专利名称：无线协议适配器的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及过程控制环境下的无线通信，更具体地说，涉及提 供无线功能给有线现场设备的无线协议适配器。
背景技术：
在过程控制行业中，已知的是，使用标准化通信协议使得由不同制造商 制出的设备能够以易于使用和实现的方式与彼此通信。过程控制行业中使用
的一个众所周知的通信标准是高速可寻址远程传感器(HART)通信基础协 议，通常称为HAPO^协议。 一般而言，HARJ^协议支持专用导线或导线组 上的数字和模拟混合信号，在专用导线或导线组上，在线过程信号(如控制 信号、传感器测量结果等)作为模拟电流信号(例如范围从4到20毫安) 被提供，并且诸如设备数据、对设备数据的请求、配置数据、报警以及事件 数据等等之类的其它信号，作为叠加或复用到与模拟信号相同的导线或导线 组上的数据信号被提供。然而，HART协议当前需要使用专用、硬线通信线 路，这导致需要在加工厂内大量布线。
在过去几年里，已经存在一种将无线技术结合到以某些有限方式包括过 程控制行业的各种行业中的发展趋势。然而，在过程控制行业中，存在限制 无线技术的完全结合、接受和使用的巨大障碍。具体来说，过程控制工业需 要十分可靠的过程控制网络，因为信号的丢失失可能导致工厂失去控制，从 而导致突难性的后果，包括爆炸、致命化学制剂或气体的释放等等。例如， Tapperson等人的美国专利No. 6，"6,334公开了在过程控制行业中将无线通 信作为副的或备用通信路径使用或用于发送非关键性的或冗余的通信信号。 而且，在通常可以适用于过程控制行业的无线通信系统的使用上已经取得了许多进展，但是该无线通信系统尚未以在加工厂内允许或提供可靠的并且在 某些情况下完全无线的通信网络的方式应用于过程控制行业。例如，美国专
利申请公开No. 2005/0213612、 2006/0029060和2006/002,1公开了与 一般
无线通信系统相关的无线通信技术的各个方面。
与有线通信类似，无线通信协议被期望提供高效、可靠和安全的信息交 换方法。当然，由于介质的共享和开放特征，在有线网络中被开发以解决这 些重要问题的大多数方法并不适用于无线通信。进一步，除了在有线通信协 议之后的典型客观事实外，无线协议还面临关于使用无线电频谱的同 一部分 的若干网络的干扰和共存的问题的其它要求。而且，某些无线网络在无许可 证的或向公众开放的频段中运行。因此，为这种网络服务的协议必须能够检 测或解决与频率(信道)争用、无线电资源共享和协商等等相关的问题。
在过程控制行业中，无线通信协议的开发者面临另外的挑战，例如，实 现与有线设备的向后兼容、支持协议的先前有线版本，为改装了无线通信机 的设备提供转变服务，并且提供可同时保证可靠性和有效性的路由技术。同 时，仍然存在相当多的过程控制应用，在这些过程控制应用中存在即使有也 很少的原i也测量。当前，这些应用^衣赖于) 见测的测量结果(例如，水位正在 上升)或检查(例如，空调单元、泵、风机等等的周期性维护)来发现异常 情况。为了采取措施，操作员经常需要面对面的讨论。如果使用测量和控制 设备，这些应用中的许多的应用可能被大大简化；然而，当前的测量设备通 常需要电力、通信基础设施、配置以及筒直是不可用的支持基础设施。
发明内容
在过程控制行业中使用的无线协议适配器包括用于与至少一个无线设 备进行通信的无线接口和用于与至少 一个有线设备进行通信的有线接口 。在 这些实施例中的至少某些实施例中，该无线协议适配器经由该无线接口连接 到可包括无线现场设备的多节点无线网状网络。该无线协议适配器可提供发 现、注册、协议转换以及其它功能，以使得经由该有线协议连接到该适配器的每个有线设备能够无缝地加入该无线网状网络。在一个这种实施例中，该 无线协议适配器作为该多节点网状网络中的网络节点之一运行并获得唯一 的网络地址。在某些实施例中，该无线协议适配器的有线接口支持多个有线 设备，并且在这种意义上，该无线协议适配器可另外充当集线器。另外，该 无线协议适配器可通过提供该无线网络与所述一个或更多有线设备之间的 命令转换和/或数据转换，作为协议桥接器运行。
在某些实施例中，该无线网络可通过与现有有线11八111@通信协议共享
至少协议栈的应用层来支持HAIO^通信协议的无线扩展。该无线协议适配 器可通过将共享应用层从较低的层分离并且通过在有线接口与无线接口之 间以隧道方式传送HART命令，来提供有线HART协议和无线HART协议 之间的双向转换。在一个这种实施例中，无线协议适配器^t指派了 HART 设备描述符(DD),并且还可遵从设备描述语言(DDL)格式。在某些情 况下，连接到该无线协议适配器的所述一个或更多有线设备是支持HART 通信协议的智能现场设备。在其它情况下，所述一个或更多现场设备可以是 模拟4-20mA遗留现场设备；并且该无线协议适配器既可充当HART调制解 调器又可充当这些遗留设备和该无线网络之间的桥接器。而且在这些实施例 中的某些实施例中，该无线网络适配器可由包括所述一个或更多遗留设备的 控制环路中的电流供电。可选#^也，该无线网络适配器可包括用于以使侵入 最小的方式获得必要功率的功率提取电路。
在这些或其它实施例中，该无线协议适配器可另外支持诸如Foundation FieldbusHl协议、Profibus、 DeviceNet等等之类的有线通信标准。另外，无 线协议适配器的有线接口可支持用于对应用进行监测或维护的手持式设备。 在某些进一步的实施例中，无线协议适配器可具有用于支持若干类型的设备 的多个有线接口。
在一个特定的实施例中，无线协议适配器的有线接口可支持一个或更多 有线HART设备，各有线HART设备具有与HART通信基金会(HCF )的 寻址方案 一 致的地址。在依赖于HART协议的无线扩展的无线网状网络的实施例中，在无线HART网络上运行的网络设备可通过使用该有线i殳备的 HART地址并经由该无线协议适配器路由相应的数据，来对有线HART设备 中的每一个进行寻址。在这种意义上，该有线协议适配器和经由该有线接口 连接到该适配器的所述一个或更多有线设备中的每一个可以被视为无线 HART网络的单独节点。在这些实施例中的至少某些实施例中，支持该HART 协议的无线协议适配器提供至少HART多路复用器的功能。
图1示意性地示出了本公开内容的无线协议适配器可以在其中运行的 无线网络。
图2是可在闺1中示出的无线网络中使用的无线HART协议的各层的
示意图。
图3是示出使用现有技术多路复用器以支持与遗留现场设备的HART
通信的结构图。
图4是示出使用无线协议适配器以支持与图2中示出的遗留现场设备的 无线HART通信的结构图。
图5示出了在其中远程I/0模块支持若干有线HART设备的现有技术的系统。
图6示出了本公开内容的连接到有线现场设备和无线通信网络的无线 协议适配器。
图7示出了在其中本公开内容的无线协议适配器连接到多个有线现场 设备、有现手持式设备和无线通信网络的另一配置。
具体实施例方式
图1示出示例性网络10,在示例性网络10中，可以4吏用这里所描述的 无线协议适配器。具体来说，网络IO可以包括与无线通信网络14连接的工 厂自动化网络12。工厂自动化网络12可以包括通过通信骨干20连接的一个或更多固定工作站16和一个或更多便携式工作站18,其中通信骨干20 可以利用以太网、RS-485 、 Profibus DP或利用适合的通信硬件和协议来实 现。这些工作站和形成工厂自动化网络12的其它装置可以向工厂员工提供 各种控制和监督功能，包括对无线网络14中的设备的访问。工厂自动化网 络12和无线网络14可以经由无线网关22进行连接。更为具体地，无线网 关22可以经由第一(或"主机")接口 23A采用有线或无线(例如，802.11g) 方式连接到骨干20并且可以利用任何适合的(例如已知的)通信协议与工 广自动化网络12进行通信。无线网关22的第二 (或"无线")接口 23B 可支持与在无线网络14中运行的一个或若干个设备的无线通信。
在运行中，可以采用任何其它想要的方式(例如，作为单机设备、可插 入工作站16或18的扩展槽的卡、作为基于PLC或基于DCS的系统的输入 /输出(I/O )子系统的 一 部分等等)来实现的无线网关2 2可以提供在工厂自 动化网络12上运行且具有对无线网络14的各种设备的访问权限的应用程 序。在某些实施例中，为网络12和14提供服务的协议可共享各自的协议栈 的一个或更多上层，并且无线网关22在为协议栈的共享层或各层提供隧道 传送的同时时，可为协议栈的下层提供路由、緩沖和定时服务(例如，地址 转换、路由、包分段、区分优先级等)。在其它情况下，无线网关22可转 换不共享任何协议层的网络12和14的协议之间的命令。
除了协议和命令转换，无线网关22还可以提供与在无线网络14中实现 的无线协议(这里称为无线HART协议)相关联的调度方案的肘隙和超帧(在 时间上均匀分隔开的通信时隙组)所使用的同步时钟控制。具体来说，无线 网关22可以预定间隔通过无线网络14传播同步数据。
在一些配置中，网络10可以包括多于一个无线网关22以^t是高网络10 的效率和可靠性。具体来说，多个网关设备22可以提供用于无线网络14和 工厂自动化网络12以及外部世界之间的通信的额外带宽。另一方面，网关 设备22可根据无线网络14内的网关通信需要向适当的网络服务请求带宽。 可以驻留在无线网关22中的网络管理器软件模块27可以在该系统在运行的同时进一步重新评价需要的带宽。例如，无线网关22可以从驻留在无线网
络14外部的主机接收请求以检索大量的数据。然后，无线网关22可以请求 网络管理器27分配另外的带宽以适应该事务。例如，无线网关22可以发出 适当的服务请求。然后，无线网关22可以在该事务完成时请求网络管理器 27释放该带宽。
继续参照图1,无线网络14可以包括一个或更多现场设备30-36。通常， 像那些在化工、石油或其它加工厂中使用的过程控制系统包括诸如阀、阀定 位器、开关、传感器(例如温度、压力和流速传感器)泵、风机等等之类的 现场设备。 一般而言，现场设备执行该过程内的物理控制功能，例如，开阀 或关阀或获得过程参数的测量值。在无线通信网络14中，现场设备30-36 为无线通信包的生成者和使用者。
设备30-36可以利用无线通信协议进行通信，该无线通信协议提供了类 似的有线网络的功能，具有类似或改进的运行性能。具体来说，该协议可以 使得该系统能执行过程数据监测、关键数据监测(具有更严格的性能要求)、 校准、设备状态和诊断监测、现场设备故障检修、试运转以及监督过程控制。 然而，执行这些功能的应用程序通常要求无线网络14支持的协议在必要时 提供快速更新，在需要时移动大量的数据，并且支持加入无线网络14的网 络设备，即使仅仅暂时用于试运转和修护工作。
如果想要的话，无线网络14可包括非无线设备。例如，图1的现场设
备38可以是遗留(legacy) 4-20mA设备，并且现场设备40可以是传统的有
线HART设备。为了在无线网络14内进行通信，现场设备38和40可以经
由无线协议适配器50或50A连接到无线网络14。在使用HART协议的无线
网络14的这些实施例中，无线协议适配器50或50A可以相应地支持HART
协议的无线扩展并且可以被称为无线HART适配器(WHA)。另外，无线
协议适配器50可以支持其它通信协议，例如，Foundation Fieldbus、
PROFIBUS、 DeviceNet等等。在这些实施例中，无线协议适配器50支持在
协议栈的较下层上的协议转换。另外，预计单个无线协议适配器50也可以充当多路复用器并且可以支持多个HART或非HART设备。
通常，网络管理器27可以负责使无线网络14适应不断变化的状况并且 负责调度通信资源。当网络设备加入和离开该网络时，网络管理器27可以 更新它的无线网络14的内部模型并且使用这种信息产生通信调度表和通信 路由。另外，网络管理器27可以考虑无线网络14的总体性能以及诊断信息， 以使无线网络14适应拓朴和通信需求的变化。 一旦网络管理器27已经产生 总体通信调度表，总体通信调度表的所有或各个部分可以通过一连串命令从 网络管理器27传输到这些网络设备。
为了进一步增加带宽并提高可靠性，无线网关22可以在功能上被分成 虛拟网关24和一个或更多网络接入点25,网络接入点25可以是与无线网 关22进行有线通信的分立物理设备。然而，虽然图1示出了物理上分离的 无线网关22和接入点25之间的有线连接26，但是可以理解的是，元件22-26 也可以是被提供为一体的设备。因为网络接入点25可以与无线网关22物理 分离，接入点25可以在战略上放置在无线网络14的几个不同的位置。除了 增加带宽，多个接入点25可以通过利用其它接入点25补偿一个接入点25 处的可能差的信号质量来增加无线网络14的总体可靠性。在一个或更多接 入点25出现故障的情况下，拥有多个接入点25还提供了冗余。
除了分配带宽，要不然的话桥接网络12和14,无线网关22还可执行 无线网络14中的一个或更多管理功能。如图1中示出的，网络管理器软件 模块27和安全管理器软件模块28可以存储在无线网关22中并在无线网关 22中执行。可替代地，网络管理器27和/或安全管理器28可以在工厂自动 化网络12中的工作站16或18之一上运行。例如，网络管理器27可以在主 机16上运行而安全管理器28可以在主机18上运行。网络管理器27可以负 责配置无线网络14、调度无线设备之间的通信、管理与这些无线设备相关 联的路由表、监测无线网络14的总体健康、向工作站16和18报告无线网 络14的健康，以及其它管理和监督功能。虽然在无线网络14中有单个有效 网络管理器27运行可能就足够了 ，但冗余网络管理器27可以类似地被提供以保护无线网络免受意料之外的设备故障。同时，安全管理器28可以负责
保护无线网络14不受到未被授权的设备的恶意或无意入侵。为了这个目的， 安全管理器28可以管理鉴权代码，验证由尝试加入无线网络14的设备提供 的授权信息，更新诸如到期密钥之类的暂时性安全数据以及执行其它安全功能。
继续参照图1,无线网络14可以包括一个或更多现场设备30-36。通常， 像那些在化工、石油或其它加工厂中使用的过程控制系统包括诸如阀、阀定 位器、开关、传感器(例如温度、压力和流速传感器)、泵、风机等等之类 的现场设备。现场设备执行该过程内的物理控制功能，例如，开阀或关阀或 获取过程参数的测量值。在无线通信网络14中，现场设备30-36为无线通 信包的生成者和使用者。
设备30-36可以利用无线通信协议进行通信，该无线通信协议提供了类 似的有线网络的功能，具有类似或改进的运行性能。具体来说，该协议可以 使得该系统能执行过程数据监测、关键数据监测(具有更严格的性能要求)、 校准、设备状态和诊断监测、现场设备故障检修、试运转以及监督过程控制。 然而，执行这些功能的应用程序通常要求由无线网络14支持的协议在必要 时提供快速更新，在需要时移动大量的数据，并且支持加入无线网络14的 网络设备，即使仅仅暂时用于试运转和修护工作。
在一个实施例中，支持无线网络14的网络设备30-36的无线协议是已 知有线HART协议的扩展，这是一种被广泛接受的行业标准，其维护有线环 境的简单工作流程和实践。在这种意义上，网络设备30-36可以净皮认为是无 线HART设备。通过简单增加新的设备描述文件，用于有线HART设备的 相同工具可以容易地适用于无线"i殳备30-36。以这种方式，该无线协i义可以 借助利用有线HART协议获得的经验和知识的杠杆作用来使培训最少并简 化维护和支持。 一般而言，使协议适应于无线应用，以便在设备上运行的大 多数应用程序没有"注意到"从有线网络到无线网络的转变可以是方便的。 显然，这样的透明性大大减小了升级网络的成本，并且更为一般地，减小了与开发和支持可以和这样的网络一起使用的设备相关的成本。对众所周知的
HART协议进行无线扩展的一些另外的好处包括对用有线设备难以获得或 需要昂贵的代价才能获得的测量结果的访问以及从可以安装在膝上型电脑、 手持机、工作站等等上的系统软件配置和操作仪器的能力。另一个好处是有
能力将诊断警告从无线设备返回通过通信基础设施送到在集中放置的诊断 中心。例如，加工厂中的每个热交换器可能与无线HART设备安装在一起并 且当交换器检测到问题时，可以警告终端用户和供应商。又一好处是有能力 监测呈现严重健康和安全问题的状况。例如，无线HART设备可能放置在路 上的洪水区并用于警告当局或司机有关水位的情况。其它好处包括对宽范 围的诊断警告的访问，和在无线HART设备处存储趋势值以及计算值的能 力，以便当建立了与该设备的通信时，可以将这些值传输到主机。在这种方 式下，无线HART协议可以提供使主机应用程序能够无线访问现有的HART 使能现场设备的平台，并且该无线HART协议可以支持电池供电的、仅限无 线的HART使能现场设备的部署。该无线HART协议可以用于建立过程应 用的无线通信标准，并且可以进一步通过增强基本的HART技术以支持无线 过程自动化应用，来扩展HART通信的应用以及该协议提供给过程控制行业 的好处。
再次参见图1,现场设备30-36可以是无线HART现场设备，每个现场 设备30-36采用整体单元的形式并且支持无线HART协议栈的所有层。例如， 在无线网络14中，现场设备30可以是无线HART流量计，现场设备32可 以是无线HART压力传感器，现场设备34可以是无线HART阀定位器，现 场设备36可以是无线HART压力传感器。重要的是，无线设备30-36可以 支持用户已经从有线HART协议见到的所有的HART特征。如本领域技术 人员将会懂得的是，该HART协议的核心实力之一在于它的严格的协同工作 能力要求。在一些实施例中，所有无线HART装置包括核心的强制性能力以 便允许(例如，由不同厂商制造的)同等的设备类型被互换而不会危及系统 运行。而且，无线HART协议向后兼容诸如设备描述语言(DDL)之类的HART核心技术。在优选实施例中，所有的无线HART设备应该支持DDL， 其确保终端用户直接具有开始使用无线HART协议的工具。
如果想要的话，无线网络14可以包括非无线设备。例如，图1的现场 设备38可以是遗留4-20mA设备，并且现场设备40可以是传统的有线HART 设备。为了在网络14内进行通信，现场设备38和40可经由无线HART适 配器(WHA) 50连接到无线网络14。在这种情况下，无线网络14可以被 认为是无线HART网络。另外，无线协议适配器50可以支持其它通信协议， 例如，FOUNDATION Fieldbus、 PROFIBUS、 DeviceNet等等。在这些实施 例中，无线协议适配器50支持在协议栈的较下层上的协议转换。另外，预 计单个无线协议适配器50也可以充当多路复用器并且可以支持多个HART 或非HART设备。
工厂员工另外可使用手持式设备进行网络设备的安装、控制、监测和维 护。 一般而言，手持式设备是便携式装置，该便携式装置可以直接连接到无 线网络14或通过网关22连接到无线网络14作为工厂自动化网络12上的主 机。如图1示出的，连接无线HART的手持式设备55可以直接与无线网络 14进行通信。当与形成的无线网络14 一起运行时，手持式设备55可以只 是作为另一无线HART现场设备加入网络14。当与没有连接到无线HART 网络的目标网络设备一起运行时，手持式设备55可以通过与该目标网络设 备形成它自己的无线网络，作为无线网关22和网络管理器27的结合来运行。
连接工厂自动化网络的手持式设备(未示出)可以用于通过诸如Wi-Fi 之类的已知组网技术连接到工厂自动化网络12。该设备采用与外部工厂自 动化服务器(未示出)或者工作站16和18与设备30-40的通信相同的方式， 通过无线网关22与网络设备30-40进行通信。
另外，无线网络14可以包括路由器设备60,该路由器设备60是从一 个网络设备向另 一个网络设备转发包的网络设备。正在充当路由器设备的网 络设备使用内部路由表来指挥路由，即来决定特定的包应该被发送给哪个网 络设备。在那些无线网络14上的所有设备都支持路由的实施例中，可以不需要诸如路由器60之类的单机路由器。然而，(例如为了扩展网络，或为
了节省该网络中的现场设备的电力)添加一个或更多专用路由器60到网络 14可以是有益的。
直接连接到无线网络14的所有设备可以被称为网络设备。具体来说， 无线现场设备30-36、无线协议适配器50、路由器60、无线网关22、接入 点25以及无线手持式设备55是为了路由和调度目的的网络设备，这些网络 设备中的每一个形成无线网络14的节点。为了提供非常健壮的和容易扩展 的无线网络，网络中的所有设备可以支持路由并且每个网络设备可以用诸如 HART地址之类的实质上唯一的地址来进行全局标识。网络管理器27可以 包含网络设备的完整列表，并且可以指派给每个设备短的、网络唯一的16 位(例如)别名。另外，每个网络设备可以存储与更新("扫描")速率、连 接会话以及设备资源相关的信息。筒而言之，每个网络设备维护与无线网络 14内的路由和调度相关的最新信息。每当新的设备加入该网络时或每当网 络管理器27检测到或发起无线网络14的拓朴或调度的改变时，网络管理器 27可以将该信息传达到网络设备。
进一 步，每个网络设备可以存储并维护该网络设备在侦听操作期间已经 识别的邻居设备的列表。 一般而言，网络设备的邻居是潜在能够根据由相应 的网络强制实行的标准建立与该网络设备的连接的任何类型的另 一 个网络 设备。在为无线HART网络14的情况下，该连接是直接无线连接。然而， 将会理解的是，邻居设备还可以是以有线方式连接到特定设备的网络设备。 如稍后将要讨论的，网络设备可通过广告或在指定的时段发出的特殊消息来 促进其它网络设备发现它们。可操作地连接到无线网络14的网络设备具有 一个或更多邻居，这些网络设备可以根据广告信号的强度或根据一些其它准 则选择这些邻居。
在如图l示出的实例中，由直接无线连接65连"l妄的一对网络设备中的 每个设备将另一个识别为邻居。无线网络14的网络设备可以形成大量的设 备间连接65。建立两个网络设备之间的直接无线连接65的可能性和愿望由诸如这些节点之间的物理距离、这些节点(设备)之间的障碍、这两个节点 中的每一个节点处的信号强度等等若干因素来确定。通常每个无线连接65
由与发送频率、接入无线电资源的方法等有关的一个大的参数组特征化。本 领域普通技术人员将认识到的是，通常，无线通信协议可以在指定频率上运
行，例如由美国的联邦电信委员会(FCC)指派的那些频率，或运行于无许 可证的无线电频^:(例如，2.4GHz)。尽管这里讨"i仑的系统和方法可以应用 于在任何指定频率或频率范围上运行的无线网络，但是下面讨论的示例性实 施例涉及与运行于无线电频语上的无许可证的或者共享部分的无线网络14。 根据这个实施例，无线网络14可以被容易地驱使或调整为根据需要在特定 的无许可证的频率范围中运行。
继续参照图1，两个或更多直接无线连接65可以形成在不能形成直接 无线连接65的节点之间的通信^各径。例如，无线HART手持式设备55和无 线HART设备36之间的直接无线连接65A,连同无线HART设备36和路 由器60之间的直接无线连接65B,可以形成设备55和60之间的通信路径。 如以下更加详细讨^论的，这些通信^各径中的至少 一些可以是有向通信^各径 (即允许或定义一对设备之间沿仅仅一个方向传输数据)。同时，无线HART 设备36可以直接连接到网络设备55、 60、 32中的每一个，并且连接到网络 接入点25A和25B。 一般而言，在无线网络14中运行的网络设备可以发起 数据包、中继由其它设备发送的数据包或执行这两种类型的操作。如这里所 使用的，术语"终端设备"指不中继由其它设备发送的数据包的网络设备，而 术语"路由设备"指中继在其他网络设备之间传播的数据包的网络设备。当 然，路由设备还可以发起它自己的数据，或者在某些情况下为终端设备。因 此， 一个或若干终端设备和路由设备，连同若干直接连接65,可以形成网 状网络的一部分。
因为加工厂可以具有成百或者甚至上千个现场设备，所以在该工厂中运 行的无线网络14可以包括大量的节点，并且在许多工作情况下包括更大量 的节点对之间的直接连接65。结果，无线网络14可能具有复杂的网状拓朴，备之间的通 信的许多中间跳来进行通信。因此，在数据包离开源设备之后到达目的设备
之前，可能有时需要沿许多直接连接65进行传播，并且每个直接连接65可 能对该数据包的总传递时间添加一延迟。而且，这些中间设备中的某些中间 设备可以位于网状网络的许多通信路径的交叉点处。同样，可能除了发起它 自己包之外，这些设备还可能要负责中继由许多不同设备发起的大量的包。 因此，相对忙的中间设备可以不马上转发瞬变的数据包，而是在相应的通信 路径上向下一个节点发送该包之前，可以将该包排入队列等待相对长的时 间。当数据包最终到达该目的设备时，该目的设备可以用确认包进行回复， 该确认包也可能遇到类似的延迟。在该包传播到目的设备以及相应的确认包 从该目的设备传播回到该发起设备期间，该发起节点可能不知道该数据是否 已经成功到达该目的设备。而且，设备可能由于调度维护和升级或由于意外 故障而离开无线网络14,从而改变了该网状网络的拓朴并破坏了这些通信 路径中的某些路径。类似地，这些设备可以加入无线网络14,从而添加了 另外的直接连接65。如果不以高效且及时的方式进行处理的话，无线网络 14的拓朴的这些或其它改变可能会大大影响节点对之间的数据发送。
然而，重要的是，传递数据包的效率可以在很大程度上决定工厂运行的 可靠性、安全性和总体质量。例如，包括指示反应器的过高温度的测量值的 数据包应该快速并可靠地到达另一节点，例如手持式设备55或甚至是工作 站16,以便操作员或控制器可以马上采取适当的措施并且如果必要的话致 力于解决危险情况。为了高效利用可用的直接无线连接65并完全适应频繁 改变的网络拓朴，网络连接器27可以维护完整的网络地图(map) 68,定 义连接至少某些网络设备对30-50的路由方案，并且将该路由方案的相关部 分传达给参与该路由方案的每个网络设备。
具体来说，网络管理器27可以定义包括一个或更多单向通信路径的一 组有向图(directed graph ),将图标识符指派给每个定义的有向图，并且可 以将每个图定义的相关部分传达给每个相应的网络设备，每个相应的网络设备而后可以更新特定设备的、在本地存储的连4妻表69。如以下更详细的说
明，网络设备30-50接着可以基于包括在数据包的包头、包尾等的图标识符 来路由这些数据包。如果想要的话，每个连接表69可以仅仅存储与相应的 网络设备直接相关的路由信息，这样该网络设备不知道包括该网络设备的有 向图的完整定义。换句话说，该网络设备可能无法"看到"其直接邻居之外的 网络，并且在这种意义上，该网络设备可能不知道无线网络14的完整拓朴。 例如，在图1中示出的路由器设备60可以存储连接表69A,其可以仅仅指 定与相邻网络设备32、 36、 50和34相关的路由信息。同时，无线协议适配 器50A可以存储连接表69B，其相应地可以指定与无线协议适配器50A的 邻居相关的路由信息。
在某些情况下，网络管理器27可以在网络设^^对之间定义双重通信路 径，以确保在主通信路径的直接连接65之一变得不可用的情况下，数据包 仍然可以沿副通信路径到达目的设备。然而，直接连接65中的一些可以在 特定的网络设备对的主路径和副路径之间被共享。而且，网络管理器27在 某些情况下可以将要使用的整个通信路径传达给某一 网络设备，该网络设备 接着可以发起数据包并且将完整的路径信息包括在该数据包的包头和包尾 中。优选地，针对无严格的等待时间要求的数据，网络设备使用这种路由方 法。如下详细讨论的，该方法(这里称为"源路由")可以不提供相同程度的 可靠性和灵活性，并且， 一般而言，可以具有传递延迟较长的特征。
无线网络协议的(并且特别是在无许可证的频带中运行的无线网络的) 另一核心要求是以最小的扰乱性与使用同一频带的其它装备共存。共存一般 定义为一个系统在共享环境中执行任务的能力，在该共享环境中，其它系统 能够类似地执行它们的任务，同时遵照同一准则组或者不同(并且可能未知 的)的准则组。在无线环境中共存的一个要求是在该环境中出现干扰时该协 议维持通信的能力。另一要求是该协议应该对其它通信系统造成尽可能小的 千扰和扰乱。
换句话说，无线系统与周围的无线环境共存的问题大体具有两个方面。共存的第一方面是该系统用以影响其它系统的方式。例如，特定系统的操作 员或开发者可以询问一个发射器发送的信号对接近该特定系统运行的其它 无线电系统具有什么影响。更为具体地，该操作员可以询问，每当该发射机 开启时该发射机是否扰乱某些其它无线设备的通信，或者该发射机是否在广
播上花费过多的时间从而有效地"独占"(hogging)该带宽。理想地，每个 发射机应该是不被其它发射机注意到的"安静邻居"。尽管该理想特性(如果 有的话)很少能够达到，但创造了其它无线通信系统可以在其中运行得相当 好的共存环境的无线系统可以被称为"好邻居"。无线系统的共存的第二方面 是该系统在有其它系统或无线信号源的情况下运行得相当好的能力。具体来 说，无线系统的健壮性可以取决于该无线系统防止在这些接收机处的干扰的 能力有多好，取决于这些接收机是否由于接近的RF能量源而容易超载，取 决于这些接收机对偶尔的位丟失的容忍度有多好，以及类似的因素。在某些 行业中，包括过程控制行业，有许多重要的经常不允许数据丟失的潜在应用。 能够在嘈杂的或动态的无线电环境中提供可靠通信的无线系统可以被称为 "宽容的邻居"。
有效的共存(即，作为好邻居和宽容的邻居)部分地依赖于有效使用三 方面的自由时间、频率和距离。当通信在1)在干扰源(或者其它通信系 统)安静的时候发生；2)以与干扰信号不同的频率发生；或3)在足以远 离该千扰源的位置发生时，该通信可能是成功的。尽管这些因素中的单个因 素可能用于在无线电频谱的共享部分提供通信方案，但是这些因素中的两个 或所有三个的结合可以提供高度的可靠性、安全性和速度。
仍然参见图1,网络管理器27或在网络14或12上运行的另一应用或 服务可以鉴于以上讨论的这些因素定义无线通信网络14的主网络调度表 67。主网络调度表67可以为网络设备25和30-55指定将诸如时间l殳和无线 电频率之类的资源的分配。具体来说，主网络调度表67可以指定网络设备 25和30-55中的每一个何时发送过程数据、代表其它网络设备路由数据、侦 听从网络管理器27传播来的管理数据以及为了希望加入无线网络14的设备而发送广告数据。为了以有效方式分配无线电资源，网络管理器2'7可以鉴
于无线网络14的拓朴定义并更新主网络调度表67。更为具体地，网络管理 器27可以根据在每个节点处标识的直接无线连接65来分配可用资源给无线 网络14的节点中的每一个(即，无线设备30-36、 50以及60)。在这种意 义上，网络管理器27可以鉴于在每个节点处的发送要求和路由可能性来定 义和维护网络调度表67。
主网络调度表67可以将可用的无线电资源分成独立的通信信道，并且 进一步以例如时分多址(TDMA)通信时隙为单位在每个信道上测量发送和 接收时机。具体来说，无线网络14可以在某一频带内运行，该频带在大多 数情况下可以安全地与若干截然不同的载波频率相关联，以便以一个频率进 行的通信可以与以该频带内的另 一频率进行的通信同时发生。本领域普通技 术人员将会理解的是，在典型应用中的载波频率(例如公共无线电)被充分 地分隔开以防止相邻载波频率之间的干扰。例如，在2.4GHz频带中，IEEE 指派频率2.455给信道号21，指派频率2.460给信道号22，从而允许2.4GHz 频带的两个相邻段之间隔开5KHz。主网络调度表67可以因此将每个通信信 道与截然不同的载波频率相关联，该载波频率可以是该频带的特定段的中心频率。
同时，如使用TDMA技术的行业中通常所用的，术语"时隙，，指特定的 持续时间段，较大的时段被分成该特定的持续时间段以提供受控的共享方 法。例如， 一秒可以分成10等分的100毫秒时隙。虽然主网络调度表67优 选地以单个固定持续时间的时隙分配资源，但是只要无线网络14的每个相 关节点都被适当地通知了这种改变，那么改变这些时隙的持续时间也是可能 '的。继续10个100毫秒时隙的实例定义，两个设备可以每秒交换一次数据， 在每秒的第一个100ms时段(即第一时隙)期间一个设备进行发送，在每秒 的第四个100ms (即第四时隙)期间，另一设备进行发送，而剩下的时隙未 被占用。因此，在无线网络14上的节点可以通过发送频率以及相应的设备 可以在其间发送和接收数据的时隙来标识被调度的发送时机和接收时机。作为定义有效的和可靠的网络调度表67的 一部分，网络管理器27可以
在将时隙在逻辑上组织成循环重复的组或超帧。如这里所使用的，超帧可以 被更为精确地理解为一连串相等的超帧循环，每个超帧循环对应于形成连续 时间段的若千相邻接的时隙的逻辑分组。在给定超帧内的时隙的数目定义了 超帧的长度并且确定了每个时隙多久重复一次。换句话说，超帧的长度与单 个时隙的持续时间相乘，指定了一个超帧循环的持续时间。另外，为了方便 起见，可以对每个帧循环内的时隙进行连续编号。举一个具体的实例，网络
管理器27可以将时隙的持续时间固定在IO毫秒，并且可以定义长度为100 的超帧，以产生l秒帧循环(即，10毫秒乘以100)。在基于0的编号方案 中，该实例超帧可以包>^编号为0, 1， ...99的时隙。
如以下更详细的讨论，网络管理器27减少了等待时间并且另外通过将 多个不同大小的并发超帧包括在网络调度表67中来优化数据发送。而且， 网络调度表67的一些或所有超帧可以^争越多个信道或载波频率。因此，主 网络调度表67可以指定各个超帧的各个时隙和可用信道之一之间的关联。
因此，主网络调度表67可以对应于独立的设备调度表的集合。例如， 诸如阀定位器34之类的网络设备可以具有独立的设备调度表69A。设备调 度表69A可以仅仅包括与相应的网络设备34相关的信息。类似地，路由器 60可以具有独立的设备调度表69B。相应地，网络设备34可以根据设备调 度表69A发送和接收数据而不知道诸如该设备60的调度表69B之类的其它 网络设备的调度表。为了这个目的，网络管理器27可管理总的网络调度表 67和各个独立的设备调度表69 (例如，69A和69B),并且当需要时将独 立的设备调度表67传达给相应的设备。当然，设备调度表69A和67B是总 体或主网络调度表67的子集，或者是从总体或主网络调度表67获得的。在 其它实施例中，独立的网络设备25和35-50可以至少部分定义或协商设备 调度表69并将向网络管理器27报告这些调度表。根据这个实施例，网络管 理器27可以根据接收到的设备调度表69组合网络调度表67,同时检查资 源竟争并解决潜在的沖突。以上概括描述的支持无线网络14的通信协议在这里被称为无线HART协议70，并且参照图2更详细地讨论该协议的操作。如将会被理解的，直接无线连接65中的每一个可以根据无线HART协议70的物理和逻辑要求来传输数据。同时，无线HART协议70可以高效地支持在时隙内并且在与特定设备调度表69所定义的超帧相关联的载波频率上进行通信。
图2示意性地示出了无线HART协议70的一个示例性实施例的各层，与众所周知的通信协议的ISO/OSI7层模型的各层近似对齐。作为比较，图2另外示出现有的"有线"HART协议72的各层。将会理解的是，无线HART协议70不一定要具有有线对等体。然而，如下面将要详细讨论的，无线HART协议70可以通过与现有协议共享该协议栈的一个或更多上层来大大方便其实现。如以上所指示的，如以上所指示的，与为类似网络提供服务的有线协议72相比，无线HART协议70可以提供相同或更高程度的可靠性和安全性。同时，通过消除安装有线的需要，无线HART协议70可以提供若干重要的优点，例如降低与安装网络设备相关的成本。还将会理解的是，虽然图2将无线HART协议70表现为HART协议72的无线对等体，但这种特定的对应在这里仅仅是作为实例被提供。在其它可能的实施例中，无线HART协议70的一或更多层可以对应于其它协议，或如以上所^是及的，无线HART协议70可以不与任何现有协议共享甚至最上面的应用层。
如图2中示出的，HART技术的无线扩展可以将至少一个新物理层(例如，IEEE802.15.4无线电标准)和两个数据链路层(例如，有线和无线网格)添加给已知的有线HART实施。 一般而言，无线HART协议70可以是安全的、在2.4GHzISM无线电频带中运行的无线网格组网技术(块74)。在一个实施例中，无线HART协议70可以在一个事务接一个事务的基础上利用可兼容IEEE 802.15.4b的直接序列扩频通信(DSSS )无线电和信道跳频。可以利用TDMA对该无线HART通信进行调停以调度链路活动(块76 )。同样，优选地，所有通信在指定的时隙内执行。 一个或更多源设备和一个或更多目的设备可以被调度以在给定时隙中进行通信，并且每个时隙可以专门用于来自单个源设备的通信，或者这些源设备可以被调度为利用像
CSMA/CA那样的共享通信接入模式进行通信。源设备可以发送消息到一个
或更多特定的目标设备或者可以将消息广播到被指派时隙的所有目标设备。
因为这里描述的无线HART协议70允许部署网状拓朴，所以也可以指 定重要的网络层78。具体来说，网络层78可以使得单独的设备之间能够建 立直接无线连接65,并且使得无线网络14的特定节点(例如设备34)和无 线网关22之间能够通过一个或更多中间跳来路由数据。在某些实施例中， 网络设备对30-50可以建立包括一个或若干跳的通信^^径，而在其它实施例 中，所有数据可以要么向上游传播到无线网关22，要么从无线网关22向下 游传播到特定的节点。
为了增强可靠性，无线HART协议70可以将TDMA与 一种将多个无线 电频率与单个通信源相关联的方法(例如，信道跳频)相结合。信道跳频提
供了最小化干扰并减少多径衰落影响的频率分集。具体来说，数据链路76 可以生成单个超帧和多个载波频率之间的关联，数据链路层76以受控的和 预定义的方式在所述多个载波频率之间循环。例如，无线网络14的特定场 合的可用频带可以具有载波频率Fi， F2, ... Fn。超帧S的相关帧R可以:被调 度为，在循环Cn中以频率Fi出现，在接下来循环Cn+1中以频率F5出现，在 循环Cn+2中以频率F2出现，等等。网络管理器27可以利用该信息配置相关 网络设备，以便在超帧S中进行通信的网络设备可以根据超帧S的当前循环 调整发送频率或接收频率。
无线HART协议70的数据链路层76可以提供另外的将信道列入黑名 单的特征，其限制这些网络设备使用该无线电频带中的某些信道。网络管理 器27可以响应于检测到信道上的过多干扰或其它问题，将无线电信道列入 黑名单。进一步，操作员或网管可以将信道列入黑名单以便保护使用无线电 频带的固定部分的无线服务,否则的话该无线服务要与无线网络14共享该 固定部分。在一些实施例中，无线HART协议70以超帧为基础控制列黑名 单，以便每个超帧具有独立的被禁止信道的黑名单。在一个实施例中，网络管理器27负责分配、指派并调整与数据链路层
76相关联的时隙资源。如果网络管理器27的单个例子支持多个无线网络14,网络管理器27可以为无线网络14的每个例子生成总体调度表。该调度表可以被组织成包含相对于该超帧的起点进行编号的时隙的超帧。另外，网络管理器27可以维持全局性绝对时隙计数，该绝对时隙计数可以反映自从无线网络14启动以来被调度的时隙的总数。该绝对时隙计数可以用于同步目的。无线HART协议70可以进一 步定义链路或链路对象以便在逻辑上统一调度和路由。具体来说，链路可以与具体的网络设备、具体的超帧、相对隙数、 一个或更多链路选项(发送、接收、共享)以及链路类型(正常、广告、发现)相关联。如图2中示出的，数据链路层76可以是频率捷变的。更为具体地，信道偏移量可以用于计算用于执行通信的具体的无线电频率。网络管理器27可以鉴于每个网络设备处的通信要求定义一组链路。然后，每个网络设备可以;故配置以所定义的该组链^各。所定义的该组《连^各可以确定该网络设备何时需要醒来，以及该网络设备是否应该在醒来后即进行发送、接收或同时发送/接收。
继续参照图2，无线HART协议70的传输层80允许有效的尽力而为的通信和可靠的、端到端确认式通信。如本领域技术人员将会认识到的，尽力而为的通信允许设备发送包而不进行端到端的确认，并且不保证目的设备处的数据顺序。用户数据报协议(UDP)是这种通信策略的一个众所周知的实例。在过程控制行业中，该方法可以对公布过程数据是有用的。具体来说，因为设备周期性地传播过程数据，所以端到端确认和重试已经限制了效用，特别是考虑到新数据是在定期的基础上产生的。相反，可靠的通信允许设备发送确认包。除了保证数据传递，传输层80还可以安排网络设备间发送的包。对于请求/响应业务，或者当发送事件通知时，这种方法可以是优选的。当使用传输层80的可靠模式时，通信可以变得同步。
可靠的事务可以被建模为发出请求包的主设备和用响应包进行回复的一个或多个从设备。例如，主设备可以产生某一请求并且可以将该请求广播到整个网络。在某些实施例中，网络管理器27可以使用可靠的广播来告诉
无线网络14中的每个网络设备激活新的超帧。可替代地，诸如传感器30之
类的现场设备可以产生包并且将该请求传播到另一现场设备，例如传播到便
携式HART通信装置55。作为另一实例，由现场设备34产生的警报或事件 可以作为指向无线网关22的请求被发送。响应于成功接收到该请求，无线 网关22可以产生响应包并且将该响应包发送到设备34,以对4妻收到该警才艮 或事件通知进行确认。
再参见图2，会话层82可以提供网络设备之间的基于会话的通信。可 以用会话在该网络层上管理端到端通信。网络设备可以具有为给定对等网络 设备定义的多于一个会话。如果想要的话，几乎所有网络设备都可以具有至 少两个与网络管理器27建立的会话 一个用于成对通信， 一个用于从网络 管理器27进行的网络广播通信。另外，所有网络设备都可以具有网关会话 密钥。这些会话可以通过指派给它们的网络设备地址来区分。每个网络设备 可以跟踪该设备参与的每个会话的安全信息(加密密钥、当前计数器)以及 传输信息(可靠传输顺序号、重试计数器等)。
最后，无线HART协议70和有线HART协议72可以支持公共HART 应用层84。无线HART协议70的应用层可以另外包括子层86,其支持大数 据组的自动分^殳传输。通过共享应用层84，协议70和72允许对HART命 令和数据进行公共封装并且消除了在协议栈的最上层中进行协议转换的需 要。
图3和4示出了建立或扩展过程控制网络的无线HART方法的某些优 势。具体来说，图3将用配置IOO示意性地表示的报告过程变量的遗留方法 与用配置102表示的有线HART方法进行对比。图4进一步示出使用HART 的无线扩展的方法的某些附加优势。
参见图3,硬线4-20毫安仪器102 (可以是科里奥利流量计)仅能经由 通常经过编组机拒108的有线连接106向分布式控制系统(DCS)报告单个 过程变量。例如，仪器102可向DCS 104报告流速测量值。通过HART标准的引入，通过单对电线报告多个变量变得可能，并且此外，HART多路复
用器110的引入为4-20毫安设备提供支持。具体来说，HART多路复用器110的若干个输入中的每一个都可用于到独立环路的独立硬线连接112,以用于测量流速、密度、温度等。HART多路复用器110然后可经由有线连接114向DCS 104报告这多个变量。然而，尽管诸如HART多路复用器110之类的输入模块或多路复用设备可允许DCS 104使用单个连接112与若干个遗留现场设备通信，但是对这种有遗留装置进行改进可能是困难、昂贵且耗时的。举例来说，使用HART多路复用器IIO仍要求对编组机拒108进行重新布线，并为各个环路添加硬线连接112。
另一方面，图4示出可依赖于无线HART协议70的更有利的配置120。如以上简要指示的，无线协议适配器50可在提供对符合HART标准的过程变量组的访问权限的同时，与现有的仪器(例如定位器、变送器等)协同工作，以支持4-20毫安信令标准。因此，配置120可被更新为配置120,同时将编组机拒108保持完整无缺。更具体地说，无线HART适配器50可以有线方式连接到现场设备102,并建立与网关122的无线连接，网关122也可与一个或更多无线HART i殳备124通信。因此，无线HART现场设备、适配器以及网关可允许工厂操作员以成本有效的方式升级现有的网络(即将无线HART适配器添加到遗留设备)，并通过在与有线HART设备(未示出)和诸如4-20毫安装置之类的遗留设备相同的网络中使用诸如设备124之类的无线HART设备来扩展现有的网络。当然，有线工厂自动化网络也可包括使用诸如Foundation Fieldbus、 Profibus DP等之类的其它协议的设备，并且应当注意到，部件50和122可类似地扩展和升级其它网络。为了清楚起见，所有这样的网络在这里都被称为"遗留网络"。
还应当注意到，具有内置无线HART能力的仪器提供使这些设备能够自供电(例如电池供电、太阳能供电等)的额外优势。无线方法的其它优势在于根据需要添加对独立仪器的多变量数据访问的能力、消除了对编组机拒重新布线以适应HART多路复用器的需要，以及在经由无线协议适配器50访问副过程测量值的同时维护在4-20毫安信令线上的主测量值的可能性。
进一步，诸如工作站16(见图1 )之类的主机可使用标准HART命令来从无 线连接到无线网络14的网络设备读取必需的过程值(通用命令)。更进一 步，用户可经由包括例如诊断消息或远程更新上传和下载设备配置的HART 命令访问所有可用的设备功能。
为了进一步示出这里所讨论的无线方法的某些优点并且具体来说是使 用无线协议适配器50将遗留或智能现场设备连接到无线网状网络(例如无 线网络14)的某些优点，在图5中示出了现有技术的配置200。在这个实例 中，远程I/O系统202可经由链路206连接到工作站204，链路206例如可 以是RS-485连接。例如，远程I/O系统可通过频移键控(FSK)和相移4建 控(PSK)支持工作站204与HART现场设备210-216中的每一个之间的 HART通信，从而消除了单独地用导线将每个HART设备210-216直接连接 到工作站204的需要。
现在总地参见图1和6-7，无线协议适配器50可包括至少远程I/O系统 202的功能。具体来说，如图6所示，无线协议适配器50可包括用于与无 线网状网络252通信的无线*接口 250以及经由链路264与至少一个有线现场 设备262交换数据的有线接口 260。有线现场设备262可以是具有五字节 HART地址的有线HART设备，而无线网状网络2 5 2可以是支持兼容寻址方 案的无线HART网络。如以上参照图2所讨论的，无线HART协议70和有 线HART协议72可共享至少应用层84，通过在相应协议栈的下层处提供协 议转换来允许无线协议适配器50无缝传输来往有线现场设备262的命令。
在该实施例中，无线协议适配器50还可以具有唯一 HART地址，以侵_ 在无线网络252中运行的网络设备可单独地对无线协议适配器50和有线现 场设备262进行寻址。在这个意义上，无线协议适配器50可以是负责在其 它设备之间路由数据的网络节点。
在另 一 实施例中，有线现场设备262可以是遗留4-20mA设备。无线协 议适配器50可以相应地将无线HART命令转换成4-20mA模拟信号，并且相反地，将遗留有线现场设备262的输出数字化并且将转换为数字数据的输出发送到无线网络252。将会理解的是，这些方法可提供若干重要的优点，例如添加多变量数据访问给独立仪表(例如通过使遗留4-20mA设备支持HART)或者允许主测量值经由4-20mA信号继续，同时访问副过程测量值。具体地，关于后一种方法，无线协议适配器50可连接到4-20mA环^各，而无需拆原始的连接，并且有可能的话通过在该环路中提取电力，无线协议适配器50可充当到副过程数据的HART调制解调器并且将该数据发送到无线网络252。同时，遗留有线现场设备262可通过与诸如PLC或DCS之类的控制系统交换特定类型的控制和/或过程数据，继续在原来的4-20mA环路内运行。
进一步，将会注意到的是，连接到无线网络252的外部主机(未示出)可使用标准HART命令以凭借通用(即普遍支持的)命令读取过程值。再进一步，除了读取从有线现场设备262读取过程变量外，操作外部主机的用户可访问经由诸如诊断消息之类的HART命令可访问的有线现场设备262的设备功能。类似地，该用户可远程下载新配置到有线现场设备262。
在另一实施例中，通过使用无线协议适配器250，有线现场设备262可以隧道方式将PROFIBUS消息传送到外部主机。在这种情况下，有线链路264可以是支持PROFIBUS通信的数字总线，并且有线接口 260可相应地解释和编码PROFIBUS命令、寻址等。
图7示出了多点配置，其中无线协议适配器250支持多个有线现场设备262和270。在该实施例中，无线协议适配器250可另外作为多路复用器运行。有线现场设备260和270中的每一个可具有唯一标识符，例如，HART地址或数字总线(例如有线链路264)上的地址。有线手持式设备272还可连接到有线链路264以与有线现场设备262和270进行通信以及在某些实施例中与无线网络252进行通信。在一个特定的实施例中，手持式设备272可通过FSK调制解调器连接到无线网络252中的无线HART设备。相反地，无线手持式设备55可例如仅经由无线网关22 (见图1)连接到网络设备32或36。
为了能够发现模拟或数字有线链路264上的所述一个或更多有线现场 设备，无线协议适配器250可支持用于发现远程I/0系统上的子设备的命令。 换句话说，远程主机可以能够经由无线网络252访问无线协议适配器250， 请求发现诸如有线现场设备262和270之类的子设备，接收连接到有线接口 260的设备的列表以及这些设备的地址，并且因此经由无线协议适配器250 与有线现场设备262和270进行通信。具体来说，该远程主机可请求块模式 传输以接收例如振动分析结果，或者访问由有线现场设备262或270存储的 其它过程数据。当然，作为突发模式通信的一部分，无线协议适配器250也 可允许有线现场设备262和270在指派的时隙内定期公布过程数据。另外， 如果有线现场设备262或270不支持突发模式，则无线协议适配器250可代 表有线现场设备262或270执行该功能。更为具体地，根据无线网络14所 支持的通信方案，无线协议适配器250可轮询有线现场设备262或270以获 取相关信息并公布所采集的信息。无线协议适配器250也可执行多步骤程 序、执行顺序的遗留命令、或者利用有线现场设备262或270所支持的模拟 信令方案采集一连串测量值等等，以准备用于在无线网络14上进行公布的 报告。以该方式，无线协议适配器250可不仅提供无线功能给有线现场设备 262或270,还扩展了有线现场设备262和270的总体能力。
在另一方面，无线协议适配器250还可代表有线现场设备262或270支 持警报和事件报告。例如，无线协议适配器250可周期性地查询有线现场设 备262或270以采集事件数据。进一步，如以上所表示的，无线协议适配器 250可类似地提供有线现场设备262或270与无线网络14之间的块模式传 输，即使有线现场设备262或270不支持块模式传输。通常，关于支持突发 模式、块模式传输、警报和事件数据等等，将会注意到的是，无线协议适配 器250可适当地将数据的类型与无线网络14所支持的若干优先级级别之一 相关联，即使有线现场设备262或270不对数据划分优先级或以其它方式对 数据进行分类。该功能和类似的功能通常可以被称为由无线协议适配器250提供给有线现场设备262或270的扩展功能。
在又一实施例中，有线现场设备262或270可以是支持协议的较老版本的智能现场设备，无线协议适配器250在无线接口处支持该协议的无线扩展。具体来说，有线现场设备262或270可支持HART的较老版本，而无线协议适配器250可支持包括另外的命令和/或功能的HRAT的较新版本。在这种情况下，无线协议适配器250可通过在有线接口实现相应的程序，向诸如有线现场设备262或270之类的较老HART设备l是供4交新的HART标准的功能。
另外，如果有线链路264或无线网状网络252之一具有较慢的响应时间，则预计无线协议适配器250可包括一个或更多延迟响应緩沖器，以对命令进行排队。无线协议适配器250可使用延迟器响应机制(DRM)向在较快网络上进行通信的设备指示命令或数据已经接收到并且正在被处理。
尽管上述内容详细说明了多个不同的实施例，应该理解本发明的范围由本专利的末尾处提出的权利要求书中的语句来限定。因为说明每一种可能的实施例即使不是不可能的，也是不切实际的，所以上述详细说明应该被解释为仅用于说明目的，但并没有说明每一种可能的实施例。许多可替代实施例可以用当前的技术或本专利的申请日之后开发的技术来实施，这将仍然落入这些权利要求的范围内。
权利要求
1、一种在过程系统中使用的无线协议适配器，包括无线接口，其使用无线通信协议与多节点无线通信网络进行通信；有线接口，其通过有线链路连接到第一现场设备；和处理单元，其在该无线通信网络与该第一现场设备之间传输过程数据以实现该无线通信网络中作为不同的网络节点的该第一现场设备和该无线协议适配器的运行。
2、 根据权利要求1所述的无线协议适配器，其中该有线接口支持4-20mA 模拟信令；并且其中该多节点无线通信网络使用HAR"通信协议的无线扩展来运行。
3、 根据权利要求1所述的无线协议适配器，其中该有线接口支持HARP 通信协议；并且其中该多节点无线通信网络使用与该HARr通信协议共享至少 应用层的该HARP通信协议的无线扩展来运行。
4、 根据权利要求1所述的无线协议适配器，其中该有线接口支持HAR，、 PROFIBUS、 FOUNDATION FIELDBUS或DeviceNet标准中的至少一个。
5、 根据权利要求1所述的无线协议适配器，其中该无线接口和该有线接 口支持共享至少应用层的相应协议；并且其中该处理单元通过将应用层数据从 相应协议的至少物理层分离，来在该无线通信网络与该第一现场设备之间传输 过程控制数据。
6、 根据权利要求1所述的无线协议适配器，进一步包括存储器，其存储该无线协议适配器的地址；其中该地址适配器遵从该无线 通信网络的寻址方案；并且其中该有线接口支持该无线通信网络的寻址方案。
7、 根据据权利要求6所述的无线协议适配器，进一步其中该存储器进一 步存储遵从设备描述语言格式(DDL)的适配器设备描述符(DD)和适配器制 造商身份；并且其中该第一现场设备与遵从DDL且不同于该适配器DD的DD相关联。
8、 根据据权利要求1所述的无线协议适配器，其中该有线接口进一步通 过该有线链路连接到第二现场设备。
9、 根据据权利要求8所述的无线协议适配器，其中该处理单元进一步包括用于在该第一现场设备、该第二现场设备中的每一个与该无线通信网络之间 路由数据的路由器。
10、 根据据权利要求8所述的无线协议适配器，其中该有线接口进一步连 接到便携式单元；并且其中该处理单元向该便携式单元提供对该无线通信网络 的访问以进行维护或诊断中的至少一项。
11、 根据据权利要求1所述的无线协议适配器，其中该有线接口连接到该 第 一现场设备而不妨碍该第 一现场设备被连接到的原始电路的运行。
12、 一种向支持通信标准且运行在过程控制环路中的第 一现场设备提供无 线能力的方法，包括在该过程控制环路运行的同时，根据该通信标准经由有线接口与该第一现 场设备进行通信；经由无线接口与无线通信网络进行通信；以及在该有线接口与该无线接口之间传输数据以使该第一现场设备能够在该 无线通信网络中运行。
13、 根据权利要求12所述的方法，其中与该第一现场设备进行通信包括 根据与该通信标准相关联的寻址方案对该第一现场设备进行寻址，其中该寻址方案与该无线通信网络的寻址方案一致。
14、 根据权利要求13所述的方法，其中该寻址方案与HAK^通信协议相 关联。
15、 根据权利要求12所述的方法，进一步包括经由该有线接口与运行在该过程控制环路中的第二现场设备进行通信；并且支持该无线通信网络与该第一现场设备和该第二现场设备中的每一个之间的多点连接。
16、 根据权利要求12所述的方法，其中经由有线接口与该第一现场设备 进行通信包括使用模拟信令方案；其中与无线通信网络进行通信包括支持数字 通信协议；并且其中在该有线接口与该无线接口之间传输数据包括在该无线接 口的方向上执行模拟-数字转换和在该有线接口方向上执行数字-模拟转换。
17、 一种在过程控制环境下运行的多元件电路，包括第一现场设备，其执行过程控制功能或测量功能中的至少一项； 控制系统，其与该第一现场设备交换与过程控制功能或测量功能中的至少 一项相关的数据；电连接器，其将该第一现场设备以通信方式连接到该控制系统；和 被连接到该第一现场设备的无线协议适配器，用来提供该第一现场设备与 无线通信网络之间的无线通信。
18、 根据权利要求17所述的多元件电路，其中该控制系统是PLC。
19、 根据权利要求17所述的多元件电路，其中该控制系统是DCS。
20、 根据权利要求17所述的多元件电路，其中该电连接器支持与至多过 程控制功能或测量功能之一相关的通信；并且其中该无线协议适配器从该第一 现场设备接收不与所述过程控制功能或测量功能之一相关的数据。
21、 根据权利要求17所述的多元件电路，进一步包括第二现场设备；并 且其中无线协议适配器被连接到该第一现场设备并且被连接到该第二现场设 备，以提供该第一现场设备和该第二现场设备中的每一个与该无线通信网络之 间的路由。
22、 一种利用无线协议适配器扩展在过程控制环境下运行的有线现场设备 的能力的方法，包括将该有线现场设备连接到该无线协议适配器的有线接口 ； 根据该有线现场设备支持的有线通信标准在该无线协议适配器与该有线现场设备之间进行通信，以执行与无线通信协议相关联的扩展功能，其中该扩展功能不与该有线通信标准相关联；并且经由支持该无线通信协议的无线接口在无线协议适配器与无线通信网络 之间进行通信。
23、 根据权利要求22所述的方法，其中在无线协议适配器与无线通信网 络之间进行通信包括报告执行该扩展功能的结果。
24、 根据权利要求22所述的方法，其中该无线通信协议支持HAIO^通信 协议的命令组；其中该有线现场设备是4-20mA设备；并且其中该有线通信标 准与导线对上的模拟信令相关联。
25、 根据权利要求22所述的方法，其中该无线通信协议支持HAIO^通信 协议的第一命令组；其中该有线现场设备是支持第二命令组的有线HART⑧设 备，该第二命令组与HART⑧通信协议的比对应于该第一命令组的版本更老的版 本相关联；并且其中该扩展功能与该第 一命令组相关联而不与该第二命令组相 关联。
26、 根据权利要求22所述的方法，其中在该无线协议适配器与该有线现 场设备之间进行通信以执行扩展功能包括获取指示有线现场设备的状况的信 息，以报告与该无线通信协议相关联的警报或事件中的一项。
27、 根据权利要求22所述的方法，其中在该无线协议适配器与该有线现 场设备之间进行通信以执行扩展功能包括对设备数据进行轮询以支持与该无线 通信协议相关联的突发模式通信。
28、 根据权利要求22所述的方法，其中在该无线协议适配器与该有线现 场设备之间进行通信以执行扩展功能包括经由该无线接口从该无线通信网络接收块模式传输的请求；根据该有线通信标准检索设备数据；在该无线协议适配器处緩冲该设备数据；并且经由该无线网络将该设备数据传输给该无线通信网络。
29、 根据权利要求28所述的方法，其中该设备数据是在该有线现场设备 处执行的测量程序。
全文摘要
一种在过程系统中使用的无线协议适配器包括无线接口，其使用无线通信协议与多节点无线通信网络进行通信；有线接口，其通过有线链路连接到第一现场设备；以及处理单元，其在该无线通信网络与该第一现场设备之间传输过程数据以实现该无线通信网络中作为不同的网络节点的该第一现场设备和该无线协议适配器的运行。
文档编号H04L12/28GK101682545SQ200880019540
公开日2010年3月24日 申请日期2008年4月11日 优先权日2007年4月13日
发明者埃里克·D·罗特沃尔德, 小华莱士·A·普拉特, 托马斯·P·伦瓦尔, 罗宾·S·普罗马尼克, 马克·J·尼克松 申请人:Hart通信基金会