具有節制點的無線網狀網絡和電池電量低的警報的製作方法

2024-01-21 07:53:15

專利名稱：具有節制點的無線網狀網絡和電池電量低的警報的製作方法
具有節制點的無線網狀網絡和電池電量低的警報相關申請的交叉引用本申請要求於2008年9月25日遞交的美國臨時專利申請No. 61/099，959的優先
權，並且其全部內容被合併於此作為參考。
背景技術：
無線網狀網絡是由以網狀拓撲組織的多個無線設備(S卩，節點)構成的通信網絡。 在實際的無線網狀網絡(還可以被稱為自組織多跳網絡)中，每個設備必須能夠針對自身以及網絡中的其他設備來路由消息。由於可以使用較低功率RF無線電，而網狀網絡可以跨越將消息從一端傳送至另一端的相當大的物理區域，因此消息逐節點地跳轉在網絡中的概念是有益的。同採用與集中式基站直接通信的遠程設備的點對點系統相反，在網狀網絡中不需要高功率無線電。術語「自組織」是指網狀網絡形成備選網絡以在設備之間以及在設備與數據收集器或者連接至某些更高等級更高速的數據總線的網橋或網關之間進行消息收發的能力。具有無線消息的備選冗餘路徑，通過即使在另一路徑因環境影響或因幹擾而受阻或惡化的情況下仍確保存在至少一條供消息流通的備選路徑，增強了數據可靠性。從每個節點向網橋或網關提供的路徑是動態的，這意味著這些路徑可以響應於路徑受阻或添加新路徑而改變。例如，當設備節點試運轉時，其將產生能夠與之通信的設備 (艮P，鄰居)的列表。特別地，該列表可以是隨著網絡所佔用的射頻(RF)環境和物理空間的改變(例如，在兩個設備之間建造牆或金屬屏蔽從而限制設備之間的通信)動態變化的。 基於該動態鄰居列表，與網關相關聯的網絡管理器選擇父親/孩子設備，父親/孩子設備定義了從該設備到網關設備或從網關設備到該設備的通信路徑。父親/孩子設備的列表也是動態的，但典型地其動態程度低於鄰居列表。由於這些動態特性，無線網狀網絡的組織不斷改變。一種分析網狀網絡的操作的方法是基於由網絡提供的鄰居列表、父親孩子列表等，檢查網狀網絡的組織。網絡組織的改變用於診斷與網絡相關聯的問題。分析列表的現有技術方法包括在用線連接鄰居和/或父親孩子對的圖中顯示每個節點。如果無線設備(或多個無線設備)依賴於單個無線設備(或有限數目的無線設備)將其消息路由至網關，則網狀網絡中可能存在節制點(Pinch point)(或通信瓶頸)。 如果無線設備的失效將導致網絡中的其他設備不再具有返回至網關的路由，則可以將該設備看作節制點。節制點可能對無線網絡具有若干負面影響。首先，必須通過節制點進行通信的無線設備可能具有降低的通信可靠度。第二， 必須通過節制點進行通信的無線設備的帶寬可能是受限的，並且網絡性能可能受到不利影響。第三，作為節制點的無線設備將消耗額外的功率來發送增加的消息負載。這對於電池供電設備(導致縮短的電池壽命)或依賴於能量採集的設備(例如，太陽能供電的設備) 是尤其重要的。節制點因多種情況而出現。例如，節制點可能是糟糕的網絡設計或安裝、不斷改變的RF環境、(對RF環境造成影響的)網絡所處的物理空間的改變以及退出服務的無線設備的結果。無線設備或網關不提供關於無線設備是否是節制點的信息。在許多情況下，無線網狀網絡的用戶直到上述一個或多個不利影響出現時才意識到網絡中存在節制點。當用戶檢測到不利影響時，他或她可以開始檢查並以圖形方式構建無線設備之間的通信鏈路的圖，從而識別節制點。根據無線網狀網絡的複雜度，該過程可能耗費幾分鐘到幾小時不等。 一旦對網絡的通信特性進行了繪圖，用戶就能夠解決引起網絡節制點的問題(或多個問題)。電池電量低的節制點可能是危急的情形。如果作為節制點的無線設備電源耗盡， 則其無線電將停止工作。無線網狀網絡將失去該節制點設備以及依賴該節制點而與網關進行通信的那些其他無線設備。在其他情況下，因電源損耗而引起的特定無線設備的損耗可能使網絡內的另一個設備變為節制點。雖然變為節制點的設備可能仍具有充足的電池電源，但是對無線網狀網絡性能的負面影響仍將發生。典型地，無線網狀網絡中的無線設備向網關報告電池狀況以及無線設備正在感測的過程變量的測量值。如果識別出電池電量低的警報，那麼無線網狀網絡的用戶可以基於由該無線設備產生的測量(過程變量值)的重要性，對電池更換進行優先級排序。然而，這種優先級排序並未考慮到特定無線設備的電池電量低的狀況是否會使該無線設備造成節制點失效、是否會使網絡內的另一無線設備變為節制點、或者同時發生這兩種情況。因此， 用戶可能未意識到電池電量低的設備可能使其他無線設備的測量處於危險之中。

發明內容
一種無線網狀網絡，包括設備管理器，評估由網絡的無線設備產生的無線電統計數據，以確定無線網狀網絡是否具有節制點。提供了警報，使得用戶能夠在對可靠性、帶寬或無線設備功率造成不利影響之前對節制點進行補救。在另一個實施例中，所述無線網狀網絡包括設備管理器，使用電池狀況以及無線電統計數據來評估和預測網絡性能。所述設備管理器向用戶報警存在作為節制點的電池電量低的無線設備或可能使另一個設備變為節制點的電池電量低的無線設備。


圖1是示出了在主機和現場設備之間路由消息的自組織網狀網絡系統的圖。圖2是示出了一種使用鄰居信息確定節制點的方法的流程圖。
具體實施例方式圖1示出了過程通信系統10，包括主機計算機12、高速網絡14、無線網狀網絡 16 (包括網關18和無線現場設備或節點20a-20i. . . 20N)、以及網絡計算機30。網關18作為網狀網絡16與高速網絡14上的主機計算機12之間的接口。可以通過網絡14將消息從主機計算機12發送至網關18，然後通過多條不同路徑之一將該消息發送至網狀網絡16中的所選擇的節點。類似地，從網狀網絡16中的各個節點，經由多條路徑之一，逐節點地將消息路由通過網狀網絡16，直到消息到達網關18，然後通過高速網絡14將消息發送至主機 12。主機計算機12可以是分布控制系統主機，運行應用程式以便於向現場設備 20a-20N發送消息以及接收並分析包含在來自現場設備20a-20N的消息中的數據。例如，主機計算機12可以使用AMS (TM)設備管理器，作為允許用戶監控現場設備20a-20N並與現場設備20a-20N進行交互的應用程式。例如，主機計算機12可以位於中央控制室中，並可以在控制室操作者屏幕上顯示過程信息和警報。網關18可以使用多種不同的通信協議，通過網絡14與主機計算機12進行通信。 在一個實施例中，網絡14是RS485雙線通信鏈路，網關18可以在該RS485雙線通信鏈路上使用MODBUS協議與主機計算機12進行通信。在另一實施例中，網絡14是乙太網網絡，並且，基於網絡14的通信可以使用乙太網接口來支持MODBUS TCP/IP。網關18和無線設備20a_20N使用無線通信協議進行通信。在以下討論中，作為示例，將使用WirelessHART協議，然而還可以使用可在無線網狀網絡中使用的其他協議。 WirelessHART協議使用時分多址(TDMA)和信道跳躍來控制無線網絡16中的通信。網絡管理器32可以被實現為駐留在網關18上的軟體，對無線現場設備20a-20N和網關18之間的通信進行調度。網絡管理器32還定義了網關和各個無線設備20a-20N之間的通信路徑。時分多址(TDMA)利用時隙。各個設備之間的通信能夠發生在時隙中。一系列時隙被定義為形成TDMA超幀。網絡管理器32確定哪些設備被分配至超幀中的特定時隙以進行通信。對網絡中的所有設備進行時間同步，以形成通信。網絡管理器32還分配特定的信道和頻率，所分配的設備將在特定時隙期間在所述特定的信道和頻率上進行通信。網絡管理器32定義了供消息從網關18傳播至各個無線設備20a_20N的通信路徑以及消息從無線設備20a-20N返回至網關18的通信路徑。網絡管理器32使用從無線設備 20a-20N中的每一個接收的信息來分配消息的路徑。在每個無線設備或節點的試運轉期間， 節點與其他節點進行通信以確定其鄰居。鄰居被定義為與無線設備進行活動通信的設備或網關。在每個通信期間，每個無線設備測量來自和去往鄰居的接收信號強度(RSSI)。每個無線設備還產生周期性地報告的路徑穩定性、RSSI以及關於與其鄰居的無線通信的其他無線電統計數據。網絡管理器32利用鄰居信息和RSSI信息，確定要用於傳出和返回消息的通信路徑。針對每個消息路徑，網絡管理器32識別該路徑的各個跳躍或鏈路的父親節點和孩子節點。父親是針對另一設備(該父親的孩子)使通信經過其自身的設備。孩子是通過另一個設備(該孩子的父親)進行通信以到達第三設備或網關的設備。鄰居可以是父親或孩子。 雖然圖1示出了僅具有單個網絡18的無線網狀網絡16，但是在其他實施例中，可以包括多於一個網關。在這種情況下，網關共享網絡管理器32，使得同一無線協議(在這種情況下是 WirelessHART)在整個無線網狀網絡16中操作。例如，網絡計算機30可以是由維護人員用於監控無線網絡16和給無線網絡16提供服務的計算機。例如，網絡計算機30可以位於儀器和電氣(I&E)維護車間中。設備管理器34(例如，可以是來自愛默生過程管理的AMS(TM)設備管理器和AMS無線SNAP-ON)可以是運行在網絡計算機30上的應用程式。設備管理器34用於向維護人員提供關於無線網狀網絡16內存在節制點的警報以及關於無線設備中電池電量低的狀況的警報。設備管理器34還可以向用戶告知節制點的影響或可能影響，並可以建議如何可以解決節制點帶來的問題。無線設備20a_20N中的每一個周期性地向網關18報告無線電統計數據。網絡管理器32使用這些無線電統計數據來確定通信路徑並分配時隙。設備管理器34也可以使用無線電統計數據，確定實際或潛在節制點的存在。無線電統計數據可以包括鄰居的標識、 來自每個鄰居的接收信號強度(RSSI)、去往每個鄰居的接收信號強度(RSSI)、與每個鄰居的成功通信的百分率(路徑穩定性的指示)、至特定設備或節點的父親和孩子的數目、父親孩子比、父親鄰居比、和孩子鄰居比、以及該設備是否處於網關18的範圍內。在一段時間內收集這些無線電統計數據，並以例如大約15分鐘的間隔報告這些無線電統計數據。每個設備還感測過程的參數(例如，溫度、壓力、流速、液平面)，並根據網絡管理器32所確定的調度向網關18發送包含所測量的過程變量在內的消息。連同過程變量數據一起，每個無線設備20a-20N還提供與該設備的操作狀況有關的診斷數據。診斷信息包括電源信息。對於那些電池供電的設備，診斷信息包括電池狀況的指示。診斷信息由網關18 接收，並通過網絡14被提供給網絡計算機30和設備管理器34。設備管理器34使用由網關18從無線設備20a_20N接收的無線電統計數據，針對節制點，分析無線網絡16。設備管理器34可以通過多種不同方式(單獨或結合地)使用信息來識別節制點。例如，與網關18範圍內的無線設備的數目有關的信息可以被用作節制點狀況的指示。如果網關18範圍內存在少於3個設備，或者如果網關18範圍內設備的數目相對於網絡16中所有設備的總數低於特定百分率(例如，小於10% )，則可能存在一個或多個節制點。另一種識別節制點的方式是使用鄰居的數目。如果特定設備具有異常多的鄰居， 這可能指示了該設備是節制點。在結合圖2描述的另一方法中，可以使用每個設備相對於其鄰居的單獨分析，識別哪些設備是節制點。另一種根據無線電統計數據識別節制點的方法使用每個節點的父親孩子比。如果設備具有異常大或異常小的父親孩子比，則可以將其識別為節制點。網絡內父親孩子比與均值的統計偏差也可以被設備管理器34用作節制點的指示。可以使用其他比率(如父親鄰居比或孩子鄰居比)來執行類似的分析。特定設備處的鄰居數目相對於網絡16內每個設備的鄰居的平均數的統計偏差可以指示所討論的設備是節制點。當設備管理器34識別出無線網狀網絡16內的節制點時，設備管理器34通過網絡計算機30向維護人員提供警報。該警報指示存在節制點，並能夠通過設備數目或通過視覺表示來識別作為節制點的特定設備。在提供警報時，設備管理器34可以提供視覺顯示，其中，結合設備20a-20N所處的空間的視覺表示來表示各個設備20a-20N。這種顯示的示例在 2009 年 2 月 27 日遞交的、名稱為「System for Visualizing Design and Organization of Wireless Mesh Networks and Physical Space」 的共同待審申請 No. 12/394, 399 中有描述，該共同待審申請被轉讓給與本申請相同的受讓人，並且其全部內容被合併於此作為參考。當來自無線設備20a_20N之一的診斷信息指示電池電量低的狀況時，設備管理器 34可以優先化電池電量低的警報，其中，所述電池電量低的警報是基於報告電池電量低的狀況的設備自身是否是可能的節制點或者在其失效時是否將引起可能的節制點而提供的。 設備管理器34可以使用現有的無線電統計數據來確定報告電池電量低的狀況的設備當前是否是可能的節制點。設備管理器34還可以執行分析，以便在報告電池電量低的狀況的設備不再存在於無線網狀網絡16內的情況下，識別可能的節制點。通過結合所報告的電池電量低的狀況針對無線網狀網絡16執行節制點分析，設備管理器34可以向用戶提供優先化的電池電量低的警報。通常，將首先在預期的電源失效之前一些時間報告電池電量低的狀況。通過提供與節制點有關的電池狀況優先級的指示， 向用戶提供提早針對報告電池電量低的狀況的無線設備更換電池電源的臨界狀態的指示。 採用該方式，可以對維護進行調度，以便首先進行最高優先級的電池更換。如前所述，存在多種不同的可以識別節制點的方式。用於分析來自無線設備的無線電統計數據的特定方法或方法的組合可以不同。圖2示出了一種方法，該方法使用由無線設備提供的鄰居信息來識別節制點。該方法允許在無需設備的父親/孩子信息的情況下識別節制點。該方法首先消除不具有鄰居的所有所識別出的設備。例如，這些設備可以是曾經在網絡16中活動但已被撤銷或更換或者不再操作的設備。如圖2所示，執行對剩餘設備的測試。圖2是示出了評估每個被測試的無線設備X以確定其是否是節制點的流程圖。當識別出設備X以進行測試時(步驟50)，設備管理器34開始測試過程(步驟5 。起初，設備管理器34假定沒有無線設備能夠到達網關16 (步驟54)。接著，設備管理器34訪問具有鄰居的設備的列表(不包括設備X)。對於具有鄰居的設備的列表中的每個設備A(步驟 56)，設備管理器34確定設備A是否以網關作為鄰居(步驟58)。如果答案是肯定的，則設備管理器34將設備A添加至能夠到達網關的設備的列表 (步驟60)。設備管理器34還將設備A從無法到達網關的設備的列表中移除(步驟62)。 接著，設備管理器34前進至列表中的下一設備A (步驟64)。備選地，如果在步驟58，設備 A不以網關為鄰居，則設備管理器34前進至下一設備A(步驟64)。接著，設備管理器34前進至測試無法到達網關的設備的列表中的每個設備B (步驟66)。設備管理器34確定設備B是否具有處於能夠到達網關的設備的列表中的鄰居(步驟68)。如果設備B具有處於能夠到達網關的設備的列表中的鄰居，則將設備B添加至能夠到達網關的設備的列表(步驟70)，並且將設備B從無法到達網關的設備的列表中移除(步驟 72)。接著，設備管理器34從步驟72前進至測試下一設備B (步驟74)。如果步驟68的詢問的答案是否定的(即，設備B不具有處於能夠到達網關的設備的列表中的鄰居)，則設備管理器前進至下一設備B (步驟74)。如果存在另一個要測試的設備B，則設備管理器34返回至步驟66並重複上述步驟。繼續該過程，直到測試完最後一個設備B。此時，設備管理器34確定無法到達網關的設備的列表是否為空(步驟76)。如果答案是肯定的，則將設備X識別為不是節制點(步驟 78)，並且測試結束(步驟80)。另一方面，如果無法到達網關的設備的列表不為空，則設備管理器34確定是否在最近一次迭代中將設備從無法到達網關的設備的列表中移除(步驟82)。如果答案是肯定的，則設備管理器34返回至步驟66。如果答案是否定的，則將設備X識別為節制點(步驟 84)。此時，過程結束(步驟80)。針對被識別為在網狀網絡16中具有鄰居的每個設備X， 重複圖2所示的過程。當使用圖2的方法測試完所有設備時，設備管理器34具有被識別為節制點的設備的完整列表。圖2所示的方法具有以下優勢僅使用鄰居信息來進行節制點識別。該方法可以單獨使用，或與所描述的其他方法中的任一方法結合使用。儘管參照示例實施例對本發明進行了描述，但是本領域技術人員將理解，在不脫離本發明的範圍的情況下，可以進行各種改變並且用等效物替換其元素。此外，可以在不脫離本發明的範圍的情況下進行多種修改，以使特定情形或材料適於本發明的教導。因此，本意上，本發明不限於所公開的特定實施例，相反本發明將包括落在所附權利要求的範圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種無線網狀網絡，包括 網關；多個無線設備，其中，每個無線設備向網關提供無線電統計數據和電池狀況； 網絡管理器，用於調度無線設備和網關之間的通信，並基於由無線設備提供的無線電統計數據來定義網關和無線設備之間的通信路徑；以及設備管理器，用於基於無線電統計數據來提供節制點警報，所述節制點警報指示網狀網絡內存在節制點。
2.根據權利要求1所述的無線網狀網絡，其中，所述設備管理器基於電池狀況數據以及與所述電池狀況數據的源相關聯的實際或潛在的節制點，提供優先化的電池電量低的警報。
3.根據權利要求1所述的無線網狀網絡，其中，所述無線電統計數據包括以下至少一項鄰居的標識、來自鄰居的接收信號強度、與鄰居的成功通信的百分率、至每個無線設備的父親的數目、至每個無線設備的孩子的數目、父親孩子比、父親鄰居比、以及孩子鄰居比。
4.根據權利要求1所述的無線網狀網絡，其中，所述設備管理器基於網關的無線電範圍內的無線設備的數目來執行節制點分析。
5.根據權利要求1所述的無線網狀網絡，其中，所述設備管理器基於網關的無線電範圍內的無線設備佔網絡中所有無線設備的百分率，執行節制點分析。
6.根據權利要求1所述的無線網狀網絡，其中，所述設備管理器基於每個無線設備的鄰居，執行節制點分析。
7.根據權利要求6所述的無線網狀網絡，其中，所述節制點分析包括評估一個無線設備的鄰居的數目相對於網絡中每個無線設備的鄰居的均值的標準差。
8.根據權利要求1所述的無線網狀網絡，其中，所述設備管理器基於父親孩子比，執行節制點分析。
9.根據權利要求8所述的無線網狀網絡，其中，所述節制點分析包括評估一個無線設備的父親孩子比相對於網絡的父親孩子比的均值的統計偏差。
10.根據權利要求1所述的無線網狀網絡，其中，所述設備管理器提供視覺顯示，所述視覺顯示包括作為節制點的特定無線設備的視覺表示。
11.一種方法，包括從無線網狀網絡的無線設備收集無線電統計數據；基於無線電統計數據，確定無線設備的通信路徑、父親孩子關係和通信時隙； 基於無線電統計數據，識別無線網狀網絡內的節制點；以及產生指示存在節制點的警報。
12.根據權利要求11所述的方法，還包括 從無線設備接收電池狀況數據；以及如果電池電量低的無線設備是節制點，則產生優先化的電池電量低的警報。
13.根據權利要求11所述的方法，還包括 從無線設備接收電池狀況數據；以及如果電池電量低的無線設備的失效將引起節制點的出現，則產生優先化的電池電量低的警報。
14.根據權利要求1所述的方法，其中，所述無線電統計數據包括以下至少一項鄰居的標識、來自鄰居的接收信號強度、與鄰居的成功通信的百分率、至每個無線設備的父親的數目、至每個無線設備的孩子的數目、父親孩子比、父親鄰居比、以及孩子鄰居比。
15.根據權利要求11所述的方法，其中，識別節制點包括基於網關的無線電範圍內的無線設備的數目，執行節制點分析。
16.根據權利要求11所述的方法，其中，識別節制點包括基於每個無線設備的鄰居， 執行節制點分析。
17.根據權利要求11所述的方法，其中，識別節制點包括基於父親孩子比、父親鄰居比和孩子鄰居比中的至少一項，執行節制點分析。
18.根據權利要求11所述的方法，還包括提供視覺顯示，所述視覺顯示包括作為節制點的特定無線設備的視覺表示。
19.一種方法，包括從無線網狀網絡的無線設備收集無線電統計數據；基於無線電統計數據，確定無線設備的通信路徑、父親孩子關係和通信時隙；從無線設備接收電池狀況數據；以及基於電池狀況數據和無線電統計數據，產生電池電量低的警報。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，如果具有電池電量低的狀況的無線設備是節制點，或者無線設備的失效將使無線網狀網絡中的另一個無線設備變為節制點，則產生優先化的電池電量低的警報。
全文摘要
一種無線網狀網絡，包括以多跳網狀拓撲組織的多個無線設備和網關。每個無線設備維護並向網關報告無線電統計數據，還報告其電源的電池狀況。設備管理器與網關通信，並基於無線電統計數據來提供指示網狀網絡內存在節制點的警報。當設備報告電池電量低的狀況時，設備管理器確定該設備的損耗是否是節制點或者是否將引起節制點，並提供基於節制點分析而優先化的電池電量低的警報。
文檔編號H04W84/18GK102165811SQ200980137945
公開日2011年8月24日 申請日期2009年9月25日 優先權日2008年9月25日
發明者丹尼爾·克利福德·卡爾森, 伊恩·彼得·夏普, 凱文·安德魯·肖, 彼得·霍奇森, 約瑟夫·奇特拉諾, 馬克·理察·艾維森 申請人:費希爾-羅斯蒙德系統公司