专利名称：用于在星型网络(master-slave adhoc网络)中传递信标的方法和星型网络中的传感器节点的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于星型网络的信标、一个星型网络中的传感器节点和一种用于运行星型网络的方法。
背景技术：
在制造自动化中，对于无线网络的通讯伙伴之间的等待时间有较高的规定。所述等待时间应理解为发出任意信息给通讯伙伴和该信息到达通讯伙伴时之间的时间间隔。由于制造中的特殊需求，该等待时间应该保持尽可能地短。由现有技术中公知一种应用在具有星型网络的制造自动化中的无线网络结构，其中使用了时分多址法 TDMA (Time Division Multiple Access)，请参看 Sahinoglu，Ζ. et al.:《TG4e drafting-Draft specification for IEEE 802.15.4e Factory Automation 《，IEEE 802. 15. 4document 15_09/401r3，2009年7月。在下面用文件[1]表示参引前述的公开文献。星型网络由至少一个中心节点-下面也称为网关-以及多个星型地与中心节点相连的网络节点组成。因为在制造自动化中通常使用》智能《传感器，因此下面也将这些网络节点称为》传感器节点《。在这里，智能传感器被理解为这种装置，其除了其传感器方面的功能外还具有许多功能性，这些功能性能确保结合到网络中、与其他网络设备的双向通讯、 以及处理传感器数据。在制造自动化中，无线网络往往是优选的解决途径，这是因为要传感器的固定布线太耗费时间并且成本高昂。此外，布线意味着运动自由度受到限制以及常见的错误来源， 其同样也是归结于工业环境中存在的恶劣环境，并且其可能意味着生产故障会引起更多的花费。无线访问传感器和执行器(Aktoren)在此避免了上述问题，并且还附加地带来以下优点，即，在改变过程或者在改造过程设备时能确保更高的灵活性。采用文件[1]中联系标准IEEE 802. 15. 4的规定的原理确保了一种可靠的方法， 用于无线并且节能地传输传感器信号。为了使传感器节点和网关连接，在应用超帧的情况下限定了一种协议。超帧限定将相应的时隙分配到单个的传感器节点上。在此为每个相应的传感器节点设置了至少一个专用的时隙，用于在相应的传感器节点和网关之间进行通讯。针对为了使传感器节点的内在工作节拍与网关的时钟频率同步而发送的超帧提出，在每个超帧开始时通过网关周期性地发送信标。为了尽可能满足对于缩简等待时间的高要求，尽量避免交换尽可能多的配置信息。这种在数据交换方面的节约还通过预设生产模式、也被称为》Production Mode《或者》Online Mode《来得到支持，该模式可以替代非生产模式、例如配置模式(Configuration Mode)或者确定模式(Discovery Mode)运行。在配置模式内设置了对配置信息的交换，而在生产模式中尽可能少地保持这种交换。作为代替，在运行的生产模式中，配置信息尽可能都存储在传感器节点中。上述意义上的优化是以牺牲传感器网络的灵活性为基础的。例如由于制造需要， 在不脱离生产模式并且进入配置模式的情况下，新加入的传感器节点在生产模式中目前不能向网关报告，与此相联系的显著缺点是，需要在配置模式期间无法避免地中断生产。
发明内容
本发明的目的在于，提供一些方法，利用这些方法以和现有技术中迄今公知的方式相比更简单的方式有利于改变配置，尤其是加入更多的传感器节点。该目的通过一种具有权利要求1所述特征的信标、一种具有权利要求5所述特征的超帧、一种具有权利要求7所述特征的传感器节点、一种具有权利要求8所述特征的星型网络以及一种具有权利要求9所述特征的方法来实现。本发明提出一种信标，用于具有至少一个网关和至少一个传感器节点的星型网络，其中，该信标具有包含着关于超帧中基础时隙的数量信息的域。基础时隙相当于时隙长度的基本单元，其中根据需要，可以将多个基础时隙连接成结合的时隙。下面，将时隙的概念等同于基础时隙来使用。首先，本发明的前提是，不必为了配置中的改变、尤其是加入其他的传感器节点而离开生产模式。作为代替地应该提供信标，利用它可以通过加入配属于要加入的传感器节点的时隙来加入新的传感器节点，而不必为此转换入配置模式。为此，根据本发明的解决方案提出一种信标，其具有其中存储了关于超帧中基础时隙的数量信息的域。借此，本发明支持在每个超帧的开始向传感器节点持续进行报告 超帧中包含多少个时隙，并且进而有多少个配属于相应的星型网络的传感器节点可以参与通讯。如果根据本发明的、其中记录了关于后续超帧中基础时隙的数量信息的域中的数值发生变化，那么这对于进行通讯的传感器节点来说可以是一个指示，表示有新的传感器节点加入了星型网络。以所述信标开始的超帧，或者-根据对超帧-开始的限定-在该信标后面的超帧则包含了基础时隙的示出的数量。借助于根据本发明的关于超帧中基础时隙的数量信息， 网络节点可以在不需要迂回地计算就直接从信标中提取这些信息，并且相应地迅速匹配于网络结构中改变的配置。尤其可以在生产模式中实现配置变化，这在制造工艺方面带来了巨大的优点，即不必因为否则必须要进入配置模式而停止生产。根据本发明的用于运行传感器节点的方法提出了以下步骤-由传感器节点接收信标，-将接收到的、关于超帧中基础时隙的数量的数值与预先保存在传感器节点中的相应的数值进行比较，-如果在传感器节点中确定接收到的数值与预先保存的数值一致，那么继续使用在相应的传感器节点(Sm，SN2，N;3)中预先保存的数值，-如果在传感器节点中确定不一致，那么利用接收到的关于超帧中基础时隙的数量的数值覆盖预先保存的数值。
本发明的其他设计方案是从属权利要求的内容。
下面，借助附图更详尽地阐述本发明的一个具有其他优点和设计的实施例。其中示出图1是星型网络，图2是由现有技术中公知的信标结构，图3是生产模式内根据本发明的信标结构，图4是配置模式内根据本发明的信标结构，其具有对示例值的描述，图5是生产模式内根据本发明的信标结构，其具有对示例值的描述，图6是时间流程图，用于描述在使用根据本发明的信标的情况下的多个超帧。
具体实施例方式图1示出了用于制造自动化的无线通讯网络的简化示图，该无线通讯网络由网关GW和与该网关GW相应地星形连接的传感器节点SN1，SN2, SN3组成。相应的传感器节点Sm，SN2，SN3例如是靠电池运行的，并且具有空气接口。在图中由实线示出传感器节点 SNl, SN2, SN3到网关GW的空气接口。在图2的上部分示出了一种公知的、根据公开文献[1]的信标结构。该信标由报文头MHR O) Message Header《)、有效数据部分PLD O) Payload〈O以及报文脚MFR O) Message Footer《)组成。报文头MHR包括包含缩短的帧控制域SFC ()) Shortened Frame Control《)作为唯一的域。这种缩短的帧控制域包括缩短为一个字节或者一个八位位组的MAC-Header。信标的有效数据部分PLD以下列顺序进图中从左向右输入)包括以下域用于容纳信标的控制信息、尤其是模式类型的标记域FLG (》Flags《)，例如生产模式(Online Mode)、配置模式(Configuration Mode)或者确定模式(Discovery Mode)。该标记域具有八位位组的长度。用于识别属于相应的传感器节点SN1，SN2, SN3的网关GW的网关标识域GID O) Gateway ID《)。该网关标识域GID具有八位位组的长度。用于提供可以明显区别于256的配置的配置序列域CSN (》Configuration Sequence Number《)。该配置序列域CSN具有八位位组的长度。用于以八位位组的倍数形式提供基础时隙的尺寸的时隙尺寸域TSS O) Timeslot Size《)。该时隙尺寸域TSS具有八位位组的长度。用于对成功接收涉及传感器节点SN1，SN2, SN3的数据进行反馈的组确认域GAC()) Group Acknowledgement)。该组确认域GAC的长度可变，并且仅应用在生产模式中，而它例如在配置模式中的长度为零，也就是说不存在于信标中。根据图1的信标的报文脚MFR包含帧控制域FCS ())Frame Control Sequence《) 作为唯一的域，其内容用于识别比特传输故障。图2的下部分示出标记域FLG的细节图。该标记域FLG包括八位位组的长度，并且包含以下标记
用于标记传输模式(》Transmission Mode《)的传输模式标记TRM，其中该传输模式标记TRM具有3比特的长度。紧跟着的用于标记执行器通讯方向的执行器通讯方向标记ADI (》Actuator Direction《)。该执行器通讯方向标记ADI具有1比特的长度。长度为1比特的预留标记RVD。用于提供每个管理时隙的基础时隙的数量O〉Number of Base Timeslots per Management Timeslot《)的标记NBM。标记NBM提供每个管理时隙的基础时隙的数量，其中标记NBM的数值范围是从O (不存在管理时隙)到7 (管理时隙的最大长度)。为此目的， 该标记NBM具有3比特的长度。文件[1]描述了在使用图2中所示的信标结构的情况下在生产模式中进行数据通讯。信标提供关于两个在时间上跟随在该信标后方的管理时隙的具体信息。管理时隙由基础时隙的长度来限定，正如在时隙尺寸域TSS中给出的那样，和在零到七的范围内的正整数相乘。最后提到的正整数在标记NBM中给出。在应用隐形知识的情况下，即精确地将管理时隙用于相应的传感器节点SN1，SN2, SN3和网关GW之间的应用的传输方向(Uplink/ Downlink)的情况下，可以使用管理时隙，用于为新加入的、尚未通过网关GW配置的传感器节点SN1，SN2, SN3进行数据传输。除了基础时隙的长度、正如在时隙尺寸域TSS中给出的那样，在信标中不包含关于整个超帧的构造的其他详尽信息。由网关GW在配置模式期间将所有其他的关于超帧的构造的信息、尤其是该超帧中包含的时隙数量传递给已经连接的传感器节点SN1，SN2, SN3， 并且从这一时间点开始与通过配置序列号CSN识别的配置关联。这种做法因此一方面相对于有必要加入其他传感器节点时的做法计算量大、不灵活，并且正如下面更详尽阐述的那样，也相对于这些传感器节点的联系睡眠模式的节能运行而言仅是次优化的。图3中示出了根据本发明的信标结构。这种根据本发明的信标结构与图1中公知的信标结构的不同之处在于，在有效数据部分PLD内要加入另一个域NBS O) Number of Base Timeslots in Superframe《)。在本发明的一个优选实施方式中，在时隙尺寸域TSS 和组确认域GAC之间布置了用于提供每个超帧的基础时隙数量的域NBS，并且这个域具有1 个八位位组的长度。然而也可以以其他的方式设计这个域NBS的布置方式和长度。根据本发明的一个有利的实施方式，信标结构在不同的模式中，也就是说尤其是生产模式、配置模式和发现模式中，具有基本上相同的结构。然而取决于相应的模式，可以在信标结构中省去特定的域，例如设计用于变化的长度的组确认域GAC的长度为O。在根据本发明新加入信标的、用于提供每个超帧的基础时隙数量的域NBS中，以基础时隙长度的倍数提供超帧的长度。根据本发明提出三种实施方式，在这些实施方式中开始对超帧内的基础时隙数量进行计数根据第一实施方式提出，在超帧开始时开始计数。这意味着，根据本发明的域NBS 包含信标所必须的基础时隙以及管理时隙。根据第二实施方式是在信标后开始计数。这意味着，根据本发明的域NBS中的数值包含着为管理时隙预先保留的基础时隙的数量。另一方面，根据该第二实施方式的计数不包含对于信标所必须的基础时隙。根据优选的第三实施方式提出，在管理时隙后开始计数。这意味着，根据本发明的域NBS中关于超帧内基础时隙的数量的数值仅仅考虑了提供给在生产模式中的传感器进行通讯的基础时隙的数量。优选的是根据上述描述的第三实施方式，这是因为其允许最长的超帧。换句话说， 这种计数方式也允许星型网络中的传感器节点的数量尽可能大。正如上面提过的那样，根据本发明的有利的实施方式的信标结构在不同的模式中基本上具有相同的结构。这特别涉及以下域-用于提供管理时隙的基础时隙数量的标记域FLG中的域NBM，-网关标识域GID，-配置序列域CSN，以及-时隙尺寸域TSS。这四个域的数值很重要，用于在识别和/或配属模式的范畴中向新加入的传感器节点传输关于管理时隙的长度的详尽信息。相反地根据本发明的一个可替代实施变化方案，以下域-用于提供每个超帧的基础时隙数量的域NBS，以及-组确认域GAC可以在发现模式和/或配置模式中被省去。如果上述域包含在信标中，那么它们允许在传感器节点SN1，SN2, SN3方面的附加功能。执行器通讯方向标记ADI通常只在生产模式期间使用，并且在确定和配置模式内可以被忽略。在应用根据本发明的方法的情况下，网关可以在生产模式中改变特定配置。这意味着，在配置模式中省去了迄今必须的并且不利的转换。相反地在应用根据本发明的方法的情况下，可以保持星型网络不在生产模式中发生中断。对于改变配置的一个实例是在超帧的末端加入其他的时隙(见图6)。其中，只要不涉及到传感器节点SN1，SN2, SN3和相应地属于它们的时隙之间现存的配属关系，就可以利用本发明的方法任意改变超帧的长度。本发明的另一个重要优点在于更好地支持了传感器节点SN1，SN2, SN3的节能工作方式。传感器节点SN1，SN2, SN3的这种节能工作方式通过已经公知的、较长时间地断开无线电接口-睡眠模式-得以实现。这种睡眠模式通常因为预设接收信标而被中断。具体来说，接收信标用于传感器节点SN1，SN2, SN3的所需的同步，以及涉及关于当前网络状态的数据。利用根据本发明的用于提供每个超帧的基础时隙数量的域NBS，传感器节点SN1，SN2, SN3获取关于下一个信标达到的时间点的精确信息，甚至在超帧的长度刚刚发生变化时也是如此。根据本发明的措施允许更好地利用这种节能的睡眠模式。由于信标结构一致而在确定和配置模式中也实现的优点在于，接收该信标的传感器节点能够以根据协议的方式与网关GW通讯，即使这个传感器节点尚未被配置或者尚未容纳在网络中。在下面的图4和5中，括号中的数字并非参考标记，而是相应域中的固有数值。图4示出了是在配置模式期间的一种根据本发明的信标构造。在图4中，用于提供超帧中基础时隙的数量的域NBS具有数值0，正如图中通过括号中的0表示的那样。组确认域GAC在配置模式中的长度为0，并且因此未用图示出。图5中示出了生产模式中的一种根据本发明的信标构造。组确认域GAC在生产模式中的长度是可变化的，然而该组确认域GAC的内容对于进一步的描述来说无关紧要。在一个根据图3所示的信标结构中，用于提供超帧中基础时隙的数量的域NBS布置在组确认域GAC的左边，并且具有数值10，正如图中通过括号中的数字10表示的那样。下面，不同于图1中传感器节点SN1，SN2, SN3的数量，设定了具有八个传感器节点的星型网络。所属的超帧包括一个信标以及两个管理时隙。这些管理时隙的长度为六个基础时隙。此外，超帧包括十个用于与传感器节点通讯的基础时隙。根据用于对超帧内的基础时隙数量进行计数的第三实施方式(见上)，在管理时隙后开始进行计数。基于现有的生产模式，传输模式标记TRM的二进制值为000。在确定模式内，这个二进制值会是100，在配置模式内，这个值会是110。在图6中示出了超帧SF1，SF2, SF3的传输的时间流程图。图6最上方的图中示出了第一超帧SF1，时间上在其后紧跟着第二超帧SF2。在第二超帧SF2上连接在图中仅局部示出的第三超帧SF3。因此在时间流程图中，时间从上到下以及从左到右推进。第一超帧SFl由信标B组成，与其连接了 10个矩形示出的基础时隙。矩形示出的基础时隙部分地具有表示相应的传感器节点SN1，SN2, SN3的标记。例如与信标B邻接地设置了第一时隙1，其用于从传感器节点sm并且向其传输数据。在根据本发明的信标B中，相应于基础时隙的数量、也就是10，在域NBS中输入数值10。在第二超帧SF2中，由于加入了两个在图中用阴影表示的基础时隙，基础时隙的数量现在变为了数值12。相应地，在针对第二超帧SF2的信标B的域NBS中输入数值12。
权利要求
1.一种用于具有至少一个网关(GW)和至少一个传感器节点(sm，SN2，SN3)的星型网络的信标，其中所述信标具有包含关于超帧中基础时隙的数量信息的域(NBS)。
2.根据权利要求1所述的信标，其中所述信标具有其他的域，所述其他的域包括-用于容纳所述信标的控制信息的标记域(FLG)，和/或，-用于识别属于相应的所述传感器节点(Sm，SN2，SN3)的网关(GW)的网关标识域 (GID)，和 / 或，-用于识别不同配置的配置序列域(CSN)，和/或，-用于提供所述基础时隙的尺寸的时隙尺寸域(TSS)。
3.根据上述权利要求中任一项所述的信标，其中所述信标还包含用于对成功接收数据进行反馈的组确认域(GAC)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的信标，其中在超帧的管理时隙之后开始对所述超帧中基础时隙的数量进行计数。
5.一种用于星型网络的超帧，其中所述超帧包括根据权利要求1至4中任一项所述的信标。
6.根据权利要求5所述的超帧，其特征在于，为每个传输方向提供管理时隙，并且所述管理时隙紧邻所述信标之后布置。
7.一种在星型网络中的传感器节点(Sm，SN2, SN3)，其中所述传感器节点 (SN1, SN2, SN3)具有用于存储所述星型网络的配置的数据结构，所述配置包含超帧中基础时隙的数量。
8.一种具有至少一个网关(GW)和至少一个根据权利要求所述7的传感器节点 (SN1, SN2, SN3)的星型网络。
9.一种用于运行根据权利要求8所述的、具有网关(GW)和多个传感器节点(Sm、SN2、 SN3)的星型网络的方法，所述方法包括以下步骤-由传感器节点(sm，SN2, SN3)接收信标，其中所述信标具有包含关于超帧中基础时隙的数量信息的域，-利用接收到的、关于在超帧中所述基础时隙的数量的数值覆盖预先保存在所述传感器节点(sm，SN2, SN3)中的、关于超帧中所述基础时隙的数量的数值。
全文摘要
本发明涉及用于在制造自动化中传输用于星型网络的信标的方法，该方法应用在用于制造自动化的通讯协议IEEE 802.15.4e中，星型网络具有至少一个网关(GW)和至少一个传感器节点(SN1,SN2,SN3)，其中信标具有包含关于超帧中基础时隙的数量信息的域(NBS)。
文档编号H04W52/12GK102598796SQ201080051002
公开日2012年7月18日 申请日期2010年11月3日 优先权日2009年11月10日
发明者弗兰克·拉赫纳, 扬·侯赛克, 米夏埃尔·巴尔, 诺贝特·维卡里 申请人:西门子公司