淺談工業(yè)無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證及其應(yīng)用

摘要：本文通過分析工業(yè)無線技術(shù)ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)和其標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，并結(jié)合國內(nèi)外ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)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(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)特性及協(xié)議體系結(jié)構(gòu)和ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證之間的銜接及其目前的推廣進(jìn)展情況，旨在為國內(nèi)提供一個完善無線技術(shù)體系借鑒。

引言

　　工業(yè)無線技術(shù)是本世紀(jì)初新興的一種面向設(shè)備間信息交互的無線通信技術(shù)，是對現(xiàn)有無線技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方向上的功能擴(kuò)展和提升，將引發(fā)傳統(tǒng)工業(yè)測控模式的變革，引領(lǐng)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(luò)技術(shù)。2009年，國際電工協(xié)會成立了無線工作組IEC SC65C/WG16，負(fù)責(zé)工業(yè)無線技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)研制的工作。

　　ISA100.11a是最常見的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，由國際自動化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)、建議操作規(guī)程、起草技術(shù)報告來定義工業(yè)環(huán)境下的無線系統(tǒng)相關(guān)規(guī)程和實現(xiàn)技術(shù)ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容包括工業(yè)無線的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、共存性與有線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的互操作性等，其工業(yè)無線設(shè)備主要包括執(zhí)行器、傳感器、無線手持設(shè)備等現(xiàn)場自動化設(shè)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(shù)，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(guān)注、最有影響力的工業(yè)無線技術(shù)之一，世界各地專項針對ISA100.11a技術(shù)的研究和開發(fā)工作正如火如荼地進(jìn)行。但是ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)使用自然語言描述，并涉及很多關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)者對于協(xié)議的不同理解會導(dǎo)致不同的協(xié)議實現(xiàn)，甚至?xí)清e誤的。因此，ISA100標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化的前提條件之一是所有產(chǎn)品必須通過嚴(yán)格的一致性、互操作性等測試和認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)、建議性操作規(guī)章、技術(shù)規(guī)范及指導(dǎo)性文件來定義工業(yè)環(huán)境下的無線系統(tǒng)及其相關(guān)規(guī)程，進(jìn)而實現(xiàn)技術(shù)規(guī)范及推廣。ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)希望工業(yè)無線設(shè)備以低功耗、低復(fù)雜度、合理的成本和適當(dāng)?shù)耐ㄐ艛?shù)據(jù)速率去支持工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。隨后，基于ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備將越來越多地被應(yīng)用于工程實際，最終形成ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備產(chǎn)業(yè)集群。ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)在遵循歐洲、日本、美國和加拿大相關(guān)規(guī)范的前提下，適用于全世界各地區(qū)。且ISA100.11a 設(shè)備必須遵循當(dāng)?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(yīng)用于各種控制的無線連接標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)同樣經(jīng)過優(yōu)化，以適應(yīng)從閉環(huán)調(diào)節(jié)控制到開環(huán)手動操作的各種控制應(yīng)用;ISA100.14工作組應(yīng)用于各種工業(yè)監(jiān)控、記錄與報警的無線連接標(biāo)準(zhǔn)，希望通過對標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

　　ISA100.11a工作組的主要職責(zé)為研制及修訂工業(yè)無線技術(shù)ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)。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(luò)/傳輸層工作組、網(wǎng)絡(luò)管理工作組、評估工作組、應(yīng)用層工作組、編輯工作組和網(wǎng)關(guān)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)提案，重慶郵電大學(xué)、浙江浙大中控信息技術(shù)有限公司和中國科學(xué)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(shù)方案與技術(shù)白皮書，大力推進(jìn)工業(yè)級無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的國際化。

　　2008年4月，重慶郵電大學(xué)在重慶成功舉辦了由“面向自動化領(lǐng)域的無線解決方案”國際高峰論壇“ISA100 和 ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)化會議”和“中國無線工廠應(yīng)用高峰論壇”三個部分組成的“2008 工業(yè)無線國際學(xué)術(shù)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(xué)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(xué)與美國NIVIS公司負(fù)責(zé)ISA100標(biāo)準(zhǔn)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(xué)為代表的國內(nèi)相關(guān)單位在 ISA100 工業(yè)無線技術(shù)方面進(jìn)行了長期的跟蹤研究，我國在工業(yè)無線技術(shù)方面，尤其在ISA100 領(lǐng)域處于國際先進(jìn)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(luò)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(biāo)準(zhǔn)兼容。下一階段，針對ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)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(jī)構(gòu)關(guān)注和參與ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)的完善和開發(fā)等相關(guān)工作，ISA100.11a技術(shù)將是一種具有很大潛力的工業(yè)通信技術(shù)，必將在正興起的工業(yè)無線領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，引起更多的重視和關(guān)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(yīng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)一致。在多個廠家進(jìn)行設(shè)備互聯(lián)時，通過一致性測試會提高人們對設(shè)備符合相應(yīng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的置信程度，提高相同標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)險性。標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行測試。

　　隨著 ISA100.11a 協(xié)議的逐步推廣應(yīng)用，各種相關(guān)產(chǎn)品蜂擁而來，可對協(xié)議理解的差異，同一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(guān)鍵因素。一致性測試的流程見圖2。

2 ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)框架研究

2.1 ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議結(jié)構(gòu)分析

　　ISA100.11a 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)必須遵循 ISO/OSI 的七層結(jié)構(gòu)，但其只定義了應(yīng)用層(Application laye)、傳輸層(Transport Layer)、網(wǎng)絡(luò)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(kuò)展層、IEEE 802.15.4 的 MAC 子層和數(shù)據(jù)鏈路層上層;應(yīng)用層包括應(yīng)用子層、用戶應(yīng)用進(jìn)程和設(shè)備管理器。

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

2.2 ISA100.11a 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

　　為了滿足工業(yè)應(yīng)用的需求，ISA100.11a 必須支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，包括Mesh、網(wǎng)狀、星狀和星網(wǎng)狀拓?fù)涞冉Y(jié)構(gòu)。同時，擴(kuò)大其網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積，在 ISA100.11a 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(shè)備經(jīng)骨干路由器接入骨干網(wǎng)，該設(shè)備與骨干路由器組成的網(wǎng)絡(luò)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(luò)。

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

3 ISA100認(rèn)證

3.1 ISA100認(rèn)證分析

　　ISA100認(rèn)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(rèn)可的關(guān)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(rèn)證的廠商應(yīng)向ISA100授權(quán)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(jìn)行ISA100認(rèn)證測試。所以廠商需在網(wǎng)上申請，并獲得ISA100測試及認(rèn)證服務(wù)。

3.2 認(rèn)證機(jī)構(gòu)分析

　　ISA100授權(quán)符合ISA100.11a標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的專門產(chǎn)品認(rèn)證機(jī)構(gòu)，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(luò)設(shè)備和相關(guān)技術(shù)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(shù)開發(fā)者提供市場調(diào)查、教育培訓(xùn)信息、技術(shù)支持以及ISA100標(biāo)準(zhǔn)族中工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)的測試認(rèn)證，向ISA標(biāo)準(zhǔn)委員會提供關(guān)于ISA100設(shè)備和系統(tǒng)的使用反饋，從而促進(jìn)工業(yè)無線應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的快速改進(jìn)和發(fā)展。

　　重慶郵電大學(xué)和中國科學(xué)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(xué)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)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(guān)認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)證，通過認(rèn)證的產(chǎn)品會加認(rèn)證標(biāo)識(如圖5)，詳見WCI官網(wǎng) 。

3.3 認(rèn)證流程說明

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

3.4 認(rèn)證項目分析

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

　　ISA.100.11a設(shè)備互操作性測試套件是WCI認(rèn)證的主要工具，使用戶能夠確保制造商的設(shè)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(shè)備的互操作性與ISA100無線協(xié)議棧一致性測試套件相結(jié)合。其組件包括腳本服務(wù)器與軟件、測試腳本的源代碼和技術(shù)文檔、測試腳本的源代碼和技術(shù)文檔、診斷骨干路由器、參考測試設(shè)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(biāo)準(zhǔn)見表1。

4 結(jié)語

　　隨著信息社會和工業(yè)現(xiàn)場對無線技術(shù)的日益增長的需求，工業(yè)無線技術(shù)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(shù)。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(shù)發(fā)展的主流，ISA100 的評價標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證體系日前已成為ISA100標(biāo)準(zhǔn)化工作的主題。截止日前，中國對無線工業(yè)技術(shù)認(rèn)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?？傊?，ISA100 評價標(biāo)準(zhǔn)及其認(rèn)證體系的建立是 ISA100 占據(jù)市場主導(dǎo)地位的前提和關(guān)鍵，我國在工業(yè)無線技術(shù)中應(yīng)要不斷革新，積極借鑒國際先進(jìn)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)體系，逐步完善我國工業(yè)無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證與市場規(guī)范化的體系，樹立中國品牌與中國信譽(yù)。

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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。