专利名称：无线hart协议中的高效寻址的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及过程控制环境下的无线通信，更具体地说，涉及支 持无线通信协议的无线网关。
背景技术：
在过程控制行业中，已知的是，使用标准化通信协议使得由不同制造商 制出的设备能够以易于使用和实现的方式与彼此通信。过程控制行业中使用 的一个众所周知的通信标准是高速可寻址远程传感器(HART)通信基础协 议，通常称为HART 协议。 一般而言，HART⑧协议支持专用导线或导线组 上的数字和模拟混合信号，在专用导线或导线组上，在线过程信号(如控制 信号、传感器测量结果等)作为模拟电流信号(例如范围从4到20毫安) 被提供，并且诸如设备数据、对设备数据的请求、配置数据、报警以及事件 数据等等之类的其它信号，作为叠加或复用到与模拟信号相同的导线或导线 组上的数据信号被提供。然而，HART协议当前需要使用专用、硬线通信线 路，这导致需要在加工厂内大量布线。
在过去几年里，已经存在一种将无线技术结合到以某些有限方式包括过 程控制行业的各种行业中的发展趋势。然而，在过程控制行业中，存在限制 无线技术的完全结合、接受和使用的巨大障碍。具体来说，过程控制工业需 要十分可靠的过程控制网络，因为信号的丢失失可能导致工厂失去控制，从 而导致灾难性的后果，包括爆炸、致命化学制剂或气体的释放等等。例如， Tapperson等人的美国专利No. 6，236,334公开了在过程控制行业中将无线通 信作为副的或备用通信路径使用或用于发送非关键性的或冗余的通信信号。 而且，在通常可以适用于过程控制行业的无线通信系统的使用上已经取得了许多进展，但是该无线通信系统尚未以在加工厂内允许或提供可靠的并且在 某些情况下完全无线的通信网络的方式应用于过程控制行业。例如，美国专
利申请公开No. 2005/0213612、 2006/0029060和2006/0029061公开了与 一般
无线通信系统相关的无线通信技术的各个方面。
与有线通信类似，无线通信协议被期望提供高效、可靠和安全的信息交 换方法。当然，由于介质的共享和开放特征，在有线网络中被开发以解决这 些重要问题的大多数方法并不适用于无线通信。进一步，除了在有线通信协 议之后的典型客观事实外，无线协议还面临关于使用无线电频谱的同 一部分 的若干网络的干扰和共存的问题的其它要求。而且，某些无线网络在无许可 证的或向公众开放的频段中运行。因此，为这种网络服务的协议必须能够检 测或解决与频率(信道)争用、无线电资源共享和协商等等相关的问题。
在过程控制行业中，无线通信协议的开发者面临另外的挑战，例如，实 现与有线设备的向后兼容、支持协议的先前有线版本，为改装了无线通信机 的设备提供转变服务，并且提供可同时保证可靠性和有效性的路由技术。同 时，仍然存在相当多的过程控制应用，在这些过程控制应用中存在即使有也 很少的原地测量。当前，这些应用依赖于观测的测量结果(例如，水位正在 上升)或检查(例如，空调单元、泵、风机等等的周期性维护)来发现异常 情况。为了釆取措施，操作员经常需要面对面的讨论。如果使用测量和控制 设备，这些应用中的许多的应用可能被大大简化；然而，当前的测量设备通 常需要电力、通信基础设施、配置以及简直是不可用的支持基础设施。
发明内容
在过程控制环境下运行的无线网络具有若干个网络设备，这些网络设备 包括网关和用于执行测量或控制功能的至少一些现场设备，该无线网络使用 为在布置在该无线网络外部的外部主机上运行的一个或更多应用程序提供 对各个网络设备的无缝访问权限的寻址方案。在某些实施例中，外部主机使 用符合诸如由IEEE定义的EUI-64之类的标准寻址方案的全局地址。在运行中，参与该无线网络的网络设备使用全局地址的 一部分在网络设备间路由数 据。作为补充或替代地，这些网络设备使用短的别名用于到无线网络的内部路由。
在某些实施例中，各个网络设备的全局地址的 一部分符合对等的有线协 议的寻址方案。在这些实施例中，无线网络支持有线协议的至少一层(例如
OSI-7模型的应用层)，并且在这个意义上，无线网络使用一种作为有线协 议的扩展的协议。有线协议和无线协议的共享寻址方案可分配若干个字节给 唯一设备标识，若干个字节给扩展设备类型代码，该扩展设备类型代码可在 相同类型的且由同 一 公司制造的若干个设备之间共享。
在某些实施例中，全局地址进一步包括网络标识码。在无线网络中运行 的网络设备可能不知道该无线网络的网络标识码。当向该无线网络外部的主 机路由数据时，该网络设备可使用有线和无线协议的共享寻址方案将数据包 内部路由至无线网关，并且该无线网关可进 一 步通过附加或预加 (pre-pending )该网络标识码来路由该数据包。
在一实施例中，所述有线协议是高速可寻址远程变送器(HART )协 议。在该实施例中，所述网络标识码可以是与Hart通信基金会(HCF )相 关联的OUI。
图1示意性地示出了通过本公开内容的网关设备连接到工厂自动化网 络的无线网络。
图2是可在图1中示出的无线网络中使用的无线HART协议的各层的
示意图。
图3是示出使用多路复用器以支持与遗留现场设备的HART通信的结 构图。
图4是示出使用无线HART适配器以支持与图2中示出的遗留现场设 备的无线HART通信的结构图。图5示出提供油罐区中的现场设备之间的无线通信和使用本公开内容 的无线网关从分布式控制系统访问最后得到的网状网络的特定示例。
图6是示出根据在图1中示出的无线网络中使用的5字节无线HART 设备标识符构造8字节地址的示例的结构图。
图7-10示出根据各种网络拓朴和先前存在的装置实现无线网络的若干 示例。
图11是这里论述的网关设备可遵守的示例性启动顺序。
具体实施例方式
图1示出示例性网络10,在示例性网络10中，可以使用这里所描述的 无线网关。具体来说，网络IO可以包括与无线通信网络14连接的工厂自动 化网络12。工厂自动化网络12可以包括通过通信骨干20连接的一个或更 多固定工作站16和一个或更多便携式工作站18，其中通信骨千20可以利 用以太网、RS-485、 Profibus DP或利用适合的通信硬件和协议来实现。这 些工作站和形成工厂自动化网络12的其它装置可以向工厂员工提供各种控 制和监^^功能，包括对无线网络14中的设备的访问。工厂自动化网络12和 无线网络14可以经由无线网关22进行连接。更为具体地，无线网关22可 以经由第一(或"主机，，)接口 23A采用有线方式连接到骨干20并且可以 利用任何适合的(例如已知的)通信协议与工厂自动化网络12进行通信。 无线网关22的第二 (或"无线")接口 23B可支持与在无线网络14中运行 的一个或若干个设备的无线適信。
在运行中，可以采用任何其它想要的方式(例如，作为单机设备、可插 入主机工作站16或18的扩展槽的卡、作为基于PLC或基于DCS的系统的 输入/输出(I/O)子系统的一部分等等)来实现的无线网关22可以提供在网 络12上运行且具有对无线网络14的各种设备的访问权限的应用程序。在某 些实施例中，为网络12和14提供服务的协议可共享各自的协议栈的一个或 更多上层，并且无线网关22在对协议栈的共享层或各层使用隧道技术的同时，可为协议栈的下层提供路由、緩冲和定时服务(例如，地址转换、路由、 包分段、区分优先级等)。在其它情况下，无线网关22可转换不共享任何
协议层的网络12和14的协议之间的命令。
除了协议和命令转换，无线网关22还可以提供与在网络14中实现的无 线协议(这里称为无线HART协议)相关联的调度方案的时隙和超帧(在时 间上均匀分隔开的通信时隙组)所使用的同步时钟控制。具体来说，网关 22可以预定间隔通过无线网络14传播同步数据。
在一些配置中，网络10可以包括多于一个无线网关22以提高网络10 的效率和可靠性。具体来说，多个网关设备22可以提供用于无线网络14和 工厂自动化网络12以及外部世界之间的通信的额外带宽。另一方面，网关 设备22可根据无线网络14内的网关通信需要向适当的网络服务请求带宽。 可以驻留在无线网关22中的网络管理器软件模块27可以在该系统在运行的 同时进一步重新评价需要的带宽。例如，无线网关22可以从驻留在无线网 络14外部的主机接收请求以检索大量的数据。然后，无线网关22可以请求 网络管理器27分配另外的带宽以适应该事务。例如，无线网关22可以发出 适当的服务请求。然后，无线网关22可以在该事务完成时请求网络管理器 27释放该带宽。
继续参照图1,无线网络14可以包括一个或更多现场设备30-36。通常， 像那些在化工、石油或其它加工厂中^f吏用的过程控制系统包括诸如阀、阀定 位器、开关、传感器(例如温度、压力和流速传感器)泵、风机等等之类的 现场设备。 一般而言，现场设备执行该过程内的物理控制功能，例如，开阀 或关阀或获得过程参数的测量值。在无线通信网络14中，现场设备30-36 为无线通信包的生成者和使用者。
设备30-36可以利用无线通信协议进行通信，该无线通信协议提供了类 似的有线网络的功能，具有类似或改进的运行性能。具体来说，该协议可以 使得该系统能执行过程数据监测、关键数据监测(具有更严格的性能要求)、 校准、设备状态和诊断监测、现场设备故障检修、试运转以及监督过程控制。然而，执行这些功能的应用程序通常要求无线网络14支持的协议在必要时 提供快速更新，在需要时移动大量的数据，并且支持加入无线网络14的网 络设备，即使〗又仅暂时用于试运转和修护工作。
如果想要的话，网络14可包括非无线设备。例如，图1的现场设备38 可以是遗留(legacy )4-20mA设备，并且现场设备40可以是传统的有线HART 设备。为了在网络14内进行通信，现场设备38和40可以经由无线HART 适配器(WHA ) 50或50A连接到无线HART网络14。另外，WHA 50可以 支持其它通信协议，例如，Foundation Fieldbus、 PROFIBUS、 DeviceNet 等等。在这些实施例中，WHA50支持在协议栈的较下层上的协议转换。另 外，预计单个WHA 50也可以充当多路复用器并且可以支持多个HART或 非HART设备。
通常，网络管理器27可以负责使无线网络14适应不断变化的状况并且 负责调度通信资源。当网络设备加入和离开该网络时，网络管理器27可以 更新它的无线网络14的内部模型并且使用这种信息产生通信调度表和通信 路由。另夕卜，网络管理器2 7可以考虑无线网络14的总体性能以及诊断信息， 以使无线网络14适应拓朴和通信需求的变化。 一旦网络管理器27已经产生 总体通信调度表，总体通信调度表的所有或各个部分可以通过一连串命令从 网络管理器27传输到这些网络设备。
为了进一步增加带宽并提高可靠性，无线网关22可以在功能上被分成 虛拟网关24和一个或更多网络4妻入点25，网络接入点25可以是与无线网 关22进行有线通信的分立物理设备。然而，虽然图1示出了物理上分离的 无线网关22和接入点25之间的有线连接26，但是可以理解的是，元件22-26 也可以是被提供为一体的设备。因为网络接入点25可以与无线网关22物理 分离，接入点25可以在战略上放置在网络14的几个不同的位置。除了增加 带宽，多个接入点25可以通过利用其它接入点25补偿一个接入点25处的 可能差的信号质量来增加网络14的总体可靠性。在一个或更多接入点25出 现故障的情况下，拥有多个接入点25还提供了冗余。除了分配带宽，要不然的话桥接网络12和14，无线网关22还可执行 无线网络14中的一个或更多管理功能。如图l中示出的，网络管理器软件 模块27和安全管理器软件模块28可以存储在无线网关22中并在无线网关 22中执行。可替代地，网络管理器27和/或安全管理器28可以在工厂自动 化网络12中的主机16或18之一上运行。例如，网络管理器27可以在主机 16上运行而安全管理器28可以在主才几18上运行。网络管理器27可以负责 配置网络14、调度无线设备之间的通信、管理与这些无线设备相关联的路 由表、监测无线网络14的总体健康、向工作站16和18报告无线网络14的 健康，以及其它管理和监督功能。虽然在网络14中有单个有效网络管理器 27运行可能就足够了 ，但冗余网络管理器27可以类似地被提供以保护无线 网络免受意料之外的设备故障。同时，安全管理器28可以负责保护无线网 络14不受到未被授权的设备的恶意或无意入侵。为了这个目的，安全管理 器28可以管理鉴权代码，验证由尝试加入无线网络14的设备提供的授权信 息，更新诸如到期密钥之类的暂时性安全数据以及执行其它安全功能。
继续参照图1，无线网络14可以包括一个或更多现场设备30-36。通常， 像那些在化工、石油或其它加工厂中使用的过程控制系统包括诸如阀、阀定 位器、开关、传感器(例如温度、压力和流速传感器)、泵、风机等等之类 的现场设备。现场设备执行该过程内的物理控制功能，例如，开阀或关阀或 获取过程参数的测量值。在无线通信网络14中，现场设备30-36为无线通 信包的生成者和使用者。
设备30-36可以利用无线通信协议进行通信，该无线通信协议提供了类
似的有线网络的功能，具有类似或改进的运行性能。具体来说，该协议可以
使得该系统能执行过程数据监测、关键数据监测(具有更严格的性能要求)、
校准、设备状态和诊断监测、现场设备故障检修、试运转以及监督过程控制。
然而，执行这些功能的应用程序通常要求由无线网络14支持的协议在必要
时提供快速更新，在需要时移动大量的数据，并且支持加入无线网络14的
网络设备，即使仅仅暂时用于试运转和修护工作。在一个实施例中，支持无线网络14的网络设备30-36的无线协议是已 知有线HART协议的扩展，这是一种被广泛接受的行业标准，其维护有线环 境的筒单工作流程和实践。在这种意义上，网络设备30-36可以被认为是无 线HART设备。通过简单增加新的设备描述文件，用于有线HART设备的 相同工具可以容易地适用于无线设备30-36。以这种方式，该无线协议可以 借助利用有线HART协议获得的经验和知识的杠杆作用来使培训最少并简 化维护和支持。 一般而言，使协议适应于无线应用，以便在设备上运行的大 多数应用程序没有"注意到"从有线网络到无线网络的转变可以是方便的。 显然，这样的透明性大大减小了升级网络的成本，并且更为一般地，减小了 与开发和支持可以和这样的网络一起使用的设备相关的成本。对众所周知的 HART协议进行无线扩展的 一 些另外的好处包括对用有线设备难以获得或 需要昂贵的代价才能获得的测量结果的访问以及从可以安装在膝上型电脑、 手持机、工作站等等上的系统软件配置和操作仪器的能力。另一个好处是有 能力将诊断警告从无线设备返回通过通信基础设施送到在集中放置的诊断 中心。例如，加工厂中的每个热交换器可能与无线HART设备安装在一起并 且当交换器检测到问题时，可以警告终端用户和供应商。又一好处是有能力 监测呈现严重健康和安全问题的状况。例如，无线HART设备可能放置在路 上的洪水区并用于警告当局或司机有关水位的情况。其它好处包括对宽范 围的诊断警告的访问，和在无线HART设备处存储趋势值以及计算值的能 力，以便当建立了与该设备的通信时，可以将这些值传输到主机。在这种方 式下，无线HART协议可以提供使主机应用程序能够无线访问现有的HART 使能现场设备的平台，并且该无线HART协议可以支持电池供电的、^又限无 线的HART使能现场设备的部署。该无线HART协议可以用于建立过程应 用的无线通信标准，并且可以进一步通过增强基本的HART技术以支持无线 过程自动化应用，来扩展HART通信的应用以及该协议提供给过程控制行业 的好处。
再次参见图1,现场设备30-36可以是无线HART现场设备，每个现场200880019600.5
设备30-36采用整体单元的形式并且支持无线HART协议栈的所有层。例如， 在网络14中，现场设备30可以是无线HART流量计，现场设备32可以是 无线HART压力传感器，现场设备34可以是无线HART阀定位器，现场设 备36可以是无线HART压力传感器。重要的是，无线设备30-36可以支持 用户已经从有线HART协议见到的所有的HART特征。如本领域技术人员 将会懂得的是，该HART协议的核心实力之一在于它的严格的协同工作能力 要求。在一些实施例中，所有无线HART装置包括核心的强制性能力以便允 许(例如，由不同厂商制造的)同等的设备类型被互换而不会危及系统运行。 而且，无线HART协议向后兼容诸如设备描述语言(DDL)之类的HART 核心技术。在优选实施例中，所有的无线HART设备应该支持DDL,其确 保终端用户直接具有开始使用无线H A R T协议的工具。
如果想要的话，网络14可以包括非无线设备。例如，图1的现场设备 38可以是遗留4-20mA设备，并且现场设备40可以是传统的有线HART设 备。为了在网络14内进行通信，现场设备38和40可经由无线HART适配 器(WHA) 50连接到无线HART网络14。另外，WHA50可以支持其它通 信协议，例如，FOUNDATION Fieldbus、 PROFIBUS、 DeviceNet等等。在 这些实施例中，WHA50支持在协议栈的较下层上的协议转换。另外，预计 单个WHA 50也可以充当多路复用器并且可以支持多个HART或非HART 设备。
工厂员工另外可使用手持式设备进行网络设备的安装、控制、监测和维 护。 一般而言，手持式设备是便携式装置，该便携式装置可以直接连接到无 线网络14或通过网关设备22连接到无线网络14作为工厂自动化网络12上 的主机。如图l示出的，连接无线HART的手持式设备55可以直接与无线 网络14进行通信。当与形成的无线网络14 一起运行时，手持式设备55可 以只是作为另一无线HART现场设备加入网络14。当与没有连接到无线 HART网络的目标网络设备一起运行时，手持式设备55可以通过与该目标 网络设备形成它自己的无线网络，作为无线网关22和网络管理器27的结合来运行。
连接工厂自动化网络的手持式设备(未示出)可以用于通过诸如Wi-Fi 之类的已知组网技术连接到工厂自动化网络12。该设备釆用与外部工厂自 动化服务器(未示出)或者工作站16和18与设备30-40的通信相同的方式， 通过无线网关22与网络设备30-40进行通信。
另外，无线网络14可以包括路由器设备60,该路由器设备60是从一 个网络设备向另 一个网络设备转发包的网络设备。正在充当路由器设备的网 络设备使用内部路由表来指挥路由，即来决定特定的包应该被发送给哪个网 络设备。在那些无线网络14上的所有设备都支持路由的实施例中，可以不 需要诸如路由器60之类的单机路由器。然而，(例如为了扩展网络，或为 了节省该网络中的现场设备的电力)添加一个或更多专用路由器60到网络 14可以是有益的。
直接连接到无线网络14的所有设备可以被称为网络设备。具体来说， 无线现场设备30-36、适配器50、路由器60、无线网关22、接入点25以及 无线手持式设备55是为了路由和调度目的的网络设备，这些网络设备中的 每一个形成无线网络14的节点。为了提供非常健壮的和容易扩展的无线网
地址之类的实质上唯一的地址来进行全局标识。网络管理器27可以包含网 络设备的完整列表，并且可以指派给每个设备短的、网络唯一的16位(例 如)别名。另外，每个网络设备可以存储与更新("扫描")速率、连接会话 以及设备资源相关的信息。简而言之，每个网络设备维护与无线网络14内 的路由和调度相关的最新信息。每当新的设备加入该网络时或每当网络管理 器27检测到或发起无线网络14的拓朴或调度的改变时，网络管理器27可 以将该信息传达到网络设备。
进一步，每个网络设备可以存储并维护该网络设备在侦听操作期间已经 识别的邻居设备的列表。 一般而言，网络设备的邻居是潜在能够根据由相应 的网络强制实行的标准建立与该网络设备的连接的任何类型的另 一个网络设备。在为无线HART网络14的情况下，该连接是直接无线连接。然而，
将会理解的是，邻居设备还可以是以有线方式连接到特定设备的网络设备。 如稍后将要讨论的，网络设备可通过广告或在指定的时段发出的特殊消息来
促进其它网络设备发现它们。可操作地连接到无线网络14的网络设备具有
一个或更多邻居，这些网络设备可以根据广告信号的强度或根据一些其它准 则选择这些邻居。
在如图l示出的实例中，由直接无线连接65连接的一对网络设备中的 每个设备将另一个识别为邻居。无线网络14的网络设备可以形成大量的设 备间连接65。建立两个网络设备之间的直接无线连接65的可能性和愿望由 诸如这些节点之间的物理距离、这些节点(设备)之间的障碍、这两个节点 中的每一个节点处的信号强度等等若干因素来确定。通常每个无线连接65 由与发送频率、接入无线电资源的方法等有关的一个大的参数组特征化。本 领域普通技术人员将认识到的是，通常，无线通信协议可以在指定频率上运 行，例如由美国的联邦电信委员会(FCC)指派的那些频率，或运行于无许 可证的无线电频段(例如，2.4GHz)。尽管这里讨论的系统和方法可以应用 于在任何指定频率或频率范围上运行的无线网络，但是下面讨论的示例性实 施例涉及与运行于无线电频谱上的无许可证的或者共享部分的无线网络14。 根据这个实施例，无线网络14可以被容易地驱使或调整为根据需要在特定 的无许可证的频率范围中运行。
继续参照图1,两个或更多直接无线连接65可以形成在不能形成直接 无线连接65的节点之间的通信路径。例如，无线HART手持式设备55和无 线HART设备36之间的直接无线连接65A,连同无线HART设备36和路 由器60之间的直接无线连接65B,可以形成i殳备55和60之间的通信路径。 如以下更加详细讨论的，这些通信路径中的至少 一些可以是有向通信路径 (即允许或定义一对设备之间沿仅仅一个方向传输数据)。同时，无线HART 设备36可以直接连接到网络设备55、 60、 32中的每一个，并且连4妄到网络 接入点25A和25B。 一般而言，在无线网络14中运行的网络设备可以发起数据包、中继由其它设备发送的数据包或执行这两种类型的操作。如这里所 使用的，术语"终端设备"指不中继由其它设备发送的数据包的网络设备，而 术语"路由设备"指中继在其他网络设备之间传播的数据包的网络设备。当 然，路由设备还可以发起它自己的数据，或者在某些情况下为终端设备。因
此， 一个或若干终端设备和路由设备，连同若干直接连接65,可以形成网
状网络的一部分。
因为加工厂可以具有成百或者甚至上千个现场设备，所以在该工厂中运
行的无线网络14可以包括大量的节点，并且在许多工作情况下包括更大量 的节点对之间的直接连接65。结果，无线网络14可能具有复杂的网状拓朴， 并且不共享直接连接65的一些设备对可能必须通过执行这些设备之间的通 信的许多中间跳来进行通信。因此，在数据包离开源设备之后到达目的设备 之前，可能有时需要沿许多直接连接65进行传播，并且每个直接连接65可 能对该数据包的总传递时间添加一延迟。而且，这些中间设备中的某些中间 设备可以位于网状网络的许多通信路径的交叉点处。同样，可能除了发起它 自己包之外，这些设备还可能要负责中继由许多不同设备发起的大量的包。 因此，相对忙的中间设备可以不马上转发瞬变的数据包，而是在相应的通信 路径上向下一个节点发送该包之前，可以将该包排入队列等待相对长的时 间。当数据包最终到达该目的设备时，该目的设备可以用确认包进行回复， 该确认包也可能遇到类似的延迟。在该包传播到目的设备以及相应的确认包 从该目的设备传播回到该发起设备期间，该发起节点可能不知道该数据是否 已经成功到达该目的设备。而且，设备可能由于调度维护和升级或由于意外 故障而离开无线网络14,从而改变了该网状网络的拓朴并石皮坏了这些通信 路径中的某些路径。类似地，这些设备可以加入无线网络14，从而添加了 另外的直接连接65。如果不以高效且及时的方式进行处理的话，无线网络 14的拓朴的这些或其它改变可能会大大影响节点对之间的数据发送。
然而，重要的是，传递数据包的效率可以在很大程度上决定工厂运行的 可靠性、安全性和总体质量。例如，包括指示反应器的过高温度的测量值的数据包应该快速并可靠地到达另一节点，例如手持式设备55或甚至是工作 站16，以便操作员或控制器可以马上采取适当的措施并且如果必要的话致 力于解决危险情况。为了高效利用可用的直接无线连接65并完全适应频繁 改变的网络拓朴，网络连接器27可以维护完整的网络地图(map) 68,定 义连接至少某些网络设备对30-50的路由方案，并且将该路由方案的相关部 分传达给参与该路由方案的每个网络设备。
具体来说，网络管理器27可以定义包括一个或更多单向通信路径的一 组有向图(directed graph ),将图标识符指派给每个定义的有向图，并且可 以将每个图定义的相关部分传达给每个相应的网络设备，每个相应的网络设 备而后可以更新特定i殳备的、在本地存储的连"l妄表69。如以下更详细的i兌 明，网络设备30-50接着可以基于包括在数据包的包头、包尾等的图标识符 来路由这些数据包。如果想要的话，每个连接表69可以仅仅存储与相应的 网络设备直接相关的路由信息，这样该网络设备不知道包括该网络设备的有 向图的完整定义。换句话说，该网络设备可能无法"看到"其直接邻居之外的 网络，并且在这种意义上，该网络设备可能不知道无线网络14的完整拓朴。 例如，在图1中示出的路由器设备60可以存储连接表69A,其可以仅仅指 定与相邻网络设备32、 36、 50和34相关的路由信息。同时，WHA 50A可 以存储连接表69B,其相应地可以指定与WHA 50A的邻居相关的路由信息。
在某些情况下，网络管理器27可以在网络设备对之间定义双重通信路 径，以确保在主通信路径的直接连接65之一变得不可用的情况下，数据包 仍然可以沿副通信路径到达目的设备。然而，直接连接65中的一些可以在 特定的网络设备对的主路径和副路径之间被共享。而且，网络管理器27在 某些情况下可以将要使用的整个通信路径传达给某一 网络设备，该网络设备 接着可以发起数据包并且将完整的路径信息包括在该数据包的包头和包尾 中。优选地，针对无严格的等待时间要求的数据，网络设备使用这种路由方 法。如下详细讨论的，该方法(这里称为"源路由")可以不提供相同程度的 可靠性和灵活性，并且， 一般而言，可以具有传递延迟较长的特征。另一核心要求是以最小的扰乱性与使用同一频带的其它装备共存。共存一般 定义为一个系统在共享环境中执行任务的能力，在该共享环境中，其它系统 能够类似地执行它们的任务，同时遵照同一准则组或者不同(并且可能未知 的)的准则组。在无线环境中共存的一个要求是在该环境中出现干扰时该协 议维持通信的能力。另一要求是该协议应该对其它通信系统造成尽可能小的 千扰和扰乱。
换句话说，无线系统与周围的无线环境共存的问题大体具有两个方面。 共存的第一方面是该系统用以影响其它系统的方式。例如，特定系统的操作 员或开发者可以询问一个发射器发送的信号对接近该特定系统运行的其它 无线电系统具有什么影响。更为具体地，该操作员可以询问，每当该发射机 开启时该发射机是否扰乱某些其它无线设备的通信，或者该发射机是否在广
播上花费过多的时间从而有效地"独占"(hogging)该带宽。理想地，每个 发射机应该是不被其它发射机注意到的"安静邻居"。尽管该理想特性(如果 有的话)很少能够达到，但创造了其它无线通信系统可以在其中运行得相当 好的共存环境的无线系统可以被称为"好邻居"。无线系统的共存的第二方面 是该系统在有其它系统或无线信号源的情况下运行得相当好的能力。具体来 说，无线系统的健壮性可以取决于该无线系统防止在这些接收机处的干扰的 能力有多好，取决于这些接收机是否由于接近的RF能量源而容易超载，取 决于这些接收机对偶尔的位丢失的容忍度有多好，以及类似的因素。在某些 行业中，包括过程控制行业，有许多重要的经常不允许数据丢失的潜在应用。 能够在嘈杂的或动态的无线电环境中提供可靠通信的无线系统可以被称为 "宽容的邻居"。
有效的共存(即，作为好邻居和宽容的邻居)部分地依赖于有效使用三 方面的自由时间、频率和距离。当通信在l)在干扰源(或者其它通信系 统)安静的时候发生；2)以与干扰信号不同的频率发生；或3)在足以远 离该干扰源的位置发生时，该通信可能是成功的。尽管这些因素中的单个因素可能用于在无线电频谱的共享部分提供通信方案，但是这些因素中的两个 或所有三个的结合可以提供高度的可靠性、安全性和速度。
仍然参见图1,网络管理器27或在网络14或12上运行的另一应用或 服务可以鉴于以上讨论的这些因素定义无线通信网络14的主网络调度表 67。主网络调度表67可以为网络设备25和30-55指定将诸如时间段和无线 电频率之类的资源的分配。具体来说，主网络调度表67可以指定网络设备 25和30-55中的每一个何时发送过程数据、代表其它网络设备路由数据、侦 听从网络管理器27传播来的管理数据以及为了希望加入无线网络14的设备 而发送广告数据。为了以有效方式分配无线电资源，网络管理器27可以鉴 于无线网络14的拓朴定义并更新主网络调度表67。更为具体地，网络管理 器27可以根据在每个节点处标识的直接无线连接65来分配可用资源给无线 网络14的节点中的每一个(即，无线设备30-36、 50以及60)。在这种意 义上，网络管理器27可以鉴于在每个节点处的发送要求和路由可能性来定 义和维护网络调度表67。
主网络调度表67可以将可用的无线电资源分成独立的通信信道，并且 进一步以例如时分多址(TDMA)通信时隙为单位在每个信道上测量发送和 接收时机。具体来说，无线网络14可以在某一频带内运行，该频带在大多 数情况下可以安全地与若干截然不同的载波频率相关联，以便以一个频率进 行的通信可以与以该频带内的另一频率进行的通信同时发生。本领域普通技 术人员将会理解的是，在典型应用中的载波频率(例如公共无线电)被充分 地分隔开以防止相邻载波频率之间的干M^。例如，在2.4GHz频带中，IEEE 指派频率2.455给信道号21,指派频率2.460给信道号22,从而允许2.4GHz 频带的两个相邻段之间隔开5KHz。主网络调度表67可以因此将每个通信信 道与截然不同的载波频率相关联，该载波频率可以是该频带的特定段的中心频率。
同时，如使用TDMA技术的行业中通常所用的，术语"时隙，，指特定的 持续时间段，较大的时段被分成该特定的持续时间段以提供受控的共享方法。例如， 一秒可以分成IO等分的100毫秒时隙。虽然主网络调度表67优选地以单个固定持续时间的时隙分配资源，但是只要无线网络14的每个相
关节点都被适当地通知了这种改变，那么改变这些时隙的持续时间也是可能
的。继续10个100毫秒时隙的实例定义，、两个设备可以每秒交换一次数据，在每秒的第一个100ms时段(即第一时隙)期间一个设备进行发送，在每秒的第四个100ms (即第四时隙)期间，另一设备进行发送，而剩下的时隙未被占用。因此，在无线网络14上的节点可以通过发送频率以及相应的设备可以在其间发送和接收数据的时隙来标识被调度的发送时机和接收时机。
作为定义有效的和可靠的网络调度表6 7的 一 部分，网络管理器2 7可以在将时隙在逻辑上组织成循环重复的组或超帧。如这里所使用的，超帧可以被更为精确地理解为一连串相等的超帧循环，每个超帧循环对应于形成连续时间段的若干相邻接的时隙的逻辑分组。在给定超帧内的时隙的数目定义了超帧的长度并且确定了每个时隙多久重复一次。换句话说，超帧的长度与单个时隙的持续时间相乘，指定了一个超帧循环的持续时间。另外，为了方便起见，可以对每个帧循环内的时隙进行连续编号。举一个具体的实例，网络管理器27可以将时隙的持续时间固定在10毫秒，并且可以定义长度为100的超帧，以产生l秒帧循环(即，IO毫秒乘以IOO)。在基于O的编号方案中，该实例超帧可以包括编号为0, 1,…99的时隙。
如以下更详细的讨论，网络管理器27减少了等待时间并且另外通过将多个不同大小的并发超帧包括在网络调度表67中来优化数据发送。而且，网络调度表67的一些或所有超帧可以跨越多个信道或载波频率。因此，主网络调度表67可以指定各个超帧的各个时隙和可用信道之一之间的关联。
因此，主网络调度表67可以对应于独立的设备调度表的集合。例如，诸如阀定位器34之类的网络设备可以具有独立的设备调度表67A。设备调度表67A可以仅仅包括与相应的网络设备34相关的信息。类似地，路由器60可以具有独立的设备调度表67B。相应地，网络设备34可以根据设备调度表67A发送和接收数据而不知道诸如该设备60的调度表69B之类的其它网络设备的调度表。为了这个目的，网络管理器27可管理总的网络调度表 67和各个独立的设备调度表67 (例如，67A和67B ),并且当需要时将独 立的设备调度表67传达给相应的设备。当然，设备调度表67A和67B是总 体或主网络调度表67的子集，或者是从总体或主网络调度表67获得的。在 其它实施例中，独立的网络设备25和35-50可以至少部分定义或协商设备 调度表67并将向网络管理器27报告这些调度表。根据这个实施例，网络管 理器27可以根据接收到的设备调度表67组合网络调度表67,同时检查资 源竟争并解决潜在的冲突。
以上概括描述的支持无线网络14的通信协议在这里被称为无线HART 协议70，并且参照图2更详细地讨论该协议的操作。如将会被理解的，直 接无线连接65中的每一个可以根据无线HART协议70的物理和逻辑要求来 传输数据。同时，无线HART协议70可以高效地支持在时隙内并且在与特 定设备调度表69所定义的超帧相关联的载波频率上进行通信。
图2示意性地示出了无线HART协议70的一个示例性实施例的各层， 与众所周知的通信协议的ISO/OSI7层模型的各层近似对齐。作为比较，图 2另外示出现有的"有线，，HART协议72的各层。将会理解的是，无线HART 协议70不一定要具有有线对等体。然而，如下面将要详细讨论的，无线HART 协议70可以通过与现有协议共享该协议栈的一个或更多上层来大大方便其 实现。如以上所指示的，如以上所指示的，与为类似网络提供服务的有线协 议72相比，无线HART协议70可以提供相同或更高程度的可靠性和安全性。 同时，通过消除安装有线的需要，无线HART协议70可以提供若干重要的 优点，例如降低与安装网络设备相关的成本。还将会理解的是，虽然图2将 无线HART协议70表现为HART协议72的无线对等体，但这种特定的对 应在这里仅仅是作为实例被提供。在其它可能的实施例中，无线HART协议 70的一或更多层可以对应于其它协议，或如以上所提及的，无线HART协 议70可以不与任何现有协议共享甚至最上面的应用层。
如图2中示出的，HART技术的无线扩展可以将至少一个新物理层(例如，IEEE802.15.4无线电标准)和两个凄t据《连^各层(例如，有线和无线网格) 添加给已知的有线HART实施。 一般而言，无线HART协议70可以是安全 的、在2.4GHzISM无线电频带中运行的无线网格组网技术(块74)。在一 个实施例中，无线HART协议70可以在一个事务接一个事务的基础上利用 可兼容IEEE 802.15.4b的直接序列扩频通信(DSSS )无线电和信道跳频。 可以利用TDMA对该无线HART通信进行调停以调度《连路活动(块76 )。 同样，优选地，所有通信在指定的时隙内执行。 一个或更多源设备和一个或 更多目的设备可以被调度以在给定时隙中进行通信，并且每个时隙可以专门 用于来自单个源设备的通信，或者这些源设备可以被调度为利用像
CSMA/CA那样的共享通信接入模式进行通信。源设备可以发送消息到一个 或更多特定的目标设备或者可以将消息广播到被指派时隙的所有目标设备。 因为这里描述的无线HART协议70允许部署网状拓朴，所以也可以指 定重要的网络层78。具体来说，网络层78可以使得单独的设备之间能够建 立直接无线连接65,并且使得无线网络14的特定节点(例如设备34)和网 关22之间能够通过一个或更多中间跳来路由数据。在某些实施例中，网络 设备对30-50可以建立包括一个或若干跳的通信^^径，而在其它实施例中， 所有数据可以要么向上游传播到无线网关22,要么从无线网关22向下游传 播到特定的节点。
为了增强可靠性，无线HART协议70可以将TDMA与 一种将多个无线 电频率与单个通信源相关联的方法(例如，信道跳频)相结合。信道跳频提
供了最小化干扰并减少多径衰落影响的频率分集。具体来说，数据链路76 可以生成单个超帧和多个载波频率之间的关联，数据链路层76以受控的和 预定义的方式在所述多个载波频率之间循环。例如，无线HART网络14的 特定场合的可用频带可以具有载波频率Fh F2, ... Fn。超帧S的相关帧R可 以被调度为，在循环Cn中以频率Ft出现，在接下来循环Cn+1中以频率F5 出现，在循环C。+2中以频率F2出现，等等。网络管理器27可以利用该信息 配置相关网络设备，以便在超帧S中进行通信的网络设备可以根据超帧S的当前循环调整发送频率或接收频率。
无线HART协议70的数据链路层76可以提供另外的将信道列入黑名 单的特征，其限制这些网络设备使用该无线电频带中的某些信道。网络管理 器27可以响应于检测到信道上的过多干扰或其它问题，将无线电信道列入 黑名单。进一步，操作员或网管可以将信道列入黑名单以便保护使用无线电 频带的固定部分的无线服务，否则的话该无线服务要与无线HART网络14 共享该固定部分。在一些实施例中，无线HART协议70以超帧为基础控制 列黑名单，以便每个超帧具有独立的被禁止信道的黑名单。
在一个实施例中，网络管理器27负责分配、指派并调整与数据链路层 76相关联的时隙资源。如果网络管理器27的单个例子支持多个无线HART 网络14,网络管理器27可以为无线HART网络14的每个例子生成总体调 度表。该调度表可以被组织成包含相对于该超帧的起点进行编号的时隙的超 帧。另外，网络管理器27可以维持全局性绝对时隙计数，该绝对时隙计数 可以反映自从无线HART网络14启动以来被调度的时隙的总数。该绝对时 隙计数可以用于同步目的。
无线HART协议70可以进一步定义链i洛或链路对象以便在逻辑上统一 调度和路由。具体来说，链路可以与具体的网络设备、具体的超帧、相对隙 数、 一个或更多链路选项(发送、接收、共享)以及链路类型(正常、广告、 发现)相关联。如图2中示出的，数据链路层76可以是频率捷变的。更为 具体地，信道偏移量可以用于计算用于执行通信的具体的无线电频率。网络 管理器27可以鉴于每个网络设备处的通信要求定义一组链路。然后，每个 网络设备可以4皮配置以所定义的该组链i 各。所定义的该组链路可以确定该网 络设备何时需要醒来，以及该网络设备是否应该在醒来后即进行发送、接收 或同时发送/接收。
继续参照图2,无线HART协议70的传输层80允许有效的尽力而为的 通信和可靠的、端到端确认式通信。如本领域技术人员将会认识到的，尽力 而为的通信允许设备发送包而不进行端到端的确认，并且不保证目的设备处的数据顺序。用户数据报协议(UDP)是这种通信策略的一个众所周知的实 例。在过程控制行业中，该方法可以对公布过程数据是有用的。具体来说， 因为设备周期性地传播过程数据，所以端到端确认和重试已经限制了效用， 特别是考虑到新数据是在定期的基础上产生的。相反，可靠的通信允许设备
发送确认包。除了保证数据传递，传输层80还可以安排网络设备间发送的
包。对于请求/响应业务，或者当发送事件通知时，这种方法可以是优选的。
当使用传输层80的可靠模式时，通信可以变得同步。
可靠的事务可以被建模为发出请求包的主设备和用响应包进行回复的 一个或多个从设备。例如，主设备可以产生某一请求并且可以将该请求广播 到整个网络。在某些实施例中，网络管理器27可以使用可靠的广播来告诉 无线HART网络14中的每个网络设备激活新的超帧。可替代地，诸如传感 器30之类的现场设备可以产生包并且将该请求传播到另一现场设备，例如 传播到便携式HART通信装置55。作为另一实例，由现场设备34产生的警 报或事件可以作为指向无线网关22的请求浮皮发送。响应于成功接收到该请 求，无线网关22可以产生响应包并且将该响应包发送到设备34，以对接收 到该警报或事件通知进行确认。
再参见图2，会话层82可以提供网络设备之间的基于会话的通信。可 以用会话在该网络层上管理端到端通信。网络设备可以具有为给定对等网络 设备定义的多于一个会话。如果想要的话，几乎所有网络设备都可以具有至 少两个与网络管理器27建立的会话 一个用于成对通信， 一个用于从网络 管理器27进行的网络广播通信。另外，所有网络设备都可以具有网关会话 密钥。这些会话可以通过指派给它们的网络设备地址来区分。每个网络设备 可以跟踪该设备参与的每个会话的安全信息(加密密钥、当前计数器)以及 传输信息(可靠传输顺序号、重试计数器等)。
最后，无线HART协议70和有线HART协议72可以支持公共HART 应用层84。无线HART协议70的应用层可以另外包括子层86，其支持大数 据组的自动分段传输。通过共享应用层84,协议70和72允许对HART命令和数据进行公共封装并且消除了在协议栈的最上层中进行协议转换的需要。
图3和4示出了建立或扩展过程控制网络的无线HART方法的某些优 势。具体来说，图3将用配置100示意性地表示的报告过程变量的遗留方法 与用配置102表示的有线HART方法进行对比。图4进一步示出使用HART 的无线扩展的方法的某些附加优势。
参见图3,硬线4-20毫安仪器102 (可以是科里奥利流量计)仅能经由 通常经过编组机柜108的有线连接106向分布式控制系统(DCS)报告单个 过程变量。例如，仪器102可向DCS 104才艮告流速测量值。通过HART标 准的引入，通过单对电线报告多个变量变得可能，并且此外，HART多路复 用器110的引入为4-20毫安设备提供支持。具体来说，HART多路复用器 110的若干个输入中的每一个都可用于到独立环路的独立硬线连接112,以 用于测量流速、密度、温度等。HART多路复用器IIO然后可经由有线连接 114向DCS 104报告这多个变量。然而，尽管诸如HART多路复用器110 之类的输入模块或多路复用设备可允许DCS 104使用单个连接112与若干个 遗留现场设备通信，但是对这种有遗留装置进行改进可能是困难、昂贵且耗 时的。举例来说，使用HART多路复用器IIO仍要求对编组机柜108进行重 新布线，并为各个环^各添加石更线连4妾112。
另一方面，图4示出可依赖于无线HART协议70的更有利的配置120。 如以上简要指示的，无线HART适配器50可在提供对符合HART标准的过 程变量组的访问权限的同时，与现有的仪器(例如定位器、变送器等)协同 工作，以支持4-20毫安信令标准。因此，配置IIO可被更新为配置120,同 时将编组机柜108保持完整无缺。更具体地说，无线HART适配器50可以 有线方式连接到现场i殳备102,并建立与网关122的无线连接，网关122也 可与一个或更多无线HART设备124通信。因此，无线HART现场设备、 适配器以及网关可允许工厂操作员以成本有效的方式升级现有的网络(即将 无线HART适配器添加到遗留设备)，并通过在与有线HART设备(未示出)和诸如4-20毫安装置之类的遗留设备相同的网络中使用诸如设备124 之类的无线HART设备来扩展现有的网络。当然，有线工厂自动化网络也可 包括使用诸如Foundation Fieldbus、 Profibus DP等之类的其它协议的设备， 并且应当注意到，部件50和122可类似地扩展和升级其它网络。为了清楚 起见，所有这样的网络在这里都被称为"遗留网络"。
还应当注意到，具有内置无线HART能力的仪器提供使这些设备能够 自供电(例如电池供电、太阳能供电等)的额外优势。无线方法的其它优势 在于根据需要添加对独立仪器的多变量数据访问的能力、消除了对编组机拒 重新布线以适应HART多路复用器的需要，以及在经由无线HART适配器 50访问副过程测量值的同时维护在4-20毫安信令线上的主测量值的可能 性。进一步，诸如工作站16(见图1 )之类的主机可使用标准HART命令来 从无线连接到无线HART网络14的网络设备读取必需的过程值(通用命令)。 更进一步，用户可经由包括例如诊断消息或远程更新上传和下载设备配置的 HART命令访问所有可用的设备功能。
图5提供在油罐区130中形成无线网状网络的特定示例以进一步示出这 里所述的无线网关的应用。在该特定示例中，油罐区130可利用若干个无线 HART设备来进行油位监测。更具体地说，油罐区130包含作为现有设施的 一部分的若干个油罐132。本领域普通技术人员将认识到，为了给油罐区130 添加测量和监测能力，并且使每个油罐132在DCS 134上可见，当前已知的 解决方案需要将线缆延伸到每个油罐以连接新安装的仪表或传感器。若现有 的线缆长度范围内没有充足的备用容量，则该操作可能是个昂贵且耗时的选 择。另一方面，这里描述的无线解决方案可利用自己供电的仪器来报告新的 过程测量值。这些测量值可能例如来自容易安装的无线接触式温度监测设备 136。此外，由于为油罐区130提供服务的工程师、技术员和其它工厂操作 员可能不需要拉线缆或购买和安装控制器输入模块，因此最后的成本节约可 能使得添加若干个过程测量点以改进过程可见性变得经济可行。例如，工厂 操作员可为每个油罐额外添加压力传感器138。压力传感器138、无线接触型温度监测设备136、无线网关137和未在图5中示出的额外的无线设备由 此可形成无线网络140。
如以上参照图l一般讨论的，重要的是，考虑每个库132上的无线设备 的位置，以便无线网络140可以形成高效和可靠的网状布置。在某些情况下， 有必要在那些工厂装置可能阻塞或严重影响无线连接的地方上添加路由器 60。因此在这种或类似情况下，期望无线网络140是"自修复"的，即能够 自动处理传递故障中的至少 一些故障。为了满足这种情况或其它设计要求， 无线网络140可以定义冗余路径和调度表以便响应于检测到一个或更多直 接无线连接65的故障，网络14可以经由备用路由对数据进行路由。而且， 可以在不会关断或重启无线网络140的情况下添加和删除这些路径。因为在 许多工业环境中的这些障碍或干扰源中的一些可以是暂时的或可移动的，因 此，无线网络140可能够自动重新组织自己。更为具体地，响应于一个或更 多预定的条件，现场设备对可以将彼此识别为邻居，从而生成直接无线连接 65或者相反地，解除先前的直接无线连接65。另外，(在图5中示出为驻 留于无线网关137中的)网络管理器142可以额外地生成、删去或暂时中止 非邻居设备之间的路径。
再参见图1、 4和5，如果无线网络14或140提供对参与网络设备进一 步寻址的有效方法，则升级或扩展遗留网络的方便性可进一步提高。特别期 望的是无缝扩展设备的现有寻址方案，以减少或甚至是消除重新配置遗留设 备的需要。此外，这种寻址方案可简化用于访问和监测无线网络14的外部 应用程序地开发，并且在至少某些预计的实施例中，可允许现有的应用程序 使用单个、统一和向后兼容的方案访问4-20毫安设备、有线HART设备和 无线HART设备。图6示意性地示出一种可提供以上论述的某些或所有优势 的为各个网络设备30-55、 136和138指派地址信息的方法。
再参见图2，无线HART协议70的数据链路层76可使用8字节地址 200，如图6所示。同时，网络层78可使用在无线HART网络14内的唯一 5字节身份202。在一个实施例中，无线HART协议70支持两种地址2字节"别名"204和8字节IEEE EUI-64TM地址200。与数据《连;洛76相关联的 包或数据链路协议数据单元(DLPDU )可包含指示DLPDU中包括的地址是 2字节别名204还是全8字节地址200的专用字段。在运行中，网络地址 30-50、 136和138可使用两种格式中的任一种在无线网络14或140内路由
数据包。
在一个实施例中，网络管理器27或142可为独立的网络设备30-55、 136 和138指派2字节别名204,并在无线网络14或140的运行期间管理别名 304。作为补充或替代地，其它实体或网络设备可参与别名管理。特定网络 设备的别名204可以是仅本地唯一的，即仅在网络设备运行于其中的网络 14或142内是唯一的。在大多数情况下，别名204指具体的网络设备。然 而，诸如OxFFFF之类的预定义值可对应于广纟番地址。
进一步，EUI-64地址200可包括由电气和电子工程师协会(IEEE)指 派的三字节组织唯一标识符(OUI) 206和由HART协议70或无线HART 协议72控制的5字节唯一标识符202。在无线HART的情况下，全EUI-64 地址200可以利用HART通信基金会(HCF)组织唯一标识符(OUI) 206 与如6所示的40比特HART唯一标识符202的串接来构造。
同时，唯一标识符202可以是2字节扩展设备类型代码208与2字节设 备标识符210的串接。优选地，该扩展设备类型代码208由诸如HCF之类 的负责定义无线HART协议70的组织分配。优选地，利用同一设备类型代 码208制造的各个设备具有不同的设备标识符210。进一步，由于IEEE 802.15.4要求以LSB优先的方式发送多字节字段("小端字节序，little endian")，因此无线HART协议72可遵从LSB排序。因此，长地址200 在DLPDU中以设备标识符210的最低有效位(LSB )开始发送，而以HCF OUI 306的MSB结束发送。在该实施例中，别名204也可以小端字节序(LSB 优先)的方式发送。
以上参照图6描述的寻址方案可提供从支持有线HART协议72的有线 环境到至少局部具有无线能力的无缝转换。根据以上描述将认识到，由于所建立的HART寻址方案的无缝扩展和能够将各种网络连接到无线HART网 络14的无线网关的无缝扩展，将无线HART设备30、 32等逐步添加到硬线 HART网络而不彻底重建相应的过程控制环境是可能的。无线网关22或137 可以是用HART设备类型配置的无线HART设备。用更通俗的话说，无线 网关22或137也可以是无线HART网络14或10上的网络设备。另 一方面， 无线网关22或137可向工厂自动化网络12提供服务接入点(SAP)。本领 域技术人员将意识到，服务接入点通常用作终点或进入各种服务或网络的进 入点。因此预计无线网关22或137除了隧道技术和协议转换之外，还可提 供针对大数据传输的緩沖和本地存储。
重要的是，无线网关22或137的第二接口 23B不需要被限制为任何特 定协议。例如，以太网到无线式无线网关22或137可提供工业以太网络与 无线HART网络14之间的双向路径，Wi-Fi到无线式无线网关22或137可 在802.1 la/b/g无线电链路上运行，以类似地将无线网络14或140连接到工 厂网络，而串行到无线式无线网关22或137可使能工厂自动化服务器与支 持串行接口的其它装置之间的连接。最后，很多过程控制装置的供应商提供
私有的输入/输出(I/O)网络，并且因此需要私有接口。在后者的情况下， 无线网关22可装配有特定系统的私有接口 。
图7-10连同图1 一起示出在各种网络拓朴中且鉴于不同的现存装置和 环境状况可能有用的无线网关的若干个实施例。在图l所示的示例中，无线 网关22可经由以太网或其它标准协议将无线HART网络14连接到工厂自动 化网络12。然而，无线网关22或127也可支持其它类型的连接。如图7所 示，例如，网络300可包括以可通信方式连接到工厂骨干305的DCS 302。 工作站306也可连接到工厂骨干20,并且可向操作员和工厂员工提供对DCS 302和网络330的剩余部分的访问权限。进一步，DCS 302可通过一组承载 4-20毫安范围内的可变DC电流的导线312与现场终端组件(FTA) 310通 信。本领域技术人员将认识到，FTA310主要用于在为DCS 302的特定商家 布线提供一定程度的灵活性的同时，维持与遗留4-20毫安设备320相同的布线316。另外，FTA 310可经由信令链路326连接到多路复用器324。类 似于前面论述的多路复用器110,多路复用器324可提供一个或更多输入与 一个或更多输出之间的信号转换。在该特定示例中，多路复用器324可连接 到适配器328,适配器328可将RS232信令转换成RS485信令，并且因此使 工作站306能够经由标准RS232串行端口与多^各复用器324通信。最后， FTA310的另一输出可经由链路332连接到无线网关330，接下来，该链路 332可连接到包括若干个无线设备336的无线HART网络33。
根据一方面，无线网关330在网络300中运行，以将网络300的包括有 线现场设备320、 DCS 302以及多路复用器324的遗留部分无缝扩展为包括 无线HART网络300的无线HART设备336。在该实施例中，无线网关330 和多路复用器324之间的链路326和332可都支持RS485连接。该布置可 允许无线网关330处理特定的RS485命令，并将所有其它命令作为HART 命令传到目标现场设备336之一。
在另一实施例中，无线网关可作为新无线网络装置的一部分被提供。再 参见图1,无线网关22可连接到工厂自动化网络12。网络管理器27和安全 管理器28可在无线网关22上运行，或在诸如工作站16之类的驻留于网络 12的主机上运行。无线网关22可经由诸如Profibus DP之类的任意总线连接 到工厂自动化网络12。
在也与图1的图示说明一致的另一实施例中，网关22可以是既包括网 络管理器27又包括安全管理器28的单机单元。在该实施例中，诸如资产管 理软件之类的较高等级的应用程序可在工作站16上运行，并于网络设备 30-50通信。另外，手持式无线HART设备55可读取主副过程测量值和警 报，周期性地将该数据经由网关22并通过某种其它网络类型，例如蜂窝网 络，发送到主机应用程序。可替代地，该主才几应用程序可在工作站16或18 上运行，工作站16或18可通过工厂骨干20与网关22通信。
现在参见图8，网络360可包括无线网关362的另一实施例。具体来i兑， 无线网关362可用与个人计算机或工作站364的扩展槽相兼容的PC卡来实现。在该实施例中，无线网关362可容易地支持诸如资产管理软件之类的较 高等级的应用程序。另外，主副测量值、警报等还可通过作为SAP运行的 无线网关362被访问，并被本地处理或通过某种其它网络发送到另 一工厂应 用程序。最后，图9示出一配置380，其中无线网关382 #1嵌入1/0系统384内。 可替代地，系统380可以是基于DCS的系统。该配置可提供I/O测量以用 于监测和控制系统380的应用。另外，在主机386上运行的诸如资产管理软 件之类的较高等级的应用程序，可通过使HART命令以隧道方式通过驻留于 工厂骨干388上的控制网络并经由I/O系统384,来以该特定配置运行。图10提供一个实施例的更具体地图示说明，在该实施例中，无线网关 分布在若干个网络部件中。具体来说，网络390可包括经由网关396连接到 无线网络394的工厂自动化网络392,网关396包括驻留于网络主机402上 的虚拟网关400和两个网络接入点404和406。才艮据该实施例，可替代地， 网关396可包括单个接入点404或406，或者也可相反地，包括多于两个接 入点404或406。此外，网关396可在运行期间通过额外的接入点动态地扩 展。通常，接入点404或406的数目可取决于诸如无线网络394运行于其中 的自动化工厂的物理布局(例如阻挡无线信号的障碍物、无线设备之间的相 对距离等)、无线网络394的带宽要求(例如向工厂自动化网络392中运行 的主机发送数据的无线设备的数目、在每个设备处的发送频率)之类的因素， 以及更多诸如成本和对各个独立网绍4妄入点404和406进行布线的难度之类 的显而易见的因素。优选但并非必需的，接入点404和406彼此之间提供至 少一些冗余，以便在例如网络接入点404失效的情况下，网络接入点406可 接管并补偿至少损失的带宽的一部分。在运行中，虚拟网关400可与各个网络接入点404和406通信，以建立 与在无线网络394中运行的无线网络设备412-418中的至少某些无线网络设 备的无线连接、经由网络接入点404和406中的一者或两者提供时钟控制给 无线网络394、在网络接入点404和406中的每一个处控制无线资源(例如网关400可负责协议和地址转换，以保证无线网络394与工厂自动化网络392的无缝协作。具体对于寻址，网关396可通过为虚拟网关400指派知名地址420来提 高将来自和去往无线网络设备412-418的数据的路由的有效性和可靠性。同 时，网络接入点404和406中的每一个可分别具有单独的地址424和426。 在运行中，网络设备412-418可通过指定知名地址420来将数据路由至网关 396。在这个意义上，网络设备412-418不需要知道有多少个网络4妾入点404 和406作为网关396的一部分在运行，或者与网络接入点404和406中的每 一个相关联的地址是多少。此外，在某些实施例中，网络设备412-418中的 每一个可具有至少一条到网络接入点404和406中的每一个的路径(例如直接连接或经由一个或更多中间网络设备的连接)。以这种方式，即使所有网 络接入点中除了一个之外其它所有的网络接入点404或406都失效，整个无 线网络394仍然可接入到网络392中的主机。在替代实施例中，虚拟网关 400或对应网络管理器可响应于检测到网络接入点404或406中的一个或更 多网络接入点的状态改变，添加或删除网络接入点404或406与无线网络 394的网络设备之间的无线连接。例如，网关400可向管理器报告网络接入 点404的失效，而管理器4妄下来可添加直接连接430以创建网络410与网络 接入点406之间的经由网络设备412的路径。对于协议转换，应当注意到，通常，无线网关396可支持任何在网络 392和394上运行的协议。然而，在某些实施例中，网关396可识别各个协 议的一个或更多共享层，并在进行协议之间的转换时使一个或更多上层保持 完整无缺。在一个特别有用的实施例中，无线网络394可使用无线HART 协议70 (见图2 )运行，而主机402可经由例如HART调制解调器向网络设 备410-418发出HART命令。在这种情况下，网关396可在层74-82上进行 协议转换，而无需修改与层84相关联的数据。总体参见图1、 4、 5、 7和8-10,无线网络14、 140或394可进一步改 进对改变环境状况的响应性，并且作为补充，通过从网关设备开始逐步建立无线网络来改进设备间通信的可靠性。再参见图1,无线HART网络14可 最初从网络管理器27和网关22形成。根据前面论述的各种实施例，网络管 理器27和网关22可驻留于同一物理主机上，并且可以有线或无线方式通过 双向连4妻相连。更具体地说，图11示出可在无线HART网络14初始化时运 行的示例启动程序450。如图11所示，例程450包括第一步骤452,其间网关22启动并初始化。 在步骤454中，网关22可生成网络管理器27的实例。应当注意到，尽管示 例步骤454包括作为在与网关22所在的物理主机相同的物理主机上运行的 软件实例的网络管理器27的生成，但是网络管理器27还可在工作站16或 18之一上运行，或者可分布于若干个硬件部件中。在替代实施例中，网络 管理器27可先启动，并且可生成虛拟网关24的实例。然后，网关22或网络管理器27可在块456中生成安全管理器28的实 例。在无线HART网络14的运行期间，安全管理器28可与网络管理器27 一起工作以保护HART网络14免受各种对抗性威胁。具体来说，安全管理 器28可为网络管理器27提供安全密钥，该安全密钥可用于无线HART网络 14中的设备鉴权和数据加密。安全管理器28可产生和管理被无线HART网 络14使用的加密材料，并且也可负责这些密钥的产生、存储和管理。在块 458中，安全管理器28可建立与网络管理器27的连接。在随后的操作中， 安全管理器28可采用服务器-客户端的架构与网络管理器27密切地一起工 作。在某些实施例中，安全管理器28的单个实例可为多于一个无线HART 网络14提供服务。接下来，网关22可在块460中开始提供时钟控制或同步。由于无线 HART网络14可具有多于一个网关22,并且由于同步通常来自于单个源， 因此网络管理器27可明确地指定同步的源。例如，网络管理器27可执行网 络接入点25A作为时钟控制源。如果需要的话，图1的网络接入点25A和 网络接入点25B两者均可提供同步时钟信号。继续参见图11,网络管理器27可在块462中生成无线HART网络14的第一超帧和第一网络图。然后在块464中，无线HART网络14可开始广 告，以便现场设备30、 32等可处理这些广告包，并且启动对加入该网络的 过程。如以上所-论述的，网关22可驻留于无线HART网络14上以作为网络 设备。因此，现场设备可使用与被这些设备用来与邻居现场设备通信的命令 和程序相同的命令和程序与网关22通信。进一步，现场设备可从包括网关 22的任何网络设备接收广告包，并对这些广告包作出响应。尽管上述内容详细说明了多个不同的实施例，应该理解本发明的范围由 本专利的末尾处提出的权利要求书中的语句来限定。因为说明每一种可能的 实施例即使不是不可能的，也是不切实际的，所以上述详细说明应该被解释 为仅用于说明目的，但并没有说明每一种可能的实施例。许多可替代实施例 可以用当前的技术或本专利的申请日之后开发的技术来实施，这将仍然落入 这些权利要求的范围内。
权利要求
1、一种提供有线协议的无线扩展的方法，该有线协议用于经由有线连接向在过程控制环境下运行的现场设备和从在过程控制环境下运行的现场设备传输数据，其中所述有线协议和所述有线协议的无线扩展具有至少一个公共的协议层，该方法包括将符合所述有线协议的寻址方案的唯一地址与在所述过程控制环境下运行且形成无线网络的多个无线设备中的每一个进行关联；其中数据包基于该唯一地址在所述多个无线设备中的两个之间路由；将网络标识符与所述多个无线设备进行关联；根据第二寻址方案为所述多个无线设备中的每一个形成包括相应的唯一地址和所述网络标识符的全局地址；以及基于与在所述外部主机处指定的无线设备相关联的全局地址，为所述为多个无线设备中的每一个提供对在所述无线网络外部运行的外部主机的访问权限。
2、 如权利要求1所述的方法，其中形成全局地址由在所述唯一地址上附 加由电气和电子工程师协会(IEEE)分配的组织i唯一标识符(OUI)组成。
3、 如权利要求2所述的方法，其中附加OUI是附加与HART⑧通信协议相 关联的OUI。
4、 如权利要求l所述的方法，进一步包括将所述有线协议的寻址方案与所述无线协议的网络层进行关联；以及 将所述第二寻址方案与所述无线协议的数据链路层进行关联；其中所述无 线协议的网络层在所述无线协议的数据链路层之上成层。
5、 如权利要求1所述的方法，其中将符合所述有线协议的寻址方案的唯 一地址与多个无线设备中的每一个进行关联包括将占据第一数目的字节的唯一设备标识符与所述唯一地址进行关联；以及 将占据第二数目的字节的扩展设备类型代码与所述唯一地址进行关联；其中各设备具有相同的类型，并且相同的制造商共享相同的扩展设备类型代码。
6、 如权利要求5所述的方法，其中所述第一数目的字节与所述第二数目的字节之和为五个字节；其中所述网络标识符为由电气和电子工程师协会 (IEEE )分配的三字节组织唯一标识符(OUI )。
7、 如权利要求1所述的方法，其中所述全局地址符合八字节扩展唯一标 识符(EUI-64) IEEE标准。
8、 如权利要求1所述的方法，其中所述有线协议的寻址方案是HART寻 址方案。
9、 如权利要求1所述的方法，进一步包括将别名与所述多个无线网络 设备中的每一个进行关联；其中所述别名占据比符合所述有线协议的寻址方案 的唯一地址少的字节数目；并且其中所述多个无线设备中的每一个能够基于所 述多个无线设备中的至少一个的别名或所述多个无线设备中的该至少一个的唯 一地址将数据路由至所述多个无线设备中的该至少 一个。
10、 一种在过程控制环境下运行的通信网络，包括第一设备，仅具有到分布式控制系统(DCS)的有线连接，并支持用于传 输过程控制数据的有线协议；所述第一设备包括与所述有线协议相关联的唯一 有线地址；第二设备，具有到所述DCS的无线连接，并支持用于传输过程控制数据的 无线协议；所述第一设备包括与所述有线协议相关联的唯一无线地址；以及路由设备，基于与所述有线协议相关联的地址，在所述第一设备和所迷 DCS之间以及所述第二设备和所述DCS之间传输数据。
11、 如权利要求10所述的通信网络，其中所述路由设备是经由至少一个 线对连接到所述DCS的现场终端组件(FTA)。
12、 如权利要求11所述的通信网络，其中所述DCS根据HART通信协议 经由所述至少一个线对将数据传播到所述FTA;并且其中与所述有线协议相关 4关的-舉一无线地址是HART地址。
13、 如权利要求10所述的通信网络，其中所述第二设备进一步包括至少与具有到所述DCS的无线连接的第三设备共享的网络标识符。
14、 一种在运行于过程控制环境下的无线网状网络中提供高效寻址的方 法，该方法包括将包括设备标识符和设备类型代码的唯一第 一地址与参与所述无线网状 网络的多个 无线设备中的每一个进行关联；将唯一第二地址与参与所述无线网状网络的多个无线设备中的每一个进行关联；基于所述唯一第一地址或所述唯一第二地址，在所述多个无线设备中的每 一个与所述多个无线设备中的至少另一个之间路由数据；以及基于包括所述唯一第一地址和与所述无线网状网络相关联的常数值的全 局地址，在所述多个无线设备中的每一个与在所述无线网状网络外部运行的主 机之间路由数据。
15、 如权利要求14所述的方法，在所述多个无线设备中的每一个与在所 的地址路由数据。
16、 如权利要求14所述的方法，其中将唯一第一地址与多个无线设备中 的每一个进行关联是将多个无线设备中的每一个与符合有线协议的唯一地址进 行关联；其中在所述多个无线设备中的每一个与所述多个无线设备中的至少另 一个之间路由数据包括使用无线协议；并且其中所述无线协议通过支持与所述 有线协议相关联的协议栈的至少最上层来扩展所述有线协议。
17、 如权利要求16所述的方法，其中所述有线协议是HAin^。
全文摘要
一种提供有线协议的无线扩展的方法，该有线协议用于经由有线连接向和从在过程控制环境下运行的现场设备传输数据，其中所述有线协议和所述有线协议的无线扩展具有至少一个公共的协议层，该方法包括将符合所述有线协议的寻址方案的唯一地址与在所述过程控制环境下运行且形成无线网络的多个无线设备中的每一个进行关联，使得数据包基于该唯一地址在所述多个无线设备中的两个之间路由；将网络标识符与所述多个无线设备进行关联；根据第二寻址方案为所述多个无线设备中的每一个形成包括相应的唯一地址和所述网络标识符的全局地址；以及基于与在所述外部主机处指定的无线设备相关联的全局地址，为所述为多个无线设备中的每一个提供对在所述无线网络外部运行的外部主机的访问权限。
文档编号H04L12/28GK101682547SQ200880019600
公开日2010年3月24日 申请日期2008年4月11日 优先权日2007年4月13日
发明者华莱士·A·普拉特, 埃里克·D·罗特沃尔德, 托马斯·P·伦瓦尔, 罗宾·S·普罗马尼克, 马克·J·尼克松 申请人:Hart通信基金会