基于ISA100．11a標準的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是未來幾年工業(yè)自動化產(chǎn)品新的增長點。作者所在實驗室作為Voting Member和ISA WCI工作組成員參加ISA100.11a標準的制定，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、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、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)場總線之后，工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個熱點技術(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。

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三個標準共存的局面。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標準，還作為VotingMember和ISA WCI工作組成員，參加了ISA 100．11a標準制定。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)拓撲結(jié)構(gòu)

ISA100．11a能支持小同的網(wǎng)絡(luò)拓撲，主要有星型結(jié)構(gòu)和Mesh結(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)拓撲具有容易實現(xiàn)、實時性高等優(yōu)點，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)，可有效擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積并減小數(shù)據(jù)時延?，F(xiàn)場設(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)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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系統(tǒng)(PC機)、路由、無線網(wǎng)關(guān)和多個終端節(jié)點四部分，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，在對數(shù)據(jù)進行必要的處理后，通過以太網(wǎng)或串口傳輸把數(shù)據(jù)傳到上位機；上位機可進行顯示界面，并可以通過對數(shù)據(jù)的提取、處理和控制管理來實時觀測和監(jiān)控各個傳感器節(jié)點的運行狀態(tài)。

2 平臺硬件構(gòu)成和設(shè)計

基于ISA100．11a的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺包括符合ISA100．11a標準的工業(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，主要包括1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

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)標準802．15．4的2．4 GHz頻段。網(wǎng)關(guān)負責(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)運行狀態(tài)。另外，ISA100．11a網(wǎng)關(guān)還是全網(wǎng)的時間同步源和均衡網(wǎng)絡(luò)負載，是整個網(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個優(yōu)先級向量中斷控制器來實時快速地處理中斷。ISA100．11a網(wǎng)關(guān)可支持一個或多個網(wǎng)絡(luò)接入點和服務(wù)接入點。網(wǎng)絡(luò)接入點提供有與其他網(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。

2．2 路由節(jié)點

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標準，把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4位通過32碼片的擴頻序列擴頻后送到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。