基于ISA100．11a標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(dòng)化產(chǎn)品新的增長點(diǎn)。作者所在實(shí)驗(yàn)室作為Voting Member和ISA WCI工作組成員參加ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)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(luò)設(shè)備及終端設(shè)備，研制的ISA100．11a工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)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(yīng)用于智能工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能電網(wǎng)等應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，并已經(jīng)在中國四聯(lián)集團(tuán)、韓國漢陽大學(xué)等單位得到應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：ISA100．11a；物聯(lián)網(wǎng)；無線網(wǎng)絡(luò)；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(chǎng)總線之后，工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)，是降低工業(yè)自動(dòng)化成本、提高自動(dòng)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(huì)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(dòng)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WiHART、lSA100．11a以及WIA-PA三個(gè)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ISA WCI工作組成員，參加了ISA 100．11a標(biāo)準(zhǔn)制定。同時(shí)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(cè)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(tái)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能支持小同的網(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?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/實(shí)現(xiàn)">實(shí)現(xiàn)、實(shí)時(shí)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(gè)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(shí)延?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(luò)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 平臺(tái)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)平臺(tái)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(gè)終端節(jié)點(diǎn)四部分，平臺(tái)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)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(duì)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(duì)數(shù)據(jù)的提取、處理和控制管理來實(shí)時(shí)觀測(cè)和監(jiān)控各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。

2 平臺(tái)硬件構(gòu)成和設(shè)計(jì)

基于ISA100．11a的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)包括符合ISA100．11a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(tái)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(jí)別的節(jié)點(diǎn)，主要包括1個(gè)網(wǎng)關(guān)、3個(gè)煙霧傳感器、2個(gè)溫濕度傳感器、1個(gè)仿真器和若干配線。

2．1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

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(shè)備，工作在基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)802．15．4的2．4 GHz頻段。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)整個(gè)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(shí)監(jiān)控和報(bào)告網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)。另外，ISA100．11a網(wǎng)關(guān)還是全網(wǎng)的時(shí)間同步源和均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(gè)優(yōu)先級(jí)向量中斷控制器來實(shí)時(shí)快速地處理中斷。ISA100．11a網(wǎng)關(guān)可支持一個(gè)或多個(gè)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(dòng)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(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

2．2 路由節(jié)點(diǎn)

ISA100．11a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2．4 GHz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(hào)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2．4 GHz的設(shè)定信道上，最后經(jīng)放大后通過天線發(fā)射出去。