БЕСПРОВОДНАЯ СЕТЬ ОБНАРУЖЕНИЯ И СПОСОБ ЕЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
WIRELESS SENSOR NETWORK AND OPERATING METHOD THEREOF

Настоящее изобретение относится к сетям из распределенных, беспроводных, удаленных блоков обнаружения, как правило, питаемых от аккумуляторов, которые сообщают данные из различных физических местоположений.
Такие сети обнаружения, состоящие из удаленных датчиков, являются хорошо известными и используются в разнообразных практических применениях, например, для сообщения значений температуры, давления и т.п. Указанные сети обеспечивают получение данных из большого количества различных мест, причем указанные данные могут впоследствии быть централизованно записаны, анализированы и использованы в системах управления.
Согласно многим практическим применениям задача сетей обнаружения, состоящих из удаленных датчиков, состоит в сборе данных для осуществления среднесрочного или долгосрочного мониторинга и анализа технических характеристик и, следовательно, относительно низкие значения частоты обновления могут быть приемлемыми. Тем не менее, существуют некоторые практические применения, в которых частота обновления является критичной для безопасности. Например, в сети, состоящей из датчиков содержания газа, предназначенных для обнаружения чрезмерно высоких концентраций опасного газа, оповещение о возникновении любых повышенных концентраций в максимально сжатые сроки является чрезвычайно важным. Это может быть выполнено благодаря использованию высокой частоты обновления, но указанной высокой частоты обновления достигают за счет значительного повышения потребления энергии и, следовательно, результирующего снижения ресурса аккумулятора или повышения стоимости и массы.
Настоящее изобретение направлено на решение этой проблемы и согласно первому аспекту предлагает беспроводную сеть обнаружения, содержащую по меньшей мере один блок обнаружения, содержащий датчик для обнаружения параметра, и по меньшей мере один опрашивающий узел, причем опрашивающий узел скомпонован так, чтобы периодически передавать опрашивающее сообщение в указанный блок обнаружения и получать ответное сообщение от указанного блока обнаружения, причем указанный блок обнаружения сконфигурирован (скомпонован) так, чтобы передавать указанное ответное сообщение по прошествии заранее заданной временной задержки в случаях, когда блок обнаружения не обнаруживает возникновение аварийной ситуации, а в случаях обнаружения указанной ситуации блок обнаружения скомпонован так, чтобы передавать указанное ответное сообщение до окончания заранее заданной временной задержки.
Таким образом, специалистам в данной области техники будет очевидно, что в соответствии с настоящим изобретением удаленный датчик может характеризоваться относительно низкой частотой обновления (основанной на заранее заданной временной задержке при ответе на указанное опрашивающее сообщение) в нормальных условиях, тем не менее, в случае возникновения аварийной ситуации ответ датчика может поступить быстрее. В результате обеспечивается преимущество, заключающееся в более длительном ресурсе аккумулятора, питающего удаленный блок обнаружения, при этом удаленный блок обнаружения может быть использован в критически важных для безопасности системах. Свойство, заключающееся в осуществлении заранее заданной временной задержки ответа в нормальных условиях и осуществлении его более скорой посылки в случае возникновения аварийной ситуации, является преимущественным, поскольку указанное свойство позволяет блоку обнаружения управлять посылкой ответа, при этом указанное свойство совместимо с протоколами, по которым удаленный блок обнаружения может только отвечать на опрашивающие сообщения, т.е. он не может инициировать обмен информацией.
В контексте настоящего документа под термином «заранее заданная временная задержка» подразумевают задержку, длительность которой превышает длительность задержки, которая неизбежно присутствует в системе по причине вычислительных задержек, задержки тактового сигнала и т.п.
Следует понимать, что настоящее изобретение также относится к самим блокам обнаружения, используемым в указанной сети, и, следовательно, согласно другому аспекту настоящее изобретение предлагает блок обнаружения для беспроводной сети обнаружения, причем блок обнаружения содержит датчик для обнаружения параметра и скомпонован так, чтобы периодически получать опрашивающее сообщение от опрашивающего узла и передавать ответ на указанный опрашивающий узел по прошествии заранее заданной временной задержки в случаях, когда блок обнаружения не обнаруживает возникновение аварийной ситуации, а в случаях обнаружения указанной ситуации блок обнаружения скомпонован так, чтобы передавать указанный ответ до окончания заранее заданной временной задержки.
Кроме того, настоящее изобретение относится к способу функционирования беспроводной сети обнаружения, содержащей по меньшей мере один блок обнаружения и по меньшей мере один опрашивающий узел, причем способ предусматривает: периодическую передачу опрашивающим узлом опрашивающего сообщения в указанный блок обнаружения и передачу блоком обнаружения ответа в опрашивающий узел по прошествии заранее заданной временной задержки в случаях, когда блок обнаружения не обнаруживает возникновение аварийной ситуации, а в случаях обнаружения указанной ситуации блок обнаружения передает указанный ответ до окончания заранее заданной временной задержки.
Опрашивающий узел может самостоятельно генерировать указанные опрашивающие сообщения. Согласно группе предпочтительных вариантов осуществления опрашивающий узел скомпонован так, чтобы передавать дальше опрашивающие сообщения, сгенерированные другим устройством, например, контроллером, соединенным с сетью, в состав которой входит опрашивающее устройство.
Аварийная ситуация может иметь несколько форм. Согласно группе предпочтительных вариантов осуществления указанная ситуация включает в себя обнаружение порогового значения измеряемого параметра. В случае датчика содержания газа аварийная ситуация может включать в себя обнаружение порогового значения концентрации, таким образом при обнаружении любого значения концентрации, превышающего пороговое значение, будет отмечено возникновение аварийной ситуации. Тем не менее, существует много других вариантов, таких как более низкое пороговое значение для параметра (например, содержание кислорода) или приемлемый диапазон (например, температурный диапазон), кроме того, опасные ситуации могут быть составными, то есть могут быть основаны на более чем одном параметре. Дополнительно или альтернативно аварийная ситуация может характеризоваться временным компонентом, например возникновение аварийной ситуации может включать в себя скорость изменения параметра, среднюю величину, превышение порогового значения в течение заданного периода времени или любое их сочетание.
Блок обнаружения может обнаруживать более одной аварийной ситуации либо на основании одного и того же параметра (параметров), либо на основании различных параметров, например, когда блок обнаружения содержит несколько детекторов.
Ответное сообщение может характеризоваться различными формами. Оно, предположительно, может быть одинаковым как при нормальных условиях, так и в случае возникновения аварийной ситуации, при этом опрашивающий узел учитывает только согласование по времени ответа для определения возникновения аварийной ситуации, хотя это неприемлемо для критически важных для безопасности практических применений. Согласно предпочтительной группе вариантов осуществления ответное сообщение включает в себя, в случае обнаружения аварийной ситуации, отличающееся сообщение об аварийной ситуации для того, чтобы обеспечить надежную и быструю интерпретацию сообщения об аварийной ситуации, а также осуществление сетью соответствующих указанной ситуации действий, например, при генерировании сигнала опасности. Сообщение об аварийной ситуации может включать в себя единственную метку или многозначный код состояния, например, когда блок обнаружения характеризуется обнаружением нескольких опасных ситуаций.
Ответное сообщение может содержать количественные данные, связанные с параметром (параметрами), обнаруженными блоком обнаружения. Указанные количественные данные могут формировать часть ответного сообщения при нормальных условиях, при любых условиях (как при нормальных условиях, так и при возникновении аварийной ситуации) или только при возникновении опасных ситуаций. Данные, передаваемые при возникновении аварийной ситуации, могут быть связаны с параметром, определяющим аварийную ситуацию, но это не является существенным. Например, если аварийная ситуация представляет собой возникновение избыточной концентрации газа, то сообщение об аварийной ситуации может включать в себя данные, касающиеся фактически обнаруженной концентрации.
Одиночное сообщение об аварийной ситуации передают согласно настоящему изобретению при обнаружении аварийной ситуации. Тем не менее, предпочтительно сообщение посылают циклично, предпочтительно с большей частотой, чем нормальное ответное сообщение. Это гарантирует, что сообщение об аварийной ситуации будет в конечном счете получено и надлежащим образом обработано, если даже один или несколько пакетов будут потеряны при передаче. Кроме того, это является преимущественным в случае, если сообщение об аварийной ситуации включает в себя количественные данные, поскольку может быть осуществлено быстрое обновление данных, что, следовательно, позволит пользователю или контролирующему программному обеспечению отслеживать развитие проблемы. Сообщения, отправленные блоком обнаружения, которые посланы в дополнение к ответным сообщениям - т.е. которые не являются прямым ответом на сообщение с запросом - обрабатывают в некоторых протоколах в качестве незапрашиваемых сообщений и могут, таким образом, характеризоваться более низким шансом на получение и надлежащую обработку опрашивающим узлом/контроллером, но, тем не менее, передача таких сообщений считается полезной.
Согласно группе предпочтительных вариантов осуществления ответное сообщение включает в себя идентификационную информацию для идентификации блока обнаружения. Тем не менее, это не является существенным. Для практического применения просто может быть необходимо, чтобы в сети было известно о возникновении аварийной ситуации, имеющей место в любой точке сети, например, для осуществления корректирующих действий, таких как отключение системы. Альтернативно, в частности, в системах, которые не являются критически важными для безопасности, опрашивающий узел может быть выполнен с возможностью осуществлять идентификацию блока обнаружения, посылающего ответ: например, поскольку блок обнаружения связан с конкретным каналом (по временному, частотному или кодовому разделению), или из сети, сконфигурированной так, что блоки обнаружения отвечают только на опрашивающие сообщения, посланные специально для них. Хотя согласно предпочтительным вариантам осуществления один или каждый опрашивающий узел связывается с несколькими блоками обнаружения, это не является существенным, он или они могут связываться только с одним блоком обнаружения.
Предпочтительно один или несколько блоков обнаружения скомпонованы так, чтобы передавать сообщения и/или данные для других блоков обнаружения или узлов сети. Это способствует созданию иерархической сети, в которой некоторые блоки обнаружения могут действовать в качестве промежуточных узлов для других блоков. В результате этого ответные сообщения из некоторых блоков обнаружения будут следовать многоскачковыми путями.
Вследствие этого опрашивающий узел может содержать датчик для обнаружения параметра для того, чтобы опрашивающий узел мог самостоятельно определить и сообщить об аварийной ситуации без необходимости осуществления связи с дополнительным опрашивающим узлом.
Предпочтительно блок обнаружения питается от аккумулятора. Это обеспечивает высокую степень гибкости в отношении его размещения. Блок обнаружения не обязательно должен питаться исключительно от одного или нескольких аккумуляторов; он также может содержать солнечные элементы или другие источники аккумулирования энергии для увеличения ресурса аккумулятора. Несколько блоков обнаружения могут совместно использовать один источник питания.
Согласно группе вариантов осуществления сеть обнаружения в соответствии с настоящим изобретением содержит несколько опрашивающих узлов, соединенных друг с другом и/или с центральным сервером при помощи сети передачи данных. Может быть использована стандартная проводная или беспроводная сеть передачи данных, например, локальная сеть Ethernet, беспроводная сеть WiFi, протоколы TCP/IP и т.п. Согласно группе вариантов осуществления используют коммуникационные технологии PROFINET и PROFIsafe.
С целью содействия этому опрашивающий узел (узлы) может (могут) питаться от сети. Центральный сервер может включать в себя встроенный опрашивающий узел.
Согласно настоящему изобретению блок обнаружения сконфигурирован так, чтобы посылать ответ (например, сообщение об аварийной ситуации) при обнаружении аварийной ситуации быстрее, чем обычно. Это по-прежнему обеспечивает заранее заданную временную задержку, но предпочтительно блок обнаружения сконфигурирован передавать указанное ответное сообщение в максимально короткие сроки после обнаружения аварийной ситуации.
Заранее заданная временная задержка в блоке обнаружения предпочтительно сконфигурирована так, чтобы ответ на опрашивающее сообщение был послан незадолго до получения следующего опрашивающего сообщения - другими словами заранее заданная временная задержка характеризуется максимальной продолжительностью без перекрытия следующего сообщения. Это максимизирует преимущество, достигаемое в соответствии с настоящим изобретением, которое заключается в возможности максимально быстро послать сообщение об аварийной ситуации в качестве ответа, если обнаружена аварийная ситуация. Кроме того, это преимущественно позволяет блоку обнаружения переходить в неактивное состояние между приемом опрашивающего сообщения и передачей ответа, в результате чего блок обнаружения переходит в активное состояние всего один раз за каждый цикл. В неактивном состоянии блок обнаружения должен только осуществлять мониторинг аварийной ситуации, а также выполнять другие существенные функции, при этом он может отключить цепь, связанную с передатчиком-приемником.
Согласно одной группе вариантов осуществления, когда опрашивающие сообщения передают с периодом Т, заранее заданная временная задержка составляет более 80% периода Т. Иначе говоря, когда аварийная ситуация не обнаружена, ответное сообщение посылают в течение последних 20% указанного периода после получения опрашивающего сообщения.
Беспроводной блок обнаружения предпочтительно скомпонован таким образом, чтобы связываться с опрашивающим узлом с использованием радиочастотных сигналов, хотя согласно некоторым вариантам осуществления возможно использование других типов сигналов для связи в одном или обоих направлениях, например, ультразвуковых сигналов, инфракрасных сигналов и т.п.
Согласно одной группе вариантов осуществления управление (либо при помощи внутренних систем, либо при помощи внешнего контроллера) опрашивающим узлом осуществляют так, чтобы посылать сообщения с запросом более часто в случае получения сообщения об аварийной ситуации. Предпочтительно в этом случае опрашивающий узел должен послать управляющее сообщение в блок обнаружения для того, чтобы вызвать соответствующее снижение заранее заданной временной задержки в блоке обнаружения. В результате этого блок обнаружения может более часто посылать ответные сообщения (т.е. сообщения, которые будут гарантированно получены исходя из выбранного протокола). Дополнительно или альтернативно, в случае получения сообщения об аварийной ситуации, блок обнаружения может передавать дополнительные, незапрашиваемые сообщения, которые не являются ответными сообщениям и, следовательно, не обязательно будут получены опрашивающим узлом или обработаны узлом или контроллером.
Любое повышение частоты отправки сообщений с запросом может, например, происходить только в течение определенного периода времени или до тех пор, пока присутствие аварийной ситуации не будет устранено.
Сеть обнаружения может быть основана на любом из множества различных протоколов, например на беспроводном протоколе HART (Highway Addressable Remote Transducer), но согласно группе вариантов осуществления указанная сеть основана на стандарте IS А100, установленном Международным Обществом Автоматизации (International Society of Automation).
Параметр, обнаруживаемый блоком обнаружения, может быть любым из множества различных вариантов, зависящих от практического применения. Согласно группе вариантов осуществления блок обнаружения включает в себя датчик содержания газа.
Далее будет описан предпочтительный вариант настоящего изобретения, представленный лишь в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлено схематическое представление сети обнаружения в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 2 представлена временная диаграмма связи, относящаяся к нормальному функционированию;
на фиг. 3 представлена временная диаграмма связи, относящаяся к функционированию при возникновении аварийной ситуации.
Вначале рассмотрим фиг. 1, на которой представлена сеть, состоящая из блоков 2, 4 обнаружения содержания углеводородных газов. Каждый из блоков 2, 4 обнаружения содержит газовый детектор и радиочастотный передатчик-приемник, работающий на частоте 2,4 ГГц, который разработан для функционирования с использованием стандарта ISA100.11a или беспроводного протокола связи HART, причем передатчик-приемник соединен с антенной 3. Разумеется, эти конкретные детали приведены лишь в целях иллюстрации и могут быть использованы другие датчики и/или способы связи.
Некоторые из блоков 2 обнаружения выполнены с наличием прямого канала 6 двусторонней радиосвязи со шлюзом или прокси сервером 8, который функционирует в качестве опрашивающего узла, что будет описано более подробно далее. Остальные блоки 4 выполнены с наличием радиоканалов с другими блоками 2, что обеспечивает многоскачковую связь между удаленным блоком 4 обнаружения и шлюзом 8. В этом случае блоки 2 обнаружения с прямым каналом функционируют в качестве промежуточных узлов. Блоки обнаружения могут быть идентичными блоками и, при необходимости, могут быть настроены в качестве промежуточных блоков. Альтернативно, некоторые блоки могут быть способны функционировать только в качестве удаленных узлов. Кроме того, возможны другие топологические схемы и иерархические структуры, и, таким образом, путь от данного блока обнаружения к основной сети может включать в себя два или более скачков.
Шлюз 8 соединен с локальной сетью Ethernet 10, к которой также присоединен контроллер 12, который управляет функционированием указанной системы. Указанное функционирование будет описано далее со ссылками на фиг. 2 и 3.
При нормальном функционировании, как представлено на фиг. 2, шлюз 8 согласно команде, полученной от контроллера 12, передает каждые двадцать секунд опрашивающее сообщение, содержащее нисходящее сообщение safeReq(x), на данный блок 2 обнаружения, запрашивая подтверждение наличия безопасных условий от указанного блока обнаружения. Блок 2 обнаружения получает сообщение safeReq(x), и переходит на восемнадцать секунд в неактивное состояние, в котором происходит отключение питания цепи приемо-передающего устройства и всех других несущественных подсистем. По истечении восемнадцати секунд блок обнаружения переходит в активное состояние для того, чтобы осуществить создание и передачу ответных пакетов safeRes(x) на основании последнего полученного сообщения safeReq(x). Ответный пакет safeRes(x) приходит в шлюз 8, после чего шлюз направляет его в контроллер 12. Вскоре после этого контроллер 12 инициирует посылку следующего сообщения safeReq(x+1) и процесс повторяется. Таким образом, блок обнаружения осуществляет один прием и одну передачу каждые двадцать секунд.
Функционирование при возникновении аварийной ситуации изображено на фиг. 3. Согласно представленному на этой схеме первые опрашивающие сообщения safeReq(x) передаются контроллером 12 через шлюз 8, и соответствующий ответ safeRes(x) приходит только по прошествии восемнадцати секунд. Затем передают следующее опрашивающее сообщение safeReq(x+1), при этом блок 2 обнаружения выведен из неактивного состояния, в котором он должен был бы находится в течение последующих восемнадцати секунд, посредством своего газового детектора, который обнаружил наличие концентрации углеводородного газа, превышающей заданное пороговое значение, что представляет собой аварийную ситуацию (также возможны другие опасные ситуации). В течение следующих двух секунд блок обнаружения 2 передает ответ на опрашивающее сообщение safeReq(x+1) в форме сообщения об аварийной ситуации safeRes(x+1). Следует иметь в виду, что ответ послан раньше, чем должен быть послан в обычном случае. Он также будет содержать различную информацию, включающую метку для того, чтобы пометить указанный ответ как сообщение об аварийной ситуации. Сообщение об аварийной ситуации safeRes(x+1) попадает в контроллер 12, который может предпринять соответствующее действие, такое как включение звукового сигнала опасности, закрытие предохранительного клапана и т.п. После передачи запрашиваемого сообщения SafeRes(x+1), блок обнаружения 2 продолжает посылать незапрашиваемые сообщения Unsafe(), которые содержат данные, отображающие фактические измерения концентрации при помощи детектора. Сообщение Unsafe() повторяют каждые две секунды для того, чтобы обеспечить актуальную информацию в отношении концентрации газа, до тех пор, пока блок обнаружения 2 не будет перезагружен. При передаче следующего опрашивающего сообщения safeReq(x+2) (не показано), исходя из того, что аварийная ситуация все еще существует, блок обнаружения будет отвечать, как и ранее, посредством «безопасного» - т.е. запрашиваемого - ответного сообщения safeRes(x+2), сопровождаемого группой сообщений Unsafe(). Это будет продолжаться до тех пор, пока контроллер 12 не подаст команду шлюзу 8 осуществить посылку сообщения о перезагрузке в блок 2 обнаружения.
Таким образом, видно, что при нормальном использовании в течение двадцатисекундного периода существует только один прием и одна передача данных (при этом фактически передача предыдущего ответа происходит сразу же перед получением следующего сообщения), следовательно, блок обнаружения может большую часть времени находиться в неактивном режиме и, следовательно, потреблять очень малое количество энергии. Тем не менее, в случае возникновения аварийной ситуации он может передать сообщения об аварийной ситуации в течение двух секунд. Поскольку указанное сообщение об аварийной ситуации рассматривается в качестве ответа на опрос/опрашивающее сообщение, шлюз 8 способен мгновенно принимать и обрабатывать указанное сообщение. Таким образом, обеспечивают эффективную настройку беспроводной связи с асимметричным выделением полосы пропускания: один раз в каждые двадцать секунд для нисходящего канала, но до одного раза в каждые две секунды для восходящего канала. Эта конфигурация позволяет детекторам пройти сертификацию в соответствии со стандартом SIL2 с одновременным обеспечением продолжительного ресурса аккумулятора. Кроме того, связь между блоками обнаружения и опрашивающим узлом сконфигурирована так, чтобы включать в себя время ожидания, идентификацию датчика и проверки данных на непротиворечивость, что само по себе известно из области техники, для обеспечения выполнения стандарта безопасности SIL2.
Период опроса, составляющий двадцать секунд, установлен таким образом, чтобы два последовательных пакета могли быть потеряны в течение времени безопасности процесса, составляющего шестьдесят секунд, без нарушения функционирования блока обнаружения.