一种适用于工业现场的无线网络可视化配置系统及方法与流程

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种适用于工业现场的无线网络可视化配置系统及其方法。

背景技术：

无线网络依靠其低成本、高度灵活性和扩展性等特点，成为工业信息化研究的一个新热点。然而，无线网络仍存在一些固有的不足，如管理难度大，当业务变动需改变无线节点配置时，工作量、维护成本非常高。通信链路可靠性差，可能产生丢包或不确定时延，甚至节点宕机，一但发生故障难以查询与修复。无线网络的上述缺陷为工业现场的布网、网络运行过程中的稳定性和数据传输的可靠性带来了挑战。因此，开发适用于工业现场的无线网络可视化配置系统具有很强的实用价值。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种应用于工业无线网络的快速构建、可视化配置及故障监测的适用于工业现场的无线网络可视化配置系统及方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述系统由控制终端、无线网关和若干无线节点组成；控制终端与无线网关通过无线技术进行连接，无线网关与无线节点之间也通过无线通信技术进行连接；所述控制终端集中式的为无线节点分配地址、规划数据传输路径、设置节点属性，为无线网络的配置提供解决方案；无线网关是无线节点与控制终端之间通信的媒介，通过协议转换分发配置指令，实现控制终端对无线网络节点的配置与监测；无线节点用于工业无线网络中数据的传输，接受控制终端的配置，可依据设置反馈自身网络状态信息，以实现控制终端对网络状态的分析与监控。

进一步的，所述无线节点预留工业现场通用的通信接口，便于挂载各种现场设备。

进一步的，所述无线网关用于异构网络的融合，通过无线网关进行协议转换，实现工业无线网络与wi-fi网络之间的转换，实现控制终端对无线网络节点的配置与监测。

一种适用于工业现场的无线网络可视化配置的方法，包括如下步骤：

步骤1，在控制终端中导入工业现场地图，设置无线节点数量以及节点位置，此项设置应与现场实际状况相对应，初始化控制终端；

步骤2，控制终端通过扫描无线节点机身二维码实现对节点的绑定，建立节点与控制终端中节点模型的映射关系；

步骤3，无线节点经初始化后扫描其周围可通讯范围内的无线节点，将节点信息与通信链路质量等信息通过无线网关发送至控制终端，为控制终端的网络配置提供参考信息；

步骤4，通过控制终端配置网络全局参数，如骨干网长度，网络深度，每簇节点个数等，作为地址分配策略各段地址长度设置的依据；

步骤5，在控制终端通过滑动等手势操作，配置网络拓扑，控制终端依据步骤3反馈信息与步骤4网络全局参数，对不合理配置提出建议；

步骤6，控制终端依据地址分配策略和第5步中的配置为网络中每一节点分配网络地址，发送配置指令；

步骤7，设置节点详细信息，如目的地址，工作模式，发送功率，发送重试次数等参数；

步骤8，无线节点接收配置信息，完成自身配置和路由寻址，依据配置传输其通信接口数据；

步骤9，控制终端通过发送查询指令查询网络状态，节点收到指令后，反馈节点自身信息以及通信链路质量，控制终端依据反馈信息可视化地分析网络状态，提示通信质量不佳的链路以及离线的无线节点。

进一步的，步骤4中，所述地址分配策略将网络中不同节点分为骨干节点和枝干节点；

所述骨干节点的主要作用是建立骨干网络，提高网络覆盖区域，允许其他无线节点接入，并为其转发数据；

所述枝干节点往往通过预留的通信接口与现场设备相连接，发送或接收现场设备数据；

所述的地址分配策略将16位网络地址分为主地址和从地址，主地址和从地址长度可依据实际需求灵活配置，主地址为网络地址的前n位，用于区分与骨干网相连接的枝干节点，具有相同主地址的节点为此骨干节点的后代节点；从地址长度为16-n位，主要用于区分枝干节点，与主地址不同的是，从地址会依据网络深度进行分段，进而将每簇节点再次进行细分；其中，每簇簇头节点与骨干网节点通信所需路由跳数定义为网络深度；各段地址长度配置完成后，对无线节点进行地址分配，不同类型的节点具有不同的地址分配策略：

各段地址长度与相应网络参数对照表如表1所示。

表1各段地址长度与网络参数对照表

对于骨干节点，依据其主地址长度与距离无线网关的跳数决定，主地址从0依次递增，直至最大骨干网长度时不允许再次加入骨干节点，对于骨干节点而言，其从地址始终为0；

对于枝干节点，所有枝干节点的主地址均为其祖先骨干节点，从地址依据每段地址长度与节点的网络深度计算，地址从高位到低位依次计算，待分配地址节点的网络深度为m时，前m-1段从地址与其父节点相同，第m段从地址依据加入父节点的顺序依次递增，每簇节点达到最大值后，不再允许新节点加入该簇；类似的，第m段之后的从地址均为0。

进一步的，在步骤8中，所述的路由寻址的内容如下：

对于骨干节点而言，分为以下情况：

(1-1)目的地址为骨干节点，当目的地址为上行骨干节点，则将数据包转发至父骨干节点；否则转发给子骨干节点；

(1-2)目的地址为自身枝干节点，直接将数据转发给相应子节点；

(1-3)目的地址为其他骨干节点的枝干节点，依据(1-1)先将数据转发至相应骨干节点，再依据(1-2)将数据转发至目的节点；

对于枝干节点而言，主要分为如下情况：

(2-1)目的地址为骨干节点，将数据发送给父节点；

(2-2)目的地址为自身枝干节点，将数据转发至相应子节点；

(2-3)目的地址为其他骨干节点的枝干节点，先将数据转发至自身骨干节点，经骨干网，将数据转发至目的节点所属骨干节点，再向下转发。

进一步的，步骤8中，通信接口为符合工业标准的通用通信接口，通过该通信接口，可挂载工业现场工控设备、传感器设备。

进一步的，步骤2中，所述二维码标签是用以区分不同节点设备的唯一标识。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、无线节点将自身状态信息上传，状态信息通过无线网关汇集，控制终端依据实际需求与现场节点状态对网络进行集中式的配置，使各个无线节点负载均衡，降低无线节点数据传输时的丢包率。配置完成后，无线节点即可依据配置对预留通信接口所产生的数据进行收发。通过控制终端可实现对无线网络状态的监测，一旦产生故障，网络管理员可根据异常信息便捷的对故障进行排查，提高无线网络的可靠性。

2、可视化配置系统对无线网络的各项配置更加灵活，控制终端可以对网络中的无线节点进行集中式的地址分配与数据传输路径规划；且无线节点预留工业现场通用通信接口，系统通用性强；本系统具有可视化的移动控制终端，操作简便界面友好，更加适用于工业现场网络的配置与巡检。

附图说明

图1为本发明的系统结构组成示意图；

图2为本发明的无线节点结构框图；

图3为本发明的无线网关结构框图；

图4为本发明的控制终端结构框图；

图5为本发明网络地址分段示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明所述系统包括无线网关；无线节点；控制终端。

所述的无线节点：主要用于工业无线网络中数据的传输，接受控制终端的配置，可依据设置反馈自身网络状态信息，以实现控制终端对网络状态的分析与监测；

无线节点结构框图如图2所示，主要包括射频模块，mcu模块，电源模块，rs485通信模块，串口下载、通信模块，拨码开关等。射频模块用于无线网络数据的调制解调；mcu模块用于驱动射频模块，处理节点相应逻辑；电源模块用于对节点供电，同时起到稳压作用；rs485通信模块用于与工业现场设备相连接，将设备数据以无线的形式进行收发；串口下载、通信模块主要用于对无线节点下载和调试程序；拨码开关用于设置选择不同的功能。

所述的无线网络节点可为zigbee网络。

所述的无线网关：用于异构网络的融合，通过协议转换，实现工业无线网络与wi-fi网络之间的转换，进而实现控制终端对无线网络节点的配置与监测。

所述的无线网关通过与控制终端进行数据交互，上传无线网络中各个节点状态信息，接收控制终端生成的配置指令，并下发。无线网关需验证控制终端用户是否合法，防止网络被恶意攻击与篡改。

无线网关结构框图如图3所示。无线网关在无线节点基础上增加wi-fi模块实现与wi-fi网络的融合，其中mcu模块与wi-fi模块之间通过uart串行接口进行通信。

所述的控制终端：用于集中式地配置网络参数，分配无线节点网络地址，配置节点属性、数据传输路径，显示网络状态信息，通信链路质量等信息。

控制终端结构框图如图4所示，控制终端主要功能为：

(1)通过从无线网关获取网络状态信息，对信息进行分析处理，可视化的显示无线网络状态，实时显示当前空间无线网络的拓扑结构，节点间的链路质量等信息。

(2)控制终端可对整个无线网络参数进行可视化配置，生成配置文件，下发至无线网关，进而实现对任意节点的监测与配置。

(3)控制终端可对网络状态数据进行备份，网络发生故障后，便于对现场网络状态的恢复。

所述的控制终端的主要特点为可视化，界面直观，操作简便，便于携带，基于android系统实现。

一种适用于工业现场的无线网络可视化配置的方法，具体包括以下步骤：

步骤一：在控制终端中导入工业现场地图，设置无线节点数量以及节点位置，此项设置应与现场实际状况相对应，初始化控制终端。该操作的目的在于使现场网络更加直观，用户仍可在后续操作中修改节点位置或者添加删除节点。

步骤二：控制终端通过扫描无线节点机身二维码实现对节点的绑定，建立节点与控制终端中节点模型的映射关系。二维码标签为区分不同节点设备的唯一标识。

步骤三：无线节点经初始化后扫描其周围可通讯范围内的无线节点，将节点信息与链路质量等信息通过无线网关发送至控制终端，为控制终端的网络配置提供参考信息。

步骤四：通过控制终端配置网络全局参数，如骨干网长度，网络深度，每簇节点个数等，作为地址分配策略各段地址长度设置的依据。

步骤五：在控制终端通过滑动等手势操作，配置网络拓扑。控制终端依据步骤三反馈信息与步骤四网络全局参数，对不合理配置提出建议。

步骤六：控制终端依据地址分配策略和第五步中的配置为网络中每一节点分配网络地址，发送配置指令。配置指令经无线网关发送至相应无线节点。

所述的地址分配策略将网络中不同节点分为骨干节点和枝干节点。

所述的骨干节点的主要作用是建立骨干网络，提高网络覆盖区域，允许其他无线节点接入，并为其转发数据。

所述的枝干节点往往通过预留的通信接口与现场设备相连接，发送或接收设备所产生的数据。

所述的地址分配策略将16位网络地址分为主地址和从地址，主地址和从地址长度可依据实际需求灵活配置，主地址为网络地址的前n位，用于区分与骨干网相连接的枝干节点，具有相同主地址的节点为此骨干节点的后代节点。从地址长度为16-n位，主要用于区分枝干节点，与主地址不同的是，从地址会依据网络深度进行分段，进而将每簇节点再次进行细分。其中，每簇簇头节点与骨干网节点通信所需路由跳数定义为网络深度。例如图5所示的网络地址分段示例图，主地址为4位，从地址为12位，并分为3段。各段地址长度配置完成后，对无线节点进行地址分配，不同类型的节点具有不同的地址分配策略。

对于骨干节点，依据其主地址长度与距离无线网关的跳数决定，主地址从0依次递增，直至最大骨干网长度时不允许再次加入骨干节点，对于骨干节点而言，其从地址始终为0。如当主地址长度为4时，无线网关的子骨干节点地址为0x1000，其孙子骨干节点地址为0x2000，直至达到0xf000时，达到最大骨干网长度。

对于枝干节点，所有枝干节点的主地址均为其祖先骨干节点，从地址依据每段地址长度与节点的网络深度计算，地址从高位到低位依次计算，待分配地址节点的网络深度为m时，前m-1段从地址与其父节点相同，第m段从地址依据加入父节点的顺序依次递增，每簇节点达到最大值后，不再允许新节点加入该簇。类似的，第m段之后的从地址均为0。值得注意的是，当节点离开网络后，应对地址进行回收与再次利用，避免地址资源的浪费，使网络可以容纳更多的节点。每段地址的计算实质上为一递归过程，依据本协议，可简便地计算出当前节点的父节点地址与子节点地址。如对于骨干节点0x2000而言，若其从地址每段长度为4，其子枝干节点的地址为0x2100-0x2f00，该簇最多可容纳16个节点。

步骤七：设置节点详细信息，如目的地址，工作模式，发送功率，发送重试次数等参数。

步骤八：无线节点接收配置信息，完成自身配置，依据配置传输其rs485通信接口数据。

步骤八中无线节点在路由寻址时分为如下情况：

对于骨干节点而言，主要分为如下情况：

(1)目的地址为骨干节点，当目的地址为上行骨干节点，则将数据包转发至父骨干节点；否则转发给子骨干节点。

(2)目的地址为自身枝干节点，直接将数据转发给子节点。

(3)目的地址为其他骨干节点的枝干节点，依据(1)先将数据转发至相应骨干节点，再依据(2)将数据转发至目的节点。

对于枝干节点而言，主要分为如下情况：

(1)目的地址为骨干节点，将数据发送给父节点。

(2)目的地址为自身枝干节点，将数据转发至相应子节点。

(3)目的地址为其他骨干节点的枝干节点，先将数据转发至自身骨干节点，经骨干网，将数据转发至目的节点所属骨干节点，再向下转发。

如对于主地址长度为4，最大网络深度为3的无线网络，源节点地址为0x2100，其目的节点地址为0x1100，当进行路由寻址时，数据包首先被转发至骨干节点0x2000，骨干节点0x2000判断为上行数据，将数据转发至骨干节点0x1000，此时目的节点为其子节点，骨干节点0x1000则将数据转发至0x1100，进而实现节点0x2100到节点0x1100的路由寻址。

步骤九：控制终端通过发送查询指令查询网络状态，节点收到指令后，反馈节点自身信息以及通信链路质量信息，控制终端依据反馈信息可视化地分析网络状态，提示通信质量不佳的链路以及离线的无线节点。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。