技术领域
[0001] 本
发明涉及无线
传感器网络设计方法，具体涉及一种基于ISA100.11a标准的无线设备设计方法，旨在实现一种兼容采集和路由功能的可配置无线设备。
背景技术
[0002] 目前工业领域最常使用的
无线传感器网络标准分别有ISA100.11a、Wireless HART和WIA-PA协议。在这些标准中，都定义了搭载传感器的现场设备和负责无线转发的路由设备，这两类无线设备通过适当的拓扑组网，组成满足一定采集
覆盖面要求的无线传感器网络。
[0003] 然而，现场设备和路由设备虽然能各司其职，但难以满足实时多变的工业环境下，无线网络动态自组网调整的需求，一旦因为某些原因导致部分现场设备无法连接到最近的路由设备时，就会造成这些现场设备退网的情况，遇到这种情况，以往只能由网络维护人员重新人工
修改该部分的无线设备部署方案，而如果是路由设备故障导致自身退网，则会造成依赖该路由设备转发数据的大量现场设备退网，造成更严重的局部网络瘫痪现象。
[0004] 前述三种无线协议标准也对该现象提出了一些增加灵活性的修改：ISA100.11a定义了兼容现场设备和路由设备的全功能设备，即通过组态可自由配置无线设备是否具备采集功能或路由功能；Wireless HART则使无线现场设备都具有路由功能；WIA-PA则从早期的专用路由设备改变为将路由功能作为无线现场设备的一部分。相比之下，ISA100.11a协议无线设备可配置的内容更具灵活性，更有利于组成低成本、低功耗的无线传感器网络，但是目前该协议只规定了一些概念和数据结构，具体的设备实现方案需要自行设计。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于针对上述
现有技术中的问题，提供一种基于ISA100.11a标准的无线设备设计方法，实现现场设备和路由设备这两种
角色之间的灵活转换。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：
[0008] 步骤2，定义无线设备分别作为现场设备和路由设备时的结构变化规则；
[0009] 步骤3，无线设备入网；
[0010] 步骤4，当系统管理器要求无线设备从现场设备转换为路由设备时，首先由系统管理器的设备管理服务对象向无线设备发送带有角色转换指令的信息，断开网络层对协议控制层服务
访问点的连接，断开设备管理器对协议控制层管理访问点的连接，启动备用设备管理器负责管理无线设备与系统管理器之间的通信，最后令现场模块进入休眠或断电状态；
[0011] 当系统管理器要求无线设备从路由设备转换为现场设备时，首先由系统管理器的设备管理服务对象向无线设备发送带有角色转换指令的信息，协议控制层停止备用设备管理器的运行，启动用于应用层设备管理器访问的协议控制层管理访问点。
[0012] 步骤1中现场模块负责工业现场的
数据采集以及数据在ISA100.11a协议栈内从应用层向网络层的转换，现场模块内部以协议栈
自下而上的顺序包含ISA100.11a协议规定的网络层、传输层、应用层，还包含设备需要搭载的传感器；路由模块负责ISA100.11a的无线路由，路由模块内部以协议栈自下而上的顺序包含ISA100.11a协议规定的物理层、MAC层、数据链路层以及协议控制层，协议控制层位于网络层和数据链路层之间，网络层和协议控制层之间设有互相通信的
接口，以ISA100.11a标准对协议层的定义规则命名为协议控制层服务访问点。
[0013] 步骤2中当无线设备作为现场设备时，通过协议控制层服务访问点来访问网络层，在协议控制层上定义协议控制层管理访问点来访问应用层的设备管理器，通过数据链路层访问点来访问数据链路层；当无线设备作为路由设备时，取消协议控制层服务访问点的定义来断开协议控制层和网络层的连接；取消协议控制层管理访问点的定义，在协议控制层上定义备用设备管理器作为包括协议控制层、数据链路层、MAC层和物理层在内的余下协议栈的设备管理器，备用设备管理器只提供数据链路层管理访问点的访问功能，不实现ISA100.11a标准的全协议栈设备管理器功能；此时仅路由模块工作，现场模块处于断电或休眠状态而不起作用。
[0014] 步骤3中无线设备初始化时均作为现场设备入网，由应用层设备管理器中的设备管理对象负责响应骨干路由器发送来自于系统管理器的广播
帧；无线设备接到广播帧后，将MAC地址随
请求入网的信息发送给系统管理器，由系统管理器向无线设备分配128位IPv6地址和16位子网地址；此时无线设备作为现场设备运行包括协议控制层在内的完整ISA100.11a协议栈。
[0015] 所述的步骤4中当系统管理器要求无线设备从现场设备转换为路由设备时，无线设备的应用层设备管理器解释系统管理器的信息后，向下通过协议控制层访问点来访问协议控制层，并向后者传递应用层设备管理器中的全部地址信息，协议控制层的备用设备管理器复制来自应用层设备管理器的全部信息和数据链路层管理对象的全部信息。
[0016] 所述的步骤4中当系统管理器要求无线设备从路由设备转换为现场设备时，无线设备的协议控制层备用设备管理器解释系统管理器的信息后，启动用于网络层访问的协议控制层服务访问点；现场模块重新唤醒，应用层的设备管理器向下通过网络层访问协议控制层的备用设备管理器，备用设备管理器将全部信息复制给应用层设备管理器。
[0017] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：现场模块的网络层和路由模块的协议控制层之间存在互相通信的接口，以ISA100.11a标准对协议层的定义规则命名为协议控制层服务访问点，现场模块和路由模块应分别是独立的软、
硬件实体，路由模块的协议控制层通过其与现场模块网络层之间的协议控制层服务访问点来决定是否令现场模块的软硬件实体起作用。本发明设计出的无线设备具有灵活地在现场设备和路由设备之间转换的能
力，这种能力令ISA100.11a无线网络根据多变的工业现场需求来对网络部署进行灵活快速的调整，不需要网络维护人员在现场对设备进行人工的修改部署，能够节省大量的网络使用成本。
附图说明
[0018] 图1本发明无线设备的设计结构示意图；
[0019] 图2无线设备分别作为现场设备和路由设备时的协议栈结构图；
[0020] 图3无线设备的入网时序图；
[0021] 图4无线设备从现场设备转换为路由设备的时序图；
[0022] 图5无线设备从路由设备转换为现场设备的时序图；
[0023] 图6参考ISA100.11a标准的一般网络部署拓扑图；
[0024] 图7无线设备进行设备角色转换造成无线拓扑变化的示意图。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
[0026] 本发明基于ISA100.11a标准的无线设备设计方法包括以下步骤：
[0027] 步骤1，定义现场模块和路由模块；
[0028] 现场模块负责工业现场的数据采集及数据在ISA100.11a协议栈内从应用层向网络层转换，内部以协议栈自下而上的顺序包含ISA100.11a协议规定的网络层、传输层、应用层，还包含设备需要搭载的传感器；路由模块负责ISA100.11a的无线路由，内部以协议栈自下而上的顺序包含ISA100.11a协议规定的物理层、MAC层、数据链路层，以及额外定义的协议控制层；协议控制层位于网络层和数据链路层之间；
[0029] 现场模块的网络层和路由模块的协议控制层之间存在互相通信的接口，以ISA100.11a标准对协议层的定义规则命名为协议控制层服务访问点；现场模块和路由模块应分别是独立的软硬件实体，路由模块的协议控制层通过其与现场模块的网络层之间的协议控制层服务访问点来决定是否令现场模块的软硬件实体起作用。
[0030] 本步骤的目的是对无线设备进行初始的结构设计，暂不涉及具体的内部细节，如图1所示。如此设计的原因在于，ISA100.11a标准中的无线路由设备在转发其他设备的数据时，只使用到数据链路层，在这之上的网络层、传输层乃至于应用层并不参与工作，因此无线部分的网络在ISA100.11a标准中也称为数据链路子网。为了方便设备角色转换的操作，也为了方便设备本身的管理，故而在数据链路层和网络层之间添加一个额外设计的协议控制层组成新的协议栈结构。考虑到无线设备无论是路由设备角色或是现场设备角色，数据链路层及其之下的MAC层和物理层都要起作用，因此将协议控制层和数据链路层等一起组成为路由模块。即现场模块只有在设备作为现场设备时才起作用，路由模块则一直处于工作状态。基于上述设计思路，现场模块和路由模块应是分别独立的软硬件实体，如此则协议控制层可以通过其与网络层之间的协议栈接口即就是协议控制层服务访问点来告知现场模块是否起作用。
[0031] 步骤2，定义无线设备分别作为现场设备和路由设备时的结构变化规则；
[0032] 作为现场设备时，定义协议控制层，并按照ISA100.11a标准对协议层的设计规则，在协议控制层上定义步骤1的协议控制层服务访问点用于网络层的访问，在协议控制层上定义协议控制层管理访问点用于应用层的设备管理器的访问，最后，令协议控制层可以通过数据链路层访问点来访问数据链路层；
[0033] 作为路由设备时，取消协议控制层服务访问点的定义以断开协议控制层和网络层的连接；取消协议控制层管理访问点的定义，并在协议控制层上定义备用设备管理器作为包括协议控制层、数据链路层、MAC层和物理层在内的余下部分协议栈的设备管理器，备用设备管理器只需提供数据链路层管理访问点的访问功能，不需要实现ISA100.11a标准的全协议栈设备管理器；此时，只有路由模块在工作，现场模块处于断电或休眠状态从而不起作用。
[0034] 本步骤的任务是具体化无线设备功能转换的细节，遵循ISA100.11a标准对协议层设计的惯例来决定协议控制层的结构及其与网络层的接口控制，如图2所示。因此，当现场模块起作用时，即网络层及其之上的协议层处于工作状态时，协议控制层应按照ISA100.11a标准协议栈的模式向上层提供上一个协议层的服务访问点和设备管理器的管理访问点；当现场模块不起作用时，即网络层及其之上的协议层处于断开状态时，协议控制层虽然不需要再提供协议栈上层的服务访问点和管理访问点，但为了协议数据包的完整性，需要在协议控制层中为数据加入所需的帧头、帧尾以及设备的一些基本地址信息。
[0035] 所以，备用设备管理器将在无线设备处于路由状态时负责承担ISA100.11a标准协议栈的设备管理器所应具备的任务，包括设备地址信息等，例如实现设备管理对象(DMO)。协议数据包的完整性也将由备用设备管理器负责，例如为该无线设备自身与系统管理器之间的常规通信数据包添加网络层、数据链路层和应用层的帧头、帧尾，否则系统管理器将因数据不完整而认定该无线设备非法。注意，无线设备转发其他设备的数据包时，只需使用到数据链路层即可，对于这些数据不需要为之添加网络层及其之上协议层的数据帧头、帧尾。
[0036] 步骤3，无线设备在本步骤开始入网；设备初始化时一律作为现场设备入网，由应用层的设备管理器中的设备管理对象(Device management object,DMO)负责响应骨干路由器发送的来自于系统管理器的广播帧；设备接到广播帧后，将MAC地址随请求入网的信息发送给系统管理器；最后由系统管理器向无线设备分配128位IPv6地址和16位子网地址；此时，设备作为现场设备运行着包括协议控制层在内的完整的ISA100.11a协议栈。
[0037] 本步骤基本遵循着ISA100.11a标准规定的设备入网流程，只是因为现场模块和路由模块对协议栈的分割而对这两个模块之间的入网流程进行了细化，如图3所示。需要强调的是，考虑到设备入网初始化时的信息完整性和后续设备角色转换的成本问题，这里规定所有无线设备一律作为现场设备入网。设备入网初始化时的信息完整性指，根据ISA100.11a标准的规定，设备管理器中包括了设备管理对象(DMO)在内的许多标准对象，这些对象需要和系统管理器中的各类管理对象进行对接，每个无线设备的设备管理器中的各个对象决定了无线设备所具有的基本属性和功能，而这其中的很多属性和功能是需要系统管理器在对接后给予
许可和分配的。如果无线设备首次入网时以路由设备的角色入网，因为没有完整的设备管理器，将造成该设备信息的不完整，为系统管理器处理此种情况带来麻烦。
[0038] 设备角色转换的成本问题是指无线设备在现场设备和路由设备之间进行转换的成本会因为无线设备初次入网时所充任角色和功能的不同而有所不同。如果无线设备初次入网以现场设备的角色进行初始化，那么其在后续转换为路由设备时将是一个局部信息提取复制的过程，路由设备不使用的网络层等信息将被保存在现场模块中以待下一次转换回现场设备时使用，这一点在后续的步骤4和步骤5可以更充分的体现。如果无线设备初次入网以路由设备的角色进行初始化，那么其在后续转换为现场设备时将是一个全部信息提取复制加上额外信息生成的过程，现场设备所需要的网络层等其他信息此时仍是空白，需要由系统管理器进行许可和分配，这相当于在角色转换过程中增加了一部分ISA100.11a标准规定的入网流程的内容，除增加了无线设备入网后初次转换的成本，也增加了设备角色转换的实现复杂度。
[0039] 步骤4，当系统管理器要求无线设备从现场设备转换为路由设备时，首先由系统管理器的设备管理服务对象(Device management service object,DMSO)向无线设备发送带有角色转换指令的信息；无线设备的应用层设备管理器DMO解释系统管理器的信息后，向下通过协议控制层访问点来访问协议控制层，并向后者传递DMO中的全部地址信息；协议控制层的备用设备管理器复制来自应用层设备管理器的DMO全部信息和数据链路层管理对象(Data link layer management object,DLMO)的全部信息；之后断开网络层对协议控制层服务访问点的连接，断开设备管理器对协议控制层管理访问点的连接，启动备用设备管理器负责管理设备与系统管理器之间的通信；最后令断开与路由模块连接的现场模块进入休眠或断电状态。
[0040] 本步骤相当于是在ISA100.11a标准所规定的无线设备DMO和系统管理器DMSO之间固定的
配对通信的
基础上，加入了自定义的通信内容，该内容所代表的功能即命令无线设备进行设备角色转换，如图4所示。事实上，ISA100.11a规定了所有端到端的通信必须建立在契约(Contract)的基础上，每一种通信对应一个实例化的契约，具体到协议栈内部则是端到端的两个设备应用层中的对象，如系统管理器的DMSO和无线设备的DMO之间的通信。因此为保留必要的通信契约不因设备角色转换而失效，必须保存路由设备所需要用到的应用层对象，故本步骤包含了图4中的复制DMO和DLMO到协议控制层的备用设备管理器的操作。
[0041] 步骤5，当系统管理器要求无线设备从路由设备转换为现场设备时，首先由系统管理器的设备管理服务对象DMSO向无线设备发送带有角色转换指令的信息；无线设备的协议控制层备用设备管理器DMO解释系统管理器的信息后，启动协议控制层服务访问点；现场模块重新唤醒，应用层的设备管理器向下通过网络层访问协议控制层的备用设备管理器，后者将DMO和DLMO的全部信息复制给应用层设备管理器中的DMO和DLMO；最后协议控制层停止备用设备管理器的运行，启动用于应用层设备管理器访问的协议控制层管理访问点。
[0042] 如图5所示，本步骤可以看作是步骤4的反操作，同样需要将DMO和DLMO复制回应用层的设备管理器之中。但现场设备相对于路由设备需要一些DMO和DLMO之外的由其他对象实现的功能，在本步骤中需要先重建这些对象与系统管理器相应对象的联系，即根据通信需求建立相关的契约，然后才可完成现场设备的传感器采集和
数据处理的重新启用。
[0043] 以下结合具体实例来说明本发明无线设备的有益效果。
[0044] 如图6所示为典型的ISA100.11a一般网络部署拓扑图，图中“ISA100.11a无线传感网
节点”即由本发明无线设备承担，它们之间皆为无线通信连接。所有设备入网时都作为现场设备，运行完整协议栈，如图7的左侧所示；此时，所有无线设备直接和骨干路由器相连接，整个网络不存在无线多跳路由，覆盖面积小，骨干路由器负担重。假设根据工业现场的需求和分析计算后，认为将2号和7号设备转换为路由设备可以有效增加网络覆盖面并均衡路由负担，那么系统管理器可以命令2号和7号设备由现场设备转换为路由设备，如图7的右侧所示；转换完成后，除2号和7号的其他现场设备将与路由设备连接，如此可形成无线多跳的网络拓扑，增大网络的覆盖面积，均衡通信路由负担。以上操作都可以由
软件通过系统管理器自动进行操作，不需要网络维护人员的人工介入。
