具有节制点的无线网状网络和电池电量低的警报 |
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| 申请号 | CN200980137945.5 | 申请日 | 2009-09-25 | 公开(公告)号 | CN102165811A | 公开(公告)日 | 2011-08-24 |
| 申请人 | 费希尔-罗斯蒙德系统公司; | 发明人 | 丹尼尔·克利福德·卡尔森; 伊恩·彼得·夏普; 马克·理查德·艾维森; 彼得·霍奇森; 凯文·安德鲁·肖; 约瑟夫·奇特拉诺; | ||||
| 摘要 | 一种无线网状网络，包括以多跳网状拓扑组织的多个无线设备和网关。每个无线设备维护并向网关报告无线电统计数据，还报告其电源的 电池 状况。设备管理器与网关通信，并基于无线电统计数据来提供指示网状网络内存在节制点的警报。当设备报告电池电量低的状况时，设备管理器确定该设备的损耗是否是节制点或者是否将引起节制点，并提供基于节制点分析而优先化的电池电量低的警报。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种无线网状网络，包括： |
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| 说明书全文 | 具有节制点的无线网状网络和电池电量低的警报[0001] 相关申请的交叉引用 背景技术[0003] 无线网状网络是由以网状拓扑组织的多个无线设备(即，节点)构成的通信网络。在实际的无线网状网络(还可以被称为自组织多跳网络)中，每个设备必须能够针对自身以及网络中的其他设备来路由消息。由于可以使用较低功率RF无线电，而网状网络可以跨越将消息从一端传送至另一端的相当大的物理区域，因此消息逐节点地跳转在网络中的概念是有益的。同采用与集中式基站直接通信的远程设备的点对点系统相反，在网状网络中不需要高功率无线电。 [0004] 术语“自组织”是指网状网络形成备选网络以在设备之间以及在设备与数据收集器或者连接至某些更高等级更高速的数据总线的网桥或网关之间进行消息收发的能力。具有无线消息的备选冗余路径，通过即使在另一路径因环境影响或因干扰而受阻或恶化的情况下仍确保存在至少一条供消息流通的备选路径，增强了数据可靠性。 [0005] 从每个节点向网桥或网关提供的路径是动态的，这意味着这些路径可以响应于路径受阻或添加新路径而改变。例如，当设备节点试运转时，其将产生能够与之通信的设备(即，邻居)的列表。特别地，该列表可以是随着网络所占用的射频(RF)环境和物理空间的改变(例如，在两个设备之间建造墙或金属屏蔽从而限制设备之间的通信)动态变化的。基于该动态邻居列表，与网关相关联的网络管理器选择父亲/孩子设备，父亲/孩子设备定义了从该设备到网关设备或从网关设备到该设备的通信路径。父亲/孩子设备的列表也是动态的，但典型地其动态程度低于邻居列表。由于这些动态特性，无线网状网络的组织不断改变。 [0006] 一种分析网状网络的操作的方法是：基于由网络提供的邻居列表、父亲孩子列表等，检查网状网络的组织。网络组织的改变用于诊断与网络相关联的问题。分析列表的现有技术方法包括：在用线连接邻居和/或父亲孩子对的图中显示每个节点。 [0007] 如果无线设备(或多个无线设备)依赖于单个无线设备(或有限数目的无线设备)将其消息路由至网关，则网状网络中可能存在节制点(pinch point)(或通信瓶颈)。如果无线设备的失效将导致网络中的其他设备不再具有返回至网关的路由，则可以将该设备看作节制点。节制点可能对无线网络具有若干负面影响。 [0008] 首先，必须通过节制点进行通信的无线设备可能具有降低的通信可靠度。第二，必须通过节制点进行通信的无线设备的带宽可能是受限的，并且网络性能可能受到不利影响。第三，作为节制点的无线设备将消耗额外的功率来发送增加的消息负载。这对于电池供电设备(导致缩短的电池寿命)或依赖于能量采集的设备(例如，太阳能供电的设备)是尤其重要的。 [0009] 节制点因多种情况而出现。例如，节制点可能是糟糕的网络设计或安装、不断改变的RF环境、(对RF环境造成影响的)网络所处的物理空间的改变以及退出服务的无线设备的结果。 [0010] 无线设备或网关不提供关于无线设备是否是节制点的信息。在许多情况下，无线网状网络的用户直到上述一个或多个不利影响出现时才意识到网络中存在节制点。当用户检测到不利影响时，他或她可以开始检查并以图形方式构建无线设备之间的通信链路的图，从而识别节制点。根据无线网状网络的复杂度，该过程可能耗费几分钟到几小时不等。一旦对网络的通信特性进行了绘图，用户就能够解决引起网络节制点的问题(或多个问题)。 [0011] 电池电量低的节制点可能是危急的情形。如果作为节制点的无线设备电源耗尽，则其无线电将停止工作。无线网状网络将失去该节制点设备以及依赖该节制点而与网关进行通信的那些其他无线设备。 [0012] 在其他情况下，因电源损耗而引起的特定无线设备的损耗可能使网络内的另一个设备变为节制点。虽然变为节制点的设备可能仍具有充足的电池电源，但是对无线网状网络性能的负面影响仍将发生。 [0013] 典型地，无线网状网络中的无线设备向网关报告电池状况以及无线设备正在感测的过程变量的测量值。如果识别出电池电量低的警报，那么无线网状网络的用户可以基于由该无线设备产生的测量(过程变量值)的重要性，对电池更换进行优先级排序。然而，这种优先级排序并未考虑到特定无线设备的电池电量低的状况是否会使该无线设备造成节制点失效、是否会使网络内的另一无线设备变为节制点、或者同时发生这两种情况。因此，用户可能未意识到电池电量低的设备可能使其他无线设备的测量处于危险之中。发明内容 [0014] 一种无线网状网络，包括：设备管理器，评估由网络的无线设备产生的无线电统计数据，以确定无线网状网络是否具有节制点。提供了警报，使得用户能够在对可靠性、带宽或无线设备功率造成不利影响之前对节制点进行补救。 [0015] 在另一个实施例中，所述无线网状网络包括：设备管理器，使用电池状况以及无线电统计数据来评估和预测网络性能。所述设备管理器向用户报警存在作为节制点的电池电量低的无线设备或可能使另一个设备变为节制点的电池电量低的无线设备。附图说明 [0016] 图1是示出了在主机和现场设备之间路由消息的自组织网状网络系统的图。 [0017] 图2是示出了一种使用邻居信息确定节制点的方法的流程图。 具体实施方式[0018] 图1示出了过程通信系统10，包括：主机计算机12、高速网络14、无线网状网络16(包括网关18和无线现场设备或节点20a-20i...20N)、以及网络计算机30。网关18作为网状网络16与高速网络14上的主机计算机12之间的接口。可以通过网络14将消息从主机计算机12发送至网关18，然后通过多条不同路径之一将该消息发送至网状网络16中的所选择的节点。类似地，从网状网络16中的各个节点，经由多条路径之一，逐节点地将消息路由通过网状网络16，直到消息到达网关18，然后通过高速网络14将消息发送至主机 12。 [0019] 主机计算机12可以是分布控制系统主机，运行应用程序以便于向现场设备20a-20N发送消息以及接收并分析包含在来自现场设备20a-20N的消息中的数据。例如，主机计算机12可以使用AMS(TM)设备管理器，作为允许用户监控现场设备20a-20N并与现场设备20a-20N进行交互的应用程序。例如，主机计算机12可以位于中央控制室中，并可以在控制室操作者屏幕上显示过程信息和警报。 [0020] 网关18可以使用多种不同的通信协议，通过网络14与主机计算机12进行通信。在一个实施例中，网络14是RS485双线通信链路，网关18可以在该RS485双线通信链路上使用MODBUS协议与主机计算机12进行通信。在另一实施例中，网络14是以太网网络，并且，基于网络14的通信可以使用以太网接口来支持MODBUS TCP/IP。 [0021] 网关18和无线设备20a-20N使用无线通信协议进行通信。在以下讨论中，作为示例，将使用WirelessHART协议，然而还可以使用可在无线网状网络中使用的其他协议。WirelessHART协议使用时分多址(TDMA)和信道跳跃来控制无线网络16中的通信。网络管理器32可以被实现为驻留在网关18上的软件，对无线现场设备20a-20N和网关18之间的通信进行调度。网络管理器32还定义了网关和各个无线设备20a-20N之间的通信路径。 [0022] 时分多址(TDMA)利用时隙。各个设备之间的通信能够发生在时隙中。一系列时隙被定义为形成TDMA超帧。网络管理器32确定哪些设备被分配至超帧中的特定时隙以进行通信。对网络中的所有设备进行时间同步，以形成通信。网络管理器32还分配特定的信道和频率，所分配的设备将在特定时隙期间在所述特定的信道和频率上进行通信。 [0023] 网络管理器32定义了供消息从网关18传播至各个无线设备20a-20N的通信路径以及消息从无线设备20a-20N返回至网关18的通信路径。网络管理器32使用从无线设备20a-20N中的每一个接收的信息来分配消息的路径。在每个无线设备或节点的试运转期间，节点与其他节点进行通信以确定其邻居。邻居被定义为与无线设备进行活动通信的设备或网关。在每个通信期间，每个无线设备测量来自和去往邻居的接收信号强度(RSSI)。每个无线设备还产生周期性地报告的路径稳定性、RSSI以及关于与其邻居的无线通信的其他无线电统计数据。 [0024] 网络管理器32利用邻居信息和RSSI信息，确定要用于传出和返回消息的通信路径。针对每个消息路径，网络管理器32识别该路径的各个跳跃或链路的父亲节点和孩子节点。父亲是针对另一设备(该父亲的孩子)使通信经过其自身的设备。孩子是通过另一个设备(该孩子的父亲)进行通信以到达第三设备或网关的设备。邻居可以是父亲或孩子。虽然图1示出了仅具有单个网络18的无线网状网络16，但是在其他实施例中，可以包括多于一个网关。在这种情况下，网关共享网络管理器32，使得同一无线协议(在这种情况下是WirelessHART)在整个无线网状网络16中操作。 [0025] 例如，网络计算机30可以是由维护人员用于监控无线网络16和给无线网络16提供服务的计算机。例如，网络计算机30可以位于仪器和电气(I&E)维护车间中。设备管理器34(例如，可以是来自爱默生过程管理的AMS(TM)设备管理器和AMS无线SNAP-ON)可以是运行在网络计算机30上的应用程序。设备管理器34用于向维护人员提供关于无线网状网络16内存在节制点的警报以及关于无线设备中电池电量低的状况的警报。设备管理器34还可以向用户告知节制点的影响或可能影响，并可以建议如何可以解决节制点带来的问题。 [0026] 无线设备20a-20N中的每一个周期性地向网关18报告无线电统计数据。网络管理器32使用这些无线电统计数据来确定通信路径并分配时隙。设备管理器34也可以使用无线电统计数据，确定实际或潜在节制点的存在。无线电统计数据可以包括：邻居的标识、来自每个邻居的接收信号强度(RSSI)、去往每个邻居的接收信号强度(RSSI)、与每个邻居的成功通信的百分率(路径稳定性的指示)、至特定设备或节点的父亲和孩子的数目、父亲孩子比、父亲邻居比、和孩子邻居比、以及该设备是否处于网关18的范围内。在一段时间内收集这些无线电统计数据，并以例如大约15分钟的间隔报告这些无线电统计数据。 [0027] 每个设备还感测过程的参数(例如，温度、压力、流速、液平面)，并根据网络管理器32所确定的调度向网关18发送包含所测量的过程变量在内的消息。连同过程变量数据一起，每个无线设备20a-20N还提供与该设备的操作状况有关的诊断数据。诊断信息包括电源信息。对于那些电池供电的设备，诊断信息包括电池状况的指示。诊断信息由网关18接收，并通过网络14被提供给网络计算机30和设备管理器34。 [0028] 设备管理器34使用由网关18从无线设备20a-20N接收的无线电统计数据，针对节制点，分析无线网络16。设备管理器34可以通过多种不同方式(单独或结合地)使用信息来识别节制点。例如，与网关18范围内的无线设备的数目有关的信息可以被用作节制点状况的指示。如果网关18范围内存在少于3个设备，或者如果网关18范围内设备的数目相对于网络16中所有设备的总数低于特定百分率(例如，小于10％)，则可能存在一个或多个节制点。 [0029] 另一种识别节制点的方式是使用邻居的数目。如果特定设备具有异常多的邻居，这可能指示了该设备是节制点。在结合图2描述的另一方法中，可以使用每个设备相对于其邻居的单独分析，识别哪些设备是节制点。 [0030] 另一种根据无线电统计数据识别节制点的方法使用每个节点的父亲孩子比。如果设备具有异常大或异常小的父亲孩子比，则可以将其识别为节制点。网络内父亲孩子比与均值的统计偏差也可以被设备管理器34用作节制点的指示。可以使用其他比率(如父亲邻居比或孩子邻居比)来执行类似的分析。 [0031] 特定设备处的邻居数目相对于网络16内每个设备的邻居的平均数的统计偏差可以指示所讨论的设备是节制点。 [0032] 当设备管理器34识别出无线网状网络16内的节制点时，设备管理器34通过网络计算机30向维护人员提供警报。该警报指示存在节制点，并能够通过设备数目或通过视觉表示来识别作为节制点的特定设备。在提供警报时，设备管理器34可以提供视觉显示，其中，结合设备20a-20N所处的空间的视觉表示来表示各个设备20a-20N。这种显示的示例在2009年2月27日递交的、名称为“System for Visualizing Design and Organization of Wireless Mesh Networks and Physical Space”的共同待审申请No.12/394,399中有描述，该共同待审申请被转让给与本申请相同的受让人，并且其全部内容被合并于此作为参考。 [0033] 当来自无线设备20a-20N之一的诊断信息指示电池电量低的状况时，设备管理器34可以优先化电池电量低的警报，其中，所述电池电量低的警报是基于报告电池电量低的状况的设备自身是否是可能的节制点或者在其失效时是否将引起可能的节制点而提供的。 设备管理器34可以使用现有的无线电统计数据来确定报告电池电量低的状况的设备当前是否是可能的节制点。设备管理器34还可以执行分析，以便在报告电池电量低的状况的设备不再存在于无线网状网络16内的情况下，识别可能的节制点。 [0034] 通过结合所报告的电池电量低的状况针对无线网状网络16执行节制点分析，设备管理器34可以向用户提供优先化的电池电量低的警报。通常，将首先在预期的电源失效之前一些时间报告电池电量低的状况。通过提供与节制点有关的电池状况优先级的指示，向用户提供提早针对报告电池电量低的状况的无线设备更换电池电源的临界状态的指示。采用该方式，可以对维护进行调度，以便首先进行最高优先级的电池更换。 [0035] 如前所述，存在多种不同的可以识别节制点的方式。用于分析来自无线设备的无线电统计数据的特定方法或方法的组合可以不同。图2示出了一种方法，该方法使用由无线设备提供的邻居信息来识别节制点。该方法允许在无需设备的父亲/孩子信息的情况下识别节制点。 [0036] 该方法首先消除不具有邻居的所有所识别出的设备。例如，这些设备可以是曾经在网络16中活动但已被撤销或更换或者不再操作的设备。如图2所示，执行对剩余设备的测试。 [0037] 图2是示出了评估每个被测试的无线设备X以确定其是否是节制点的流程图。当识别出设备X以进行测试时(步骤50)，设备管理器34开始测试过程(步骤52)。起初，设备管理器34假定没有无线设备能够到达网关16(步骤54)。接着，设备管理器34访问具有邻居的设备的列表(不包括设备X)。对于具有邻居的设备的列表中的每个设备A(步骤56)，设备管理器34确定设备A是否以网关作为邻居(步骤58)。 [0038] 如果答案是肯定的，则设备管理器34将设备A添加至能够到达网关的设备的列表(步骤60)。设备管理器34还将设备A从无法到达网关的设备的列表中移除(步骤62)。接着，设备管理器34前进至列表中的下一设备A(步骤64)。备选地，如果在步骤58，设备A不以网关为邻居，则设备管理器34前进至下一设备A(步骤64)。 [0039] 接着，设备管理器34前进至测试无法到达网关的设备的列表中的每个设备B(步骤66)。设备管理器34确定设备B是否具有处于能够到达网关的设备的列表中的邻居(步骤68)。如果设备B具有处于能够到达网关的设备的列表中的邻居，则将设备B添加至能够到达网关的设备的列表(步骤70)，并且将设备B从无法到达网关的设备的列表中移除(步骤72)。 [0040] 接着，设备管理器34从步骤72前进至测试下一设备B(步骤74)。如果步骤68的询问的答案是否定的(即，设备B不具有处于能够到达网关的设备的列表中的邻居)，则设备管理器前进至下一设备B(步骤74)。 [0041] 如果存在另一个要测试的设备B，则设备管理器34返回至步骤66并重复上述步骤。继续该过程，直到测试完最后一个设备B。此时，设备管理器34确定无法到达网关的设备的列表是否为空(步骤76)。如果答案是肯定的，则将设备X识别为不是节制点(步骤78)，并且测试结束(步骤80)。 [0042] 另一方面，如果无法到达网关的设备的列表不为空，则设备管理器34确定是否在最近一次迭代中将设备从无法到达网关的设备的列表中移除(步骤82)。如果答案是肯定的，则设备管理器34返回至步骤66。如果答案是否定的，则将设备X识别为节制点(步骤84)。此时，过程结束(步骤80)。针对被识别为在网状网络16中具有邻居的每个设备X，重复图2所示的过程。当使用图2的方法测试完所有设备时，设备管理器34具有被识别为节制点的设备的完整列表。 [0043] 图2所示的方法具有以下优势：仅使用邻居信息来进行节制点识别。该方法可以单独使用，或与所描述的其他方法中的任一方法结合使用。 |
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