一种基于TDMA的无线网关冗余方法与流程

一种基于tdma的无线网关冗余方法
技术领域
1.本发明涉及工业无线网络技术，具体的公开了一种基于tdma的无线网关冗余方法。


背景技术：

2.基于tdma的工业无线技术能够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。在实际应用中，单机工作的无线网关存在很多弊端，比如无法保证单一节点故障不影响系统，路由节点功耗过高等问题。
3.在现有的方案中，无线hart协议中提出接入点(ap)冗余的方法，但接入点冗余需要给仪表分配冗余的link来保证无线的可靠性，这种方式即占用了无线hart宝贵的链路资源，又增加了无线传感器的整体功耗。


技术实现要素：

4.本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种基于tdma的无线网关冗余方法，在不增加网络链路资源和仪表功耗的同时，保证网络的可靠性，且能够通过主副网关的部署来拓展无线hart网络的覆盖范围。
5.本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：本发明提出的一种基于tdma的无线网关冗余方法，应用于至少包括一个主网关、一个副网关和若干无线设备的无线网络中，通过信号线连接的所述主网关和副网关分别连接冗余网络，任意一个所述无线设备与主网关或副网关无线通讯，所述基于tdma的无线网关冗余方法，具体包括：主网关基于tdma配置时隙并将配置的时隙同步至副网关；所述主网关和副网关基于配置的时隙分别和其管理的无线设备进行通讯，以及，主网关和副网关之间基于配置的时隙同步信息；主网关或副网关任意一个故障，则另一网关基于同步信息接管故障网关对应的无线设备。
6.进一步的，所述配置的时隙至少包括主网关和副网关用于和无线设备进行通讯的第一时间，以及，主网关和副网关之间用于串口通讯的第二时间。
7.统一预分配无线设备进行无线通讯的时隙，以及，预分配两个网关之间串口通讯的时隙。
8.进一步的，所述主网关基于tdma配置时隙并将配置的时隙同步至副网关，具体包括：主网关基于tdma配置时隙，并基于第二时间广播发送时间同步报文；所述副网关初始化后监听时间同步报文，并基于时间同步报文，校准与主网关的时间偏差。
9.主副网关的时隙初步同步。
10.进一步的，所述主网关和副网关基于配置的时隙分别和其管理的无线设备进行通讯，以及，主网关和副网关之间基于配置的时隙同步信息，具体包括：主网关或副网关基于第一时间分别与无线设备通讯，从而获得无线设备的实时数据；所述主网关或副网关基于第二时间通过串口通讯同步数据至副网关或主网关，其中，同步数据至少包括主网关/副网关的管理数据和无线设备的实时数据。
11.进一步的，所述主网关和副网关之间基于配置的时隙同步信息，还包括副网关发送时间校准请求至主网关，主网关回复带有时间偏差的回文数据，所述副网关基于回文数据校准与主网关的时间偏差。
12.每次网关之间通讯均进行时间校准。
13.进一步的，若同步的数据超过数据收发时间所能发送的数据大小，则待同步数据基于数据收发时间分包，并将未同步的数据在下一个时隙的数据收发时间发送，直至完成同步的数据发送。
14.进一步的，还包括主网关或副网关同步数据至dcs控制系统。
15.在主网关或副网关均正常工作时，都通过一个网关同步数据至dcs控制系统。
16.进一步的，所述主网关和副网关之间采用rs485通讯。
17.本发明的有益效果是：
18.1、采用同时工作的使用同一个网络id的主副无线网关，分别管理无线设备，且两个网关之间实时实现数据同步，在一个网关故障后，另一个网关直接接管掉线网关管理的无线设备，无线设备无需重新加入网络；
19.2、通过tdma技术预分配时隙保证主副网关不会将同一个时隙的link分配给无线设备；
20.3、可分别接入dcs冗余网络，保证单一节点故障不影响系统的正常工作，通过一个网关上传实时数据至dcs系统，保证了dcs系统ab网络数据包序号的一致性。
21.4、基于rs485的网关间高精度时钟同步，可以使主副网关之间达到微秒级的高精度时间同步，保证一个网关故障后，另一个网关的的无缝对接。
22.5、采用rs485通讯的主副网关的远距离部署可延长无线网络的有效范围，分担路由节点的路由通信压力，降低路由节点的整体功耗。
23.6、主副网关之间实时同步各自网络管理器的数据和无线仪表上送的数据，主副网关的网络管理器同时工作。
附图说明
24.图1为本发明实施例的控制系统示意图；
25.图2为本发明实施例的基于tdma的无线网关冗余方法流程示意图；
26.图3位本发明实施例的配置的时隙示意图。
具体实施方式
27.本发明提出的无线网关冗余方法，是基于tdma技术实现的。本发明中提到的tdma，又叫做时分多址，是通信技术中基本多址技术之一，原理是在一个宽带的无线载波上，按时隙划分为若干个时分信道，每个用户(如无线传感器)占用一组时隙，且只能在指定的时隙内收发数据，故称为时分多址。工业领域中常见的基于tdma的无线技术有wireless hart、wia-pa、isa1
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.11a等。这种时分多址技术是让若干个用户共同使用一个信道，例如把一个载波在不同的时间上进行切片，分为8个时隙给8个用户用，由于占用的时间不同，所以相互之间不会干扰。显然，在相同信道数的情况下，采用时分多址要能容纳更多的用户。
28.本发明提出的的一种基于tdma的无线网关冗余方法，应用于至少包括一个主网
关、一个副网关和若干无线设备组成的无线网络中，如图1所示，通过信号线连接的主网关和副网关分别连接dcs控制系统的冗余网络，任意一个无线设备与主网关或副网关无线通讯，本发明实施例的一种基于tdma的无线网关冗余方法，如图2所示，具体包括：主网关基于tdma配置时隙并将配置的时隙同步至副网关；主网关和副网关基于配置的时隙分别和其管理的无线设备进行通讯，以及，主网关和副网关之间基于配置的时隙同步信息；主网关或副网关任意一个故障，则另一网关基于同步信息接管故障网关对应的无线设备。
29.为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。
30.s1、主网关基于tdma配置时隙并将配置的时隙同步至副网关。
31.如图1所示，系统中有2个网关和3个无线传感器，2个网关分别作为主网关和副网关，通过信号线连接。主网关和副网关分别用于和dcs系统的ab网进行通讯。分别为无线传感器1、无线传感器2和无线传感器3。主网关基于tdma技术配置时隙。
32.在一些实施方式中，预配置的时隙如图3所示，预配置的时隙即包括主网关和副网关用于和无线设备进行通讯的第一时间。第一时间不仅仅指的是一个时隙，而是对应于为多个无线设备进行无线通讯的时隙，例如对应图3所示的slot1和slotn，分别为无线设备1和无线设备n分配的通讯时隙。预配置的时隙还包括在用于无线网关之间串口通讯的第二时间，第二时间中包括若干时隙，如图3所示的slot2和slot3为无线网关之间通讯分配的时隙。每个时隙还分为等待偏差时间，等待数据时间和回复ack的时间。
33.主网关初始化后并配置完成时隙，则在第二时间通过串口信号发送时间同步报文至副网关。
34.在一些实施方式中，串口信号采用rs485信号，由于rs485通讯具有传输距离长的特点，从而可以实现主网关和副网关不需要配置在同一位置，实现远距离部署，扩大网络范围。
35.在一些实施方式中，副网关不在线或者还未完成初始化，主网关也持续发送同步消息，直至副网关完成初始化后，副网关监听主网关发送的时间同步报文，接收到时间同步报文，从而校准时隙的偏差，计算晶振补偿数值，完成了主网关和副网关的初步时间同步。主网关和副网关的时间是单独通过晶振来计算的，而晶振和晶振之间本身就是有偏差的。所以一开始的时间同步是通过收到主网关的rs485数据包来计算时间偏差，例如，副网关计算是从1.800ms时刻收到数据，实际上从1.810ms收到，表明自身在一个通讯周期内慢了0.010ms，所以补偿这个时间就可以了实现了网关之间的时间同步。
36.在本发明的一个实施例中，主副网关各自运行网络管理器，通过预分配时隙保证主副网关不会将同一个时隙的link分配给无线设备，并且同时都开启无线功能。
37.需要说明的是，在实际使用中，相对于网关和无线设备的通讯来说，网关和网关之间有较大的通讯流量，因此需要多分配一些时隙才能满足通讯要求，结合实际需求，一般分配20％时隙给网关间的串口通讯，每秒大约有200ms用作串口通讯，速率大约为20kb/s，基本满足网关间的数据交互带宽要求。
38.s2，主网关和副网关基于配置的时隙分别和其管理的无线设备进行通讯，以及，主网关和副网关之间基于配置的时隙同步信息。
39.在一些实施方式中，无线设备会判断两个网关的信号质量来决定加入哪一个网
关。因此，在某一时刻，仅有一个网关和无线设备进行通讯。
40.在图3中，以主网关基于预设的时隙1与无线传感器1进行无线通讯，副网关基于预设的时隙n和无线传感器n进行无线通讯，主网关和副网关基于预设的时隙2与无线传感器3进行串口通讯。在本发明的一个实施例中，时隙1和时隙n共同组成第一时间。时隙2和时隙3共同组成第二时间。
41.主网关和无线传感器1无线通讯的实时数据在预设的时隙2通过串口通讯发副网关，副网关也将和无线传感器n无线通讯的实时数据在在预设的时隙n发送至主网关。
42.主网关或副网关在第二时间除了通过串口通讯同步实时数据，还同步主网关和副网关的管理数据。
43.一般wireless hart的时隙为10ms，网关之间的串口通信也在无线通讯的时隙(10ms)中收发，以串口通讯的10ms的时隙为例，
44.副网关发送同步数据至主网关，在串口通讯的10ms的时隙里，前1.5ms作为固定偏移时间用来等待偏差，若主副网关的偏差时间为0.01ms，则等待偏差的时间为0.01ms，固定偏移时间1.5ms的其他时间空置。在固定偏移时间后预设最大的数据收发时间，在本发明的一个实施例中，预留最大6.5ms用于副网关向主网关发送同步数据。若发送的数据量较小，例如2ms数据即可发送完数据，则后续2ms为主网关回复的ack的时间，则在这个10ms的时隙中，占用了前面5.5ms的时间用来完成串口通讯，其余时间空置。若需要同步数据的数据量较大，则将同步的数据根据6.5ms的数据收发量进行分包，一个时隙内未完成同步的数据，在下个一串口通讯的时隙中完成。直至完成所有数据的同步。
45.在本发明的实施例中，副网关发送同步数据至主网关的数据，还包括确定包，确认包都带有第一时间偏差，主网关回复的ack中包括第二时间偏差，副网关则基于收到的第二时间偏差，进一步校准时间。每次通讯使用时间偏差进一步校准时间，保证主副网关的时间偏差《10us。
46.s3，主网关或副网关故障，则另一网关基于同步信息管理所有无线设备。
47.由于主网关和副网关的数据实时同步，因此当其中一个网关故障掉线后，另一个网关能够直接接管故障网关管理的无线设备，无线设备无需重新加入网络。由于无线设备加入网关的过程由于不休眠，功耗较高。采用本技术的技术方案可以降低仪表整体的功耗。从而延长仪表的电池使用寿命。
48.在一些实施方式中，主网关和副网关分别和dcs控制网的a、b网进行通讯，但是在控制网角度，对应的是数据序号一致的冗余网关。在对上发布实时数据时，主网关会将实时数据通过rs485通讯发送给副网关，副网关将通过rs485通讯收到的数据通过以太网上送给dcs系统，保证了dcs系统ab网络数据包序号的一致性。
49.通过本发明的基于tdma的无线网关冗余方法，其中一个网关故障掉线后，另一个网关能够直接接管掉线网关下的仪表，仪表无需重新加入网络。并且基于网关间的串口通讯，一般是使用rs485串口通讯方式,实现了网关间高精度时钟同步和数据同步，以及主副网关的远距离部署。
50.需要说明的是：在其他实施例中并不一定按照本说明书示出和描述的顺序来执行相应方法的步骤。在一些其他实施例中，其方法所包括的步骤可以比本说明书所描述的更多或更少。此外，本说明书中所描述的单个步骤，在其他实施例中可能被分解为多个步骤进
行描述；而本说明书中所描述的多个步骤，在其他实施例中也可能被合并为单个步骤进行描述。
51.以上仅描述了本发明的基本原理和优选实施方式，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本发明的保护范围。