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    曾鵬（1976-）

男，工學博士，中國科學院沈陽自動化研究所研究員，研究方向為工業通信、無線傳感器網絡。出版專著1部，在國內外重要學術會議和期刊上發表論文50余篇，申請發明專利10余項。近年來承擔多項國家級科研項目，主持國家863計劃工業無線方向重點項目的研發工作。

　　摘要：工業無線技術是一種本世紀初新興的、面向設備間信息交互的無線網絡技術，適合在惡劣的工業現場環境下使用，具有強抗擾、低功耗、實時通信等技術特征，是對現有無線技術在工業應用方向上的功能擴展和技術創新，并將最終轉化為新的無線技術標準。本文介紹我國在工業無線技術方面的研究進展，重點介紹具有自主知識產權的工業無線網絡核心技術以及相關國家標準體系的建設情況。

　　關鍵詞：工業無線技術；WIA標準；工業測控系統；無線網絡技術

　　Abstract: Industrial wireless technology is a new wireless communication technology rising since the beginning of this century. It was designed for short-distance and low-rate information exchange among devices. Industrial wireless technology has some characters suited for being used in the industrial field environment, such as: strong anti-interference capacity, ultra-low power consumption and real-time communication, etc. Industrial wireless technology is the function extension and the technology innovation of the existing wireless technology and will finally be converted to some new wireless technical standards. In this paper, the development of industrial wireless technologies and the corresponding state standards in China is introduced.

　　Key words: Industrial Wireless Technology; WIA Standard; Industrial Measurement and Control System; Wireless Network Technology

　　1　工業無線技術概述

　　工業無線技術是繼現場總線之后，工業控制領域的又一個熱點技術，是降低工業測控系統成本、提高工業測控系統應用范圍的革命性技術，也是未來幾年工業自動化產品新的增長點。

　　工業無線技術是一種本世紀初新興的，面向設備間短程、低速率信息交互的無線通信技術，適合在惡劣的工業現場環境使用，具有很強的抗干擾能力、超低能耗、實時通信等技術特征，是對現有無線技術在工業應用方向上的功能擴展和技術創新，并將最終轉化為新的無線技術標準。工業無線技術是從新興的無線傳感器網絡技術中發展而來的。無線傳感器網絡技術具有應用特異化的特點，針對軍事、醫療、智能家居等不同應用領域，其實現技術完全不同。工業無線技術是滿足工業應用高可靠、低能耗、硬實時等特殊需求的一類無線傳感器網絡技術[1]。

　　基于工業無線技術的測控系統，與傳統的有線測控系統相比，具有以下一些優勢：

　　（1）低成本。在傳統的有線系統中，布線的成本是每米$30～$100，在一些惡劣環境下，可達到每米$2000。測控系統運行期間需要不斷檢測系統狀態，發現錯誤，更換電纜。使用工業無線技術將使測控系統的安裝與維護成本降低90％，是實現低成本測控系統的關鍵。

　　（2）高可靠、易維護。在有線系統中，絕大部分系統故障是由電纜的連接器件損壞而引發的，其維護復雜度強，維護費用高。使用無線技術將徹底杜絕此類錯誤的發生。

　　（3）高靈活、易使用。使用無線技術后，現場設備擺脫了電纜的束縛，從而增加了現場儀表與被控設備的可移動性、網絡結構的靈活性以及工程應用的多樣性，用戶可以根據工業應用需求的變化，快速、靈活、方便、低成本地重構測控系統。

　　利用基于工業無線技術的測控系統，人們可以以較低的投資和使用成本實現對工業全流程的“泛在感知”，獲取傳統由于成本原因無法在線監測的重要工業過程參數，并以此為基礎實施優化控制，來達到提高產品質量和節能降耗的目標。

　　美國能源部（DOE）在2004年發布的 “未來工業計劃”（IOF）中指出[2]：這種基于工業無線技術的低成本測控系統是實現到2020年美國工業整體能耗降低5％目標的主要手段，代表著工業自動化系統技術的發展方向，將在提高產品質量、降低工業生產過程中的跑冒滴漏、提高能源效率等方面發揮重要作用，在石油天然氣開采、石化、冶金、污水處理等高耗能、高污染行業有廣泛的應用前景。美國總統科技顧問委員會在“面向21世紀的聯邦能源研究與發展規劃”中指出：工業無線技術的廣泛應用將使工業生產效率提高10％，并使排放和污染降低25％。

　　2　工業無線網絡WIA標準

　　2.1　WIA標準概述

　　目前，工業無線技術正處于一個高速發展的階段，無線技術在工廠環境下使用的抗干擾、節能、實時通信等關鍵技術難題正在被逐漸攻克，市場需求非常旺盛。而美國網絡技術市場分析機構On World公司對工業無線技術市場調研結果顯示，阻礙用戶接受無線技術的關鍵問題在于工業無線技術缺乏統一的國際標準，標準化是工業產品獲得推廣應用的基礎。

　　目前，一些國際組織正在積極推進工業無線網絡技術的標準化進程，其中主要有Wireless HART[3]、ISA SP100[4]和WIA[5]。工業無線網絡WIA標準是由中國工業無線聯盟推出的具有自主知識產權的技術體系，目前已形成了國家標準草案，并正在成為與Wireless HART、ISA100并列的主流工業無線技術體系。

　　WIA標準追求以下的目標：

　　· 針對應用條件和環境的動態變化，能夠保持網絡性能的可靠和穩定。

　　· 能夠在低成本的商用器件上實現，降低技術開發與實現難度。

　　· 用戶能以較低的投入換來易于使用和維護的工業無線監控系統。

　　2.2 WIA標準體系

　　WIA標準體系如圖1所示，具體包括以下部分：

圖1　WIA標準體系

　　⑴　WIA-PA

　　面向各種過程自動化應用，針對抗干擾和低功耗等方面的需求，提供無線網絡技術方案，定義無線網絡系統結構，并參照OSI開放網絡模型，定義物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層協議規范。

　　⑵　WIA-FA

　　面向各種工廠自動化應用，針對通信服務質量（QoS）和通信延遲等方面的需求，提供無線網絡技術方案，定義無線網絡系統結構，并參照OSI開放網絡模型，定義物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、應用層協議規范。

　　⑶　WIA-RFID

　　面向工廠庫存管理和資產追蹤應用，針對基于無線的低成本定位、追蹤等方面的需求，提供無線網絡技術方案，定義用于過程自動化的WIA網絡、用于工廠自動化的WIA網絡與RFID/RTLS間的接口規范。

　　⑷　互操作

　　定義用于過程自動化的WIA網絡、用于工廠自動化的WIA網絡、長距離的無線回程網絡（Backhaul）以及工廠有線控制網絡間的接口規范，以實現滿足應用QoS需求和安全需求的互連與互操作。

　　⑸　安全

　　針對工業無線網絡的安全需求，定義數據鏈路層安全機制、傳輸層安全機制和應用層安全機制，使網絡具有針對故意攻擊和人為錯誤的保護能力，同時保障傳輸數據的保密性、完整性和時效性。

　　⑹　測試與性能評估

　　定義了WIA通信協議一致性測試、互操作測試以及性能評估系統的結構和測試方法，定義了抽象測試集和可執行測試集的生成方法，定義了對工業無線通信協議進行一致性測試和互操作測試所需的測試案例，定義性能評估的方法和指標。

　　⑺　產品標準通用條件

　　規定了針對WIA相關產品的產品分類、要求、試驗方法、檢驗規則、標志、包裝、貯存和運輸條件等。

　　⑻　行規

　　規定WIA系統在不同工業行業中應用的網絡配置和使用規范，向不同的行業應用提供統一、標準的通信設備和應用模型，使得不同廠商的設備可以支持不同行業的應用，并實現互操作。

　　3　WIA-PA標準關鍵技術

　　WIA-PA標準是中國工業無線聯盟針對過程自動化領域的迫切需求而率先制定的WIA子標準，定義了用于過程自動化的WIA系統結構與通信規范。

　　3.1　拓撲結構

　　WIA-PA網絡由以下物理設備構成：

　　· 主控計算機：供用戶、維護人員及管理人員與WIA網絡交互的計算機。

　　· 網關設備：連接WIA 網絡與其他工廠網絡的設備。

　　· 路由設備：負責現場設備管理、報文轉發等功能的設備。

　　· 現場設備：裝有傳感器或執行器、安裝在工業現場，直接連接生產過程的設備。

　　· 手持設備：完成主控應用的手持便攜設備。

　　WIA-PA網絡還定義了以下兩類主要邏輯設備：

　　· 網絡管理器：負責配置網絡、調度路由設備間的通信、管理路由表、監測網絡性能。

　　· 安全管理器：負責整個網絡的安全策略配置、密鑰管理和設備認證。

　　WIA-PA采用星型和網狀相結合的兩層網絡拓撲結構，如圖2所示。第一層是網狀結構，由網關及路由設備構成，用于系統管理的網絡管理器和安全管理器，在實現時可位于網關或主控計算機中；第二層是星型結構，由路由設備及現場設備或手持設備構成。

圖2   WIA-PA網絡拓撲

　　3.2　協議體系（如圖3所示）

　　數據鏈路層、網絡層和應用支持子層包含的功能模塊有：數據實體和管理實體；用戶應用進程包含的功能模塊是多個用戶應用對象；設備管理應用進程包含的功能模塊有：設備管理模塊、網絡管理模塊、安全管理模塊、網絡管理代理模塊、安全管理代理模塊、管理信息庫。

　　WIA-PA網絡的協議棧結構遵循ISO/OSI的層次結構定義，但只定義了物理層、數據鏈路層、網絡層、應用層。基于IEEE802.15.4工業無線網絡協議棧結構如圖3所示，WIA-PA協議棧由數據鏈路層、網絡層、應用層等協議層實體，以及及層實體間的數據接口和管理接口構成：

　　· 數據鏈路層：包括MAC層和數據鏈路子層。MAC層基于IEEE802.15.4MAC協議，數據鏈路子層對IEEE802.15.4MAC進行了擴展，以滿足工業應用的需要。數據鏈路子層由時間同步、時隙通信、鏈路和信道性能度量、鏈路層安全、管理服務等功能模塊構成。

　　· 網絡層：由尋址、路由、分段與重組、管理服務等功能模塊構成。主要功能是實現面向工業應用的端到端的可靠通信。

　　· 應用層，應用層由應用子層、用戶應用進程、設備管理應用進程構成。應用子層提供通信模式、聚合與解決、應用層安全和管理服務等功能；用戶應用進程包含的功能模塊為多個用戶應用對象；設備管理應用進程包含的功能模塊包括：設備管理模塊、網絡管理模塊、安全管理模塊、網絡管理代理模塊、安全管理代理模塊、管理信息庫。

圖3　協議體系

　　3.3　關鍵技術

　　(1)　分布式管理架構

　　WIA-PA系統管理采用分布式管理架構，如圖4所示。網絡管理由網絡管理者和簇首共同完成，網絡管理者主要管理網狀網絡，簇首管理星型網絡。

圖4   WIA-PA分布式系統管理

　　(2)　CSMA和TDMA混合接入模式

　　為了保證數據實時和可靠傳輸的同時，能提供一定的靈活性，WIA-PA采用CSMA和TDMA混合接入模式。為此，WIA采用基于信標的IEEE 802.15.4超幀，并對其進行了擴展，WIA超幀結構如圖5所示。

圖5   WIA超幀結構

　　WIA-PA超幀的CAP階段主要用于設備加入，簇內管理和重傳。CFP階段用于移動設備與簇首間的通信。WIA超幀將IEEE 802.15.4超幀非活動期的時隙用于簇內通信、簇間通信以及休眠。

　　不同路由設備的活動期使用不同的信道。如果信道數量不足，則通過TDMA來擴大系統容量，如圖6所示。假設網絡中有3個路由設備R1、R2、R3，對應的超幀長度分別為1倍、2倍和4倍WIA-PA基本時間單位。按照超幀的定義，由于R1的活動期無法與R2和R3的活動期實現時間上的復用，而R2和R3的活動期可以實現時間上的復用，所以R1活動期要與R2和R3活動期采用不同的信道，而R2和R3的活動期可以采用相同的信道。

圖6   R1，R2和R3超幀結構

　　(3)　自適應跳頻通信

　　WIA-PA技術使用多信道進行通信，在DSSS的基礎上引入FHSS的思想，采用根據信道狀態自適應跳頻等機制，可以有效地抑制突發性干擾，消除頻率選擇性衰減。WIA技術具體支持以下3種跳頻機制：

　　· 自適應頻率切換（AFS）：在WIA超幀中，信標Beacon、CAP和CFP段在同一個超幀周期內使用相同的信道，在不同的超幀周期內根據信道狀況切換信道。信道質量差時，設備改變通信信道。信道狀況通過丟包率和重傳次數進行評價。

　　· 自適應跳頻（AFH）：在WIA超幀的每個時隙，根據信道狀況更換通信信道。信道質量差時，設備改變通信信道。信道狀況通過丟包率和重傳次數進行評價。非活動期的簇內通信段采用AFH跳頻機制。跳頻序列的結構為：<timeslot 1, channel 1> <timeslot 2, channel 2>… <timeslot n, channel n>。

　　· 時隙跳頻（TH）：為了避免干擾和衰減，按照一定規律，在每個時隙改變通信信道。非活動期的簇間通信段采用TH跳頻機制。跳頻序列的結構同上。

　　(4)　高可靠Mesh路由

　　為了保證端到端可靠傳輸，WIA-PA技術在網絡層采用智能的Mesh網絡技術。每個設備至少有兩條可用的通信路徑，設備加入網絡后，可以自主選擇或由網絡管理者分配多條數據傳輸路徑。WIA-PA技術還支持路徑的健康檢測，當一條路徑由于干擾被中斷時，設備可以自動切換到其它通信質量較好的路徑。

　　(5)　聚合與解聚

　　WIA-PA網絡提供了簇內報文聚合功能，以減少需要轉發報文的數量。簇內報文聚合功能由簇首完成，解聚功能由網關完成，網管負責把解聚后的數據分發給不同的應用。WIA-PA的聚合與解聚過程如圖7所示。

圖7   報文聚合與解聚

　　4　總結

　　我國在國家863計劃、科學院創新方向性項目的支持下，經過兩年近百名科技工作者的艱苦攻關，工業無線技術取得了突破，完成了WIA-PA規范國家標準征求意見稿和IEC PAS文件的制訂，最終成為在國際上與Wireless HART被同時承認的僅有的兩個國際標準化文件之一。但是與Wireless HART相比，WIA-PA還只是一種工業通信網絡標準，缺乏對測控應用系統的支持。目前，擺在我們面前的迫切任務是在WIA-PA通信技術的基礎上，面向工程應用實際，開發出基于WIA-PA的系列應用技術、標準與系統，并將它應用于工程應用實際，從而使WIA-PA成為事實上的標準，具有與Wireless HART同等的市場競爭力。

　　參考文獻

　　[1] 于海斌, 曾鵬, 梁韡. 智能無線傳感器網絡系統. 北京: 科學出版社, 2006

　　[2] http://www.eere.energy.gov/industry/sensors_automation

　　[3] www.hartcomm.org/

　　[4] www.isa.org/isa100/

　　[5] www.industrialwireless.cn