基于ISA100.11a标准的工业物联网开发平台的设计与实现

引言

以工业无线技术为代表的工业物联网技术是继现场总线之后，工业控制领域的又一个热点技术，是降低工业自动化成本、提高自动化系统应用范围最有潜力的技术。美国总统科技顾问委员会在“面向21世纪的联邦能源研究与发展规划”中指出:工业无线技术的应用将使工业生产效率提高10%,并使排放和污染降低25%,是未来几年工业自动化产品新的增长点。

目前，在物联网技术方面，国际上已经形成了W1HART、ISA100.11a以及WIA-PA三个标准共存的局面。重庆邮电大学是国际上参与研发和应用工业无线通信技术最早的单位之一，不仅作为核心成员制定了WIA-PA标准，还作为VotingMember和ISAWCI工作组成员，参加了ISA100.11a标准制定。同时研发了基于ISA100.11a的工业物联网通信协议栈软件、网络设备及终端设备，形成了一套完整的ISA100.11a网络系统。其核心技术已经形成专利池，从而实现了我国面向工业测量与控制的无线通信技术与产品的跨越式发展，使国内在此领域直接跨入国际前沿水平。

1  平台系统的功能结构与通信原理

1.1  网络拓扑结构

ISA100.11a能支持不同的网络拓扑，主要有星型结构和Mesh结构。星型网络拓扑具有容易实现、实时性高等优点,但是仅限于单跳范围，所以，在ISA100.11a网络结构中引入了骨干网。骨干网是一个高速网络，可有效扩大网络覆盖面积并减小数据时延。现场设备先通过骨干路由器接入骨干网组成ISAlOO.llaDL子网，然后由ISAlOO.llaDL子网和骨干网组成ISAlOO.lla网络，其网络拓扑结构如图1所示。

图1     ISAlOO.lla网络拓扑结构图

1.2  平台系统的功能结构

本系统平台根据功能可划分为上位机系统（PC机）、路由、无线网关和多个终端节点四部分,平台的系统结构如图2所示。终端设备配置了传感器（温湿度传感器、烟雾传感器、瓦斯传感器等），可进行数据的采集，然后通过无线模块把数据传输到路由；路由收到数据后转发到网关；网关具有系统管理器和安全管理器的功能，在对数据进行必要的处理后，通过以太网或串口传输把数据传到上位机；上位机可进行显示界面，并可以通过对数据的提取、处理和控制管理来实时观测和监控各个传感器节点的运行状态。

2  平台硬件构成和设计

基于ISAlOO.lla的工业物联网开发平台包括符合ISAlOO.lla标准的工业无线协议栈、网络设备、应用设备以及组态软件。平台系统的硬件构成实物图如图3所示，系统中集成了不同类型的设备和不同级别的节点，主要包括l个网关、3个烟雾传感器、2个温湿度传感器、1个仿真器和若干配线。

2.1  网关节点

ISAlOO.lla网关是一种集成有ISAlOO.lla核心协议的短程无线通信设备，工作在基于工业标准8O2.l5.4的2.4GHz频段。网关负责整个网络的调度、管理和优化，统一为网络设备分配通信资源，调度网络设备的通信，同时监控和报告网络运行状态。另外，ISAlOO.lla网关还是全网的时间同步源和均衡网络负载，是整个网络的核心。

图3     平台系统的硬件构成

网关底板上的ARM处理器选用美国ATMEL公司的AT9lR4OOO8微处理器，它集成有带ARM7TDMI核的32位微处理器和丰富的资源，片内用大量的分组寄存器和8个优先级向量中断控制器来实时快速地处理中断。ISAlOO.lla网关可支持一个或多个网络接入点和服务接入点。网络接入点提供有与其他网络连接的接口，比如工厂自动化网络，目前提供有串口和以太网两种连接方式。其硬件设计结构框图如图4所示。

图4     ISAlOO.lla网关硬件结构框图

2.2  路由节点

ISAlOO.lla路由器为低能耗的短程无线网络通信设备,可自带电源，使用全球免费的2.4GHz频段。其作用是连接网络终端设备使其入网，具备网络路由功能，并可转发数据、系统管理和安全管理功能。

路由设备主要由CC2530芯片、电源模块、天线模块、晶体振荡电路四部分组成。CC2530无线接收器用于处理收到的数字信号并恢复正确的传输数据，然后把要发送的数据送入128字节的发送缓存器中，再根据IEEE802.15.4标准，把需要发送的数据流的每4位通过32码片的扩频序列扩频后送到DA变换器，然后调制到2.4GHz的设定信道上，最后经放大后通过天线发射出去。

2.3  传感器节点

传感器设备主要由传感器模块、CC2530芯片、电源模块、天线模块和晶体振荡电路五部分组成。

ISA100.11a普通节点具有易使用、易集成等优点，可以方便地与传感器、仪表进行连接，可配置多种类型的传感器,例如温湿度传感器、CO传感器、瓦斯传感器、烟雾传感器、粉尘传感器、压力变送器、阀门定位器、电动执行器等。

3  关键技术

ISA100.11a网络协议可解决与其他短距离无线网络的共存性问题以及无线通信的可靠性和确定性问题，其核心技术包括精确时间同步技术、自适应跳信道技术、确定性调度技术、数据链路层子网路由技术和安全管理方案等，并具有数据传输可靠、准确、实时、低功耗等特点。

3.1  精确时间同步技术

ISA100.11a网络拓扑有两层结构，分别为骨干网和DL子网，因此，本设计根据网络层次结构采用了分级同步的思想进行时间同步。

网关在形成网络时，可向骨干路由器发送装载有时间同步信息的广播帧来进行骨干网的时间同步；当骨干网完成时间同步后，骨干路由器便向其所在的DL子网内的终端设备发送广播帧来进行时间同步。这样，经过两级同步后，就可以达到全网同步的目的。

在ISA100.11a网络中，广播帧是时间同步信息的载体，因此，要根据广播帧的帧格式来添加时间同步信息。广播帧时间同步流程如图5所示。

3.2  自适应跳信道技术

ISA100.11a网络支持与其他无线短距离网络的共存，比如IEEE802.11网络、基于IEEE802.15.4标准的无线网络（ZigBee、WirelessHART、6LoWPANs、蓝牙以及RFID系统）。ISA100.11a工作在全球免费的2.4GHz频段，为了避免信号干扰，设计时要解决在2.4GHz频段网络的共存性问题。

ISA100.11a网络通过采用跳信道技术来避免信号干扰,跳信道包括时隙跳频、慢跳频和混合跳频三种信道模式，不同的运行模式对应着不同的时隙配置方式。跳信道技术可减少设备在同一条信道上工作的时间，因而减少了对其他无线设备的影响；同时由于可在其他信道重发数据包，进而增加了网络的抗干扰能力；网络同时使用自适应跳信道技术，来实时检测并删除频谱中被使用的信道，以提高与其他射频系统的共存能力，同时也屏蔽了传输数据差的信道，有效地增加了系统的可靠性。

3.3  确定性调度技术

由于ISA100.11a骨干网一般采用有线技术或Wi-Fi无线技术，所以，ISA100.11a数据链路层的通信调度技术是面向ISA100.11aDL子网的。其主要功能是在相互竞争的用户之间分配通信资源，从而避免冲突，提高吞吐量和带宽利用率,解决现场设备间数据通信的确定性、可靠性和实时性等问题。

图5     ISA100.11a广播帧时间同步流程图

4  应用案例

本设计的ISA100.11a工业物联网开发平台可配套433MHz、780MHz和2.4GHz等三个频段的硬件平台，并在实验室搭建了基于CC2530芯片的测试系统，并可长期运行。图6所示系统就是由1个网关、6个路由器、甲烷传感器、温湿度传感器、压力变送器（四联公司）、智能电表等11个终端设备组成的ISA100.11a无线测控系统测试平台。

图7所示是ISA100.11a网络的上位机监控组态界面。图中显示了网络的拓扑结构以及每个终端设备的相关数据信息。经过对系统的测试和分析所采集的数据包，表明整套系统运行稳定。由此验证了本文研究的基于ISAlOO.lla标准的工业物联网开发平台的可行性和稳定性。

ISAlOO.lla网络可通过网关采集过程参数或环境参数,从而对生产流程或工厂环境进行监控，并可应用于多种工业现场。

中国四联仪器仪表集团有限公司采用本平台开发了基于lSlOO.lla协议栈的温度变送器，构建了如图8所示的ISAlOO.lla无线测控系统，用于对工厂环境的温度进行监测。智能温度变送器具有周期性上传温度值和休眠等功能，经过长期测试及试验表明，该系统运行稳定，完全可以达到现场应用的要求。

5  结语

以工业无线技术为代表的工业物联网是降低工业自动化成本、扩大自动化系统应用范围最有潜力的技术。本平台具有开发简单、使用方便和组网灵活等优点，用户可根据应用场景自由构建自己的工业物联网系统，以满足工业用户的多种需求,因而具有很好的应用前景。

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