0 引言

       以工業(ye)(ye)(ye)無(wu)(wu)線技術為代表的(de)(de)工業(ye)(ye)(ye)物聯網技術是繼現場總線之后，工業(ye)(ye)(ye)控制(zhi)領域的(de)(de)又一(yi)個熱點技術，是降低工業(ye)(ye)(ye)自動(dong)化成本(ben)、提高自動(dong)化系統應(ying)用(yong)范圍最(zui)有(you)潛力的(de)(de)技術。美國總統科技顧問(wen)委員會在“面(mian)向21世紀的(de)(de)聯邦能源研究與(yu)發(fa)展規劃”中指出：工業(ye)(ye)(ye)無(wu)(wu)線技術的(de)(de)應(ying)用(yong)將使工業(ye)(ye)(ye)生(sheng)產(chan)效率(lv)提高10％，并使排放和污染降低25％，是未來幾年工業(ye)(ye)(ye)自動(dong)化產(chan)品新(xin)的(de)(de)增長點。

       目前，在物(wu)聯網技(ji)(ji)(ji)術(shu)方面(mian)，國(guo)(guo)際上已經形(xing)(xing)成了(le)WiHART、lSA100．11a以及WIA-PA三個標準共存的(de)局面(mian)。重(zhong)慶郵電大(da)學是(shi)國(guo)(guo)際上參(can)與(yu)研(yan)發和(he)應(ying)用工業無線通信(xin)技(ji)(ji)(ji)術(shu)最早的(de)單位之一，不僅作為核心(xin)成員制(zhi)定了(le)WIA-PA標準，還(huan)作為VotingMember和(he)ISA WCI工作組(zu)成員，參(can)加了(le)ISA 100．11a標準制(zhi)定。同(tong)時研(yan)發了(le)基于ISA100．11a的(de)工業物(wu)聯網通信(xin)協議棧軟件、網絡(luo)設(she)備及終端設(she)備，形(xing)(xing)成了(le)一套完整的(de)ISA100.11a網絡(luo)系(xi)統(tong)。其核心(xin)技(ji)(ji)(ji)術(shu)已經形(xing)(xing)成專利(li)池，從而實(shi)現了(le)我國(guo)(guo)面(mian)向工業測量與(yu)控制(zhi)的(de)無線通信(xin)技(ji)(ji)(ji)術(shu)與(yu)產品的(de)跨(kua)越式發展，使國(guo)(guo)內在此領域直(zhi)接跨(kua)入國(guo)(guo)際前沿水(shui)平。

       1 平(ping)臺系統的(de)功能結(jie)構與通信(xin)原理(li)

  ;     1. 1 網(wang)絡拓撲結構

       ISA100．11a能支持(chi)小同的網(wang)絡拓(tuo)(tuo)(tuo)撲(pu)，主要有星型(xing)結構(gou)(gou)和Mesh結構(gou)(gou)。星型(xing)網(wang)絡拓(tuo)(tuo)(tuo)撲(pu)具有容易實(shi)現、實(shi)時(shi)性高等優點，但是僅限于單跳范圍，所以，在ISA100．11a網(wang)絡結構(gou)(gou)中引入了(le)骨(gu)(gu)干網(wang)。骨(gu)(gu)干網(wang)是一個高速網(wang)絡，可有效擴大(da)網(wang)絡覆蓋面(mian)積并減(jian)小數據時(shi)延。現場設備先通過骨(gu)(gu)干路由(you)器接入骨(gu)(gu)干網(wang)組成ISA100．11a DL子網(wang)，然后(hou)由(you)ISA100．11a DL子網(wang)和骨(gu)(gu)干網(wang)組成ISA100．11a網(wang)絡，其網(wang)絡拓(tuo)(tuo)(tuo)撲(pu)結構(gou)(gou)如圖1所示。

       1．2 平(ping)臺系統的功能結構

       本系統平臺根據(ju)(ju)(ju)(ju)(ju)功(gong)能可(ke)劃分為上(shang)(shang)位機系統(PC機)、路由(you)(you)(you)、無線(xian)網(wang)關和(he)多個(ge)終端節(jie)點四部分，平臺的系統結構(gou)如圖(tu)2所示(shi)。終端設備(bei)配置(zhi)了傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(溫濕度(du)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)、煙霧(wu)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)、瓦(wa)斯傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)等)，可(ke)進(jin)行(xing)(xing)數據(ju)(ju)(ju)(ju)(ju)的采集，然(ran)后通過(guo)無線(xian)模塊把(ba)(ba)數據(ju)(ju)(ju)(ju)(ju)傳(chuan)輸到(dao)(dao)路由(you)(you)(you)；路由(you)(you)(you)收到(dao)(dao)數據(ju)(ju)(ju)(ju)(ju)后轉發刮網(wang)關；網(wang)關具有系統管(guan)理器(qi)和(he)安全(quan)管(guan)理器(qi)的功(gong)能，在對數據(ju)(ju)(ju)(ju)(ju)進(jin)行(xing)(xing)必要(yao)的處(chu)理后，通過(guo)以太網(wang)或串口傳(chuan)輸把(ba)(ba)數據(ju)(ju)(ju)(ju)(ju)傳(chuan)到(dao)(dao)上(shang)(shang)位機；上(shang)(shang)位機可(ke)進(jin)行(xing)(xing)顯示(shi)界(jie)面，并可(ke)以通過(guo)對數據(ju)(ju)(ju)(ju)(ju)的提取、處(chu)理和(he)控制管(guan)理來實時觀(guan)測和(he)監控各個(ge)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)節(jie)點的運(yun)[FS:PAGE]行(xing)(xing)狀態。

       2 平臺硬件構成(cheng)和(he)設計

 ;      基于ISA100．11a的工業(ye)物(wu)聯網開發平臺包括符合ISA100．11a標準的工業(ye)無(wu)線協議棧、網絡設備、應(ying)用設備以及(ji)組態軟件。平臺系(xi)統的硬件構成實(shi)物(wu)圖如圖3所示，系(xi)統中集成了不同類型(xing)的設備和不同級別的節點，主(zhu)要包括1個網關、3個煙霧傳感器、2個溫濕(shi)度傳感器、1個仿真(zhen)器和若干配(pei)線。

       2．1 網關節點(dian)

       ISA100．11a網(wang)(wang)(wang)(wang)關是(shi)一種集(ji)成有ISA100．11a核(he)心協議(yi)的(de)短程(cheng)無線通信(xin)設(she)(she)備，工作(zuo)在(zai)基于工業(ye)標準802．15．4的(de)2．4 GHz頻段。網(wang)(wang)(wang)(wang)關負責(ze)整個網(wang)(wang)(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)的(de)調(diao)度、管理和優化，統(tong)一為網(wang)(wang)(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)設(she)(she)備分配(pei)通信(xin)資(zi)源，調(diao)度網(wang)(wang)(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)設(she)(she)備的(de)通信(xin)，同時監控和報告網(wang)(wang)(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)運(yun)行狀(zhuang)態(tai)。另外，ISA100．11a網(wang)(wang)(wang)(wang)關還是(shi)全網(wang)(wang)(wang)(wang)的(de)時間同步源和均衡網(wang)(wang)(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)負載(zai)，是(shi)整個網(wang)(wang)(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)的(de)核(he)心。

       網關底板上的ARM處(chu)理(li)器選(xuan)用美(mei)國ATMEL公司(si)的AT91R40008微(wei)處(chu)理(li)器，它集成有(you)帶(dai)ARM7TDMI核的32位微(wei)處(chu)理(li)器和(he)豐富的資源，片內用大量(liang)(liang)的分組寄存器和(he)8個優(you)先級向量(liang)(liang)中斷控制器來實(shi)時快速地處(chu)理(li)中斷。ISA100．11a網關可(ke)支(zhi)持一個或多個網絡(luo)接入點和(he)服務接入點。網絡(luo)接入點提(ti)供有(you)與其他網絡(luo)連(lian)(lian)接的接口，比如工廠(chang)自動化網絡(luo)，目前提(ti)供有(you)串口和(he)以太網兩(liang)種連(lian)(lian)接方式。其硬件設(she)計(ji)結構框圖如圖4所(suo)示。

       2．2 路由節(jie)點(dian)

       ISA100．11a路由(you)(you)器為低能(neng)耗的短程無(wu)線網(wang)絡(luo)通信(xin)設備，可自(zi)帶電源，使用全球免費的2．4 GHz頻段。其(qi)(qi)作用是(shi)連接網(wang)絡(luo)終端設備使其(qi)(qi)入網(wang)，具備網(wang)絡(luo)路由(you)(you)功能(neng)，并可轉發數據(ju)、系統管理(li)和安全管理(li)功能(neng)。

       路(lu)(lu)由設備主(zhu)要(yao)由CC2530芯片、電源模(mo)塊、天(tian)線(xian)(xian)模(mo)塊、晶體振蕩電路(lu)(lu)四部分組成。CC2530無(wu)線(xian)(xian)接收(shou)器(qi)用于(yu)處理收(shou)到(dao)的(de)(de)數字信號并(bing)恢復正確的(de)(de)傳輸數據(ju)，然(ran)后(hou)把要(yao)發送(song)的(de)(de)數據(ju)送(song)入128字節的(de)(de)發送(song)緩存器(qi)中，再根據(ju)IEEE802．15．4標(biao)準，把需(xu)要(yao)發送(song)的(de)(de)數據(ju)流(liu)的(de)(de)每(mei)4位通過32碼片的(de)(de)擴頻序列(lie)擴頻后(hou)送(song)到(dao)DA變換器(qi)，然(ran)后(hou)調制(zhi)到(dao)2．4 GHz的(de)(de)設定信道上(shang)，最后(hou)經放大后(hou)通過天(tian)線(xian)(xian)發射(she)出去。

       2．3 傳感(gan)器節點

       傳(chuan)感(gan)器設備(bei)主要由傳(chuan)感(gan)器模塊(kuai)(kuai)、CC2530芯片(pian)、電源模塊(kuai)(kuai)、天線模塊(kuai)(kuai)和晶體振蕩(dang)電路五(wu)部分組成(cheng)。

     &nb[FS:PAGE]sp; ISA100．11a普通節點具有易(yi)使用、易(yi)集(ji)成等(deng)優(you)點，可(ke)以方便地與傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)、儀表進行(xing)連接，可(ke)配(pei)置多種類(lei)型的(de)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)，例如溫濕度傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)、CO傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)、瓦(wa)斯傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)、煙霧傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)、粉塵傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)、壓力變送器(qi)、閥(fa)門定位器(qi)、電(dian)動(dong)執(zhi)行(xing)器(qi)等(deng)。

       3 關鍵技術

       ISA100．11a網(wang)絡協議可(ke)解決與其(qi)他(ta)短距離無線網(wang)絡的(de)共存性問(wen)題以及線通信的(de)可(ke)靠(kao)性和確(que)定性問(wen)題，其(qi)核心(xin)技(ji)術包括精(jing)確(que)時間同步技(ji)術、自適應跳信道技(ji)術、確(que)定性調度技(ji)術、數(shu)據鏈路層子網(wang)路由技(ji)術和安(an)全管(guan)理方案(an)等，并(bing)具有(you)數(shu)據傳輸可(ke)靠(kao)、準確(que)、實時、低功耗等特點(dian)。

       3．1 精確時間同步技術

       ISA100．11a網絡拓撲有兩(liang)層結構，分別為骨干網和(he)DL子網，因此，本設(she)計根據網絡層次(ci)結構采用了(le)分級(ji)同步的(de)思想進行時間同步。

       網(wang)關在(zai)形(xing)成網(wang)絡時(shi)(shi)，可(ke)向(xiang)(xiang)骨(gu)干路由器發送裝載有(you)時(shi)(shi)間(jian)(jian)同(tong)步(bu)信(xin)息的廣播(bo)(bo)幀(zhen)來進行(xing)骨(gu)干網(wang)的時(shi)(shi)間(jian)(jian)同(tong)步(bu)；當(dang)骨(gu)干網(wang)完成時(shi)(shi)間(jian)(jian)同(tong)步(bu)后，骨(gu)干路由器便向(xiang)(xiang)其所在(zai)的DL子網(wang)內的終(zhong)端設備發送廣播(bo)(bo)幀(zhen)來進行(xing)時(shi)(shi)間(jian)(jian)同(tong)步(bu)。這樣，經過兩級同(tong)步(bu)后，就可(ke)以達(da)到全網(wang)同(tong)步(bu)的目的。

       在ISA100．11a網絡中(zhong)，廣(guang)播幀(zhen)(zhen)是時(shi)間(jian)同步(bu)(bu)信息的載體(ti)，因此(ci)，要根據廣(guang)播幀(zhen)(zhen)的幀(zhen)(zhen)格式來添加時(shi)間(jian)同步(bu)(bu)信息。廣(guang)播幀(zhen)(zhen)時(shi)間(jian)同步(bu)(bu)流程如圖5所示。

       3．2 自適應(ying)跳信道(dao)技術

       ISA100．11a網(wang)(wang)絡支持與其他無(wu)(wu)線短距(ju)離網(wang)(wang)絡的共存，比如IEEE 802．11網(wang)(wang)絡、基于(yu)IEEE 802 15．4標準的無(wu)(wu)線網(wang)(wang)絡(ZigBee、Wireless HART、6LoWPANs、藍牙以及(ji)RFID系統(tong))。ISA100．11a工(gong)作在(zai)全球免費的2．4 GHz頻(pin)段，為了避免信號干擾，設計(ji)時(shi)要解決在(zai)2.4 GHz頻(pin)段網(wang)(wang)絡的共存性問題。

       ISA100．11a網(wang)絡(luo)通過(guo)采用跳(tiao)(tiao)信(xin)(xin)(xin)道(dao)(dao)技(ji)術(shu)來避免(mian)信(xin)(xin)(xin)號干(gan)擾(rao)(rao)，跳(tiao)(tiao)信(xin)(xin)(xin)道(dao)(dao)包(bao)括時隙(xi)跳(tiao)(tiao)頻(pin)、慢跳(tiao)(tiao)頻(pin)和混合跳(tiao)(tiao)頻(pin)三種信(xin)(xin)(xin)道(dao)(dao)模式，不同的(de)運行模式對(dui)應著不同的(de)時隙(xi)配(pei)置方式。跳(tiao)(tiao)信(xin)(xin)(xin)道(dao)(dao)技(ji)術(shu)可(ke)減少設(she)備(bei)在同一(yi)條信(xin)(xin)(xin)道(dao)(dao)上工作的(de)時間，因而減少了對(dui)其(qi)他無(wu)線設(she)備(bei)的(de)影響(xiang)；同時由于可(ke)在其(qi)他信(xin)(xin)(xin)道(dao)(dao)重發數據(ju)包(bao)，進而增(zeng)加了網(wang)絡(luo)的(de)抗干(gan)擾(rao)(rao)能(neng)力；網(wang)絡(luo)同時使用自(zi)適應跳(tiao)(tiao)信(xin)(xin)(xin)道(dao)(dao)技(ji)術(shu)，來實(shi)時檢測并刪(shan)除頻(pin)譜中(zhong)被使用的(de)信(xin)(xin)(xin)道(dao)(dao)，以(yi)提高與(yu)其(qi)他射頻(pin)系(xi)統的(de)共存能(neng)力，同時也屏蔽了傳輸(shu)數據(ju)差的(de)信(xin)(xin)(xin)道(dao)(dao)，有(you)效地增(zeng)加了系(xi)統的(de)可(ke)靠[FS:PAGE]性。

       3．3 確定性調度(du)技術

       由于ISA100．11a骨干網一般采(cai)用(yong)(yong)有線技術(shu)(shu)或Wi-Fi無線技術(shu)(shu)，所以，ISA100．11a數(shu)(shu)據(ju)鏈(lian)路層(ceng)的通(tong)信調度(du)技術(shu)(shu)是(shi)面向ISA100．11a DL子(zi)網的。其(qi)主要功能是(shi)在相(xiang)互競爭的用(yong)(yong)戶之間分配通(tong)信資源，從而避免沖突，提高吞吐量和帶寬利用(yong)(yong)率，解決現場設(she)備間數(shu)(shu)據(ju)通(tong)信的確定性(xing)、可(ke)靠(kao)性(xing)和實時性(xing)等問題。

       4 應用案例

       本設計(ji)的ISA100．11a工業物聯網開(kai)發(fa)平(ping)(ping)臺(tai)(tai)可配套433 MHz、780 MHz和2.4 GHz等(deng)三個頻段的硬件平(ping)(ping)臺(tai)(tai)，并在實驗(yan)室搭建了(le)基于CC2530芯片的測試(shi)(shi)系統，并可長期運行。圖6所示系統就是由1個網關、6個路由器、甲烷(wan)傳感(gan)器、溫濕度傳感(gan)器、壓(ya)力變送器(四聯公司(si))、智能電表等(deng)11個終端設備組成的ISA100．11a無線測控(kong)系統測試(shi)(shi)平(ping)(ping)臺(tai)(tai)。

       圖7所(suo)示是ISA100.11a網(wang)絡的(de)(de)(de)上位機(ji)監控組態界面。圖中顯(xian)示了(le)網(wang)絡的(de)(de)(de)拓撲結構以及每個終端設備的(de)(de)(de)相(xiang)關數據信息。經(jing)過對系(xi)統的(de)(de)(de)測(ce)試和分析所(suo)采(cai)集(ji)的(de)(de)(de)數據包，表明整套系(xi)統運行(xing)穩定(ding)。由此驗證(zheng)了(le)本文研究的(de)(de)(de)基于ISA100．11a標準的(de)(de)(de)工業(ye)物聯(lian)網(wang)開發平(ping)臺的(de)(de)(de)可行(xing)性(xing)和穩定(ding)性(xing)。

       ISA100．11a網(wang)絡(luo)可(ke)通(tong)過(guo)網(wang)關(guan)采集過(guo)程(cheng)參數或環境參數，從而對生產(chan)流程(cheng)或工(gong)廠環境進行監控，并可(ke)應用于多種工(gong)業場。

       中國四聯儀器(qi)(qi)儀表(biao)(biao)集(ji)團有限公司(si)采用(yong)(yong)本平臺(tai)開發(fa)了(le)基于ISA100．11a協議棧的(de)(de)溫(wen)度(du)(du)變(bian)送(song)(song)器(qi)(qi)，構建(jian)了(le)如圖(tu)8所示(shi)的(de)(de)ISA100.11a無線(xian)測(ce)控系統，用(yong)(yong)于對工廠環境的(de)(de)溫(wen)度(du)(du)進行監測(ce)。智能(neng)溫(wen)度(du)(du)變(bian)送(song)(song)器(qi)(qi)具有周期性上傳溫(wen)度(du)(du)值和休眠等功能(neng)，經(jing)過長(chang)期測(ce)試及試驗表(biao)(biao)明，該(gai)系統運行穩定，完全(quan)可以達到現場(chang)應用(yong)(yong)的(de)(de)要求。

       5 結語

       以工(gong)(gong)業無線技術為代表的(de)(de)工(gong)(gong)業物聯(lian)網是降低工(gong)(gong)業自動化(hua)成本、擴大自動化(hua)系(xi)統應用范圍最有(you)潛力的(de)(de)技術。本平臺(tai)具有(you)開發簡單、使用方便和組網靈(ling)活(huo)等(deng)優點(dian)，用戶(hu)可根據(ju)應用場景(jing)自由構建自己的(de)(de)工(gong)(gong)業物聯(lian)網系(xi)統，以滿足工(gong)(gong)業用戶(hu)的(de)(de)多種需(xu)求(qiu)，因而具有(you)很好的(de)(de)應用前景(jing)。