WirelessHART适配器、网络节点及网络的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种WirelessHART适配器，用于将HART设备接入WirelessHART网络。所述WirelessHART适配器包括：电源模块，用于为WirelessHART适配器中的用电部件提供电能；HART模块，用于与HART设备进行符合HART协议的数据通信；WirelessHART无线模块，用于与WirelessHART网络中的其它节点以及网关之间进行符合WirelessHART协议的无线数据通信；控制模块，分别与HART模块、WirelessHART无线模块连接，用于实现WirelessHART协议与HART协议之间的数据转换。本实用新型还公开了一种WirelessHART网络节点及WirelessHART网络。本实用新型可方便且低成本地实现现有HART设备的无线组网。
【专利说明】
Wirel essHART适配器、网络节点及网络
技术领域
[0001]本实用新型公开了一种WirelessHART适配器，属于无线传感器网络技术领域。
【背景技术】
[0002]HART (Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国R0SEM0UNT公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过20多年的发展，HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。随着无线技术的发展，将现场大量HART装置组成无线传感器网络以实现数据无线通信也成为必然。
[0003]WirelessHART是第一个开放式的可互操作无线通信标准，用于满足流程工业对于实时工厂应用中可靠、稳定和安全的无线通信的关键需求。经过29个国家投票表决，WirelessHART通讯规范(HART7.1)于2008年9月19日正式获得国际电工标准委员会(IEC)的认可，成为一种公共可用的规范。该标准能够从正式发布到获得IEC的认可，原因是:首先，可用性和继承性很好。其二，支持WirelessHART无线标准的供应商产品化进程一直没有停歇。其三，技术开放性比较好。
[0004]WirelessHART是用于过程自动化的无线网状网络通信协议。除了保持现有HART设备、命令和工具的能力，它增加了HART协议的无线能力。每个WirelessHART网络包括三个主要组成部分:I)连接到过程或工厂设备的无线现场设备。2)使这些设备与连接到高速背板的主机应用程序或其他现有厂级通信网络能通信的网关。3)负责配置网络、调度设备间通信、管理报文路由和监视网络健康的网管软件。网管软件能和网关、主机应用程序或过程自动化控制器集成到一起。
[0005]随着无线通信技术、嵌入式系统和传感器技术的飞速发展和日益成熟，WirelessHART将不可避免地取代有线HART JirelessHART通讯的使用和调试非常方便，它能与原有仪表和控制系统完全兼容，只要是基于HART的设备、应用软件和工作流程等都可继续保留使用。WirelessHART网络使用兼容运行在2.4GHz工业、科学和医药等频段上的无线电 IEEE802.15.4标准。
[0006]鉴于工业现场HART设备巨大的保有量，有必要设计一种WirelessHART适配器，可低成本地将HART设备接入WirelessHART网络。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种WirelessHART适配器，可方便且低成本地实现现有HART设备的无线组网。
[0008]本实用新型具体采用以下技术方案解决上述技术问题:
[0009]一种Wire I essHART适配器，用于将HART设备接入Wire I essHART网络，所述WirelessHART适配器包括:电源模块，用于为WirelessHART适配器中的用电部件提供电能；HART模块，用于与HART设备进行符合HART协议的数据通信;WirelessHART无线模块，用于与WirelessHART网络中的其它节点以及网关之间进行符合WirelessHART协议的无线数据通信;控制模块，分别与HART模块、WirelessHART无线模块连接，用于实现WirelessHART协议与HART协议之间的数据转换。
[0010]优选地，控制模块与WirelessHART无线模块之间利用符合HART协议的报文格式进行串口通信。
[0011 ] 优选地，所述Wire IessHART适配器具有正常工作模式和休眠模式两种工作模式。
[0012]根据相同的实用新型思路还可以得到以下技术方案:
[0013]一种WirelessHART网络节点，包括HART设备以及与所述HART设备连接的如上任一技术方案所述WirelessHART适配器。
[0014]一种WirelessHART网络，包括网关以及可与网关进行WirelessHART无线通信连接的一组节点，所述节点为上述WireIessHART网络节点。
[0015]相比现有技术，本实用新型具有以下有益效果:
[0016]本实用新型WirelessHART适配器可使得现有大量HART设备快捷方便地实现WirelessHART组网，利用WirelessHART网络的优良性能实现工业现场的信息交互，并且本实用新型结构简单，可以利用市场上的成熟产品搭建，实现成本低廉。
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型WirelessHART适配器一个具体实施例的结构示意图；
[0018]图2为本实用新型WirelessHART适配器的软件架构；
[0019]图3为本实用新型WirelessHART网络的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明:
[0021 ] 本实用新型WirelessHART适配器包括:电源模块，用于为WirelessHART适配器中的用电部件提供电能;HART模块，用于与HART设备进行符合HART协议的数据通信；
[0022]WirelessHART无线模块，用于与WirelessHART网络中的其它节点以及网关之间进行符合WirelessHART协议的无线数据通信;控制模块，分别与HART模块、WirelessHART无线模块连接，用于实现WirelessHART协议与HART协议之间的数据转换。
[0023]图1显示了本实用新型WirelessHART适配器的一个具体实施例。如图1所示，该WirelessHART适配器包括:电源模块、HART模块、WirelessHART无线模块、控制模块这四个主要部件。
[0024]其中，电源模块是为系统提供稳定的电源，电池或外部电源所提供的电能经电源模块处理之后转换为与系统中用电部件相适配的电压(例如+3V);本实施例中采用电池供电，电源模块采用TPS61020升压芯片。
[0025]HART模块通过有线方式与现场的HART设备连接，双方之间的数据通信符合HART协议;本实施例中的HART模块采用型号为A5191HRT的调制解调器芯片。
[0026]WirelessHART无线模块通过无线方式与WirelessHART网络中的其它节点以及网关之间进行符合WirelessHART协议的无线数据通信，本实施例中WirelessHART无线模块型号为Awia_220，其与控制模块之间采用串口通信，此串口是AwiaTech公司为使该模块能够给用户提供二次开放而开发的接口，并且定义了在串口上传输数据的格式。该格式是一个与WirelessHART无线模块通信的规范，只有符合这个格式才能与WirelessHART无线模块正常通信。
[0027]控制模块是本实用新型WirelessHART适配器的心脏，用于实现Wire IessHART协议与HART协议之间的数据转换，其所要执行的主要任务包括:测量4?20mA模拟回路的电流值、执行从HART设备获得的数据并控制转发、负责向现场仪表发送命令并控制转发、接收和发送来自WirelessHART模块的无线数据等。本实施例中控制模块采用型号为EFM32G230F128的微控制器，它是全世界最低功耗的32位处理器，具有灵活的能耗管理系统和丰富的外围设备接口。
[0028]本实用新型WirelessHART适配器软件提供的主要任务包括:DWirelessHART数据传输功能，以建立与WirelessHART网络的通信。2)HART数据传输功能，此功能建立现场侧的HART仪表通信，以进行数据交换。3)命令的处理功能，以将从WirelessHART端或从HART端接收的命令进行处理。
[0029]图2显示了本实用新型WireI essHART适配器的软件架构。如图2所示，该WirelessHART适配器采用yC/OS-1I作为其操作系统。yC/OS-1I是得到美国航空管理局认证的一款可移植、可固化、可裁剪的多任务抢占式实时操作系统，其代码开源，相比于其他主流的嵌入式操作系统，它移植到CPU的过程较为简单，更加稳定可靠。WirelessHART适配器软件部分主要包括4个任务:有线端传输任务、无线端传输任务、命令处理任务和仲裁机任务。4个任务独立工作，并通过内部变量实现任务同步和数据交换。
[0030]其中，有线端传输任务主要负责微控制器EFM32G230F128与下层HART仪表之间的通信，通过此任务可以建立起WirelessHART适配器与现场侧HART仪表的连接。
[0031]无线端传输任务主要负责微控制器EFM32G230F128与WirelessHART无线模块之间的通信，通过此任务可以将WirelessHART适配器连接至WirelessHART网络。
[0032]命令处理任务主要负责处理从WirelessHART端或HART端接收的命令，它分为多个不同的命令处理子程序，以处理不同的命令。
[0033]仲裁机任务主要负责解决多个处理器同时访问共享资源引起的冲突和竞争，它既考虑实时要求，又自动调节各个处理器占据的总线带宽，防止系统性能下降。
[0034]低功耗的研究是WirelessHART研究热门之一，也是工业无线网络研究的共同问题。本【具体实施方式】中WireIessHART适配器也采用了降低功耗的方案，具体为:该WirelessHART适配器具有正常工作模式和休眠模式两种工作模式，在需要进行数据传输时进入正常工作模式，当无数据需要传输时，等待预设时间后系统进入低功耗的休眠模式。
[0035]将本实用新型WirelessHART适配器的HART模块与现场的HART设备连接，即可构成WirelessHART网络的一个节点，从而可进行WirelessHART组网。图3显示了本实用新型WirelessHART网络的基本结构，如图3所示，该WirelessHART网络主要包括HART现场设备、WirelessHART适配器、WirelessHART现场设备、WirelessHART网关、网络管理器、安全管理器、WirelessHART接入点、路由设备、WirelessHART手持设备以及上位机。
[0036]其中，配有WirelessHART适配器的HART现场设备与WirelessHART现场设备统称为无线现场设备，是实现现场感知或执行功能的基本设备。现场设备被连接到工业过程上用来监测和控制工业过程，它们能够产生、汇集和路由WirelessHART数据报，并且支持所有HART通用命令，其供电方式可以是电池、有线电源或回路电源等。
[0037]本实用新型WirelessHART适配器可以将HART现场设备连入WirelessHART网络，它满足HART通信和Wire I essHART通信的所有要求。
[0038]WirelessHART网关负责将WirelessHART网络与工厂自动化网络相连，并允许这两种网络之间交互HART命令、隧道信息和数据诊断信息。WirelessHART网关常常扮演着服务器的角色，其功能主要包括收集、维护和缓存来自于WirelessHART网络设备的数据和命令响应，然后将这些数据和响应发送给上位机。
[0039]网络管理器是整个WirelessHART网络的核心，负责所有WirelessHART网络通信资源的管理、调度、监测和优化，包括组建网络、配置网络设备、监测网络状况、诊断网络性能、调度通信资源、管理端到端的通信以及建立与网关的安全连接等。
[0040]安全管理器和网络管理器协同工作以保证WirelessHART网络免受敌对威胁，它们之间的工作模式是客户机/服务器模式。安全管理器负责产生和管理WirelessHART网络所用到的密码信息，也负责产生、存储和管理各种会话密钥。
[0041 ] WirelessHART接入点不能直接与工业过程相连，它的一边通过专用通信端口与WirelessHART网关相连，另一端与工厂主干网络相连。WirelessHART接入点连接现场设备到网关，并通过网络路径与现场设备通信。在大型的WirelessHART网络中，可提供多个WirelessHART接入点来增强网络的可靠性和有效吞吐量，并实现网络冗余。
[0042]在WirelessHART网络中，路由设备可以是独立的路由器，也可以由WirelessHART网络设备担任。路由设备能为一个网络设备转发数据报给另一个网络设备。虽然安装一些独立的路由器可以改善网络性能，但在通常情况下，布置冗余的WirelessHART接入点更好，因为WirelessHART接入点能提高整个网络的吞吐量，实现网络冗余。
[0043]WirelessHART手持设备作为一种便携式网络维护设备，它采用特殊的配置来建立自己与相连设备之间的会话。通常情况下，WirelessHART手持设备被限制为每次只能与网络管理器和网关进行通信，或者每次只能与WirelessHART现场设备进行通信。
[0044]上位机与WirelessHART网关之间的通信是通过套接字的，其中网关的默认端口为8890，而上位机的端口默认为8891。上位机提供了一个与网关进行通信的接口，以便通过此接口与网关进行数据交换。上位机需要完成的主要任务包括:I)通过网络接口向网关发送命令，从而得到网关的信息及网关下层的节点信息。2)完成从网关的数据接收工作。3)对接收的数据进行解析处理。4)将适配器和仪表的状态显示出来，提供可视化界面，以方便地对WirelessHART适配器和HART仪表的状态进行监控。
[0045]需要特别指出的是，本实用新型所涉及软件部分均可采用现有技术实现，本实用新型的创新之处在于适配器的结构;本领域技术人员根据本实用新型所公开的技术方案可构建出适用于现有HART设备的WirelessHART适配器。
【主权项】
1.一种WirelessHART适配器，用于将HART设备接入WirelessHART网络，其特征在 于，所述WirelessHART适配器包括: 电源模块，用于为WirelessHART适配器中的用电部件提供电能； HART模块，用于与HART设备进行符合HART协议的数据通信； WirelessHART无线模块，用于与WirelessHART网络中的其它节点以及网关之间进行符合WirelessHART协议的无线数据通信； 控制模块，分别与HART模块、WirelessHART无线模块连接，用于实现WirelessHART协议与HART协议之间的数据转换。2.如权利要求1所述WirelessHART适配器，其特征在于，控制模块与WirelessHART 无线模块之间利用符合WirelessHART协议的报文格式进行串口通信。3.如权利要求1所述WirelessHART适配器，其特征在于，其具有正常工作模式和休 眠模式两种工作模式。4.如权利要求1所述WirelessHART适配器，其特征在于，所述HART模块使用型号 为A519IHRT的调制解调器芯片。5.如权利要求1所述WirelessHART适配器，其特征在于，所述控制模块使用型号为 EFM32G230F128的微控制器。6.如权利要求1所述WirelessHART适配器，其特征在于，WirelessHART模块的型号 为Awia_220o7.—种WirelessHART网络节点，包括HART设备以及与所述HART设备连接的如权 利要求I?6任一项所述Wire IessHART适配器。8.一种WirelessHART网络，包括网关以及可与网关进行WirelessHART无线通信连接 的一组节点，其特征在于，所述节点为权利要求7所述Wir e Ies sHART网络节点。
【文档编号】H04W88/02GK205596147SQ201620370073
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】章伟, 朱林峰, 胡金德, 高天龙, 戚新建, 周鹏
【申请人】南京工业大学