基于ISA100．11a標準的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺的設計與實現(xiàn)

摘要：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是未來幾年工業(yè)自動化產(chǎn)品新的增長點。作者所在實驗室作為Voting Member和ISA WCI工作組成員參加ISA100.11a標準的制定，研發(fā)了基于ISA100．11a的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議棧軟件、網(wǎng)絡設備及終端設備，研制的ISA100．11a工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺具有完善的硬件、軟件產(chǎn)品及技術(shù)支持，核心技術(shù)已經(jīng)形成專利池，可廣泛應用于智能工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、智能電網(wǎng)等應用系統(tǒng)的開發(fā)，并已經(jīng)在中國四聯(lián)集團、韓國漢陽大學等單位得到應用。

關(guān)鍵詞：ISA100．11a；物聯(lián)網(wǎng)；無線網(wǎng)絡；通信

0 引言

以工業(yè)無線技術(shù)為代表的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是繼現(xiàn)場總線之后，工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個熱點技術(shù)，是降低工業(yè)自動化成本、提高自動化系統(tǒng)應用范圍最有潛力的技術(shù)。美國總統(tǒng)科技顧問委員會在“面向21世紀的聯(lián)邦能源研究與發(fā)展規(guī)劃”中指出：工業(yè)無線技術(shù)的應用將使工業(yè)生產(chǎn)效率提高10％，并使排放和污染降低25％，是未來幾年工業(yè)自動化產(chǎn)品新的增長點。

目前，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面，國際上已經(jīng)形成了WiHART、lSA100．11a以及WIA-PA三個標準共存的局面。重慶郵電大學是國際上參與研發(fā)和應用工業(yè)無線通信技術(shù)最早的單位之一，不僅作為核心成員制定了WIA-PA標準，還作為VotingMember和ISA WCI工作組成員，參加了ISA 100．11a標準制定。同時研發(fā)了基于ISA100．11a的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議棧軟件、網(wǎng)絡設備及終端設備，形成了一套完整的ISA100.11a網(wǎng)絡系統(tǒng)。其核心技術(shù)已經(jīng)形成專利池，從而實現(xiàn)了我國面向工業(yè)測量與控制的無線通信技術(shù)與產(chǎn)品的跨越式發(fā)展，使國內(nèi)在此領(lǐng)域直接跨入國際前沿水平。

1 平臺系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)與通信原理

1. 1 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

ISA100．11a能支持小同的網(wǎng)絡拓撲，主要有星型結(jié)構(gòu)和Mesh結(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡拓撲具有容易實現(xiàn)、實時性高等優(yōu)點，但是僅限于單跳范圍，所以，在ISA100．11a網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中引入了骨干網(wǎng)。骨干網(wǎng)是一個高速網(wǎng)絡，可有效擴大網(wǎng)絡覆蓋面積并減小數(shù)據(jù)時延?，F(xiàn)場設備先通過骨干路由器接入骨干網(wǎng)組成ISA100．11a DL子網(wǎng)，然后由ISA100．11a DL子網(wǎng)和骨干網(wǎng)組成ISA100．11a網(wǎng)絡，其網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 平臺系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)平臺根據(jù)功能可劃分為上位機系統(tǒng)(PC機)、路由、無線網(wǎng)關(guān)和多個終端節(jié)點四部分，平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。終端設備配置了傳感器(溫濕度傳感器、煙霧傳感器、瓦斯傳感器等)，可進行數(shù)據(jù)的采集，然后通過無線模塊把數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰酚?；路由收到?shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)刮網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)具有系統(tǒng)管理器和安全管理器的功能，在對數(shù)據(jù)進行必要的處理后，通過以太網(wǎng)或串口傳輸把數(shù)據(jù)傳到上位機；上位機可進行顯示界面，并可以通過對數(shù)據(jù)的提取、處理和控制管理來實時觀測和監(jiān)控各個傳感器節(jié)點的運行狀態(tài)。

2 平臺硬件構(gòu)成和設計

基于ISA100．11a的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺包括符合ISA100．11a標準的工業(yè)無線協(xié)議棧、網(wǎng)絡設備、應用設備以及組態(tài)軟件。平臺系統(tǒng)的硬件構(gòu)成實物圖如圖3所示，系統(tǒng)中集成了不同類型的設備和不同級別的節(jié)點，主要包括1個網(wǎng)關(guān)、3個煙霧傳感器、2個溫濕度傳感器、1個仿真器和若干配線。

2．1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點

ISA100．11a網(wǎng)關(guān)是一種集成有ISA100．11a核心協(xié)議的短程無線通信設備，工作在基于工業(yè)標準802．15．4的2．4 GHz頻段。網(wǎng)關(guān)負責整個網(wǎng)絡的調(diào)度、管理和優(yōu)化，統(tǒng)一為網(wǎng)絡設備分配通信資源，調(diào)度網(wǎng)絡設備的通信，同時監(jiān)控和報告網(wǎng)絡運行狀態(tài)。另外，ISA100．11a網(wǎng)關(guān)還是全網(wǎng)的時間同步源和均衡網(wǎng)絡負載，是整個網(wǎng)絡的核心。

網(wǎng)關(guān)底板上的ARM處理器選用美國ATMEL公司的AT91R40008微處理器，它集成有帶ARM7TDMI核的32位微處理器和豐富的資源，片內(nèi)用大量的分組寄存器和8個優(yōu)先級向量中斷控制器來實時快速地處理中斷。ISA100．11a網(wǎng)關(guān)可支持一個或多個網(wǎng)絡接入點和服務接入點。網(wǎng)絡接入點提供有與其他網(wǎng)絡連接的接口，比如工廠自動化網(wǎng)絡，目前提供有串口和以太網(wǎng)兩種連接方式。其硬件設計結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

2．2 路由節(jié)點

ISA100．11a路由器為低能耗的短程無線網(wǎng)絡通信設備，可自帶電源，使用全球免費的2．4 GHz頻段。其作用是連接網(wǎng)絡終端設備使其入網(wǎng)，具備網(wǎng)絡路由功能，并可轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理和安全管理功能。

路由設備主要由CC2530芯片、電源模塊、天線模塊、晶體振蕩電路四部分組成。CC2530無線接收器用于處理收到的數(shù)字信號并恢復正確的傳輸數(shù)據(jù)，然后把要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器中，再根據(jù)IEEE802．15．4標準，把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4位通過32碼片的擴頻序列擴頻后送到DA變換器，然后調(diào)制到2．4 GHz的設定信道上，最后經(jīng)放大后通過天線發(fā)射出去。

2．3 傳感器節(jié)點

傳感器設備主要由傳感器模塊、CC2530芯片、電源模塊、天線模塊和晶體振蕩電路五部分組成。

ISA100．11a普通節(jié)點具有易使用、易集成等優(yōu)點，可以方便地與傳感器、儀表進行連接，可配置多種類型的傳感器，例如溫濕度傳感器、CO傳感器、瓦斯傳感器、煙霧傳感器、粉塵傳感器、壓力變送器、閥門定位器、電動執(zhí)行器等。

3 關(guān)鍵技術(shù)

ISA100．11a網(wǎng)絡協(xié)議可解決與其他短距離無線網(wǎng)絡的共存性問題以及線通信的可靠性和確定性問題，其核心技術(shù)包括精確時間同步技術(shù)、自適應跳信道技術(shù)、確定性調(diào)度技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈路層子網(wǎng)路由技術(shù)和安全管理方案等，并具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、準確、實時、低功耗等特點。

3．1 精確時間同步技術(shù)

ISA100．11a網(wǎng)絡拓撲有兩層結(jié)構(gòu)，分別為骨干網(wǎng)和DL子網(wǎng)，因此，本設計根據(jù)網(wǎng)絡層次結(jié)構(gòu)采用了分級同步的思想進行時間同步。

網(wǎng)關(guān)在形成網(wǎng)絡時，可向骨干路由器發(fā)送裝載有時間同步信息的廣播幀來進行骨干網(wǎng)的時間同步；當骨干網(wǎng)完成時間同步后，骨干路由器便向其所在的DL子網(wǎng)內(nèi)的終端設備發(fā)送廣播幀來進行時間同步。這樣，經(jīng)過兩級同步后，就可以達到全網(wǎng)同步的目的。

在ISA100．11a網(wǎng)絡中，廣播幀是時間同步信息的載體，因此，要根據(jù)廣播幀的幀格式來添加時間同步信息。廣播幀時間同步流程如圖5所示。

3．2 自適應跳信道技術(shù)

ISA100．11a網(wǎng)絡支持與其他無線短距離網(wǎng)絡的共存，比如IEEE 802．11網(wǎng)絡、基于IEEE 802 15．4標準的無線網(wǎng)絡(ZigBee、Wireless HART、6LoWPANs、藍牙以及RFID系統(tǒng))。ISA100．11a工作在全球免費的2．4 GHz頻段，為了避免信號干擾，設計時要解決在2.4 GHz頻段網(wǎng)絡的共存性問題。

ISA100．11a網(wǎng)絡通過采用跳信道技術(shù)來避免信號干擾，跳信道包括時隙跳頻、慢跳頻和混合跳頻三種信道模式，不同的運行模式對應著不同的時隙配置方式。跳信道技術(shù)可減少設備在同一條信道上工作的時間，因而減少了對其他無線設備的影響；同時由于可在其他信道重發(fā)數(shù)據(jù)包，進而增加了網(wǎng)絡的抗干擾能力；網(wǎng)絡同時使用自適應跳信道技術(shù)，來實時檢測并刪除頻譜中被使用的信道，以提高與其他射頻系統(tǒng)的共存能力，同時也屏蔽了傳輸數(shù)據(jù)差的信道，有效地增加了系統(tǒng)的可靠性。

3．3 確定性調(diào)度技術(shù)

由于ISA100．11a骨干網(wǎng)一般采用有線技術(shù)或Wi-Fi無線技術(shù)，所以，ISA100．11a數(shù)據(jù)鏈路層的通信調(diào)度技術(shù)是面向ISA100．11a DL子網(wǎng)的。其主要功能是在相互競爭的用戶之間分配通信資源，從而避免沖突，提高吞吐量和帶寬利用率，解決現(xiàn)場設備間數(shù)據(jù)通信的確定性、可靠性和實時性等問題。

4 應用案例

本設計的ISA100．11a工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺可配套433 MHz、780 MHz和2.4 GHz等三個頻段的硬件平臺，并在實驗室搭建了基于CC2530芯片的測試系統(tǒng)，并可長期運行。圖6所示系統(tǒng)就是由1個網(wǎng)關(guān)、6個路由器、甲烷傳感器、溫濕度傳感器、壓力變送器(四聯(lián)公司)、智能電表等11個終端設備組成的ISA100．11a無線測控系統(tǒng)測試平臺。

圖7所示是ISA100.11a網(wǎng)絡的上位機監(jiān)控組態(tài)界面。圖中顯示了網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)以及每個終端設備的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。經(jīng)過對系統(tǒng)的測試和分析所采集的數(shù)據(jù)包，表明整套系統(tǒng)運行穩(wěn)定。由此驗證了本文研究的基于ISA100．11a標準的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺的可行性和穩(wěn)定性。

ISA100．11a網(wǎng)絡可通過網(wǎng)關(guān)采集過程參數(shù)或環(huán)境參數(shù)，從而對生產(chǎn)流程或工廠環(huán)境進行監(jiān)控，并可應用于多種工業(yè)場。

中國四聯(lián)儀器儀表集團有限公司采用本平臺開發(fā)了基于ISA100．11a協(xié)議棧的溫度變送器，構(gòu)建了如圖8所示的ISA100.11a無線測控系統(tǒng)，用于對工廠環(huán)境的溫度進行監(jiān)測。智能溫度變送器具有周期性上傳溫度值和休眠等功能，經(jīng)過長期測試及試驗表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，完全可以達到現(xiàn)場應用的要求。

5 結(jié)語

以工業(yè)無線技術(shù)為代表的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是降低工業(yè)自動化成本、擴大自動化系統(tǒng)應用范圍最有潛力的技術(shù)。本平臺具有開發(fā)簡單、使用方便和組網(wǎng)靈活等優(yōu)點，用戶可根據(jù)應用場景自由構(gòu)建自己的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以滿足工業(yè)用戶的多種需求，因而具有很好的應用前景。