基于WIA-PA的HSE系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)儀器儀表的缺點(diǎn)，介紹了一種基于WIA-PA工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的HSE系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。采用基于IEEE 802．15．4無線協(xié)議的射頻芯片CC2420和16位超低功耗單片機(jī)MSP430F1161，分析并將系統(tǒng)模塊化，給出模塊設(shè)計(jì)與具體流程。
關(guān)鍵詞：WIA-PA；HSE；工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)

引言
工業(yè)環(huán)境不僅影響企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行和生產(chǎn)效率，同時(shí)也影響企業(yè)員工的健康狀態(tài)。對(duì)工業(yè)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測不僅可以保障企業(yè)正常運(yùn)行、降低事故風(fēng)險(xiǎn)，更能保障員工的生命安全。健康、安全和環(huán)境在企業(yè)的生產(chǎn)過程中有著密不可分的聯(lián)系，因而把健康(Health)、安全(Safety)和環(huán)境(Environment)等要素整合成一個(gè)完整的體系是現(xiàn)代化工業(yè)的必然選擇。HSE(Health，Safety and Environment健康、安全和環(huán)境體系)是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的工業(yè)監(jiān)測體系，通過對(duì)工業(yè)環(huán)境的監(jiān)測，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和危害評(píng)估，確定工廠活動(dòng)可能發(fā)生的危害和健康隱患，采取系統(tǒng)化的監(jiān)測管理預(yù)警機(jī)制和控制措施，消除各類健康、安全和環(huán)境隱患，盡可能地減少人員傷害、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 WIA-PA技術(shù)簡介
傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化過程自動(dòng)化水平低、集成難度大。首先，系統(tǒng)線路架設(shè)困難，惡劣環(huán)境的工程布線還具有一定的危險(xiǎn)程度；其次，系統(tǒng)布線復(fù)雜度大，限制了系統(tǒng)的擴(kuò)展和自動(dòng)化程度；再者，電纜易老化腐蝕，系統(tǒng)長期運(yùn)行可靠性降低，不僅系統(tǒng)的安裝調(diào)試需要大量時(shí)間，而且維護(hù)難度也大。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)是21世紀(jì)初新興的、以工業(yè)應(yīng)用為目的、面向設(shè)備間信息交互的無線通信技術(shù)，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下使用，部署成本低、使用簡單、維護(hù)簡便、靈活性高、擴(kuò)展性強(qiáng)，同時(shí)還具有強(qiáng)抗干擾、超低功耗、高可靠性、實(shí)時(shí)通信等特點(diǎn)。因此，近幾年來一些國際組織正積極推進(jìn)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，目前主流的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)主要有WIA-PA、Wireless-HART和ISA-SP100。
WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)是中國工業(yè)無線聯(lián)盟針對(duì)過程自動(dòng)化領(lǐng)域的迫切需求而率先制定的，定義了用于過程自動(dòng)化的WIA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范。WIA-PA采用星型和Mesh結(jié)合的雙層混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。第一層Mesh結(jié)構(gòu)由網(wǎng)關(guān)及路由設(shè)備構(gòu)成，結(jié)構(gòu)靈活、健壯性好，同時(shí)具有自組織和自愈能力；第二層星型結(jié)構(gòu)由路由設(shè)備及現(xiàn)場設(shè)備或手持設(shè)備構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，易于集中控制，通信距離短，實(shí)時(shí)性好，又能保證端用戶設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的獨(dú)立性。相比較而言，Wireless-HART采用的是單層Mesh結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一。ISA-SP100網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和WIA-PA相同，不同的是ISA-SP100在路由器和網(wǎng)關(guān)的Mesh層采用的是IEEE 802．11協(xié)議，而路由設(shè)備及終端設(shè)備或手持設(shè)備所在的星型層采用的是IEEE 802．15．4協(xié)議。不同于ISA-SP100，WIA-PA和Wireless-HART都是基于IEEE 802．15．4協(xié)議。

WIA-PA的主要技術(shù)特征如下：
①集中式和分布式管理：網(wǎng)關(guān)可下放管理權(quán)限給路由設(shè)備，既可提高網(wǎng)絡(luò)效率，又方便用戶使用和管理；
②聚合與解聚：支持報(bào)文的聚合與解聚，減少網(wǎng)絡(luò)開銷，延長電池壽命；
③TDMA／CSMA混合接入模式：通過TDMA／CSMA混合接入模式支持周期和非周期性通信；
④擴(kuò)頻通信與窄帶通信：在2．4 GHz基礎(chǔ)上，支持433 MHz低頻窄帶通信，并能無縫地集成到同一網(wǎng)絡(luò)中；
⑤兼容IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)：符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備也能加入WIA-PA網(wǎng)絡(luò)。
工業(yè)通信中可靠性十分重要，WIA-PA也提供了多種措施以保護(hù)傳輸?shù)目煽啃裕?br /> ①全網(wǎng)TDMA模式：全網(wǎng)的時(shí)間同步精度達(dá)到μs級(jí)，避免報(bào)文沖突；
②自適應(yīng)調(diào)頻技術(shù)：在DSSS的基礎(chǔ)上引入FHSS的思想，采用根據(jù)信道狀態(tài)自適應(yīng)跳頻機(jī)制，可以有效地抑制突發(fā)性干擾，提高點(diǎn)到點(diǎn)通信的抗干擾能力；
③自動(dòng)重傳機(jī)制：鏈路層采用自動(dòng)請(qǐng)求重傳機(jī)制，應(yīng)用層采用面向連接(connection-oriented)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，保證報(bào)文傳輸?shù)某晒β剩?br /> ④Mesh路由：每個(gè)設(shè)備至少有兩條可用的通信路徑，以提高端到端通信的可靠性；
⑤設(shè)備冗余：可選冗余網(wǎng)管設(shè)備，增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性。