基于ISA100．11a標準的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺的設計與實(shí)現

摘要：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是未來(lái)幾年工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品新的增長(cháng)點(diǎn)。作者所在實(shí)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 )設備及終端設備，研制的ISA100．11a工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)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(zhuān)利池，可廣泛應用于智能工業(yè)、環(huán)境監測、智能電網(wǎng)等應用系統的開(kāi)發(fā)，并已經(jīng)在中國四聯(lián)集團、韓國漢陽(yáng)大學(xué)等單位得到應用。

關(guān)鍵詞：ISA100．11a；物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )；通信

0 引言

以工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)為代表的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是繼現場(chǎng)總線(xiàn)之后，工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)，是降低工業(yè)自動(dòng)化成本、提高自動(dòng)化系統應用范圍最有潛力的技術(shù)。美國總統科技顧問(wèn)委員會(huì )在“面向21世紀的聯(lián)邦能源研究與發(fā)展規劃”中指出：工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的應用將使工業(yè)生產(chǎn)效率提高10％，并使排放和污染降低25％，是未來(lái)幾年工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品新的增長(cháng)點(diǎn)。

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(gè)標準共存的局面。重慶郵電大學(xué)是國際上參與研發(fā)和應用工業(yè)無(wú)線(xiàn)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(shí)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 )設備及終端設備，形成了一套完整的ISA100.11a網(wǎng)絡(luò )系統。其核心技術(shù)已經(jīng)形成專(zhuān)利池，從而實(shí)現了我國面向工業(yè)測量與控制的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)與產(chǎn)品的跨越式發(fā)展，使國內在此領(lǐng)域直接跨入國際前沿水平。

1 平臺系統的功能結構與通信原理

1. 1 網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

ISA100．11a能支持小同的網(wǎng)絡(luò )拓撲，主要有星型結構和Mesh結構。星型網(wǎng)絡(luò )拓撲具有容易實(shí)現、實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)，但是僅限于單跳范圍，所以，在ISA100．11a網(wǎng)絡(luò )結構中引入了骨干網(wǎng)。骨干網(wǎng)是一個(gè)高速網(wǎng)絡(luò )，可有效擴大網(wǎng)絡(luò )覆蓋面積并減小數據時(shí)延?，F場(chǎng)設備先通過(guò)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 )拓撲結構如圖1所示。

1．2 平臺系統的功能結構

本系統平臺根據功能可劃分為上位機系統(PC機)、路由、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)和多個(gè)終端節點(diǎn)四部分，平臺的系統結構如圖2所示。終端設備配置了傳感器(溫濕度傳感器、煙霧傳感器、瓦斯傳感器等)，可進(jìn)行數據的采集，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊把數據傳輸到路由；路由收到數據后轉發(fā)刮網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)具有系統管理器和安全管理器的功能，在對數據進(jìn)行必要的處理后，通過(guò)以太網(wǎng)或串口傳輸把數據傳到上位機；上位機可進(jìn)行顯示界面，并可以通過(guò)對數據的提取、處理和控制管理來(lái)實(shí)時(shí)觀(guān)測和監控各個(gè)傳感器節點(diǎn)的運行狀態(tài)。

2 平臺硬件構成和設計

基于ISA100．11a的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺包括符合ISA100．11a標準的工業(yè)無(wú)線(xiàn)協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò )設備、應用設備以及組態(tài)軟件。平臺系統的硬件構成實(shí)物圖如圖3所示，系統中集成了不同類(lèi)型的設備和不同級別的節點(diǎn)，主要包括1個(gè)網(wǎng)關(guān)、3個(gè)煙霧傳感器、2個(gè)溫濕度傳感器、1個(gè)仿真器和若干配線(xiàn)。

2．1 網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)

ISA100．11a網(wǎng)關(guān)是一種集成有ISA100．11a核心協(xié)議的短程無(wú)線(xiàn)通信設備，工作在基于工業(yè)標準802．15．4的2．4 GHz頻段。網(wǎng)關(guān)負責整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的調度、管理和優(yōu)化，統一為網(wǎng)絡(luò )設備分配通信資源，調度網(wǎng)絡(luò )設備的通信，同時(shí)監控和報告網(wǎng)絡(luò )運行狀態(tài)。另外，ISA100．11a網(wǎng)關(guān)還是全網(wǎng)的時(shí)間同步源和均衡網(wǎng)絡(luò )負載，是整個(gè)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，片內用大量的分組寄存器和8個(gè)優(yōu)先級向量中斷控制器來(lái)實(shí)時(shí)快速地處理中斷。ISA100．11a網(wǎng)關(guān)可支持一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò )接入點(diǎn)和服務(wù)接入點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò )接入點(diǎn)提供有與其他網(wǎng)絡(luò )連接的接口，比如工廠(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )，目前提供有串口和以太網(wǎng)兩種連接方式。其硬件設計結構框圖如圖4所示。

2．2 路由節點(diǎn)

ISA100．11a路由器為低能耗的短程無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信設備，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 )終端設備使其入網(wǎng)，具備網(wǎng)絡(luò )路由功能，并可轉發(fā)數據、系統管理和安全管理功能。

路由設備主要由CC2530芯片、電源模塊、天線(xiàn)模塊、晶體振蕩電路四部分組成。CC2530無(wú)線(xiàn)接收器用于處理收到的數字信號并恢復正確的傳輸數據，然后把要發(fā)送的數據送入128字節的發(fā)送緩存器中，再根據IEEE802．15．4標準，把需要發(fā)送的數據流的每4位通過(guò)32碼片的擴頻序列擴頻后送到DA變換器，然后調制到2．4 GHz的設定信道上，最后經(jīng)放大后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去。