hart响应报文，网关对其进行解析，提取hart仪表的地址，并以此为索引，构建该hart仪表信息对应的数据结构，并将相关hart仪表信息保存于该数据结构。对于上位机组态下发的hart命令，首先解析出其中的hart仪表地址，以此检索出对应的信息数据结构，构造响应hart报文，通过串口发送到上位机。本发明可兼容多种hart上位机软件和hart仪表，同时由于采用了无线网络，可省去工业现场的有线连接，并可以远程获取hart仪表的信息，对上位机软件的响应速度与有线hart适配器接近。
【专利说明】基于工业无线网络的通用HART网关的数据通信方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线通信技术，具体地说明了一种基于WIA工业无线网络的通用hart网关的数据通信方法。
【背景技术】
[0002]工业无线网络WIA(Wireless Networks for Industrial Automation)技术是由中国科学院沈阳自动化研究所推出的具有自主知识产权的高可靠、超低功耗的智能多跳无线传感器网络技术，该技术提供一种自组织、自治愈的智能Mesh网络路由机制，能够针对应用条件和环境的动态变化，保持网络性能的高可靠性和强稳定性。
[0003]HART (Highway Addressable Remote Transducer),可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosemount公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信。经过10多年的发展，HART技术在国外已经十分成熟,并已成为全球智能仪表的工业标准。
[0004]现有技术中，目前广泛应用的hart系统，多为有线连接，上位机通过适配器与仪表通过有线连接进行通信；由于hart仪表的应用环境多为工厂环境，仪表的安装位置复杂多变，进行有线连接访问有很多不便之处。且hart系统的布线对于原有工厂布局的影响，增加安装使用和维护的成本。
【发明内容】
[0005]为克服有线hart系统的缺点，本发明提出了一种基于WIA工业无线网络的通用hart网关的数据通信方法，配合无线适配器使用，可以兼容多种类型的hart仪表，可在工厂等复杂环境使用，具有安装简单，维护方便，不改变工厂原有线路和结构，降低使用成本。
[0006]本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:一种基于工业无线网络的通用HART网关的数据通信方法，包括以下步骤:网关通过无线网络收取仪表发送的hart报文，并对所述报文进行校验；如果校验通过，则判断该报文是否为包含仪表基础信息的00号响应报文；如果是00号响应报文，则对所述00号响应报文进行解析，提取其中的地址，为该仪表创建专用数据结构，用于存储仪表基本信息和实时信息；如果不是00号响应报文，则网关对报文进行分类解析，提取其中的仪表地址，并以此为关键字，在已存储的hart仪表信息数据结构中搜索该关键字；如果存在该数据结构，则更新数据结构中对应命令的信息。
[0007]所述对00号响应报文进行解析的过程为:根据前导码和定界符确认hart报文起始位置，提取轮询地址、厂商号、设备类型和设备ID信息。
[0008]所述网关对报文进行解析分类的过程为:根据前导码和定界符确认hart报文起始位置，提取设备地址和命令号，并按该命令的格式提取信息，并依据命令号进行分类保存。
[0009]一种基于工业无线网络的通用HART网关的数据通信方法，包括以下步骤:网关收取上位机组态发送的hart报文，并对所述报文进行校验；如果校验通过，则对报文进行解析，提取其中的仪表地址，并以此为关键字，在已存储的hart仪表信息数据结构中搜索该关键字；如果存在该关键字，则根据提取得到的命令号，在搜索到的信息数据结构中找出其中保存的该命令对应的最新信息，按照标准hart协议构造响应报文，并发送到上位机。
[0010]所述网关收取上位机组态发送的hart报文后，网关对上位机组态发送的hart报文进行响应。
[0011]所述校验的方法为-JMart报文的定界符开始到最后一位数据，按位进行异或运算，算出校验位。
[0012]所述网关对各类仪表的命令进行集合。
[0013]所述hart仪表信息数据结构包括轮询地址、仪表地址和hart命令号；
[0014]所述轮询地址和仪表地址作为一级索引，用于定位到该数据结构；
[0015]所述hart命令号作为二级索引，用于定位到该hart仪表对应的命令信息。
[0016]本发明具有以下优点:
[0017]1.本发明涉及的基于WIA工业无线网络的HART通用网关的数据通信方法，是在深入分析通用HART协议的基础上，结合工业无线网络的特点和工作原理，提出的能兼容各类hart仪表和上位机hart软件的通信方法；
[0018]2.本发明的通用hart网关为每个hart仪表建立专有数据结构，对于仪表上传的hart报文，保存完整的仪表信息和各类hart命令的响应到该数据结构；并且使用仪表的轮询地址和仪表地址作为索引进行查找，可迅速找到；
[0019]3.本发明的通用hart网关，结合了无线网络的优势和特点，去除了上位机和hart仪表之间的空间限制，布局和管理更加灵活，对原有设备和结构影响很小，工厂人员可以方便的在控制室远程监控hart仪表的运行状态和监控变量的信息；
[0020]4.本发明的通用hart网关，采用了灵活高效的hart专用数据结构，方便对仪表信息的查询，网关根据查询到的仪表信息，按照标准hart协议构造响应报文，为上位机软件提供快速准确的响应；
[0021]5.本发明的通用hart网关,可对各种不同的上位机hart软件及hart仪表进行灵活扩展，只需调整专用数据结构的对应数据项，即可方便的支持新加入的hart设备。
[0022]6.本发明的网关能够主动读取hart仪表的数据并保存，在上位机需要该数据时，实时发送，网关作为多个hart仪表的代理，具有布局灵活，无需物理连接，扩展性强等优势；
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为无线hart系统结构；
[0024]图2为通用hart网关对仪表报文的处理流程；
[0025]图3为通用hart网关对上位机报文的处理流程；
[0026]图4为hart仪表信息数据结构。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0028]如图1所示，本发明中涉及到的概念如下:[0029]1)WIA:由于WIA工业无线网络使用的是时分复用通信模式，全网所有设备都要按照同一个网络时间进行时隙操作。整个网络的时间为网关的广播报文中携带的绝对时间。节点通过连续收到的来自同步时间源的若干个广播报文，解析出其中绝对网络时间，并使用FTSP同步算法完成时间同步。
[0030]2) HART:射频模块发送无线报文时，首先检测是否存在其他节点正在发送报文，如果已经有节点处于发送报文的过程中，CCA检测会反馈冲突。根据冲突的情况，使用退避机制进行发送等待。
[0031]本发明提供如下技术方案:
[0032]A.无线收取:通用hart网关使用无线网络通信,收取hart仪表的hart报文。
[0033]B.专用数据结构保存:通用hart网关为每个hart仪表建立专用数据结构，用于保存该仪表特有的信息和实时数据，并使用轮询地址和仪表地址作为关键字，用于快速查询；
[0034]C.构造代理响应:对于上位机通过串口发送的查询和设置等hart命令,通用hart网关解析命令中包含的地址，并快速查询到该仪表对应的专用数据结构，按照hart协议构造响应报文，在此过程中，网关作为仪表的代理作为迅速响应；
[0035]D.通用性的扩展:通用hart网关易于扩展，可根据新增加的hart仪表和上位机软件进行命令和信息的扩展，只需更改专用数据结构，就能支持新增的设备；
[0036]本发明基于WIA工业无线网络，对hart系统进行分析及优化，设计能够支持多种hart硬件设备和上位机软件的通用系统。本发明所述工业无线网络系统的硬件由无线网关、无线hart适配器构成。
[0037]具体实现步骤:
[0038]1、对仪表上传报文的处理:
[0039]通用hart网关通过射频收取适配器发送的仪表hart报文，网关软件增加一种新的报文种类，代表hart报文。网关软件的应用层协议获得标准的hart报文，对其进行解析，去除报文前导码，获取定界符，如果定界符是06命令号是00，则根据标准hart协议，解析出仪表的2字节的轮询地址和5字节的仪表地址。并使用这两个地址建立属于该仪表的专用数据结构；如果定界符是86的其他命令，则解析出该报文的仪表地址，使用此地址对已有仪表结构链表进行搜索，找到该仪表专用的信息数据结构；使用命令号找到对应的数据项，提取报文的信息，保存在该结构中，如果结构中已存在该命令的数据项，则更新；处理过程如图2所示。
[0040]2、专用数据结构的实现:
[0041]仪表的专用数据结构，是为了保存某一个hart仪表的所有信息而建立的；该数据结构的设计要便于快速搜索定位，保存、更新、提取对应的信息。数据结构的主要关键信息为轮询地址和仪表地址，作为一级索引，可以快速定位到该数据结构；数据结构的次要关键信息为hart命令号，作为二级索引，可以快速定位到该hart仪表对应的命令信息；如图4所示。
[0042]3、对上位机报文的处理:
[0043]通用hart网关通过串口收取上位机组态等软件发送的hart命令报文，传递至应用层，网关主任务对报文进行解析提取出其中的地址和hart命令号，如果地址为轮询地址，则使用轮询地址对仪表信息结构链表进行搜索，如果地址为仪表地址，则使用仪表地址对仪表信息结构链表进行搜索。地址类型有hart报文的定界符来区分。找到仪表对应的信息结构后，再使用命令号进行二级检索，得到命令对应的响应信息，按标准hart协议构造响应报文，并通过串口回复给上位机。如图3所示。
[0044]4、通用性扩展方法:
[0045]通用hart网关便于扩展，可提高对不同仪表厂商生产的不同种类的hart和仪表和上位机软件的兼容性。对于网络中新增加的仪表，网关会为其分配专属的信息数据结构，保存其地址信息和数据信息。对于仪表命令的扩展，只需在该仪表的专用数据结构中，增加一个命令信息子结构即可。
【权利要求】
1.一种基于工业无线网络的通用HART网关的数据通信方法，其特征在于，包括以下步骤:网关通过无线网络收取仪表发送的hart报文，并对所述报文进行校验；如果校验通过，则判断该报文是否为包含仪表基础信息的OO号响应报文；如果是00号响应报文，则对所述00号响应报文进行解析，提取其中的地址，为该仪表创建专用数据结构，用于存储仪表基本信息和实时信息；如果不是00号响应报文，则网关对报文进行分类解析，提取其中的仪表地址，并以此为关键字，在已存储的hart仪表信息数据结构中搜索该关键字；如果存在该数据结构，则更新数据结构中对应命令的信息。
2.根据权利要求1所述的基于工业无线网络的通用HART网关的数据通信方法，其特征在于，所述对00号响应报文进行解析的过程为:根据前导码和定界符确认hart报文起始位置，提取轮询地址、厂商号、设备类型和设备ID信息。
3.根据权利要求1所述的基于工业无线网络的通用HART网关的数据通信方法，其特征在于，所述网关对报文进行解析分类的过程为:根据前导码和定界符确认hart报文起始位置，提取设备地址和命令号，并按该命令的格式提取信息，并依据命令号进行分类保存。
4.一种基于工业无线网络的通用HART网关的数据通信方法，其特征在于，包括以下步骤:网关收取上位机组态发送的hart报文，并对所述报文进行校验；如果校验通过，则对报文进行解析，提取其中的仪表地址，并以此为关键字，在已存储的hart仪表信息数据结构中搜索该关键字；如果存在该关键字，则根据提取得到的命令号，在搜索到的信息数据结构中找出其中保存的该命令对应的最新信息，按照标准hart协议构造响应报文，并发送到上位机。
5.根据权利要求4所述的基于工业无线网络的通用HART网关的数据通信方法，其特征在于，所述网关收取上位机组态发送的hart报文后，网关对上位机组态发送的hart报文进行响应。
6.根据权利要求1或4所述的基于工业无线网络的通用HART网关的数据通信方法，其特征在于，所述校验的方法为:从hart报文的定界符开始到最后一位数据，按位进行异或运算，算出校验位。
7.根据权利要求4所述的基于工业无线网络的通用HART网关的数据通信方法，其特征在于，所述网关对各类仪表的命令进行集合。
8.根据权利要求1或4所述的基于工业无线网络的通用HART网关的数据通信方法，其特征在于，所述hart仪表信息数据结构包括轮询地址、仪表地址和hart命令号； 所述轮询地址和仪表地址作为一级索引，用于定位到该数据结构； 所述hart命令号作为二级索引，用于定位到该hart仪表对应的命令信息。
【文档编号】H04L12/40GK103888328SQ201210556006
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年12月19日 优先权日:2012年12月19日
【发明者】郑军, 曾鹏, 赵雪峰, 牛泽田, 徐洪垚 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所