基于ISA100．11a標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(mén)定位器、電動(dòng)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)的共存性問(wèn)題以及線通信的可靠性和確定性問(wèn)題，其核心技術(shù)包括精確時(shí)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(shí)、低功耗等特點(diǎn)。

3．1 精確時(shí)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(jì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)采用了分級(jí)同步的思想進(jìn)行時(shí)間同步。

網(wǎng)關(guān)在形成網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可向骨干路由器發(fā)送裝載有時(shí)間同步信息的廣播幀來(lái)進(jìn)行骨干網(wǎng)的時(shí)間同步；當(dāng)骨干網(wǎng)完成時(shí)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(lái)進(jìn)行時(shí)間同步。這樣，經(jīng)過(guò)兩級(jí)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(shí)間同步信息的載體，因此，要根據(jù)廣播幀的幀格式來(lái)添加時(shí)間同步信息。廣播幀時(shí)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(wú)線短距離網(wǎng)絡(luò)的共存，比如IEEE 802．11網(wǎng)絡(luò)、基于IEEE 802 15．4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(ZigBee、Wireless HART、6LoWPANs、藍(lán)牙以及RFID系統(tǒng))。ISA100．11a工作在全球免費(fèi)的2．4 GHz頻段，為了避免信號(hào)干擾，設(shè)計(jì)時(shí)要解決在2.4 GHz頻段網(wǎng)絡(luò)的共存性問(wèn)題。

ISA100．11a網(wǎng)絡(luò)通過(guò)采用跳信道技術(shù)來(lái)避免信號(hào)干擾，跳信道包括時(shí)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(duì)應(yīng)著不同的時(shí)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(shí)間，因而減少了對(duì)其他無(wú)線設(shè)備的影響；同時(shí)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(shí)使用自適應(yīng)跳信道技術(shù)，來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)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(shí)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(wú)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ISA100．11a DL子網(wǎng)的。其主要功能是在相互競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)設(shè)備間數(shù)據(jù)通信的確定性、可靠性和實(shí)時(shí)性等問(wèn)題。

4 應(yīng)用案例

本設(shè)計(jì)的ISA100．11a工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)可配套433 MHz、780 MHz和2.4 GHz等三個(gè)頻段的硬件平臺(tái)，并在實(shí)驗(yàn)室搭建了基于CC2530芯片的測(cè)試系統(tǒng)，并可長(zhǎng)期運(yùn)行。圖6所示系統(tǒng)就是由1個(gè)網(wǎng)關(guān)、6個(gè)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(gè)終端設(shè)備組成的ISA100．11a無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)。