專利名稱：基于無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式過程控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及工業(yè)過程控制技術領域，特別是提供了一種基于無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太 網(wǎng)的分布式過程控制系統(tǒng)。
背景技術：
近十幾年來，隨著嵌入式微處理器技術、嵌入式操作系統(tǒng)技術、計算機網(wǎng)絡技術及 自動測控技術的快速進步，生產過程控制系統(tǒng)的體系架構逐漸地由經典的集散控制系統(tǒng) DCS向網(wǎng)絡控制系統(tǒng)NCS轉變(現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS可以歸入網(wǎng)絡控制系統(tǒng)NCS)。 在目前所使用的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)NCS中，現(xiàn)場控制器與相應傳感器及執(zhí)行器，通過現(xiàn)場 總線或工業(yè)以太網(wǎng)用數(shù)據(jù)電纜連接。工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相比，數(shù)據(jù)傳輸速度更快， 更容易與上層信息網(wǎng)絡集成，被認為更有潛力。當前，關于工業(yè)以太網(wǎng)的國際標準有9 個，我國的EPA標準為其中之一。由于無線網(wǎng)絡在設備布線安裝、運行維護及自由移動等方面具有相當?shù)膬?yōu)勢，近 年來國內外許多機構和組織就無線網(wǎng)絡技術應用于工業(yè)測控領域展開了一輪研發(fā)競爭。 2004年，由美國能源部發(fā)起，GE、 Honeywell、 RAE等70多家大公司參與成立了無線工 業(yè)控制網(wǎng)絡聯(lián)盟(WINA)，致力于解決無線技術在工業(yè)控制領域應用的難點問題。2005 年，歐洲包括ERICSSON、 UCL、 LIPPERT在內的25個組織制定了一個名為RUNES計戈U、 未來10年內無線技術在工業(yè)控制和自動化發(fā)展應用的路線圖。2007年，我國在"十一 五"863計劃先進制造技術領域中專門設立了"工業(yè)無線技術及網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)研究與開 發(fā)"重點項目，攻克無線技術在工業(yè)測控應用中的技術難點，以推動"測量、控制用無線 通信技術"國家標準體系的建立。目前，可應用于工業(yè)測控領域的無線通信技術標準/協(xié)議有IEEE802.15.4 (無線個 域網(wǎng)國際標準，對物理層和媒介訪問控制子層進行了定義)，IEEE802.11a/b/g(無線局域網(wǎng)國際標準，對物理層和媒介訪問控制子層進行了定義)IEEE1451.5 (無線局域網(wǎng)、藍牙和ZigBee間的互操作協(xié)議)； SP100.11 (低功率無線傳感器設備的標準一面向現(xiàn)場控制)； SP100.14 (高帶寬無線基礎設備和骨干網(wǎng)的標準一面向監(jiān)控)； ZigBee協(xié)議(一種主流的無線傳感器網(wǎng)絡標準)； WirelessHA (無線HART協(xié)議)。生產過程控制系統(tǒng)，作為工業(yè)測控領域一類特殊應用，它對現(xiàn)場控制器與相應傳感 器及執(zhí)行器之間的無線連網(wǎng)技術提出了一些更高的要求 一是很強的抗干擾能力，網(wǎng)絡 中眾多的傳感器節(jié)點、執(zhí)行器器節(jié)點與少量的現(xiàn)場控制器節(jié)點進行無線通信時能克服外 界噪聲、陰影衰落、多徑干擾、節(jié)點間干擾等各種不良影響，網(wǎng)絡中端到端數(shù)據(jù)包成功 傳輸?shù)母怕士蛇_95%; 二是苛刻的通信實時性，從傳感器到現(xiàn)場控制器再到執(zhí)行器的回 路響應時間一般為10ms 500ms，并且對于某一具體回路，應確保該回路各部分的通信 時延達到給定要求；三是很低的能耗，傳感器與執(zhí)行器這些外圍設備用于無線通信的能 耗很低，對它們用電池供電提供有效的支持。ZigBee技術雖然滿足低功耗的要求，并有 較強的抗干擾能力，但通信實時性卻無法保證。IEEE802.11無線局域網(wǎng)技術雖然滿足通 信實時性要求，也有很強的抗干擾能力，但功耗很高。根據(jù)實際生產過程控制系統(tǒng)的分布式特點，本發(fā)明將整個過程控制系統(tǒng)分解成若干 個局部過程控制子系統(tǒng)，每個局部過程控制子系統(tǒng)包含一個現(xiàn)場控制器，現(xiàn)場控制器除 了可以對子系統(tǒng)的控制性能進行決策外，還具有強大的無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)通信功 能?，F(xiàn)場控制器通過無線個域網(wǎng)與所屬局部過程控制子系統(tǒng)中的所有傳感器及執(zhí)行器建 立通信連接，通過工業(yè)以太網(wǎng)與其它局部過程控制子系統(tǒng)建立通信連接。在本發(fā)明中， 所有局部過程控制子系統(tǒng)的無線個域網(wǎng)，通過信道復用技術和功率控制技術構成了一個 無線蜂窩網(wǎng)絡系統(tǒng)，任一無線個域網(wǎng)內，現(xiàn)場控制器利用先進的多天線MIMO技術和多 信道訪問技術與相關聯(lián)的傳感器及執(zhí)行器高效地進行無線通信。在本發(fā)明中，所有局部 過程控制子系統(tǒng)的現(xiàn)場控制器通過工業(yè)以太網(wǎng)完成子系統(tǒng)間的信息交互，實現(xiàn)整個過程 控制系統(tǒng)的全局溝通。發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種基于無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式過程控制系統(tǒng)，提高通信實時性，降低功率消耗，減小了成本。本發(fā)明的另一目的在于提供兩種用于上述分布式過程控制系統(tǒng)的信道規(guī)劃方法，減 少了各子系統(tǒng)之間的無線干擾。本發(fā)明提供的一種基于無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式過程控制系統(tǒng)，包括多個 局部過程控制子系統(tǒng)、交換機和中心監(jiān)控計算機，各局部過程控制子系統(tǒng)通過工業(yè)以太 網(wǎng)連接交換機，交換機通過工業(yè)以太網(wǎng)連接中心監(jiān)控計算機，所述局部過程控制子系統(tǒng) 包括一個無線現(xiàn)場控制器、多個無線傳感器和多個無線執(zhí)行器，無線傳感器和無線執(zhí)行 器位于以無線現(xiàn)場控制器為中心的正方形區(qū)域內，無線現(xiàn)場控制器一端通過工業(yè)以太網(wǎng) 連接交換機，另外一端通過包含兩個信道的無線個域網(wǎng)連接無線傳感器和無線執(zhí)行器。所述工業(yè)以太網(wǎng)符合用于工廠自動化的以太網(wǎng)標準即EPA標準，所述無線個域網(wǎng) 符合無線個域網(wǎng)IEEE802.15.4標準。所述無線個域網(wǎng)的兩個無線信道均周期性產生信標幀，且兩信道的信標幀首次出現(xiàn) 時刻相差8個時隙。所述無線現(xiàn)場控制器與所述無線執(zhí)行器或無線傳感器采用如下信道時隙分配方式 進行消息傳輸無線現(xiàn)場控制器將所有可能來自無線傳感器或無線執(zhí)行器的消息按照重 要性劃分為四個等級，并把該消息等級配置給每個無線傳感器和無線執(zhí)行器，無線現(xiàn)場 控制器將超幀中非信標幀時段劃分為五個時隙段，各時隙段傳送指定方向和指定等級的 消息，各時隙段的位置信息由超幀中的信標幀給出；無線現(xiàn)場控制器、無線傳感器或無 線執(zhí)行器根據(jù)自身待發(fā)送消息的等級和方向選擇相應的時隙段進行消息發(fā)送；無線現(xiàn)場 控制器根據(jù)各無線傳感器和無線執(zhí)行器的周期性等級消息在超幀中的理論出現(xiàn)次數(shù)和 一段觀測時間內這些消息實際出現(xiàn)次數(shù)，動態(tài)調整超幀中各時隙段包含的時隙數(shù)。本發(fā)明的技術效果體現(xiàn)在以下幾個方面1. 在基于無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式過程控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場控制器與無線傳 感器及無線執(zhí)行器通過無線個域網(wǎng)連接，避免了一般分布式過程控制系統(tǒng)中需要的布線 連接，節(jié)約了電纜成本和安裝成本，拓寬了應用領域。2. 無線傳感器或執(zhí)行器可在所屬微小區(qū)中以較低速率移動進入其它微小區(qū)，主動接入新微小區(qū)，此時原微小區(qū)的局部控制子系統(tǒng)通過遠程托管請求方式向新微小區(qū)獲取該 無線傳感器或執(zhí)行器的測控狀態(tài)，本發(fā)明對無線傳感器與執(zhí)行器移動性的支持是一般有 線分布式過程控制系統(tǒng)所不具有的。3. 無線傳感器或執(zhí)行器所使用的無線收發(fā)單元符合IEEE802.15.4標準，這類無線 收發(fā)單元屬短程低功耗芯片，在電池供電情況下，至少可工作三個月，在采用了適當?shù)?休眠機制后，甚至可達3年之久，具有很好的節(jié)電性能。4. 采用雙無線信道并行傳輸方法和基于消息優(yōu)先級的預測調度協(xié)議，提高了通信實 時性。將一個時隙取為(P6(^4b)/(250kbps)-0.96ms;單無線信道的超幀周期為16個時 隙，其中第l個時隙為信標幀占用，并假設信標間隔等于超幀周期；若雙無線信道的超 幀周期均為16個時隙，其中第I個時隙為信標幀占用，假設一信道的信標幀在時序上 比另一第二信道落后8個時隙，信標間隔都等于超幀周期，兩信道均允許分配給傳感器 和執(zhí)行器；單無線信道原來要經過6個超幀(即6M6".96ms-92.16ms)才能完成的控 制行為，而雙無線信道在經過3個多超幀(即3*16*0.96ms+8*0.96ms=53.76ms)之后， 就可完成。每個現(xiàn)場控制器對相關傳感器和執(zhí)行器的現(xiàn)場級數(shù)據(jù)流量限制在250 kbps*2=500kbps，可通過工業(yè)以太網(wǎng)在現(xiàn)場控制器之間快速實時地傳遞。5. 在局部過程控制子系統(tǒng)內，無線傳感器和無線執(zhí)行器使用改進的信到反轉功控法 對其發(fā)射功率進行控制，很好地克服了小區(qū)內的遠近效應和多址干擾。6. 通過使用無線信道通信技術使得網(wǎng)絡容量加倍，具體來說，在一個微小區(qū)內，每 個無線信道在一個超幀內最多可接入傳感器或執(zhí)行器節(jié)點15個，按50%的節(jié)點接入幾 率，總的接入點數(shù)為[15/50%]+[15/50%]+1=61;在一個標準小區(qū)簇內，基于上述計算， 總的接入點數(shù)為61*8=488;在兩個標準小區(qū)簇內，基于上述計算，總的接入點數(shù)為 488*2=976。本發(fā)明提供的用于上述基于無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式過程控制系統(tǒng)的信 道規(guī)劃方法，具體為-步驟C1:將整個待監(jiān)控區(qū)域劃分為若干個正方形微小區(qū)塊，再將每一個微小區(qū)塊 按照3*3方式劃分為9個微小區(qū)；步驟C2:假定各微小區(qū)塊正中間微小區(qū)為空微小區(qū)，對其它微小區(qū)自上而下從左至右依次預分配信道集G(l)、 G(2) 、 ...、 G(8);步驟C3:若微小區(qū)被分布式過程控制系統(tǒng)中的某局部過程控制子系統(tǒng)所覆蓋，保 留其預分配的信道集，否則收回其預分配的信道集；若空微小區(qū)被分布式過程控制系統(tǒng) 中的某局部過程控制子系統(tǒng)所覆蓋，將任意一個收回的信道集分配給空微小區(qū)；步驟C4:在各微小區(qū)塊內調整信道集，使得任意相鄰兩微小區(qū)塊中同信道微小區(qū) 的復用距離盡可能最大。本發(fā)明還提供了另一種甩于上述基于無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式過程控制 系統(tǒng)的信道規(guī)劃方法，具體為步驟Dl:將待監(jiān)控區(qū)域劃分為若干個正方形微小區(qū)塊，再將各將微小區(qū)塊按2*2 方式分為4個正方形子塊，自上往下從左向右依次為子塊X,、 X2、 X3和X4，最后將各 子塊按2*2方式劃分為4個微小區(qū)；步驟D2:在子塊X!中，自上而下從左向右對4個微小區(qū)依次分配信道集G(l)、 G(2)、 G(3)和G(4);在小區(qū)塊X3中，自上而下從左至右對4個微小區(qū)依次分配信道集 G(5)、 G(6)、 G(7)、 G(8);子塊X4的信道集分配與子塊Xi相同，子塊X2的信道集分配與子塊X3相同。本發(fā)明提供的兩種信道規(guī)劃方法保證相鄰局部過程控制子系統(tǒng)所使用的信道集不相 同，顯著地減少了各子系統(tǒng)之間的無線干擾。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)總體結構示意圖；圖2是本發(fā)明局部過程控制子系統(tǒng)的結構示意圖；圖3是本發(fā)明無線現(xiàn)場控制器的硬件組成方框圖；圖4是本發(fā)明無線現(xiàn)場控制器的中央處理單元結構示意圖；圖5是本發(fā)明無線現(xiàn)場控制器的雙無線信道超幀時隙分配示意圖；圖6是本發(fā)明無線傳感器/無線執(zhí)行器的發(fā)射功率控制流程圖；圖7是本發(fā)明一種信道復用方式示意圖；圖8是本發(fā)明另一種信道復用方式示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明涉及到的一些幀、報文及分組的含義如下信標幀是IEEE802.15.4媒介訪問控制子層規(guī)范定義的一種MAC幀。在本發(fā)明中， 局部過程控制子系統(tǒng)中的無線現(xiàn)場控制器、無線傳感器及無線執(zhí)行器以信標幀進行時間 同步，該信標幀中同時攜帶了無線現(xiàn)場控制器的發(fā)射功率值和超幀各子段的時隙位置信 息。命令幀是IEEE802.15.4媒介訪問控制子層規(guī)范定義的一種MAC幀。在本發(fā)明中， 同一個無線個域網(wǎng)中的無線現(xiàn)場控制器、無線傳感器及無線執(zhí)行器支持連接請求命令、 連接響應命令、斷開連接通知命令、數(shù)據(jù)請求命令，另外還特別支持自適應功率門限加 載命令、發(fā)射功率調整命令、發(fā)送消息等級配置命令、信道切換請求命令、信道切換應 答命令。(上述自適應功率門限加載命令包含自適應功率上限和自適應功率下限兩方面 信息，發(fā)射功率調整命令包括發(fā)射功率過高和發(fā)射功率過低兩種)。數(shù)據(jù)幀是IEEE802.15.4媒介訪問控制子層規(guī)范定義的一種MAC幀。在本發(fā)明中， 無線現(xiàn)場控制器與無線傳感器之間、無線現(xiàn)場控制器與無線執(zhí)行器之間通過數(shù)據(jù)幀交換 與無線個域網(wǎng)自身無關的數(shù)據(jù)信息。應答幀是IEEE802.15.4媒介訪問控制子層規(guī)范定義的一種MAC幀。用于對數(shù)據(jù) 幀和命令幀的應答。節(jié)點測控狀態(tài)幀該幀中的數(shù)據(jù)是某個無線傳感器發(fā)送給無線現(xiàn)場控制器的物理測 量值，或者是某個無線執(zhí)行器發(fā)送給無線現(xiàn)場控制器的執(zhí)行結果。節(jié)點執(zhí)行指令幀該幀中的數(shù)據(jù)是無線現(xiàn)場控制發(fā)送給某個無線執(zhí)行器的切換輸出指令，或者是無線現(xiàn)場控制發(fā)送給某個無線傳感器的工作參數(shù)設置指令。節(jié)點網(wǎng)絡維護幀該幀中的數(shù)據(jù)有如下幾種無線現(xiàn)場控制器對某個無線傳感器的 無線個域網(wǎng)接入設置、無線現(xiàn)場控制器對某個無線執(zhí)行器的無線個域網(wǎng)接入設置、無線 現(xiàn)場控制器對自身的發(fā)射功率設置、無線現(xiàn)場控制器的無線信道頻率設置、無線現(xiàn)場控 制器對某個無線傳感器的自適應功率門限設置、無線現(xiàn)場控制器對某個無線執(zhí)行器的自 適應功率門限設置、無線現(xiàn)場控制器對某個無線傳感器的發(fā)射功率調整指令、無線現(xiàn)場控制器對某個無線執(zhí)行器的發(fā)射功率調整指令、無線現(xiàn)場控制器對某個無線傳感器的發(fā) 送消息等級設置、無線現(xiàn)場控制器對某個無線執(zhí)行器的發(fā)送消息等級設置、無線現(xiàn)場控 制器對信標幀各時隙子段的設置等。(上述的無線個域網(wǎng)接入設置包含了在每個無線信 道上的接入允許情況)。節(jié)點網(wǎng)絡狀態(tài)幀該幀中的數(shù)據(jù)有如下幾種某個無線傳感器的電子設備描述符、某個無線執(zhí)行器的電子設備描述符、某個無線傳感器的在線狀態(tài)、某個無線執(zhí)行器的在 線狀態(tài)、無線現(xiàn)場控制器自身的功耗狀態(tài)、某個無線傳感器的功耗狀態(tài)、某個無線執(zhí)行 器的功耗狀態(tài)、無線現(xiàn)場控制器接收到的某個無線傳感器的平均信號功率、無線現(xiàn)場控 制器接收到的某個無線執(zhí)行器的平均信號功率等。個域網(wǎng)測控狀態(tài)報文每條個域網(wǎng)測控狀態(tài)報文包含局部過程控制子系統(tǒng)中某個控 制回路的所有節(jié)點測控狀態(tài)幀的有效信息。個域網(wǎng)執(zhí)行指令報文每條個域網(wǎng)執(zhí)行指令報文包含局部過程控制子系統(tǒng)中某個控 制回路的所有節(jié)點執(zhí)行指令幀的有效信息。個域網(wǎng)網(wǎng)絡配置報文該報文有如下幾種本地無線個域網(wǎng)的信道頻率設置指令、 本地無線個域網(wǎng)的網(wǎng)絡協(xié)調器地址設置指令、本地無線個域網(wǎng)預分配無線傳感器和無線 執(zhí)行器地址集通告指令、本地無線個域網(wǎng)的連網(wǎng)指令、本地無線個域網(wǎng)的撤網(wǎng)指令、本 地無線個域網(wǎng)的動態(tài)添加無線傳感器或無線執(zhí)行器指令、本地無線個域網(wǎng)的動態(tài)刪除無 線傳感器或無線執(zhí)行器指令、本地無線個域網(wǎng)所有設備的功率參數(shù)設置指令、本地無線 個域網(wǎng)所有設備的消息等級設置指令等。(上述本地無線個域網(wǎng)所有設備指該無線個域 網(wǎng)的無線現(xiàn)場控制器、無線傳感器和無線執(zhí)行器的全體)。個域網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài)報文該報文有如下幾種本地無線個域網(wǎng)所有設備的電子設備描 述符列表、本地無線個域網(wǎng)所有設備的在線狀態(tài)列表、本地無線個域網(wǎng)所有設備的功耗 狀態(tài)列表。遠程托管請求報文該報文用于觸發(fā)本地局部過程控制子系統(tǒng)立即向其它局部過程 控制子系統(tǒng)返回本地無線個域網(wǎng)中某個或某幾個無線傳感器和無線執(zhí)行器的測控狀態(tài) 數(shù)據(jù)。子系統(tǒng)測控狀態(tài)分組包含本地局部過程控制子系統(tǒng)中所有控制回路的個域網(wǎng)測控 狀態(tài)報文的有效信息。該分組攜帶了本地局部過程控制子系統(tǒng)發(fā)送給中心監(jiān)控計算機的 一部份現(xiàn)場過程狀態(tài)。子系統(tǒng)執(zhí)行指令分組包含本地局部過程控制子系統(tǒng)中所有控制回路的個域網(wǎng)執(zhí)行 指令報文的有效信息。該分組攜帶了本地局部過程控制子系統(tǒng)發(fā)送給中心監(jiān)控計算機的 另一部份現(xiàn)場過程狀態(tài)。個域網(wǎng)網(wǎng)絡管理分組包含一條或多條個域網(wǎng)網(wǎng)絡配置報文的有效信息。該分組攜帶了中心監(jiān)控計算機發(fā)送給本地局部過程控制子系統(tǒng)的網(wǎng)絡參數(shù)配置指令。個域網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài)分組包含一條或多條個域網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài)報文的有效信息。該分組攜 帶了本地局部過程控制子系統(tǒng)發(fā)送給中心監(jiān)控計算機的網(wǎng)絡運行狀態(tài)。遠程托管請求分組該分組有兩種 一種用于其它局部過程控制子系統(tǒng)向本地局部 過程控制子系統(tǒng)請求"已在本地無線個域網(wǎng)之中的"某個或某幾個無線傳感器和無線執(zhí) 行器的測控狀態(tài)數(shù)據(jù)，另一種用于其它局部過程控制子系統(tǒng)向本地局部過程控制子系統(tǒng) 請求"將在本地無線個域網(wǎng)之中的"某個或某幾個無線傳感器和無線執(zhí)行器的測控狀態(tài) 數(shù)據(jù)。遠程托管狀態(tài)分組該分組包含本地局部過程控制子系統(tǒng)向其它局部過程控制子系 統(tǒng)返回的某個或某幾個無線傳感器和無線執(zhí)行器的測控狀態(tài)數(shù)據(jù)。過程任務請求分組該分組用于中心監(jiān)控計算機或其它局部過程控制子系統(tǒng)立即觸 發(fā)或立即終止或條件觸發(fā)或條件終止本地局部過程控制子系統(tǒng)的一項或多項控制子功 能。該分組包含了中心監(jiān)控計算機發(fā)送給本地局部過程控制子系統(tǒng)的過程任務調用指 令，或其它局部過程控制子系統(tǒng)發(fā)送給本地局部過程控制子系統(tǒng)的子系統(tǒng)協(xié)作指令。過程任務應答分組該分組用于本地局部過程控制子系統(tǒng)向中心監(jiān)控計算機或其它 局部過程控制子系統(tǒng)反饋過程任務請求執(zhí)行的結果。EPA設備管理分組該分組由如下幾種用于設置本無線現(xiàn)場控制器的IP地址的請 求分組、用于讀取本無線現(xiàn)控制器的EPA電子設備描述符的請求分組、用于與其它局部 過程控制子系統(tǒng)的無線現(xiàn)場控制器建立EPA鏈路連接的請求分組等。EPA設備應答分組該分組由如下幾種IP地址設置結果分組、EPA電子設備描述 符讀取結果分組、EPA鏈路連接結果分組等。圖1是本發(fā)明系統(tǒng)總體結構示意圖，分布式過程控制系統(tǒng)包括多個局部過程控制子系統(tǒng)LPCS、交換機和中心監(jiān)控計算機。所有局部過程控制子系統(tǒng)LPCS及中心監(jiān)控計算機均通過工業(yè)以太網(wǎng)連接交換機。 中心監(jiān)控計算機是各局部過程控制子系統(tǒng)LPCS傳送的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的接收終點，也是 控制指令的發(fā)出點。工作狀態(tài)數(shù)據(jù)包括現(xiàn)場過程狀態(tài)和網(wǎng)絡運行狀態(tài)兩類。現(xiàn)場過程狀 態(tài)包括無線傳感器檢測狀態(tài)、無線執(zhí)行器切換輸出、無線傳感器的工作參數(shù)，無線執(zhí)行 器的執(zhí)行結果等，可分為測控狀態(tài)和執(zhí)行指令兩類，網(wǎng)絡運行狀態(tài)包括無線傳感器在線 列表、無線執(zhí)行器在線列表、無線傳感器功耗狀態(tài)、無線執(zhí)行器功耗狀態(tài)等?？刂浦噶?包括過程任務調用和網(wǎng)絡參數(shù)配置兩類指令。過程任務調用指令一般針對多項控制子功能，有立即執(zhí)行指令、立即終止指令、條件執(zhí)行指令、條件終止指令幾種，網(wǎng)絡參數(shù)配 置指令具體為無線個域網(wǎng)信道頻率設置指令、無線個域網(wǎng)網(wǎng)絡地址設置指令、功率參數(shù) 設置指令、消息等級設置指令等。局部過程控制子系統(tǒng)LPCS通過交換機接收中心監(jiān)控計算機的控制指令和其它局部 過程控制子系統(tǒng)的子系統(tǒng)協(xié)作指令，內部通過無線個域網(wǎng)完成本區(qū)域生產過程狀態(tài)的實 時檢測和控制、負責本地無線個域網(wǎng)的運行維護，并將本地工作狀態(tài)數(shù)據(jù)實時反饋給中 心監(jiān)控計算機， 一些遠程托管狀態(tài)反饋給其它局部過程控制子系統(tǒng)，此外還可接收其它 局部過程控制子系統(tǒng)發(fā)出的子系統(tǒng)協(xié)作指令，進行系統(tǒng)間的測控任務合作。上述局部過 程控制子系統(tǒng)之間的子系統(tǒng)協(xié)作指令一般只針對一項控制子功能，有立即執(zhí)行指令、立 即終止指令、條件執(zhí)行指令、條件終止指令幾種，子系統(tǒng)協(xié)作指令的執(zhí)行優(yōu)先級低于過 程任務調用指令。上述反饋給其它局部過程控制系統(tǒng)的遠程托管狀態(tài)指受托管的一個或 多個無線傳感器和無線執(zhí)行器的狀態(tài)，包括無線傳感器的測量值、無線執(zhí)行器的執(zhí)行結 果兩類。交換機是工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、控制指令、子系統(tǒng)協(xié)作指令和遠程托管狀態(tài)的中間存儲轉 發(fā)設備，并為各局部過程控制子系統(tǒng)LPCS提供電源。圖2給出了局部過程控制子系統(tǒng)LPCS的具體組成情況，局部過程控制子系統(tǒng)LPCS 由一個無線現(xiàn)場控制器C、若干個相關聯(lián)的無線傳感器S及無線執(zhí)行器A組成。在物理 空間上，局部過程控制子系統(tǒng)LPCS內的所有無線傳感器S和無線執(zhí)行器A，位于以無 線現(xiàn)場控制器C為中心的正方形區(qū)域內(在現(xiàn)實中它可能是一個工地的一處或一個廠房 的一角或一個相對獨立的艙室等)，該正方形區(qū)域稱為一個微小區(qū)。在局部過程控制子系統(tǒng)LPCS內，無線現(xiàn)場控制器C通過雙信道無線個域網(wǎng)與無線 傳感器S及無線執(zhí)行器A連接。在每個微小區(qū)內，本地無線個域網(wǎng)使用包括兩個無線信道G(p-s)禾口 G(p-a)的信道集G(p) ，p的可能取值為1、 2.....8)。 G(p-s)和G(p-a)是IEEE802.15.4標準2.4GHz ISM頻段規(guī)定的16個物理信道中的兩個，G(p-s)禾卩G(p-a)合 稱為信道集G(p)。這16個物理信道的載波頻率可表示為Fc(x) = 2400 + 5x MHz (x的取值為1、 2..... 16)，例如G(l-s)和G(l-a)的載波頻率分別為Fc(l)和Fc(5)， G(p-a)的載波頻率比G(p-s)高20MHz。信道集G(p)的設定由用戶對整個分布式過程控制系統(tǒng)進行總體規(guī)劃后確定，并由中心監(jiān)控計算機通過工業(yè)以太網(wǎng)分配給各個無線現(xiàn)場控制器。相鄰局部過程控制子系統(tǒng)LPCS所使用的信道集不相同,無線現(xiàn)場控制器C同時使用所分配信道集G(p)中的兩個信 道G(p-s)和G(p-a)進行通信。無線傳感器S在初次接入無線現(xiàn)場控制器C所在的本地無線個域網(wǎng)時，依次在信道G(l-s)、 G(2-s).....G(8-s)上發(fā)送連接請求，直至在某個信道被無線現(xiàn)場控制器C接納，如果不能被接納，再在G(l-a)、 G(2-a)、…、G(8-a)上發(fā)送 連接請求，直至在某個信道被無線現(xiàn)場控制器C接納，該信道即為其最初工作信道。無 線執(zhí)行器A采取與無線傳感器相同的方式接入無線個域網(wǎng)。無線傳感器S和無線執(zhí)行器 A在接入本地無線個域網(wǎng)后，為了競爭比較緊張的信道時隙或回避強的無線干擾，無線 傳感器S和無線執(zhí)行器A可在這兩個無線信道之間進行切換。 無線現(xiàn)場控制器C的功能如下(1) 充當無線個域網(wǎng)與工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關。例如無線現(xiàn)場控制器C需要把從本地無線個域網(wǎng)獲取的所有無線傳感器和無線執(zhí) 行器的現(xiàn)場過程狀態(tài)，首先進行層層轉換得到子系統(tǒng)測控狀態(tài)分組和子系統(tǒng)執(zhí)行指令分 組，然后經過層層打包得到IP報文，最后由以太網(wǎng)硬件發(fā)送給中心監(jiān)控計算機。又如 無線現(xiàn)場控制器C需要把中心監(jiān)控計算機通過以太網(wǎng)硬件發(fā)送給它的IP報文，先進行層層解包得到個域網(wǎng)網(wǎng)絡管理分組，然后進行層層轉換，最終生成可應用于某個無線傳 感器或無線執(zhí)行器的節(jié)點網(wǎng)絡維護幀。(2) 構建與正確配置本地無線個域網(wǎng)。無線現(xiàn)場控制器C根據(jù)中心監(jiān)控計算機發(fā)送的網(wǎng)絡參數(shù)配置指令，設置本地無線個 域網(wǎng)的工作信道、本地無線個域網(wǎng)的網(wǎng)絡協(xié)調器地址，記錄本地無線個域網(wǎng)預分配無線 傳感器的MAC地址集、本地無線個域網(wǎng)預分配無線執(zhí)行器的MAC地址集等。無線現(xiàn) 場控制器C為無線個域網(wǎng)協(xié)調器設備，它在獲取到本地無線個域網(wǎng)的工作信道集G(p) 后，在無線信道G(p-s)和G(p-a)上周期性地連續(xù)發(fā)出信標幀，為無線傳感器S和無線執(zhí) 行器A數(shù)據(jù)幀及命令幀的收發(fā)提供同步時鐘(無線傳感器S或無線執(zhí)行器A的應答幀 一般跟隨無線現(xiàn)場控制器C的數(shù)據(jù)幀/命令幀立即返回)。無線現(xiàn)場控制器C需要根據(jù)本 地無線個域網(wǎng)預分配無線傳感器和無線執(zhí)行器的MAC地址集、以及本地無線個域網(wǎng)的 網(wǎng)絡協(xié)調器地址，完成本微小區(qū)內無線傳感器S和無線執(zhí)行器A的網(wǎng)絡構建。在無線個 域網(wǎng)設備組態(tài)期間，根據(jù)中心監(jiān)控計算機發(fā)送的消息等級分配指令，給無線傳感器S和 無線執(zhí)行器A的每條收發(fā)消息分配消息等級。在無線個域網(wǎng)動態(tài)運行期間，可能需要完成單個無線傳感器S或無線執(zhí)行器A的網(wǎng)絡接入/拆除。(3) 優(yōu)化本地無線個域網(wǎng)的通信性能無線現(xiàn)場控制器C需要根據(jù)局部過程控制子系統(tǒng)LPCS的控制子功能對每條相關消 息的傳輸?shù)燃壍囊螅瑢o線傳感器S和無線執(zhí)行器A的信道訪問時隙進行合理調度， 提高信道的帶寬利用率，保證高等級實時消息的優(yōu)先傳輸。另外，實時監(jiān)測無線傳感器 S和無線執(zhí)行器A的電池能耗及每條無線鏈路上的信道質量，參與無線傳感器S和無線 執(zhí)行器A在發(fā)送數(shù)據(jù)幀和命令幀時的發(fā)射功率控制。(4) 及時完成本地的測量控制任務。無線現(xiàn)場控制器C根據(jù)來自中心監(jiān)控計算機的過程任務調用指令，其它局部過程控 制子系統(tǒng)的子系統(tǒng)協(xié)作指令，通過無線個域網(wǎng)接收無線傳感器S檢測到的生產過程的測 控狀態(tài)，構造執(zhí)行指令，并傳送給無線執(zhí)行器A。(5) 匯聚本地現(xiàn)場過程和網(wǎng)絡運行狀態(tài)。無線現(xiàn)場控制器C需要將局部過程控制子系統(tǒng)LPCS內無線傳感器S和無線執(zhí)行器 A對生產過程的測控狀態(tài)和執(zhí)行指令、本地無線個域網(wǎng)中無線傳感器S和無線執(zhí)行器A 的網(wǎng)絡運行狀態(tài)匯聚起來，進而可通過工業(yè)以太網(wǎng)傳遞給中心監(jiān)控計算機和其它局部過 程控制子系統(tǒng)。無線傳感器S為智能無線傳感器，它采集生產過程中某個/某幾個檢測點的狀態(tài)數(shù)據(jù)， 是工作于信標模式的無線個域網(wǎng)精簡功能設備。它支持主動接入所在微小區(qū)的無線個域 網(wǎng)，可接受無線現(xiàn)場控制器C對其發(fā)送消息等級的配置，并采用本發(fā)明的基于消息優(yōu)先 級的預測調度協(xié)議進行消息的收發(fā)時間控制，可接受無線現(xiàn)場控制器C對其自適應功率 門限的加載，并采用本發(fā)明提供的改進的信道反轉功控法進行發(fā)射功率控制。它也支持 主動離開所在微小區(qū)的無線個域網(wǎng)。無線執(zhí)行器A為智能無線執(zhí)行器，它執(zhí)行生產過程中某個/幾個控制點的流程切換指 令，是工作于信標模式的無線個域網(wǎng)精簡功能設備。它支持主動接入所在微小區(qū)的無線 個域網(wǎng)，可接受無線現(xiàn)場控制器C對其發(fā)送消息等級的配置，并采用本發(fā)明的基于消息 優(yōu)先級的預測調度協(xié)議進行消息的收發(fā)時間控制，可接受無線現(xiàn)場控制器C對其自適應 功率門限的加載，并采用本發(fā)明提供的改進的信道反轉功控法進行發(fā)射功率控制。從工 業(yè)控制的角度講，無線執(zhí)行器需要向無線現(xiàn)場控制器C返回執(zhí)行結果信息；根據(jù) IEEE802.15.4媒介訪問控制子層規(guī)范中規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸模式，無線執(zhí)行器A應按照如下方式獲取無線現(xiàn)場控制器C將發(fā)送給它的數(shù)據(jù)幀首先，無線現(xiàn)場控制器C在信標幀的待發(fā)送地址域發(fā)布該無線執(zhí)行器A的地址，之后該無線執(zhí)行器A向無線現(xiàn)場控制器C 發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令幀，當現(xiàn)場控制器C應答后，該無線執(zhí)行器A等待接收無線現(xiàn)場控 制器C發(fā)送給它的數(shù)據(jù)幀。它也支持主動離開所在微小區(qū)的無線個域網(wǎng)。無線現(xiàn)場控制器C是一個高性能的通用控制器，能有效地支持本地控制性能決策和 其它復雜處理計算，同時它也應該是一個強大的通信控制器，能全面地支持雙無信道無 線個域網(wǎng)和工業(yè)實時以太網(wǎng)。這對其硬件構成提出了較高的要求，我們提出了一種基于 嵌入式微處理器架構的硬件組成方案，如圖3所示，其包括天線l、天線2、無線收 發(fā)單元3、無線收發(fā)單元4、邏輯控制單元5、中央處理單元6、以太網(wǎng)媒介訪問控制單 元7、以太網(wǎng)物理收發(fā)單元8、以太網(wǎng)隔離轉換器9、網(wǎng)絡接插口IO、電源單元ll、時 鐘單元I2幾部分。網(wǎng)絡接插口 10為RJ-45接口，符合IEEE802.3af標準，現(xiàn)場控制器 C通過該接口，與交換機進行數(shù)據(jù)交換，同時還從交換機處獲取直流供電。電源單元ll 把從網(wǎng)絡接插口 10處得到的直流供電電壓，轉換成硬件系統(tǒng)其它部分所要求的多種等 級電壓。時鐘單元12用于給硬件系統(tǒng)中需要基準時鐘的其它部分提供多種頻率的工作 時鐘。中央處理單元6為32位嵌入式微處理器，用于運行同時支持無線個域網(wǎng)和EPA 的軟件模塊堆桟。以太網(wǎng)媒介訪問控制單元7是符合IEEE802.3媒介訪問控制子層規(guī)范 的10/100M自適應快以太網(wǎng)媒介訪問控制器。邏輯控制單元5為FPGA芯片，內嵌了兩 個符合IEEE802.15.4媒介訪問控制子層規(guī)范的控制部件(分別用MAC-CtrlS和 MAC-CtrlA表示，它們分別與信道G(p-s)和G(p-a)相對應)以及一個雙信道時序邏輯控 制部件;邏輯控制單元5中的MAC-CtriS和MAC-CtrlA可分別控制一個IEEE 802.15.4 無線收發(fā)器收發(fā)IEEE 802.15.4MAC幀，同時實現(xiàn)兩個信道的時隙CSMA/CA接入控制; 邏輯控制單元5中的雙信道時序邏輯控制部件負責在兩個信道上產生周期性的信標幀, 并使這兩個信道的相鄰信標幀在時間上總相差8個時隙。中央處理單元6和以太網(wǎng)媒介 訪問控制單元7以及邏輯控制單元5之間是地址數(shù)據(jù)讀寫總線接口 。以太網(wǎng)物理收發(fā)單 元8是符合IEEE 802.3物理層規(guī)范的10/100M自適應快以太網(wǎng)收發(fā)器，它與以太網(wǎng)媒 介訪問控制單元7之間的接口為MII接口 (MII接口即媒介獨立接口)。以太網(wǎng)隔離轉 換器9給以太網(wǎng)物理收發(fā)單元8提供電氣隔離保護，它與以太網(wǎng)物理收發(fā)單元8以及網(wǎng) 絡接插口 IO之間以數(shù)字差分電平接口。無線收發(fā)單元3和無線收發(fā)單元4是兩個符合IEEE802.15.4物理層規(guī)范的2.4GHz無線收發(fā)器，分別實現(xiàn)一個信道上的物理層數(shù)據(jù)收 發(fā)，它們與邏輯控制單元5之間均為SPI接口和數(shù)字電平接口 (SPI接口即串行外設接 口)。天線1和天線2各提供一個信道上數(shù)據(jù)收發(fā)的空中接口，它們分別與無線收發(fā)單 元3和無線收發(fā)單元4之間為高頻模擬電平接口 。無線現(xiàn)場控制器C，從網(wǎng)絡接插口 IO獲得直流供電后，電源單元11和時鐘單元12 首先開始工作，產生硬件系統(tǒng)其它各部分工作所必須的電壓和時鐘，之后中央處理單元 6的軟件模塊堆棧的各功能塊自底向上依次加載運行(中央處理單元6的軟件模塊堆棧 結構見圖4)，在局部過程控制子系統(tǒng)的無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)參數(shù)配置成功后，無線 現(xiàn)場控制器C就可以通過無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)收發(fā)，并運行面向具體測控 應用的頂層功能塊一無線EPA功能塊。無線現(xiàn)場控制器C通過工業(yè)以太網(wǎng)接收數(shù)據(jù)的實例來自中心監(jiān)控計算機或其它局 部過程控制子系統(tǒng)的比特流級數(shù)據(jù)以數(shù)字差分電平形式到達網(wǎng)絡接插口 IO;經以太網(wǎng)隔 離轉換器9電壓隔離變換后進入以太網(wǎng)物理收發(fā)單元8;以太網(wǎng)物理收發(fā)單元8對上述 比特流數(shù)據(jù)進行曼切斯特Manchester解碼、串/并轉換，產生四比特并行數(shù)據(jù)流和監(jiān)聽 到載波、接收數(shù)據(jù)有效及接收錯誤偵測等狀態(tài)信號，傳遞給以太網(wǎng)媒介訪問控制單元7; 以太網(wǎng)媒介訪問控制單元7將接收的數(shù)據(jù)轉化以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)，去除以太網(wǎng)MAC 幀頭后，如果接收幀的目的地址字節(jié)段與本站地址相匹配，就將接收幀的載荷字節(jié)存放 在接收緩沖區(qū)中，祠時對接收到的字節(jié)進行計數(shù)，并進行CRC校驗，若接收到的數(shù)據(jù) 無錯，就對中央處理單元6發(fā)出接收中斷；中央處理單元6通過以太網(wǎng)設備驅動程序(對 以太網(wǎng)媒介訪問控制單元7進行硬件接口的驅動程序，常把它和以太網(wǎng)媒介訪問控制單 元7看成一體)，將以太網(wǎng)媒介訪問控制單元7接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)幀讀出，得到上行 IP報文，并遞交給它的EPA通信調度管理功能塊。無線現(xiàn)場控制器C通過無線個域網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)的實例中央處理單元6的無線個域網(wǎng) 數(shù)據(jù)功能塊，通過雙信道無線個域網(wǎng)驅動程序(對邏輯控制單元5進行硬件接口的驅動 程序，常把它和邏輯控制單元5看成一體)，把節(jié)點網(wǎng)絡維護幀寫入邏輯控制單元5的 某一信道的發(fā)送緩沖區(qū)中(即MAC-CtrlA的發(fā)送緩沖區(qū)或MAC-CtriB的發(fā)送緩沖區(qū))； 之后邏輯控制單元5將接收到的數(shù)據(jù)封裝成IEEE802.15.4MAC命令幀，在該命令幀的 發(fā)送時隙子段，如果監(jiān)聽到用于發(fā)送當前幀的信道狀態(tài)為空閑，就將當前幀傳遞給無線 收發(fā)單元3或無線收發(fā)單元4;無線收發(fā)單元3或無線收發(fā)單元4將接收的幀加上IEEE802.15.4物理層包頭(由前導碼域、幀定界域和幀長度域組成)，然后對待發(fā)送數(shù) 據(jù)進行調制、擴頻、功率放大，變換成髙頻模擬信號，經天線1或天線2發(fā)送到空中去。無線現(xiàn)場控制器C的中央處理單元6的軟件模塊堆棧的結構，如圖4所示。 無線個域網(wǎng)數(shù)據(jù)功能塊13用于接收來自所述邏輯控制單元5的節(jié)點測控狀態(tài)幀和 節(jié)點網(wǎng)絡狀態(tài)幀，對節(jié)點測控狀態(tài)幀進行匯聚得到個域網(wǎng)測控狀態(tài)報文并傳送給無線 EPA功能塊17，將節(jié)點網(wǎng)絡狀態(tài)幀傳送給無線個域網(wǎng)管理功能塊14;接收來自無線EPA 功能塊17的個域網(wǎng)執(zhí)行指令報文，對個域網(wǎng)執(zhí)行指令報文分解得到節(jié)點執(zhí)行指令幀并 傳送給邏輯控制單元5;接收來自無線個域網(wǎng)管理功能塊14的節(jié)點網(wǎng)絡維護幀并傳送給 所述邏輯控制單元5。無線個域網(wǎng)管理功能塊14用于接收來自無線個域網(wǎng)數(shù)據(jù)功能塊13的節(jié)點網(wǎng)絡狀態(tài) 幀，對該幀進行匯聚得到個域網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài)報文并傳送給EPA管理代理功能塊15;接收來 自EPA管理代理功能塊15的個域網(wǎng)網(wǎng)絡配置報文，根據(jù)節(jié)點網(wǎng)絡狀態(tài)幀和個域網(wǎng)網(wǎng)絡 配置報文產生節(jié)點網(wǎng)絡維護幀，并傳送給無線個域網(wǎng)數(shù)據(jù)功能塊13。在無線個域網(wǎng)管理 功能塊14中有四個組件，即設備管理組件、接入管理組件、功率控制組件和實時調度 組件用來生成節(jié)點網(wǎng)絡維護幀。其中設備管理組件的功能是設置本地無線個域網(wǎng)的工作 信道和本地無線個域網(wǎng)的網(wǎng)絡協(xié)調器地址，啟動/終止無線現(xiàn)場控制器C的無線個域網(wǎng) 協(xié)調器功能等。其中接入管理組件的功能是根據(jù)本地無線個域網(wǎng)預分配無線傳感器S和 無線執(zhí)行器A的MAC地址集接納/拒絕本地微小區(qū)內無線傳感器S和無線執(zhí)行器A的接 入，給允許接入的無線傳感器S和無線執(zhí)行器A分配網(wǎng)絡地址，強制本地無線個域網(wǎng)內 已接入的無線傳感器S和無線執(zhí)行器A離開網(wǎng)絡，接受本地無線個域網(wǎng)內已接入的無線 傳感器S和無線執(zhí)行器A主動離開網(wǎng)絡，沒收剛離開的無線傳感器S和無線執(zhí)行器A的 網(wǎng)絡地址，負責本地無線個域網(wǎng)內無線傳感器S和無線執(zhí)行器A在兩個無線信道上的均 衡分布，受理本地無線個域網(wǎng)內無線傳感器S和無線執(zhí)行器A的信道切換要求等。其中 功率控制組件的功能是控制無線現(xiàn)場控制器C自身的發(fā)射功率，根據(jù)對本地無線個域網(wǎng) 內每個無線傳感器S和無線執(zhí)行器A的接收信噪比范圍要求，給它們加載相應的自適應 功率門限，對本地無線個域網(wǎng)內實際接受信噪比太大或太小的無線傳感器S和無線執(zhí)行 器A，發(fā)出相應的功率調整命令等。其中實時調度組件的功能是給本地無線個域網(wǎng)內每個無線傳感器S和無線執(zhí)行器A的每條發(fā)送消息配置消息傳輸?shù)燃?，按照本發(fā)明的基于 消息優(yōu)先級的預測調度協(xié)議，在每個超幀中控制無線傳感器S和無線執(zhí)行器A的消息的 收發(fā)等。EPA管理代理功能塊15用于接收來自無線個域網(wǎng)管理功能塊14的個域網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài) 報文，對個域網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài)報文進行轉換得到個域網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài)分組，并傳送給EPA應用訪 問功能塊16;接收來自EPA應用訪問功能塊16的個域網(wǎng)網(wǎng)絡管理分組和遠程托管請求 分組，分別對個域網(wǎng)網(wǎng)絡管理分組和遠程托管請求分組進行解包和轉換得到個域網(wǎng)網(wǎng)絡 配置報文和遠程托管請求報文，將個域網(wǎng)網(wǎng)絡配置報文傳送給無線個域網(wǎng)管理功能塊 14，將遠程托管請求報文傳送給EPA數(shù)據(jù)代理功能塊16。 EPA管理代理功能塊15是本 地無線個域網(wǎng)管理信息庫的維護者，當本地無線個域網(wǎng)管理信息庫中保存的某些個域網(wǎng) 設備的網(wǎng)絡狀態(tài)發(fā)生改變時，它會主動構造個域網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài)分組，并傳送給EPA應用訪 問功能塊；它接收到個域網(wǎng)網(wǎng)絡管理分組后，發(fā)現(xiàn)本地無線個域網(wǎng)管理信息庫中保存的 某個設備的網(wǎng)絡配置參數(shù)與當前的要求不符合，它會主動構造相應的網(wǎng)絡配置報文傳送 給無線個域網(wǎng)管理功能塊14;當它接收到遠程托管請求分組請求后，如果被托管的一個 或多個無線傳感器S和無線執(zhí)行器A已存在或剛進入本地無線個域網(wǎng)，它會主動給EPA 數(shù)據(jù)代理功能塊16發(fā)送相應的遠程托管請求報文。EPA數(shù)據(jù)代理功能塊16用于截取來自無線個域網(wǎng)數(shù)據(jù)功能塊13的個域網(wǎng)測控狀態(tài) 報文和無線EPA功能塊17的個域網(wǎng)執(zhí)行指令報文，接收來自EPA管理代理功能塊15 的遠程托管請求報文，對個域網(wǎng)測控狀態(tài)報文和個域網(wǎng)執(zhí)行指令報文進行轉換和打包得 到子系統(tǒng)測控狀態(tài)分組和子系統(tǒng)執(zhí)行指令分組，從子系統(tǒng)測控狀態(tài)分組和子系統(tǒng)執(zhí)行指 令分組中提取與遠程托管請求報文相對應的數(shù)據(jù)并生成遠程托管狀態(tài)分組，將子系統(tǒng)測 控狀態(tài)分組、子系統(tǒng)執(zhí)行指令分組和遠程托管狀態(tài)分組傳送給EPA應用訪問功能塊18。 EPA數(shù)據(jù)代理功能塊16是本地無線個域網(wǎng)變量數(shù)據(jù)庫的維護者，它從截取的個域網(wǎng)測控 狀態(tài)報文和個域網(wǎng)執(zhí)行指令報文中提取本地無線無線個域網(wǎng)設備的現(xiàn)場過程狀態(tài)，當一 些現(xiàn)場過程狀態(tài)與本地無線個域網(wǎng)變量數(shù)據(jù)庫中的對應狀態(tài)不符時，它會實時更新本地 無線個域網(wǎng)變量數(shù)據(jù)庫，并主動構造相應的子系統(tǒng)測控狀態(tài)分組和子系統(tǒng)執(zhí)行指令分組 發(fā)送給EPA應用訪問功能塊18;當接收到遠程托管請求報文后，它會定期地從本地無線 個域網(wǎng)變量數(shù)據(jù)庫中，提取相應無線傳感器S和無線執(zhí)行器A的現(xiàn)場過程狀態(tài)，并構造22出對應的遠程托管狀態(tài)分組傳送給EPA應用訪問功能塊18。無線EPA功能塊17用于接收來自EPA應用訪問功能塊18的過程任務請求分組和來 自無線個域網(wǎng)數(shù)據(jù)功能塊13的個域網(wǎng)測控狀態(tài)報文，生成個域網(wǎng)執(zhí)行指令報文，將個 域網(wǎng)執(zhí)行指令報文傳送給無線個域網(wǎng)數(shù)據(jù)功能塊13，根據(jù)個域網(wǎng)測控狀態(tài)報文構造表征 以前的執(zhí)行指令報文指定操作執(zhí)行情況的過程任務應答分組，將其傳送給EPA應用訪問 功能塊18。無線EPA功能塊17可以從過程任務請求分組中，提取出來自中心監(jiān)控計算 機的過程任務調用指令和來自其它局部過程控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)協(xié)作指令，以一定先后順 序啟動/終止面向具體測控應用的控制子功能。EPA應用訪問功能塊18用于接收來自無線EPA功能塊17的過程任務應答分組，將 其傳送給EPA系統(tǒng)管理功能塊19;接收來自EPA數(shù)據(jù)代理功能塊16的子系統(tǒng)測控狀態(tài) 分組、子系統(tǒng)執(zhí)行指令分組和遠程托管狀態(tài)分組，以及來自EPA管理代理功能塊15的 個域網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài)分組，將這五種分組傳送給EPA套接字映射功能塊20;接收來自EPA 套接字映射功能塊20的個域網(wǎng)網(wǎng)絡管理分組和遠程托管請求分組,將個域網(wǎng)網(wǎng)絡管理分 組傳送給EPA管理代理功能塊15，將遠程托管請求分組傳送給無線EPA功能塊17;接 收來自EPA系統(tǒng)管理功能塊19的過程任務請求分組，將其傳送給無線EPA功能塊17。EPA 應用訪問功能塊18遵循EPA標準，給EPA數(shù)據(jù)代理功能塊16和EPA管理代理功能塊 15提供變量訪問服務，給無線EPA功能塊17提供事件管理服務。EPA系統(tǒng)管理功能塊19用于將來自EPA套接字映射功能塊20的過程任務請求分組 傳送給EPA應用訪問功能塊18，將來自EPA應用訪問功能塊18的過程任務應答分組傳 送給EPA套接字映射功能塊20;接收來自EPA套接字映射功能塊20的EPA設備管理分 組，從中提取出用于設置本無線現(xiàn)場控制器的IP地址的請求分組、用于讀取本無線現(xiàn) 控制器的EPA電子設備描述符的請求分組、用于與其它局部過程控制子系統(tǒng)的無線現(xiàn)場 控制器建立EPA鏈路連接的請求分組，構造表征IP地址設置結果、EPA電子設備描述符 讀取結果、EPA鏈路連接結果的EPA設備應答分組并傳送給EPA套接字映射功能塊20。 EPA系統(tǒng)管理功能塊19遵循EPA標準，負責管理無線EPA功能塊17的調用管理，并實 時維護本地的EPA管理信息庫。EPA套接字映射功能塊20用于接收來自EPA系統(tǒng)管理功能塊19的過程任務應答分 組和EPA設備應答分組，來自EPA應用訪問功能塊18的子系統(tǒng)測控狀態(tài)分組、子系統(tǒng)執(zhí)行指令分組、個域網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài)分組和遠程托管狀態(tài)分組，將這六種分組傳送給UDP/TCP 功能塊21;接收來自UDP/TCP功能塊21的過程任務請求分組、EPA設備管理分組、個 域網(wǎng)網(wǎng)絡管理分組和遠程托管請求分組，將過程任務請求分組和EPA設備管理分組傳送 給EPA系統(tǒng)管理功能塊19,個域網(wǎng)網(wǎng)絡管理分組和遠程托管請求分組傳送給EPA應用訪 問功能塊18。 EPA套接字映射功能塊20遵循EPA標準，實現(xiàn)EPA實時通信服務(包括 變量訪問服務)、EPA管理服務(包括事件管理服務)與UDP/TCP功能塊21之間的接口。UDP/TCP功能塊21用于接收來自EPA套接字映射功能塊20的過程任務應答分組、 EPA設備應答分組、子系統(tǒng)測控狀態(tài)分組、子系統(tǒng)執(zhí)行指令分組、個域網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài)分組 和遠程托管狀態(tài)分組，將這六種分組進行打包得到下行UDP/TCP報文，并傳送給IP功 能塊22;接收來自IP功能塊22的上行UDP/TCP報文，從上行UDP/TCP報文中解包得到 過程任務請求分組、EPA設備管理分組、個域網(wǎng)網(wǎng)絡管理分組和遠程托管請求分組，并 傳送給EPA套接字映射功能塊20。 UDP/TCP功能塊21用于實現(xiàn)UDP和TCP兩種傳輸協(xié) 議。IP功能塊22用于接收來自UDP/TCP功能塊21的下行UDP/TCP報文，對下行UDP/TCP 報文進行打包得到下行IP報文，將其傳送給EPA通信調度管理功能塊23;接收來自EPA 通信調度管理功能塊23的上行IP報文，對上行IP報文進行解包得到上行UDP/TCP報 文，將其傳送給UDP/TCP功能塊21。 IP功能塊22用于實現(xiàn)IP通信協(xié)議。EPA通信調度管理功能塊23用于將來自IP功能塊22的下行IP報文傳送給所述以 太網(wǎng)媒介訪問控制單元7;將來自以太網(wǎng)媒介訪問控制單元7的上行IP報文傳送給IP 功能塊22。 EPA通信調度管理功能塊23遵循EPA標準，用于調度和管理工業(yè)以太網(wǎng)中 實時通信IP報文和非實時通信IP報文的傳輸。圖5是局部過程控制子系統(tǒng)LPCS無線現(xiàn)場控制器C的雙無線信道超幀時隙使用圖。 對局部過程控制子系統(tǒng)LPCS，其無線現(xiàn)場控制器C和無線傳感器S及無線執(zhí)行器A在 進行無線數(shù)據(jù)收發(fā)時，除了要按信標幀進行同步外，還需要合理地使用無線信道G(p-s) 和G(p-a)上超幀的各個時隙。在本發(fā)明中，將整個超幀全部規(guī)劃為活動部分，并且活動 部分的時隙中除信標幀占用的時隙外，全部劃歸競爭接入時段CAP。在本發(fā)明中，將無線現(xiàn)場控制器C和無線傳感器S及無線執(zhí)行器A之間的發(fā)送消息，按傳輸實時性要求高低分為四個等級，即1、 2、 3、 4，其中等級1對應的實時性要求最 高，等級2、 3、 4對應的實時性要求依次降低。(在這里，消息傳輸?shù)燃壟c消息傳輸優(yōu) 先級一一對應，傳輸?shù)燃墳?的消息傳輸優(yōu)先級最高，傳輸?shù)燃墳?的消息傳輸優(yōu)先級 最低)。對于一個無線傳感器S或無線執(zhí)行器A而言，可能會有多條傳輸?shù)燃壊煌臏y 控消息(與無線測控應用相關但與無線個域網(wǎng)自身無關的消息，在無線個域網(wǎng)中與之相 對的消息是網(wǎng)絡消息)，本發(fā)明約定只要無線傳感器S或無線執(zhí)行器A能在傳輸高等級 測控消息的時隙內可以搭載傳輸較低等級的測控消息，本發(fā)明認為最初具有較低傳輸?shù)?級的測控消息實際上具有較高的傳輸?shù)燃?，因而在劃分測控消息等級時，應以數(shù)據(jù)包為 單位，盡量將小數(shù)據(jù)量測控消息合并到等級適當?shù)臄?shù)據(jù)包中去，以充分利用無線傳感器 S或無線執(zhí)行器A在一個時隙內的傳輸能力。本發(fā)明的無線傳感器S或無線執(zhí)行器A 的測控消息等級是基于數(shù)據(jù)包的。在無線現(xiàn)場控制器C和無線傳感器S及無線執(zhí)行器A 之間的測控消息可分為四類無線傳感器S發(fā)往無線現(xiàn)場控制器C的測控消息、無線現(xiàn) 場控制器C發(fā)往無線執(zhí)行器A的測控消息、無線現(xiàn)場控制器C發(fā)往無線傳感器S測控 消息(一般用作工作參數(shù)設置)以及無線執(zhí)行器A發(fā)往無線現(xiàn)場控制器C的測控消息 (一般用來返回執(zhí)行結果)。由于無線現(xiàn)場控制器C發(fā)往無線傳感器S的測控消息和無 線執(zhí)行器A發(fā)往無線現(xiàn)場控制器C的測控消息一般最不常用，相對于系統(tǒng)性能的快速 穩(wěn)定控制而言不太重要，將這兩種測控消息也歸為等級4。在無線傳感器S發(fā)往無線現(xiàn) 場控制器C的測控消息和無線現(xiàn)場控制器C發(fā)往無線執(zhí)行器A的測控消息中，有周期 性測控消息和非周期性測控消息，本發(fā)明認為周期性測控消息的優(yōu)先級比非周期性測控 消息的優(yōu)先級高，周期性測控消息的傳輸?shù)燃壥褂玫燃?、 2、 3，而非周期性測控消息 的傳輸?shù)燃壥褂玫燃?。只要無線現(xiàn)場控制器C和無線傳感器S及無線執(zhí)行器A之間的 網(wǎng)絡連接已經建立，并且重要鏈路基本上不中斷，本發(fā)明認為無線個域網(wǎng)上傳輸?shù)年P于 一般網(wǎng)絡消息，是傳輸級別很低的消息，其等級相當于等級4;而與功率調整命令相對 應的網(wǎng)絡消息，傳輸級別應較高，但這種消息傳輸?shù)膸茁室话爿^低，暫把這種消息的等 級當作等級4看待。本發(fā)明約定，在無線現(xiàn)場控制器C和無線傳感器S及無線執(zhí)行器A之間的本地無線 個域網(wǎng)構建后，將無線現(xiàn)場控制器C的信道G(p-s)上的每個超幀中除去信標幀之外的部 分以時隙為單位分為5子段M0、 Ml、 M2、 M3、 M4;同樣，也將信道G(p-a)上的每 個超幀中除去信標幀之外的部分以時隙為單位分為5子段N0、 Nl、 N2、 N3、 N4;其25中M0子段和NO子段專用于傳輸無線現(xiàn)場控制器C發(fā)送給無線執(zhí)行器A和無線傳感器 S的測控消息，Ml子段和Nl子段專用于傳輸無線傳感器S發(fā)送給無線現(xiàn)場控制器C 的等級為1的測控消息，M2子段和N2子段用于傳輸無線傳感器S發(fā)送給無線現(xiàn)場控 制器C的等級在2以上的測控消息，M3子段和N3子段用于傳輸無線傳感器S發(fā)送給 無線現(xiàn)場控制器C的等級在3以上的測控消息，M4子段和N4子段用于傳輸無線傳感 器S發(fā)送給無線現(xiàn)場控制器C的等級在4以上的測控消息、無線執(zhí)行器A發(fā)送給無線 現(xiàn)場控制器C的測控消息以及用于維護本地無線個域網(wǎng)的網(wǎng)絡消息；其中M2和N2又 常稱為等級2消息的允許發(fā)送子段，M3和N3又常稱為等級3消息的允許發(fā)送子段， M4和N4又常稱為等級4消息的允許發(fā)送子段。圖7給出了信道G(p-s)和G(p-a)上連 續(xù)兩個超幀內時隙的子段規(guī)劃情況?；谏鲜鱿?yōu)先級的預測調度協(xié)議協(xié)議是一個交互式協(xié)議，同時涉及到無線現(xiàn)場 控制器C和無線傳感器S及無線執(zhí)行器A，其中無線現(xiàn)場控制器C是消息調度的主導 者，無線傳感器S及無線執(zhí)行器A消息調度的從屬者。下面以信道G(p-s)具體說明1) .無線現(xiàn)場控制器C在信道G(p-s)的每個超幀的信標幀中發(fā)布該信道上無線傳感器 S和無線執(zhí)行器A的消息對該超幀中各個非信標幀時隙的使用情況。在信標幀的待發(fā)送 地址子域中給出無線現(xiàn)場控制器C將發(fā)送測控消息的目標無線執(zhí)行器A和目標無線傳 感器S的地址數(shù)目和具體地址，地址數(shù)目對應于MO子段的時隙數(shù)。在信標幀的凈載荷 子域用4個4比特單元分別表示無線傳感器S發(fā)送給無線現(xiàn)場控制器C的等級1測控消 息專用的時隙數(shù)，無線傳感器S發(fā)送給無線現(xiàn)場控制器C的等級2以上測控消息共同使 用的時隙數(shù)，無線傳感器S發(fā)送給無線現(xiàn)場控制器C的等級3以上測控消息共同使用的 時隙數(shù)，無線傳感器S發(fā)送給無線現(xiàn)場控制器C的等級4以上測控消息、無線執(zhí)行器A 發(fā)送給無線現(xiàn)場控制器C的測控消息以及用于維護本地無線個域網(wǎng)的網(wǎng)絡消息等共同 使用的時隙數(shù)，它們的取值分別對應Ml、 M2、 M3、 M4子段的時隙數(shù)。根據(jù)Ml、 M2、 M3、 M4子段的時隙數(shù)，也就知道了它們的起始時隙位置信息。2) .通過信道G(p-s)接入本地無線個域網(wǎng)的無線執(zhí)行器A，在捕獲信標幀并與信標幀 同步后，從當前超幀的信標幀中獲取M0子段和M4子段的時隙位置信息。如果在當前 超幀的信標幀的待發(fā)送地址子域中有該無線執(zhí)行器A的地址，則在信道G(p-s)的當前超 幀的MO子段，向無線現(xiàn)場控制器C發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令幀，在無線現(xiàn)場控制器C應答后， 等待接收無線現(xiàn)場控制器C給它發(fā)送的測控消息；如果該無線執(zhí)行器A有測控消息或網(wǎng)絡消息發(fā)給無線現(xiàn)場控制器C，則在信道G(p-S)的當前超幀的M4子段向無線現(xiàn)場控 制器C發(fā)送相應消息；如果無線現(xiàn)場控制器C有網(wǎng)絡信息發(fā)給該無線執(zhí)行器A，則在 信道G(p-s)的當前超幀的M4子段直接向該無線執(zhí)行器A發(fā)送相應消息。3) .通過信道G(p-s)接入本地無線個域網(wǎng)的無線傳感器S，在捕獲信標幀并與信標幀同 步后，從當前超幀的信標幀中獲取MO、 Ml、 M2、 M3及M4子段的時隙位置信息。如 果在當前超幀的信標幀的待發(fā)送地址子域中有該無線傳感器S的地址，則在信道G(p-s) 的當前超幀的MO子段，向無線現(xiàn)場控制器C發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令幀，在無線現(xiàn)場控制器 C應答后，等待接收無線現(xiàn)場控制器C給它發(fā)送的測控消息；如果該無線傳感器S有等 級1的測控消息發(fā)給無線現(xiàn)場控制器C，則它在信道G(p-s)的當前超幀的Ml子段向無 線現(xiàn)場控制器C發(fā)送相應消息；如果該無線傳感器S有等級2的測控消息發(fā)給無線現(xiàn)場 控制器C，則它在信道G(p-s)的當前超幀的M2子段向無線現(xiàn)場控制器C發(fā)送相應消息； 如果該無線傳感器S有等級3的測控消息發(fā)給無線現(xiàn)場控制器C，則它在信道G(p-s)的 當前超幀的M3子段向無線現(xiàn)場控制器C發(fā)送相應消息；如果該無線傳感器S有等級4 的測控消息或網(wǎng)絡信息發(fā)給無線現(xiàn)場控制器C，則它在信道G(p-s)的當前超幀的M4子 段向無線現(xiàn)場控制器C發(fā)送相應消息；如果該無線傳感器S的高等級測控消息在信道 G(p-s)的當前超幀發(fā)給無線現(xiàn)場控制器C時，出現(xiàn)發(fā)送失敗，它可以在信道G(p-s)的當 前超幀中的低等級消息允許發(fā)送子段繼續(xù)向無線現(xiàn)場控制器C發(fā)送該高等級測控消息； 如果該無線傳感器S有網(wǎng)絡信息發(fā)給無線現(xiàn)場控制器C，則在信道G(p-s)的當前超幀的 M4子段直接向無線現(xiàn)場控制器C發(fā)送相應消息；如果無線現(xiàn)場控制器C有網(wǎng)絡信息發(fā) 給該無線傳感器S，則在信道G(p-s)的當前超幀的M4子段直接向該無線傳感器S發(fā)送 相應消息。4) .無線現(xiàn)場控制器C根據(jù)信道G(p-s)上無線傳感器S和無線執(zhí)行器A的各等級周期 性測控消息在信道G(p-s)超幀中的理論出現(xiàn)次數(shù)，和一段觀測時間內這些消息實際出現(xiàn) 的次數(shù)，動態(tài)調整信道MO、 Ml、 M2、 M3、 M4子段在G(p-s)隨后超幀中的時隙數(shù)。圖6是局部過程控制子系統(tǒng)LPCS無線傳感器S/執(zhí)行器A的發(fā)射功率控制流程圖。 在局部過程控制子系統(tǒng)LPCS內，無線傳感器S/執(zhí)行器A發(fā)送的IEEE802.15.4MAC幀 有數(shù)據(jù)幀、命令幀及應答幀三種，其中應答幀簡短而重要(這是因為以同樣發(fā)射功率 發(fā)送數(shù)據(jù)幀、命令幀及應答幀，應答幀消耗的能量少，而應答幀一但丟失，勢必引起數(shù)據(jù)幀/命令幀的重發(fā)，造成更大的能量消耗)。在本發(fā)明的改進的信道反轉功控法中，假 定無線現(xiàn)場控制器C發(fā)射的IEEE802.15.4MAC幀功率足夠強，總可以使本地微小區(qū)中 的無線傳感器S/執(zhí)行器A接收到，同時假定無線傳感器S/執(zhí)行器A對應答幀總以最大 發(fā)射功率發(fā)送，只對數(shù)據(jù)幀/命令幀的發(fā)射功率進行控制。無線傳感器S/執(zhí)行器A在一 個超幀周期的數(shù)據(jù)幀/命令幀的發(fā)射功率控制流程如圖所示。具體步驟如下步驟Tl:設定數(shù)據(jù)幀/命令幀發(fā)送成功次數(shù)Cr為0，數(shù)據(jù)幀/命令幀發(fā)送失敗次數(shù) Cw為O，功率連續(xù)調整標志Fa為0，功率異動因子5=0.5;步驟T2:捕獲無線現(xiàn)場控制器發(fā)送的信標幀，檢測該信標幀的有效信號功率Pr， 提取無線現(xiàn)場控制器的發(fā)射功率Pm;步驟T3:計算發(fā)射功率Pt-Pm+Pd+S(Pu-Pd)-Pr， Pu和Pd分別為自適應門限功 率上下限Pu和Pd， S是功率異動因子；步驟T4:如果在當前超幀內有數(shù)據(jù)幀或命令幀發(fā)送，進入步驟T5，否則進入步驟T20;步驟T5:將發(fā)射功率Pt轉變?yōu)闃朔Q發(fā)射功率，并以該標稱功率向無線現(xiàn)場控制器 發(fā)送數(shù)據(jù)幀或命令幀；步驟T6:若收到來自無線現(xiàn)場控制器的應答幀，進入步驟T7，否則進 入步驟T17;步驟T7:若收到無線現(xiàn)場控制器的功率調整命令，進入步驟T8，否則進入步驟T11;步驟T8:若功率調整命令為減小功率，進入步驟T9，功率調整命令為增大功率，進入步驟T10;步驟T9:置功率連續(xù)調整標志Fa-l，功率異動因子S降低一級，進入步驟T15; 步驟T10:置功率連續(xù)調整標志Fa-l，功率異動因子S提高一級，進入步驟T15; 步驟Tlh讀取功率連續(xù)調整標志Fa，判斷Fa是否為O,若否轉步驟T16; 步驟T12:數(shù)據(jù)幀/命令幀發(fā)送成功次數(shù)C產Cr+l;步驟T13:若數(shù)據(jù)幀/命令幀發(fā)送成功次數(shù)CFl0，進入步驟T14，否則轉入步驟T4;步驟T14:功率異動因子S降低一級；步驟T15:更新發(fā)射功率Pt-Pm+Pd+S(Pu-Pd)-Pr，轉入步驟T4;步驟T16:置功率連續(xù)調整標志Fa=0，數(shù)據(jù)幀/命令幀發(fā)送成功次數(shù)Cr=0，轉入步28驟T4;
步驟T17:數(shù)據(jù)幀/命令幀發(fā)送失敗次數(shù)Cw^Cw+l;
步驟T18:若數(shù)據(jù)幀/命令幀發(fā)送失敗次數(shù)Cw=2，進入步驟T19，否則若轉入步驟
T5;
步驟T19:數(shù)據(jù)幀/命令幀發(fā)送成功次數(shù)Cr=0，功率異動因子S提高一級，更新發(fā) 射功率pt = Pm +Pd+ 5( Pu-Pd) — Pr，轉入步驟T5 ;
步驟T20:終結當前超幀內命令幀或數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。
實際的分布式過程控制系統(tǒng)，在物理空間具體部署眾多傳感器和執(zhí)行器時，往往會 出現(xiàn)一些大的空白區(qū)域，此時應以輪空模式的小區(qū)塊進行信道集分配復用時，具體步驟
如下
步驟S7-1:將整個待監(jiān)控區(qū)域劃分為若干個正方形微小區(qū)塊，再將每一個微小區(qū)塊
按照3*3方式劃分為9個微小區(qū)。對于每個微小區(qū)塊，有9個微小區(qū)，但只有8個信道 集可供分配，因而必然有一個微小區(qū)分配不到信道集，輪空于一個標準小區(qū)簇，成為一 個空微小區(qū)。在各微小區(qū)塊中，假定正中間微小區(qū)為空微小區(qū)，對其它微小區(qū)總體上自
上而下每排從左至右依次預分配信道集G(l)、 G(2).....G(8)。
步驟S7-2:若微小區(qū)被某局部過程控制子系統(tǒng)所覆蓋，保留其預分配的信道集，否 則收回；若空微小區(qū)被某局部過程控制子系統(tǒng)所覆蓋，將任意一個收回的信道集分配給 空微小區(qū)；
設正方形微小區(qū)的邊長為A，每個微小區(qū)內無線現(xiàn)場控制器的信號覆蓋半徑R的取 值范圍常為0.5A5RS0.707A。按步驟S7-l和步驟S7-2進行信道集分配復用，雖然可 以使得相鄰兩小區(qū)塊中大多數(shù)的同信道小區(qū)的復用距離為3A，甚至更大，但也可能使 一些同信道小區(qū)的復用距離較小，為2.828A或2.236A，甚至為2A。
步驟S7-3:從全局出發(fā)，根據(jù)分布式過程控制系統(tǒng)的無線蜂窩系統(tǒng)的具體部署，采 取適當?shù)拇胧?，對任意相鄰兩小區(qū)塊中同信道小區(qū)的復用距離(兩個正方形微小區(qū)中心 之間的距離)進行優(yōu)化，使其總體上最大。這些措施有相鄰微小區(qū)信道集互換、重試 其它回收的信道集等。
各微小區(qū)的信道分配完成后，由中心監(jiān)控計算機通過工業(yè)以太網(wǎng)下發(fā)給無線現(xiàn)場控 制器C，并由無線個域網(wǎng)通信調度管理實體的信道參數(shù)設置功能將其設置為工作信道。圖7給出了包含81個微小區(qū)的空間區(qū)域中信道集的具體分配復用情況，該空間區(qū) 域由9個3*3微小區(qū)組成，每個3*3微小區(qū)用加黑的邊界分開，總計有l(wèi)l個空微小區(qū)， 其中正常微小區(qū)的中間標出了對應的局部過程控制子系統(tǒng)LPCS (圖中的LPCS(1) LPCS(70))和所使用的信道集G(p)，空微小區(qū)的區(qū)域填充了斜線。如果按照步驟S7-l 和步驟S7-2， LPCS(1)分配的信道集原來為G(l)， LPCS(4)分配的信道集原來為G(2)， LPCS(4)原來與LPCS(23)為同信道小區(qū)，復用距離為2A，但采取步驟S7-3中的相鄰微 小區(qū)信道集互換措施后，即將LPCS(1)和LPCS(4)的信道集互換，如圖中所示，當前 LPCS(4)和LPCS(26)為同信道小區(qū)，復用距離為3A。如果按照步驟S7-l和步驟S7-2, LPCS(20)分配的信道集原來為G(3)， LPCS(20)原來與LPCS(33)及LPCS(41)為同信道 小區(qū)，復用距離分別為2.828A和2.236A，但采取步驟S7-3中的重試其它回收的信道集， 即LPCS(20)使用信道集G(7)，如圖中所示，當前LPCS(20)與其它同信道小區(qū)的復用距 離都大于3A。一些分布式過程控制系統(tǒng)，在物理空間具體部署眾多傳感器和執(zhí)行器時，不允許留出一些大的空白分布區(qū)域。在將整個分布式過程控制系統(tǒng)劃分為多個局部過程控制子系統(tǒng)，采用正方形微小區(qū)部署包含無線現(xiàn)場控制器、無線傳感器及無線執(zhí)行器的無線蜂窩系統(tǒng)時，要做到全空間覆蓋，此時應以采用交疊模式的小區(qū)塊進行無線信道集的空間復 用，具體步驟如下步驟S8-1:將待監(jiān)控區(qū)域劃分為若干個正方形微小區(qū)塊，再將各將微小區(qū)塊按2*2 方式分為4個正方形子塊，自上往下從左向右依次為子塊X卜X2、 X3和X4，最后將各 子塊按2*2方式劃分為4個微小區(qū)；步驟S8-2:在子塊X,中，自上而下從左向右對4個微小區(qū)依次分配信道集G(1)、 G(2)、 G(3)和G(4);在小區(qū)塊X3中，自上而下從左至右對4個微小區(qū)依次分配信道集 G(5)、 G(6)、 G(7)、 G(8);子塊X4的信道集分配與子塊X！相同，子塊X2的信道集分配與子塊X3相同。圖8給出了包含64個微小區(qū)的空間區(qū)域中信道集的具體分配復用情況，該空間區(qū) 域由4個4*4微小區(qū)組成，每個4*4微小區(qū)用加黑的邊界分開)，其中每個微小區(qū)的中 間標出了對應的局部過程控制子系統(tǒng)(圖8中的LPCS(1) (64)))和所使用的信道集 G(p)。設正方形微小區(qū)的邊長為A，每個微小區(qū)內無線現(xiàn)場控制器的信號覆蓋半徑R的取 值范圍常為0.5A5RS0.707A。對于小區(qū)塊內的同信道小區(qū)或小區(qū)塊之間的同信道小區(qū)， 復用距離為2.828A，甚至更大。
權利要求
1. 一種基于無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式過程控制系統(tǒng)，包括多個局部過程控制子系統(tǒng)、交換機和中心監(jiān)控計算機，各局部過程控制子系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)連接交換機，交換機通過工業(yè)以太網(wǎng)連接中心監(jiān)控計算機，其特征在于，所述局部過程控制子系統(tǒng)包括一個無線現(xiàn)場控制器、多個無線傳感器和多個無線執(zhí)行器，無線傳感器和無線執(zhí)行器位于以無線現(xiàn)場控制器為中心的正方形區(qū)域內，無線現(xiàn)場控制器一端通過工業(yè)以太網(wǎng)連接交換機，另外一端通過包含兩個信道的無線個域網(wǎng)連接無線傳感器和無線執(zhí)行器。
2、 根據(jù)權利要求1所述的基于無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式過程控制系統(tǒng)， 其特征在于，所述工業(yè)以太網(wǎng)符合用于工廠自動化的以太網(wǎng)標準即EPA標準，所述無 線個域網(wǎng)符合無線個域網(wǎng)IEEE802.15.4標準。
3、 根據(jù)權利要求2所述的基于無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式過程控制系統(tǒng)， 其特征在于，所述無線個域網(wǎng)的兩個無線信道均周期性產生信標幀，且兩信道的信標幀 首次出現(xiàn)時刻相差8個時隙。
4、 根據(jù)權利要求1或2所述的基于無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式過程控制系 統(tǒng)，其特征在于，所述無線現(xiàn)場控制器與所述無線執(zhí)行器或無線傳感器采用如下信道時 隙分配方式進行消息傳輸.-無線現(xiàn)場控制器將所有可能來自無線傳感器或無線執(zhí)行器的消息按照重要性劃分 為四個等級，并把該消息等級配置給每個無線傳感器和無線執(zhí)行器，無線現(xiàn)場控制器將 超幀中非信標幀時段劃分為五個時隙段，各時隙段傳送指定方向和指定等級的消息，各 時隙段的位置信息由超幀中的信標幀給出；無線現(xiàn)場控制器、無線傳感器或無線執(zhí)行器根據(jù)自身待發(fā)送消息的等級和方向選擇 相應的時隙段進行消息發(fā)送；無線現(xiàn)場控制器根據(jù)各無線傳感器和無線執(zhí)行器的周期性等級消息在超幀中的理論出現(xiàn)次數(shù)和一段觀測時間內這些消息實際出現(xiàn)次數(shù)，動態(tài)調整超幀中各時隙段包含的 時隙數(shù)。
5、根據(jù)權利要求1或2所述的基于無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式過程控制系 統(tǒng)，其特征在于，所述無線傳感器/無線執(zhí)行器按照以下方法確定發(fā)射功率步驟Th設定數(shù)據(jù)幀/命令幀發(fā)送成功次數(shù)Cr為0，數(shù)據(jù)幀/命令幀發(fā)送失敗次數(shù) Cw為0，功率連續(xù)調整標志Fa為0;步驟T2:捕獲無線現(xiàn)場控制器發(fā)送的信標幀，檢測該信標幀的有效信號功率Pr, 提取無線現(xiàn)場控制器的發(fā)射功率Pm;步驟T3:計算發(fā)射功率Pt = Pm +Pd+ S( Pu-Pd) - Pr， Pu和Pd分別為自適應功率上限和自適應功率下限，S是功率異動因子；步驟T4:如果在當前超幀內有數(shù)據(jù)幀或命令幀發(fā)送，進入步驟T5，否則進入步驟T20;步驟T5:將發(fā)射功率Pt轉變?yōu)闃朔Q發(fā)射功率，并以該標稱功率向無線現(xiàn)場控制器 發(fā)送數(shù)據(jù)幀或命令幀；步驟T6:若收到來自無線現(xiàn)場控制器的應答幀，進入步驟T7，否則進入步驟T17;步驟T7:若收到無線現(xiàn)場控制器的功率調整命令，進入步驟T8，否則進入步驟T11;步驟T8:若功率調整命令為減小功率，進入步驟T9，功率調整命令為增大功率，進 入步驟T10;步驟T9:功率連續(xù)調整標志Fa^，功率異動因子S降低一級，進入步驟T15; 步驟T10:功率連續(xù)調整標志Fa-l，功率異動因子S提高一級，進入步驟T15; 步驟T11:讀取功率連續(xù)調整標志Fa，判斷Fa是否為0，若否轉步驟T16; 步驟T12:數(shù)據(jù)幀/命令幀發(fā)送成功次數(shù)Cr=Cr+l;步驟T13:若數(shù)據(jù)幀/命令幀發(fā)送成功次數(shù)C產10，進入步驟T14，否則轉入步驟T4;步驟T14:功率異動因子S降低一級；步驟T15:更新發(fā)射功率Pt-Pm+Pd+S(Pu-Pd)-Pr，轉入步驟T4;步驟T16:置功率連續(xù)調整標志Fa=0，數(shù)據(jù)幀/命令幀發(fā)送成功次數(shù)CFO，轉入步驟T4;步驟T17:數(shù)據(jù)幀/命令幀發(fā)送失敗次數(shù)Cw^Cw+l;步驟T18:若數(shù)據(jù)幀/命令幀發(fā)送失敗次數(shù)Cw=2，進入步驟T19，否則若轉入步驟T5;步驟T19:數(shù)據(jù)幀/命令幀發(fā)送成功次數(shù)Cr=0，功率異動因子S提高一級，更新發(fā) 射功率Pt = Pm +Pd+ 5( Pu-Pd) - Pr，轉入步驟T5; 步驟T20:終結當前超幀內命令幀或數(shù)據(jù)幀的發(fā)送。
6、 根據(jù)權利要求1或2所述的基于無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式過程控制系統(tǒng)，其特征在于，所述無線現(xiàn)場控制器包括與各用電設備相連的電源單元(11)，網(wǎng)絡接插口 (10) —端連接所述交換機，另一端依次通過以太網(wǎng)隔離轉換器(9)、以太網(wǎng) 物理收發(fā)單元(8)、以太網(wǎng)媒介訪問控制單元(7)連接中央處理單元(6)的一端，中 央處理單元(6)的另一端通過邏輯控制單元(5)分別連接無線收發(fā)單元(3)和無線 收發(fā)單元(4)，無線收發(fā)單元(3)連接第一天線(1)，無線收發(fā)單元(4)連接第二天 線(2),邏輯控制單元(5)、無線收發(fā)單元(3)及無線收發(fā)單元(4)還分別與時鐘單 元(12)相接。
7、 根據(jù)權利要求6所述的基于無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式過程控制系統(tǒng)， 其特征在于，所述中央處理單元(6)包括無線個域網(wǎng)數(shù)據(jù)功能塊(13)用于接收來自所述邏輯控制單元(5)的節(jié)點測控狀 態(tài)幀和節(jié)點網(wǎng)絡狀態(tài)幀，對節(jié)點測控狀態(tài)幀進行匯聚得到個域網(wǎng)測控狀態(tài)報文并傳送給 無線EPA功能塊(17)，同時將節(jié)點網(wǎng)絡狀態(tài)幀傳送給無線個域網(wǎng)管理功能塊(14);接 收來自無線EPA功能塊(17)的個域網(wǎng)執(zhí)行指令報文，將個域網(wǎng)執(zhí)行指令報文分解得到 節(jié)點執(zhí)行指令幀并傳送給邏輯控制單元(5);接收來自無線個域網(wǎng)管理功能塊(14)的 節(jié)點網(wǎng)絡維護幀并傳送給所述邏輯控制單元(5);無線個域網(wǎng)管理功能塊(14)用于接收來自無線個域網(wǎng)數(shù)據(jù)功能塊(13)的節(jié)點網(wǎng) 絡狀態(tài)幀，對該幀進行匯聚得到個域網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài)報文并傳送給EPA管理代理功能塊(15); 接收來自EPA管理代理功能塊(15)的個域網(wǎng)網(wǎng)絡配置報文，根據(jù)節(jié)點網(wǎng)絡狀態(tài)幀和個域網(wǎng)網(wǎng)絡配置報文產生節(jié)點網(wǎng)絡維護幀，并傳送給無線個域網(wǎng)數(shù)據(jù)功能塊(13);EPA管理代理功能塊(15)用于接收來自無線個域網(wǎng)管理功能塊(14)的個域網(wǎng)網(wǎng) 絡狀態(tài)報文，對個域網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài)報文進行轉換得到個域網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài)分組，并傳送給EPA 應用訪問功能塊(16);接收來自EPA應用訪問功能塊(16)的個域網(wǎng)網(wǎng)絡管理分組和 遠程托管請求分組，分別對個域網(wǎng)網(wǎng)絡管理分組和遠程托管請求分組進行解包和轉換得 到個域網(wǎng)網(wǎng)絡配置報文和遠程托管請求報文，將個域網(wǎng)網(wǎng)絡配置報文傳送給無線個域網(wǎng) 管理功能塊(14)，將遠程托管請求報文傳送給EPA數(shù)據(jù)代理功能塊(16);EPA數(shù)據(jù)代理功能塊(16)用于截取來自無線個域網(wǎng)數(shù)據(jù)功能塊(13)的個域網(wǎng)測 控狀態(tài)報文和無線EPA功能塊(17)的個域網(wǎng)執(zhí)行指令報文，接收來自EPA管理代理 功能塊(15)的遠程托管請求報文，對個域網(wǎng)測控狀態(tài)報文和個域網(wǎng)執(zhí)行指令報文進行 轉換和打包得到子系統(tǒng)測控狀態(tài)分組和子系統(tǒng)執(zhí)行指令分組，從子系統(tǒng)測控狀態(tài)分組和 子系統(tǒng)執(zhí)行指令分組中提取與遠程托管請求報文相對應的數(shù)據(jù)并生成遠程托管狀態(tài)分 組，將子系統(tǒng)測控狀態(tài)分組、子系統(tǒng)執(zhí)行指令分組和遠程托管狀態(tài)分組傳送給EPA應用 訪問功能塊(18);無線EPA功能塊(17)用于接收來自EPA應用訪問功能塊(18)的過程任務請求分 組和來自無線個域網(wǎng)數(shù)據(jù)功能塊(13)的個域網(wǎng)測控狀態(tài)報文，生成個域網(wǎng)執(zhí)行指令報 文，將個域網(wǎng)執(zhí)行指令報文傳送給無線個域網(wǎng)數(shù)據(jù)功能塊(13)，根據(jù)個域網(wǎng)測控狀態(tài) 報文構造表征以前的執(zhí)行指令報文指定操作執(zhí)行情況的過程任務應答分組，將其傳送給 EPA應用訪問功能塊(18);EPA應用訪問功能塊(18)用于接收來自無線EPA功能塊(17)的過程任務應答分 組，將其傳送給EPA系統(tǒng)管理功能塊(19);接收來自EPA數(shù)據(jù)代理功能塊(16)的子 系統(tǒng)測控狀態(tài)分組、子系統(tǒng)執(zhí)行指令分組和遠程托管狀態(tài)分組，以及來自EPA管理代理 功能塊(15)的個域網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài)分組，將這五種分組傳送給EPA套接字映射功能塊(20); 接收來自EPA套接字映射功能塊(20)的個域網(wǎng)網(wǎng)絡管理分組和遠程托管請求分組，將 個域網(wǎng)網(wǎng)絡管理分組傳送給EPA管理代理功能塊(15)，將遠程托管請求分組傳送給無 線EPA功能塊(17);接收來自EPA系統(tǒng)管理功能塊(19)的過程任務請求分組，將其傳 送給無線EPA功能塊(17);EPA系統(tǒng)管理功能塊(19)用于將來自EPA套接字映射功能塊(20)的過程任務請求分組傳送給EPA應用訪問功能塊(18)，將來自EPA應用訪問功能塊(18)的過程任 務應答分組傳送給EPA套接字映射功能塊(20);接收來自EPA套接字映射功能塊(20) 的EPA設備管理分組，從中提取出用于設置本無線現(xiàn)場控制器的IP地址的請求分組、 用于讀取本無線現(xiàn)控制器的EPA電子設備描述符的請求分組、用于與其它局部過程控制 子系統(tǒng)的無線現(xiàn)場控制器建立EPA鏈路連接的請求分組，構造表征IP地址設置結果、 EPA電子設備描述符讀取結果、EPA鏈路連接結果的EPA設備應答分組并傳送給EPA套 接字映射功能塊(20);EPA套接字映射功能塊(20)用于接收來自EPA系統(tǒng)管理功能塊(19)的過程任務 應答分組和EPA設備應答分組，來自EPA應用訪問功能塊(18)的子系統(tǒng)測控狀態(tài)分組、 子系統(tǒng)執(zhí)行指令分組、個域網(wǎng)網(wǎng)絡狀態(tài)分組和遠程托管狀態(tài)分組，將這六種分組傳送給 UDP/TCP功能塊(21);接收來自UDP/TCP功能塊(21)的過程任務請求分組、EPA設備 管理分組、個域網(wǎng)網(wǎng)絡管理分組和遠程托管請求分組，將過程任務請求分組和EPA設備 管理分組傳送給EPA系統(tǒng)管理功能塊(19),個域網(wǎng)網(wǎng)絡管理分組和遠程托管請求分組 傳送給EPA應用訪問功能塊(18);UDP/TCP功能塊(21)用于接收來自EPA套接字映射功能塊(20)的過程任務應答 分組、EPA設備應答分組、子系統(tǒng)測控狀態(tài)分組、子系統(tǒng)執(zhí)行指令分組、個域網(wǎng)網(wǎng)絡狀 態(tài)分組和遠程托管狀態(tài)分組，將這六種分組進行打包得到下行UDP/TCP報文，并傳送給 IP功能塊(22);接收來自IP功能塊(22)的上行UDP/TCP報文，從上行UDP/TCP報文 中解包得到過程任務請求分組、EPA設備管理分組、個域網(wǎng)網(wǎng)絡管理分組和遠程托管請 求分組，并傳送給EPA套接字映射功能塊(20);IP功能塊(22)用于接收來自UDP/TCP功能塊(21)的下行UDP/TCP報文，對下行 UDP/TCP報文進行打包得到下行IP報文，將其傳送給EPA通信調度管理功能塊(23); 接收來自EPA通信調度管理功能塊(23)的上行IP報文，對上行IP報文進行解包得到 上行UDP/TCP報文，將其傳送給UDP/TCP功能塊(21);EPA通信調度管理功能塊(23)用于將來自IP功能塊(22)的下行IP報文傳送給 所述以太網(wǎng)媒介訪問控制單元(7);將來自以太網(wǎng)媒介訪問控制單元(7)的上行IP報 文傳送給IP功能塊(22)。
8、 一種用于權利要求1所述基于無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式過程控制系統(tǒng) 的信道規(guī)劃方法，具體為步驟C1:將整個待監(jiān)控區(qū)域劃分為若干個正方形微小區(qū)塊，再將每一個微小區(qū)塊 按照3*3方式劃分為9個微小區(qū)；步驟C2:假定各微小區(qū)塊正中間微小區(qū)為空微小區(qū)，對其它微小區(qū)自上而下從左至右依次預分配信道集G(l)、 G(2)、…、G(8);步驟C3:若微小區(qū)被分布式過程控制系統(tǒng)中的某局部過程控制子系統(tǒng)所覆蓋，保 留其預分配的信道集，否則收回其預分配的信道集；若空微小區(qū)被分布式過程控制系統(tǒng) 中的某局部過程控制子系統(tǒng)所覆蓋，將任意一個收回的信道集分配給空微小區(qū)；步驟C4:在各微小區(qū)塊內調整信道集，使得任意相鄰兩微小區(qū)塊中同信道微小區(qū) 的復用距離盡可能最大。
9. 一種用于權利1所述基于無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式過程控制系統(tǒng)的信道規(guī)劃方法，具體為步驟Dl:將待監(jiān)控區(qū)域劃分為若干個正方形微小區(qū)塊，再將各將微小區(qū)塊按2*2方式分為4個正方形子塊，自上往下從左向右依次為子塊X卜X2、 X3和X4，最后將各 子塊按2*2方式劃分為4個微小區(qū)；步驟D2:在子塊X,中，自上而下從左向右對4個微小區(qū)依次分配信道集G(1)、 G(2)、 G(3)和G(4);在小區(qū)塊X3中，自上而下從左至右對4個微小區(qū)依次分配信道集 G(5)、 G(6)、 G(7)、 G(8);子塊X4的信道集分配與子塊X！相同，子塊X2的信道集分配與子塊X3相同。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于無線個域網(wǎng)和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式過程控制系統(tǒng)，包括多個局部過程控制子系統(tǒng)、交換機和中心監(jiān)控計算機，局部過程控制子系統(tǒng)包括一個無線現(xiàn)場控制器、多個無線傳感器和多個無線執(zhí)行器，無線傳感器和無線執(zhí)行器位于以無線現(xiàn)場控制器為中心的正方形區(qū)域內，無線現(xiàn)場控制器通過包含兩個信道的無線個域網(wǎng)分別連接無線傳感器和無線執(zhí)行器。本發(fā)明采用無線個域網(wǎng)連接節(jié)約了電纜成本和安裝成本，采用雙無線信道并行傳輸方法和基于消息優(yōu)先級的預測調度協(xié)議，提高了通信實時性。本發(fā)明還提供了輪空模式和交疊模式兩種信道規(guī)劃方法，保證相鄰局部過程控制子系統(tǒng)所使用的信道集不相同，減少了各子系統(tǒng)之間的無線干擾。
文檔編號H04L29/08GK101261518SQ20081004718
公開日2008年9月10日 申請日期2008年3月28日 優(yōu)先權日2008年3月28日
發(fā)明者張煉冬, 汪秉文 申請人:華中科技大學