淺談工業(yè)無線技術標準與認證及其應用

摘要：本文通過分析工業(yè)無線技術ISA100.11a標準和其標準化進程，并結合國內(nèi)外ISA100.11a標準技術研究及協(xié)議的現(xiàn)狀，著重分析ISA100.11a協(xié)議一致性測試的重要意義，最后剖析ISA100.11a的網(wǎng)絡結構、網(wǎng)絡特性及協(xié)議體系結構和ISA100.11a標準認證之間的銜接及其目前的推廣進展情況，旨在為國內(nèi)提供一個完善無線技術體系借鑒。

引言

　　工業(yè)無線技術是本世紀初新興的一種面向設備間信息交互的無線通信技術，是對現(xiàn)有無線技術在工業(yè)應用方向上的功能擴展和提升，將引發(fā)傳統(tǒng)工業(yè)測控模式的變革，引領工業(yè)自動化系統(tǒng)向著低成本、高可靠、高靈活的方向發(fā)展。目前，國際上有Wireless HART、ISA 100和中國的WIA-PA共3種無線網(wǎng)絡技術。2009年，國際電工協(xié)會成立了無線工作組IEC SC65C/WG16，負責工業(yè)無線技術的國際標準研制的工作。

　　ISA100.11a是最常見的無線傳感器網(wǎng)絡標準，由國際自動化學會 (The International Society of Automation，ISA)下屬的ISA100工業(yè)無線委員會制定，該委員會致力于通過制定一系列標準、建議操作規(guī)程、起草技術報告來定義工業(yè)環(huán)境下的無線系統(tǒng)相關規(guī)程和實現(xiàn)技術ISA100.11a標準的主要內(nèi)容包括工業(yè)無線的網(wǎng)絡構架、共存性與有線現(xiàn)場網(wǎng)絡的互操作性等，其工業(yè)無線設備主要包括執(zhí)行器、傳感器、無線手持設備等現(xiàn)場自動化設備。

　　世界著名市場調(diào)研公司ONWorld調(diào)研報告表明“55%的人計劃采用ISA100技術，40%的人說計劃支持無線HART”。由此可見，ISA100.11a是將會成為最受關注、最有影響力的工業(yè)無線技術之一，世界各地專項針對ISA100.11a技術的研究和開發(fā)工作正如火如荼地進行。但是ISA100.11a標準使用自然語言描述，并涉及很多關鍵技術，實現(xiàn)者對于協(xié)議的不同理解會導致不同的協(xié)議實現(xiàn)，甚至會是錯誤的。因此，ISA100標準產(chǎn)業(yè)化的前提條件之一是所有產(chǎn)品必須通過嚴格的一致性、互操作性等測試和認證，來檢測被測協(xié)議實現(xiàn)與協(xié)議規(guī)范的符合程度。

1 ISA100.11a 概述

　　ISA100.11a標準由美國儀器儀表協(xié)會(Instrument Society of America,ISA)下屬的ISA100工業(yè)無線委員會制定，該委員會致力于以研制及修訂一系列標準、建議性操作規(guī)章、技術規(guī)范及指導性文件來定義工業(yè)環(huán)境下的無線系統(tǒng)及其相關規(guī)程，進而實現(xiàn)技術規(guī)范及推廣。ISA100.11a標準希望工業(yè)無線設備以低功耗、低復雜度、合理的成本和適當?shù)耐ㄐ艛?shù)據(jù)速率去支持工業(yè)現(xiàn)場應用。

　　2009年4月24日，ISA100委員會以81.0%的高贊成率通過了ISA100.11a標準。隨后，基于ISA100.11a標準的設備將越來越多地被應用于工程實際，最終形成ISA100.11a 標準的設備產(chǎn)業(yè)集群。ISA100.11a 標準在遵循歐洲、日本、美國和加拿大相關規(guī)范的前提下，適用于全世界各地區(qū)。且ISA100.11a 設備必須遵循當?shù)氐恼吆头ㄒ?guī)要求。

1.1 ISA100.11a 工作組介紹

　　ISA100.11a工作組是由ISA100.14工作組與 ISA100.11工作組合并而成。其中ISA100.11工作組應用于各種控制的無線連接標準，該標準同樣經(jīng)過優(yōu)化，以適應從閉環(huán)調(diào)節(jié)控制到開環(huán)手動操作的各種控制應用;ISA100.14工作組應用于各種工業(yè)監(jiān)控、記錄與報警的無線連接標準，希望通過對標準的優(yōu)化獲得獨特的性能與成本優(yōu)勢。該兩工作組相互協(xié)調(diào)，以確保ISA100可以提供完整與集成的工業(yè)無線應用標準。

　　ISA100.11a工作組的主要職責為研制及修訂工業(yè)無線技術ISA100.11a標準。目前，ISA100.11a工作組主要由系統(tǒng)工作組、匯集工作組、PHY/MAC層工作組、安全工作組、網(wǎng)絡/傳輸層工作組、網(wǎng)絡管理工作組、評估工作組、應用層工作組、編輯工作組和網(wǎng)關工作組共10個子工作組組成(見圖1)。

1.2 ISA100.11a 國內(nèi)外現(xiàn)狀分析

　　2006年7月，ISA 100委員會面向全球征集技術標準提案，重慶郵電大學、浙江浙大中控信息技術有限公司和中國科學院沈陽自動化研究所等三家知名院校與美國霍尼韋爾公司(Honeywell)、美國通用電氣公司(General Electric Company, GE)、德國西門子股份公司(Siemens co.,LTD, Siemens) 等著名國際公司均提交技術方案與技術白皮書，大力推進工業(yè)級無線技術標準的國際化。

　　2008年4月，重慶郵電大學在重慶成功舉辦了由“面向自動化領域的無線解決方案”國際高峰論壇“ISA100 和 ISA100.11a 標準化會議”和“中國無線工廠應用高峰論壇”三個部分組成的“2008 工業(yè)無線國際學術大會”。

　　2008年6月，一致性測試工作組(ISA WCI)通過決議決定吸納重慶郵電大學為ISA100測試工作組的成員且免組員年費，同時確定重慶郵電大學與美國NIVIS公司負責ISA100標準的測試驗證，并于2009年10月美國休斯敦舉行的國際儀器儀表、自動控制覽會上免費展示其 ISA100.11a 研究成果。因此，以重慶郵電大學為代表的國內(nèi)相關單位在 ISA100 工業(yè)無線技術方面進行了長期的跟蹤研究，我國在工業(yè)無線技術方面，尤其在ISA100 領域處于國際先進水平。

　　2008年7月，霍尼韋爾公司宣布推出其工業(yè)無線網(wǎng)絡解決方案One Wireless更新版本，實現(xiàn)了與ISA100.11a工業(yè)無線通信標準兼容。下一階段，針對ISA100.11a標準的協(xié)議一致性、互操作性等測試將成為迫切需要解決的問題之一。越來越多的企業(yè)及研究機構關注和參與ISA100.11a標準的完善和開發(fā)等相關工作，ISA100.11a技術將是一種具有很大潛力的工業(yè)通信技術，必將在正興起的工業(yè)無線領域發(fā)揮重要的作用，引起更多的重視和關注。

1.3 ISA100.11a 一致性測試研究

　　一致性測試，即驗證協(xié)議實現(xiàn)在多大程度上與相應的協(xié)議標準一致。在多個廠家進行設備互聯(lián)時，通過一致性測試會提高人們對設備符合相應協(xié)議標準的置信程度，提高相同標準不同實現(xiàn)之間互聯(lián)的概率，以減少產(chǎn)品在現(xiàn)場運行時發(fā)生錯誤的風險性。標準化的協(xié)議并不能確保不同的協(xié)議實現(xiàn)之間能夠成功地互連互通，所以其需要“協(xié)議一致性測試”來對協(xié)議實現(xiàn)的正確性和有效性進行測試。

　　隨著 ISA100.11a 協(xié)議的逐步推廣應用，各種相關產(chǎn)品蜂擁而來，可對協(xié)議理解的差異，同一協(xié)議標準會存在許多不同的實現(xiàn)版本。為檢查各個不同生產(chǎn)廠家的 ISA100.11a 實現(xiàn)是否與標準要求保持一致，并保證協(xié)議的不同實現(xiàn)版本之間實現(xiàn)互聯(lián)互通，則須對協(xié)議進行一致性測試。一致性測試是開放系統(tǒng)互聯(lián)產(chǎn)品的重要步驟，是 ISA100.11a 產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)運營的關鍵因素。一致性測試的流程見圖2。

2 ISA100.11a 標準框架研究

2.1 ISA100.11a 標準協(xié)議結構分析

　　ISA100.11a 標準協(xié)議體系結構必須遵循 ISO/OSI 的七層結構，但其只定義了應用層(Application laye)、傳輸層(Transport Layer)、網(wǎng)絡層(Network Layer)、數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer)和物理層(Physical Layer)(見圖 3)。其中數(shù)據(jù)鏈路層包括ISA100.11a 的 MAC 擴展層、IEEE 802.15.4 的 MAC 子層和數(shù)據(jù)鏈路層上層;應用層包括應用子層、用戶應用進程和設備管理器。

　　每一層提供了兩種服務訪問點(Service Access Port, SAP)，即數(shù)據(jù)服務實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務和管理服務實體提供管理服務，上層通過這兩種服務訪問點使用下層提供的功能服務。在 ISA100.11a 網(wǎng)絡中，每個設備只能通過 ISA100.11a 應用子層提供的數(shù)據(jù)服務訪問點從而實現(xiàn)與其它設備進行通信。在每個設備里，設備管理器是一個具有管理功能的實體，可以直接訪問應用子層、傳輸層、網(wǎng)絡層和 DLL 的管理信息庫。

2.2 ISA100.11a 網(wǎng)絡拓撲結構分析

　　為了滿足工業(yè)應用的需求，ISA100.11a 必須支持多種網(wǎng)絡拓撲，包括Mesh、網(wǎng)狀、星狀和星網(wǎng)狀拓撲等結構。同時，擴大其網(wǎng)絡覆蓋面積，在 ISA100.11a 網(wǎng)絡結構中引入骨干網(wǎng)，可減小數(shù)據(jù)時延。舉例說明，如現(xiàn)場設備經(jīng)骨干路由器接入骨干網(wǎng)，該設備與骨干路由器組成的網(wǎng)絡為 ISA100.11a DLL 子網(wǎng)，ISA100.11a DLL 子網(wǎng)和骨干網(wǎng)就組成了 ISA100.11a 網(wǎng)絡。

　　再如，現(xiàn)場路由器和終端設備，經(jīng)骨干路由器接入骨干網(wǎng)，骨干路由器通過網(wǎng)關接入工廠級網(wǎng)絡。若 ISA100.11a 網(wǎng)絡中接入骨干網(wǎng)，則 ISA100.11a DLL 子網(wǎng)只包含其現(xiàn)場的設備和骨干路由器，而ISA100.11a網(wǎng)絡包含其所有的 DLL 子網(wǎng)、骨干路由器和網(wǎng)關(見圖4)。

3 ISA100認證

3.1 ISA100認證分析

　　ISA100認證為測試產(chǎn)品的互操作性、安全性、安裝方便性和可靠性的程序，提供了一個廣泛認可的關于互操作性和質(zhì)量方面的憑證，并確保其具有ISA100.11a功能的產(chǎn)品能滿足最佳的用戶體驗。

　　按照ISA100規(guī)定，需ISA100認證的廠商應向ISA100授權的測試實驗——無線兼容委員會 (Wireless Compliance Institute, WCI)遞交申請，對其產(chǎn)品進行ISA100認證測試。所以廠商需在網(wǎng)上申請，并獲得ISA100測試及認證服務。

3.2 認證機構分析

　　ISA100授權符合ISA100.11a標準的測試實驗室來測試廠商的產(chǎn)品。無線兼容委員會是符合ISA100.11a標準產(chǎn)品的專門產(chǎn)品認證機構，能夠幫助科技公司更快地將更多的可互操作的產(chǎn)品推向市場，致力于改善網(wǎng)絡設備和相關技術之間的互操作性。

　　無線兼容委員會是非營利性工業(yè)組織，為用戶和技術開發(fā)者提供市場調(diào)查、教育培訓信息、技術支持以及ISA100標準族中工業(yè)無線標準的測試認證，向ISA標準委員會提供關于ISA100設備和系統(tǒng)的使用反饋，從而促進工業(yè)無線應用標準的快速改進和發(fā)展。

　　重慶郵電大學和中國科學院沈陽自動化研究所兩家無線兼容委員會成員單位。其中重慶郵電大學擁有自主知識產(chǎn)權的ISA100.11a 協(xié)議測試方法和系統(tǒng)部分完成多信道測試分析儀及ISA100.11a 測試軟件。廠商可以申請成為其成員，把產(chǎn)品拿到無線兼容委員會相關認證機構進行認證，通過認證的產(chǎn)品會加認證標識(如圖5)，詳見WCI官網(wǎng) 。

3.3 認證流程說明

　　若認證測試不合格，廠商則須進行整改。如果整改過程涉及到軟件升級、設備更換，則產(chǎn)品須全部重新進行檢測，確保所有的測試都是在同一個設備、同一個軟硬件版本的限定條件下進行的。ISA100認證流程見圖6。

3.4 認證項目分析

　　一般情況下，WCI認證主要有兩項，包括ISA100.11a設備互操作性認證和ISA100.11a協(xié)議一致性認證，且供應商也可以購買符合WCI認證認可的測試工具包進行產(chǎn)品檢測。

　　ISA.100.11a設備互操作性測試套件是WCI認證的主要工具，使用戶能夠確保制造商的設備符合WCI的官方ISA100.11a產(chǎn)品注冊檢驗，確保ISA100在本地模式下，無線設備的互操作性與ISA100無線協(xié)議棧一致性測試套件相結合。其組件包括腳本服務器與軟件、測試腳本的源代碼和技術文檔、測試腳本的源代碼和技術文檔、診斷骨干路由器、參考測試設備和以太網(wǎng)路由器。同時規(guī)定其系統(tǒng)要求為PC和Web瀏覽器。

3.5 會員制度與收費

　　目前，ISA100所公布的會員制度及收費標準見表1。

4 結語

　　隨著信息社會和工業(yè)現(xiàn)場對無線技術的日益增長的需求，工業(yè)無線技術ISA100將成為可靠好、性價比高、安全性高的受人青睞的高新技術。工業(yè)無線傳感器必將成為工業(yè)過程測控的首選，在優(yōu)化資源利用率和提高生產(chǎn)率方面發(fā)揮著巨大的作用。

　　而 ISA100 終究會成為無線工業(yè)技術發(fā)展的主流，ISA100 的評價標準及認證體系日前已成為ISA100標準化工作的主題。截止日前，中國對無線工業(yè)技術認證環(huán)節(jié)較為欠缺，盡管近些年來在這一方面做出了巨大的努力并取得了一定的成績，但與國際水平相比仍有一定差距。總之，ISA100 評價標準及其認證體系的建立是 ISA100 占據(jù)市場主導地位的前提和關鍵，我國在工業(yè)無線技術中應要不斷革新，積極借鑒國際先進技術及標準體系，逐步完善我國工業(yè)無線技術標準、認證與市場規(guī)范化的體系，樹立中國品牌與中國信譽。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第2期第30頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。