基于WIA-PA的HSE系統節點(diǎn)設計

摘要：針對傳統儀器儀表的缺點(diǎn)，介紹了一種基于WIA-PA工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準的HSE系統節點(diǎn)設計方案。采用基于IEEE 802．15．4無(wú)線(xiàn)協(xié)議的射頻芯片CC2420和16位超低功耗單片機MSP430F1161，分析并將系統模塊化，給出模塊設計與具體流程。
關(guān)鍵詞：WIA-PA；HSE；工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

引言
工業(yè)環(huán)境不僅影響企業(yè)的生產(chǎn)運行和生產(chǎn)效率，同時(shí)也影響企業(yè)員工的健康狀態(tài)。對工業(yè)環(huán)境的實(shí)時(shí)監測不僅可以保障企業(yè)正常運行、降低事故風(fēng)險，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(guò)程中有著(zhù)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80年代后期發(fā)展起來(lái)的工業(yè)監測體系，通過(guò)對工業(yè)環(huán)境的監測，進(jìn)行風(fēng)險識別和危害評估，確定工廠(chǎng)活動(dòng)可能發(fā)生的危害和健康隱患，采取系統化的監測管理預警機制和控制措施，消除各類(lèi)健康、安全和環(huán)境隱患，盡可能地減少人員傷害、財產(chǎn)損失和環(huán)境污染，實(shí)現企業(yè)的可持續發(fā)展。

1 WIA-PA技術(shù)簡(jiǎn)介
傳統的工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程自動(dòng)化水平低、集成難度大。首先，系統線(xiàn)路架設困難，惡劣環(huán)境的工程布線(xiàn)還具有一定的危險程度；其次，系統布線(xiàn)復雜度大，限制了系統的擴展和自動(dòng)化程度；再者，電纜易老化腐蝕，系統長(cháng)期運行可靠性降低，不僅系統的安裝調試需要大量時(shí)間，而且維護難度也大。工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是21世紀初新興的、以工業(yè)應用為目的、面向設備間信息交互的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，適合在惡劣的工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境下使用，部署成本低、使用簡(jiǎn)單、維護簡(jiǎn)便、靈活性高、擴展性強，同時(shí)還具有強抗干擾、超低功耗、高可靠性、實(shí)時(shí)通信等特點(diǎn)。因此，近幾年來(lái)一些國際組織正積極推進(jìn)工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的標準化進(jìn)程，目前主流的工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準主要有WIA-PA、Wireless-HART和ISA-SP100。
WIA-PA標準是中國工業(yè)無(wú)線(xiàn)聯(lián)盟針對過(guò)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(guò)程自動(dòng)化的WIA系統結構與通信規范。WIA-PA采用星型和Mesh結合的雙層混合網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，如圖1所示。第一層Mesh結構由網(wǎng)關(guān)及路由設備構成，結構靈活、健壯性好，同時(shí)具有自組織和自愈能力；第二層星型結構由路由設備及現場(chǎng)設備或手持設備構成，結構簡(jiǎn)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(hù)設備在網(wǎng)絡(luò )結構中的獨立性。相比較而言，Wireless-HART采用的是單層Mesh結構，網(wǎng)絡(luò )結構單一。ISA-SP100網(wǎng)絡(luò )拓撲結構和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，而路由設備及終端設備或手持設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)可下放管理權限給路由設備，既可提高網(wǎng)絡(luò )效率，又方便用戶(hù)使用和管理；
②聚合與解聚：支持報文的聚合與解聚，減少網(wǎng)絡(luò )開(kāi)銷(xiāo)，延長(cháng)電池壽命；
③TDMA／CSMA混合接入模式：通過(guò)TDMA／CSMA混合接入模式支持周期和非周期性通信；
④擴頻通信與窄帶通信：在2．4 GHz基礎上，支持433 MHz低頻窄帶通信，并能無(wú)縫地集成到同一網(wǎng)絡(luò )中；
⑤兼容IEEE 802．15．4標準：符合IEEE 802．15．4標準的設備也能加入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傳輸的可靠性；
①全網(wǎng)TDMA模式：全網(wǎng)的時(shí)間同步精度達到μs級，避免報文沖突；
②自適應調頻技術(shù)：在DSSS的基礎上引入FHSS的思想，采用根據信道狀態(tài)自適應跳頻機制，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)重傳機制：鏈路層采用自動(dòng)請求重傳機制，應用層采用面向連接(connection-oriented)的數據傳輸技術(shù)，保證報文傳輸的成功率；
④Mesh路由：每個(gè)設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設備冗余：可選冗余網(wǎng)管設備，增強系統魯棒性。