基于ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

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(diǎn)技術(shù)，是降低工業(yè)自動化成本、提高自動化系統(tǒng)應(yīng)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(jì)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(yīng)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(diǎn)。

目前，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面，國際上已經(jīng)形成了W1HART、ISA100.11a以及WIA-PA三個標(biāo)準(zhǔn)共存的局面。重慶郵電大學(xué)是國際上參與研發(fā)和應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，還作為VotingMember和ISAWCI工作組成員，參加了ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)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(luò)設(shè)備及終端設(shè)備，形成了一套完整的ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其核心技術(shù)已經(jīng)形成專利池，從而實(shí)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ISA100.11a能支持不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，主要有星型結(jié)構(gòu)和Mesh結(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂腥菀讓?shí)現(xiàn)、實(shí)時性高等優(yōu)點(diǎn),但是僅限于單跳范圍，所以，在ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中引入了骨干網(wǎng)。骨干網(wǎng)是一個高速網(wǎng)絡(luò)，可有效擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積并減小數(shù)據(jù)時延。現(xiàn)場設(shè)備先通過骨干路由器接入骨干網(wǎng)組成ISAlOO.llaDL子網(wǎng)，然后由ISAlOO.llaDL子網(wǎng)和骨干網(wǎng)組成ISAlOO.lla網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1     ISAlOO.lla網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

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(jī)系統(tǒng)（PC機(jī)）、路由、無線網(wǎng)關(guān)和多個終端節(jié)點(diǎn)四部分,平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。終端設(shè)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(jìn)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)到網(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(jìn)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(jī)；上位機(jī)可進(jìn)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(shí)時觀測和監(jiān)控各個傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。

2  平臺硬件構(gòu)成和設(shè)計

基于ISAlOO.lla的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺包括符合ISAlOO.lla標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)無線協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、應(yīng)用設(shè)備以及組態(tài)軟件。平臺系統(tǒng)的硬件構(gòu)成實(shí)物圖如圖3所示，系統(tǒng)中集成了不同類型的設(shè)備和不同級別的節(jié)點(diǎn)，主要包括l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(diǎn)

ISAlOO.lla網(wǎng)關(guān)是一種集成有ISAlOO.lla核心協(xié)議的短程無線通信設(shè)備，工作在基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8O2.l5.4的2.4GHz頻段。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度、管理和優(yōu)化，統(tǒng)一為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配通信資源，調(diào)度網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通信，同時監(jiān)控和報告網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)。另外，ISAlOO.lla網(wǎng)關(guān)還是全網(wǎng)的時間同步源和均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，是整個網(wǎng)絡(luò)的核心。

圖3     平臺系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

網(wǎng)關(guān)底板上的ARM處理器選用美國ATMEL公司的AT9lR4OOO8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(shí)時快速地處理中斷。ISAlOO.lla網(wǎng)關(guān)可支持一個或多個網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)和服務(wù)接入點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)提供有與其他網(wǎng)絡(luò)連接的接口，比如工廠自動化網(wǎng)絡(luò)，目前提供有串口和以太網(wǎng)兩種連接方式。其硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4     ISAlOO.lla網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2  路由節(jié)點(diǎn)

ISAlOO.lla路由器為低能耗的短程無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備,可自帶電源，使用全球免費(fèi)的2.4GHz頻段。其作用是連接網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備使其入網(wǎng)，具備網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)，把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4位通過32碼片的擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻后送到DA變換器，然后調(diào)制到2.4GHz的設(shè)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(diǎn)

傳感器設(shè)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(diǎn)具有易使用、易集成等優(yōu)點(diǎn)，可以方便地與傳感器、儀表進(jìn)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(luò)協(xié)議可解決與其他短距離無線網(wǎng)絡(luò)的共存性問題以及無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(yīng)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(zhǔn)確、實(shí)時、低功耗等特點(diǎn)。

3.1  精確時間同步技術(shù)

ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆袃蓪咏Y(jié)構(gòu)，分別為骨干網(wǎng)和DL子網(wǎng)，因此，本設(shè)計根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)采用了分級同步的思想進(jìn)行時間同步。

網(wǎng)關(guān)在形成網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行骨干網(wǎng)的時間同步；當(dāng)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(shè)備發(fā)送廣播幀來進(jìn)行時間同步。這樣，經(jīng)過兩級同步后，就可以達(dá)到全網(wǎng)同步的目的。

在ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)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(yīng)跳信道技術(shù)

ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)支持與其他無線短距離網(wǎng)絡(luò)的共存，比如IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)、基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)（ZigBee、WirelessHART、6LoWPANs、藍(lán)牙以及RFID系統(tǒng)）。ISA100.11a工作在全球免費(fèi)的2.4GHz頻段，為了避免信號干擾，設(shè)計時要解決在2.4GHz頻段網(wǎng)絡(luò)的共存性問題。

ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)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(yùn)行模式對應(yīng)著不同的時隙配置方式。跳信道技術(shù)可減少設(shè)備在同一條信道上工作的時間，因而減少了對其他無線設(shè)備的影響；同時由于可在其他信道重發(fā)數(shù)據(jù)包，進(jìn)而增加了網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力；網(wǎng)絡(luò)同時使用自適應(yīng)跳信道技術(shù)，來實(shí)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ISA100.11aDL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(shè)備間數(shù)據(jù)通信的確定性、可靠性和實(shí)時性等問題。

圖5     ISA100.11a廣播幀時間同步流程圖

4  應(yīng)用案例

本設(shè)計的ISA100.11a工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺可配套433MHz、780MHz和2.4GHz等三個頻段的硬件平臺，并在實(shí)驗(yàn)室搭建了基于CC2530芯片的測試系統(tǒng)，并可長期運(yùn)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(shè)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(luò)的上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)界面。圖中顯示了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及每個終端設(shè)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(yùn)行穩(wěn)定。由此驗(yàn)證了本文研究的基于ISAlOO.lla標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺的可行性和穩(wěn)定性。

ISAlOO.lla網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行監(jiān)控，并可應(yīng)用于多種工業(yè)現(xiàn)場。

中國四聯(lián)儀器儀表集團(tuán)有限公司采用本平臺開發(fā)了基于lSlOO.lla協(xié)議棧的溫度變送器，構(gòu)建了如圖8所示的ISAlOO.lla無線測控系統(tǒng)，用于對工廠環(huán)境的溫度進(jìn)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(yàn)表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，完全可以達(dá)到現(xiàn)場應(yīng)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(kuò)大自動化系統(tǒng)應(yīng)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(diǎn)，用戶可根據(jù)應(yīng)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(yīng)用前景。

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