基於無線hart網絡的數據採集器的製作方法
2023-11-02 23:32:32 1
專利名稱：基於無線hart網絡的數據採集器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種數據採集器，具體說是一種基於無線HART網絡的數據採集器。
背景技術：
工業過程自動化數據採集設備需要長時間不斷處理海量工業過程監控數據，現有 工業過程自動化數據採集設備大多以有線方式連接並運行且年代久遠，在無線網絡大量普 及以及工業企業亟待降低生產成本以便提高產品競爭力的今天，有線的數據採集設備連接 方式帶來了設備難維護、運營成本高、實施靈活度低、產業信息化亟待升級等諸多問題。隨 著無線傳感器網絡技術研究的深入和應用的推廣，工業無線網絡以其低成本、易維護、高度 靈活、快速實施等特點，引起了各國政府和學者的高度重視，正在成為工業自動化領域的新 的研究熱點。可尋址遠程傳感器高速通道HART是一種用於現場智能儀表和控制室設備之 間的開放通信協議。無線HART是一種專門為工業過程自動化應用設計的，無線網格拓撲結構的 網絡通信協議，它提供了一種低成本、低傳輸速率的無線解決方案。無線HART通訊標 準是建立在已有的經過現場測試的國際標準上的，它們包括HART協議(IEC 61158)、 EDDL(IEC61804-3)、IEEE 802. 15. 4無線電和跳頻、擴頻和網狀網絡技術。由於兼容傳統4 20mA模擬系統、提供具有相對低的帶寬和適度響應時間的通信 等諸多優點，HART通信協議目前已被世界上三分之二以上的現場設備所採用，成為智能工 業控制領域事實上的國際標準。隨著工業無線網絡的發展，無線HART在兼容現有的HART 設備和應用的基礎上，進行了功能補充和應用拓展，能夠滿足流程工業應用對無線通信技 術的可靠、穩定和安全等關鍵需求，對降低工業測控系統的成本，提高產品質量和生產效率 有非常積極的意義。
發明內容
發明目的本發明的目的是針對現有有線工業過程自動化現場設備存在的缺陷， 提供一種基於無線HART網絡的數據採集器；它能運行於無線HART網絡，獲取設備診斷和過 程信息並傳輸到主控設備，實現傳輸現場智能信息，改善質量、安全性、可用性、運營並降低 維護成本；它主要應用於工業過程監控、財產管理、在線測試和診斷等領域。技術方案為了解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案為—種基於無線HART網絡的數據採集器，包括嵌入式硬體平臺、與嵌入式硬體平臺 相配套的嵌入式作業系統、完整無線HART協議棧，所述完整無線HART協議棧通過命令分別 與嵌入式硬體平臺、嵌入式作業系統連接。所述數據採集器硬體平臺採用CC2430F128片上系統功能模塊。所述嵌入式作業系統採用TinyOS嵌入式作業系統。所述完整無線HART協議棧包括物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層，所述物理 層、數據鏈路層、網絡層和應用層從下往上依次排列；其中，
物理層採用IEEE Std 802. 15. 4-2006協議規範定義的2. 4GHz頻帶無線模塊，採 用交錯正交相移鍵控技術和直接序列擴頻技術，完成激活和停止無線接收器、當前信道能 量檢測、接收包鏈路質量指標、使用CSMA/CA前的清理信道評估、以及信道頻率選擇和數據 收發等工作；數據鏈路層包括無線HART協議規範定義的邏輯鏈路控制子層和IEEE Std 802. 15. 4-2006協議規範定義的介質訪問控制子層兩部分，並為上層通信提供接口，支持長 短兩種地址，指定數據鏈路協議數據單元附加位，確定數據包類型，採用時間同步機制和信 道調頻技術；網絡層完全無線網格網絡，源節點和目標節點網絡數據協議單元支持多節點路 由機制，網絡提供冗餘路徑；應用層接收命令、執行、產生響應並發送給請求者；所述命令包括一般命令、通 用命令和特殊命令。
有益效果與現有技術相比，本發明的優點是具有轉發現場設備、相鄰數據採集 器以及主控設備數據包，實現與自動化現場設備、計算機、網絡路由設備進行連接等功能； 能夠滿足工業過程自動化應用對無線通信技術的可靠、穩定和安全等關鍵需求，對降低工 業測控系統的成本，提高產品質量和生產效率有非常積極的意義；通過本發明建立的無線 HART網絡，具有自組織、自癒合、可靠MESH網絡等特性。無線HART協議棧，基於易用、可靠、 安全、與無線網格傳感器協議兼容的設計原則，包括兼容IEEE Std802. 15. 4-2006協議規範 的物理層和介質訪問控制子層，以及遵循無線HART協議規範的邏輯鏈路控制子層、網絡層 和應用層，其中介質訪問控制子層和邏輯鏈路控制子層同屬於由無線HART協議規範定義 的數據鏈路層。該協議棧運行於嵌入式作業系統和嵌入式硬體平臺，滿足無線傳感器節點 內存小、功耗低、運行高效的特點。
圖1為本數據採集器的體系結構圖；圖2為本數據採集器所構成的無線HART網絡示意圖；圖3為本數據採集器所運行的完整無線HART協議棧示意圖；圖2中設備.基於無線HART網絡的數據採集器，網關.無線HART網絡原屬組件 設備，上位機.工業過程自動化主控設備。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。如圖1至圖3所示，本發明一種基於無線HART網絡的數據採集器，包括嵌入式硬 件平臺、與嵌入式硬體平臺相配套的嵌入式作業系統、完整無線HART協議棧，所述完整無 線HART協議棧通過命令分別與嵌入式硬體平臺、嵌入式作業系統連接。嵌入式硬體平臺(即數據採集器硬體平臺)提供無線HART協議棧硬體環境，其片 上系統功能模塊型號為CC2430F128，它整合了射頻前端、內存和微控制器，即集成了 1個高 性能和低功耗的8051微控制器、符合IEEE Std 802. 15. 4-2006協議標準的2. 4GHz的RF 無線電收發機、14位模數轉換的ADC、AES安全協處理器、2個支持幾組協議的USART、1個符合IEEE Std 802. 15. 4-2006協議標準的MAC計時器，1個常規的16位計時器和2個8位計 時器。嵌入式作業系統(即數據採集器軟體平臺)提供無線HART協議棧軟體環境，採用無線傳感器網絡普遍使用並與所採用嵌入式硬體平臺配套的作業系統類型TinyOS，滿足嵌 入式硬體平臺內存小的要求，使得無線HART協議棧運行更加高效。數據採集器完整無線HART協議棧運行於嵌入式硬體平臺所提供的硬體環境以及 嵌入式作業系統提供的軟體環境，是數據採集器的核心部件，兼容有線HART協議與有線 HART命令，包括通用命令、一般命令和特殊命令，實現工業控制自動化現場設備數據與命令 的封裝與解析、有線HART現場設備在無線HART網絡中的組態、無線HART網絡的配置與動 態管理等功能。完整的無線HART協議棧按照OSI七層網絡協議設計原則，選擇了其中的物理層、 數據鏈路層、網絡層以及應用層作為自己的協議棧設計架構。物理層採用IEEE Std 802. 15. 4-2006協議規範定義的2. 4GHz頻帶無線模塊，採 用交錯正交相移鍵控技術和直接序列擴頻技術，完成激活和停止無線接收器、當前信道能 量檢測、接收包鏈路質量指標、使用CSMA/CA前的清理信道評估、以及信道頻率選擇和數據 收發等工作。最大有效載荷127位元組。數據鏈路層包括無線HART協議規範定義的邏輯鏈路控制子層和IEEE Std 802. 15. 4-2006協議規範定義的介質訪問控制子層兩部分並為上層通信提供接口，支持長 短兩種地址，指定數據鏈路協議數據單元附加位，確定數據包類型，為減小其它無線系統的 幹擾採用TDMA時間同步機制和調頻技術，支持不同時隙的多種超幀，允許快速、慢速、循環 和非循環網絡流量，根據反應時間管理和流控制確定數據鏈路協議數據單元優先權。邏輯 鏈路控制子層包括HART幀格式、HART設備地址結構、用於消息完整性和錯誤檢測的安全服 務。介質訪問控制子層完成產生網絡信標幀、同步網絡信標幀、支持個人接入網絡的連接和 斷開、支持設備安全性、為信道訪問提供CSMA/CA機制、處理和維護保障時間片機制以及提 供對等介質訪問控制子層實體的可靠鏈路等工作。網絡層完全無線網格網絡，源節點和目標節點網絡數據協議單元支持多節點路 由機制，完成的工作包括為了更可靠和控制時延，網絡提供冗餘路徑，可在上遊下遊圖表中 進行路由選擇；為了 ad-hoc通信，確認路徑可行性，進行信源路由選擇；支持廣播、多點傳 送和單播傳輸；需求驅動的動態網絡帶寬管理，導致對超幀和連結的配置/重新配置；配置 現場設備時，帶寬被請求或釋放以滿足現場設備通信需求；提供基本帶寬和彈性帶寬，實現 最小能量消耗；網絡數據協議單元在源節點自動分割，在目標節點重新組裝；網絡性能持 續監控、報告和網絡整理，維護節點與相鄰節點的統計數據以及整理網絡確保信道備份，減 少能耗，扁平化網絡。應用層與有線HART命令兼容，基於標準數據類型和程序，包括一系列一般命令、 通用命令和特殊命令。應用層應用是為了解決不同任務，但是一般工作流程是接收命令、執 行、產生響應並發送給請求者。只在需要時生成過程數據信息並智能發布數據，可實時地、 或由信號觸發、或自定義時間開始發布。可實時追蹤過程數據採樣，以減輕反應時間的變化 影響。可一次傳輸多次讀取命令，以便更快地上傳配置。
權利要求
一種基於無線HART網絡的數據採集器，其特徵在於包括嵌入式硬體平臺、與嵌入式硬體平臺相配套的嵌入式作業系統、完整無線HART協議棧，所述完整無線HART協議棧通過命令分別與嵌入式硬體平臺、嵌入式作業系統連接。
2.根據權利要求1所述的基於無線HART網絡的數據採集器，其特徵在於所述數據採 集器硬體平臺採用CC2430F128片上系統功能模塊。
3.根據權利要求1所述的基於無線HART網絡的數據採集器，其特徵在於所述嵌入式 作業系統採用TinyOS嵌入式作業系統。
4.根據權利要求1所述的基於無線HART網絡的數據採集器，其特徵在於所述完整無 線HART協議棧包括物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層，所述物理層、數據鏈路層、網絡 層和應用層從下往上依次排列；其中，物理層採用IEEE Std 802. 15. 4-2006協議規範定義的2. 4GHz頻帶無線模塊，採用交 錯正交相移鍵控技術和直接序列擴頻技術，完成激活和停止無線接收器、當前信道能量檢 測、接收包鏈路質量指標、使用CSMA/CA前的清理信道評估、以及信道頻率選擇和數據收發 等工作；數據鏈路層包括無線HART協議規範定義的邏輯鏈路控制子層和IEEE Std 802. 15. 4-2006協議規範定義的介質訪問控制子層兩部分，並為上層通信提供接口，支持長 短兩種地址，指定數據鏈路協議數據單元附加位，確定數據包類型，採用時間同步機制和信 道調頻技術；網絡層完全無線網格網絡，源節點和目標節點網絡數據協議單元支持多節點路由機 制，網絡提供冗餘路徑；應用層接收命令、執行、產生響應並發送給請求者；所述命令包括一般命令、通用命 令和特殊命令。
全文摘要
本發明公開了一種基於無線HART網絡的數據採集器，包括嵌入式硬體平臺、與嵌入式硬體平臺相配套的嵌入式作業系統、完整無線HART協議棧，所述完整無線HART協議棧通過命令分別與嵌入式硬體平臺、嵌入式作業系統連接。本發明的優點是能應用於工業過程監控、財產管理、在線測試和診斷等領域，能夠滿足工業過程自動化應用對無線通信技術的可靠、穩定和安全等關鍵需求，對降低工業測控系統的成本，提高產品質量和生產效率有非常積極的意義。
文檔編號H04W84/18GK101866540SQ201010200469
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月13日 優先權日2010年6月13日
發明者廖建明, 張景東, 王亦德 申請人:蘇州閶亦宏環保科技有限公司