[发明专利]树形/网状双层架构的无线HART网络和时间同步方法

权利要求书

1.一种使用树形/网状双层架构无线HART网络的时间同步方法，其特征在于所述的无线HART网络的时间同步流程由时间同步时刻的时间同步流程，以及非时间同步时刻的时间同步偏差校正流程组成；时间同步时刻的时间同步流程包括北斗卫星BD对无线HART网络管理器、无线HART网关授时的时间同步，无线HART网关与无线HART现场设备、或无线HART现场设备与无线HART现场设备的TPSN时间同步算法流程；无线HART网关和无线HART网络管理器借助内嵌的北斗卫星BD模块SKG12D，在无线HART网络的时间同步时刻接收北斗卫星BD的授时信号，作为无线HART网络的高精度时间同步基准，进行无线HART上层星形网络的时间同步；

TPSN的时间同步算法变量表如下：

Time_Sync_Source，表示时间同步源，初值＝北斗卫星BD授时值；

Time_Low_Send，表示下层发送时间；

Time_Upper_Receive，表示上层接收时间；

Time_Upper_Send，表示上层发送时间；

Time_Low_Receive，表示下层接收时间；

Time_Deviation，表示时间偏差；

Time_Deviation_Formation[N,3]，表示时间偏差队列表，N＝无线HART网关下属的无线HART现场设备数，时间偏差的数据存储深度＝3；

t，表示待TPSN算法修正的、无线HART现场设备的时间；

TPSN的时间同步算法中：算法包括2个循环，外循环从时间同步网络的第1层循序递增至底层；外循环内部嵌套内循环，内循环从同层第1件无线HART现场设备循序递增至末尾件；无线HART网关的北斗卫星BD授时作为初始时间同步源、同步第1层的无线HART现场设备，第1层无线HART现场设备同步后的时间作为时间同步源、同步第2层各自下属的无线HART现场设备，照此类推，同步无线HART网关下属的全部无线HART现场设备；当且仅当处在无线HART现场设备分配的时隙槽时启动时间同步，时隙通信开始之前，发送方完成报文的格式化，并在链路层打发送时戳，接收方亦在链路层打接收时戳；

无线HART网关与无线HART现场设备TPSN的时间同步算法流程如下：

0、建立时间同步的网络拓扑等级层次：

无线HART网关定义为第0层；

无线HART现场设备根据物理位置分层；

建立无线HART现场设备的上下层拓扑；

建立时间偏差队列表，Time_Deviation_Formation[N,3]；

时间同步源赋初值，Time_sync source＝北斗卫星BD授时值；

1、网络拓扑等级层次有效性判断：

1-1、网络拓扑等级层次无效，转“0”；

1-2、网络拓扑等级层次有效，TPSN的时间同步；

2、TPSN的时间同步：

2-1、上层无线HART网关/现场设备发送同步启动报文；

2-2、下层无线HART现场设备响应启动报文，发送同步请求报文，打时戳Time_Low_Send；

2-3、上层无线HART网关/现场设备接收请求报文，打时戳Time_Upper_Receive；上层无线HART网关/现场设备发送应答报文，打时戳Time_Upper_Send；

2-4、下层无线HART现场设备接收应答报文，打时戳Time_Low_Receive；

2-5、计算Time_Deviation＝[(Time_Upper_Receive－Time_Low_Send)+(Time_Upper_Send－Time_Low_Receive)]÷2；

2-6、同步下层无线HART现场设备的时间t＝t+Time_Deviation；

Time_Deviation上传无线HART网关；

非时间同步时刻的时间同步偏差校正算法中：时间同步周期＝30S，无线HART现场设备30S计时归零后重新计时，其间借助校正多项式修正无线HART现场设备的时间；

非时间同步时刻的时间同步偏差校正流程如下：

0、初始化：

计算编号ID无线HART现场设备3次时间同步时刻的时间：

t₁＝30+Time_Deviation_Formation[ID,1]

t₂＝30+Time_Deviation_Formation[ID,2]

t₃＝30+Time_Deviation_Formation[ID,3]

1、构建时间同步偏差校正多项式：

30＝a₀+a₁t₁+a₂t₁²

30＝a₀+a₁t₂+a₂t₂²

30＝a₀+a₁t₃+a₂t₃²

通过拟合计算系数a₀、a₁、a₂构成的列向量A：

A＝T^-1(30 30 30)^T

式中T为t₁、t₂、t₃的0次至2次幂组成的矩阵；

2、编号ID无线HART现场设备的计数时间t校正为t^/：

t^/＝a₀+a₁t+a₂t²；

所述无线HART网络由无线HART现场设备、无线HART网关和唯一的无线HART网络管理器组成，有线HART经无线HART适配器接入无线HART网关；无线HART现场设备包括无线HART传感器类现场设备，以及无线HART执行器类现场设备；无线HART现场设备、无线HART适配器、无线HART网关、无线HART网络管理器均内置无线HART通信模块；

借鉴超级计算机的集群架构，无线HART网络采用集中控制的集群架构，将HART上层的网状结构改进为树形结构，同时保留HART下层的网状结构；上层树形网络包括无线HART网络管理器和无线HART网关，二者根据按需选取的通信协议交换信息；下层网状网络包括无线HART网关和无线HART现场设备，无线HART现场设备均具有路由转发数据包功能，下层网状网络遵循无线HART协议交换信息；无线HART网络管理器负责时隙安排，网络拓扑管理，网络路由建立和维护，通信资源分配和回收。