[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

说明书

本发明公开一种树形/网状双层架构的无线HART网络和时间同步方法。网络由无线HART现场设备、网关和唯一的网络管理器组成；借鉴超级计算机的集群架构，提出树形/网状的双层架构；上层树形网络包括无线HART网络管理器和网关，遵循选取的通信协议；下层网状网络包括网关和现场设备，遵循无线HART协议。树形/网状架构具有高可靠性；时间同步层次减少，提高了同步精度。BD授时时间同步时，树形蜕变为星形，进一步提高了同步精度。TPSN时间同步时，收/发报文的提取/填写时间戳均在MAC层，且只在分配的时隙槽内启动同步，降低了收发和访问时延的不确定性，又提高了同步精度。非同步时刻的时间同步校正，克服同步精度随时间推移下降的缺陷，再次提高了同步精度。

技术领域

本发明属无线网络的技术范畴。特别是指上层为树形结构，下层为网状结构，即树形/网状双层架构的无线HART网络和时间同步方法。

背景技术

1985年，Rosemen公司推出现场仪表和控制室设备之间的HART通信协议。HART采用频移键控FSK技术，在4～20mA模拟信号上调制叠加幅度0.5mA的数字信号，实现双向数字通信；属模数信号转变过程中的过渡性产品。HART应用统一设备描述语言DDL，兼容当时主流的模拟系统，故具备优异的市场竞争力；2001年，HART通信协议成为IEC61158第四版现场总线标准第20种类型的现场总线。2013年12月，工业现场投运的HART设备≥3000万台。

在流程和制造工业的自动化领域，无线技术的渗透非常缓慢；追根溯源指向使用环境恶历，服务对象苛刻使然。工业现场存在复杂、多变的电磁干扰，干扰损害了无线信道的效能；现场金属设备反射和高湿环境亦造成无线信号的随机衰落。同时工控要求无线传输高可靠可用，而消费领域卓有成效的无线技术在工业现场却差強人意。因此，克隆消费领域无线技术不可行，需另辟蹊径。经业界不懈的努力，无线技术终于成功进入工业现场；标志性成果是工业无线网络的三大标准：无线HART、ISA100和WIA-PA。市场份额最大的无线HART是专为过程控制设计的低成本、低传输速率、兼容有线HAR的解决方案，是有线HART在无线领域的延伸；2008年9月，无线HART获IEC规范编号IEC/RAS62591Ed.l。

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，现场设备和网关内置无线HART通信模块；有线HART经无线HART适配器融入无线HART，现倾向将适配器归入网关。现场设备或通过传感器采集数据、经通信模块和网关至网络管理器，或接受网络管理器经网关和通信模块下达的指令、通过执行器控制设备。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；属集中控制双层网状网络。上层网状网络包括网络管理器和网关，下层由网关和现场设备构成；现场设备均具有路由转发数据包功能；网状拓扑是冗余路径传输数据的必要条件。

无线HART采用跳频(freguercy-hopping spread specturm，FHSS)和直接序列扩频(direct sequence spread spectrum，DSSS)组合的无线传输技术，数据链路层接入则借助时分多址技术(Time Division Multiple Access，TDMA)；频段位于ISM2400～2483.3MHz，速率250kbit/s，信道的频间距5MHz，共计16条信道。无线HART将时间分割成周期性帧，帧又细分成若干时隙，节点在分配的时隙槽内进行理论上无冲突的理想通信，是无线通信高可靠可用的基石；时间槽缺省值＝10ms。跳频使用多信道，因而能规避外界环境的时变干扰，削弱多径衰落效应；扩频通过扩频编码调制信号，调制输出的宽频谱信号拥有更好的干扰抑制特性；跳频扩频技术进一步提高了无线HART的可靠可用性，以及抗干扰的能力。无线HART遵循时间同步网状网络协议(time synchronized mesh protocol，TSMP)，网状网络具有自组织和自愈特点，即动态组网和冗余路径传输数据的功能；显然，无线HART的可靠可用性再次得到提升。