摘要：工業(yè)無(wú)線技術(shù)是從新興的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中發(fā)展而來(lái)的。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有應(yīng)用特異化的特點(diǎn)，針對(duì)軍事、醫(yī)療、智能家居等不同應(yīng)用領(lǐng)域，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)完全不同。
1 工業(yè)無(wú)線技術(shù)概述
工業(yè)無(wú)線技術(shù)是繼現(xiàn)場(chǎng)總線之后，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)測(cè)控系統(tǒng)成本、提高工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用范圍的革命性技術(shù)，也是未來(lái)幾年工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品新的增長(zhǎng)點(diǎn)。
工業(yè)無(wú)線技術(shù)是一種本世紀(jì)初新興的，面向設(shè)備間短程、低速率信息交互的無(wú)線通信技術(shù)，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境使 用，具有很強(qiáng)的抗干擾能力、超低能耗、實(shí)時(shí)通信等技術(shù)特征，是對(duì)現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方向上的功能擴(kuò)展和技術(shù)創(chuàng)新，并將最終轉(zhuǎn)化為新的無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
工業(yè)無(wú)線技術(shù)是從新興的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中發(fā)展而來(lái)的。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有應(yīng)用特異化的特點(diǎn)，針對(duì)軍事、醫(yī)療、智能家居等不同應(yīng)用領(lǐng)域，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)完全不同。
工業(yè)無(wú)線技術(shù)是滿足工業(yè)應(yīng)用高可靠、低能耗、硬實(shí)時(shí)等特殊需求的一類無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
基于工業(yè)無(wú)線技術(shù)的測(cè)控系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的有線測(cè)控系統(tǒng)相比，具有以下一些優(yōu)勢(shì)：
(1)低成本。在傳統(tǒng)的有線系統(tǒng)中，布線的成 本是每米$30～$100，在一些惡劣環(huán)境下，可達(dá)到每米$2000。測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行期間需要不斷檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，更換電纜。使用工業(yè)無(wú)線技術(shù)將使 測(cè)控系統(tǒng)的安裝與維護(hù)成本降低90%，是實(shí)現(xiàn)低成本測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵。
(2)高可靠、易維護(hù)。在有線系統(tǒng)中，絕大部分系統(tǒng)故障是由電纜的連接器件損壞而引發(fā)的，其維護(hù)復(fù)雜度強(qiáng)，維護(hù)費(fèi)用高。使用無(wú)線技術(shù)將徹底杜絕此類錯(cuò)誤的發(fā)生。
(3) 高靈活、易使用。使用無(wú)線技術(shù)后，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備擺脫了電纜的束縛，從而增加了現(xiàn)場(chǎng)儀表與被控設(shè)備的可移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活性以及工程應(yīng)用的多樣性，用戶可以根據(jù)工業(yè)應(yīng)用需求的變化，快速、靈活、方便、低成本地重構(gòu)測(cè)控系統(tǒng)。
利用基于工業(yè)無(wú)線技術(shù)的測(cè)控系統(tǒng)，人們可以以 較低的投資和使用成本實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)全流程的“泛在感知”，獲取傳統(tǒng)由于成本原因無(wú)法在線監(jiān)測(cè)的重要工業(yè)過(guò)程參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)實(shí)施優(yōu)化控制，來(lái)達(dá)到提高產(chǎn)品 質(zhì)量和節(jié)能降耗的目標(biāo)。
美國(guó)能源部(DOE)在2004年發(fā)布的 “未來(lái)工業(yè)計(jì)劃”(IOF)中指出：這種基于工業(yè)無(wú)線技術(shù)的低成本測(cè)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)到2020年美國(guó)工業(yè)整體能耗降低5%目標(biāo)的主要手段，代表著工業(yè) 自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展方向，將在提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的跑冒滴漏、提高能源效率等方面發(fā)揮重要作用，在石油天然氣開(kāi)采、石化、冶金、污水處理等高耗能、高污染行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景。
美國(guó)總統(tǒng)科技顧問(wèn)委員會(huì)在“面向21世紀(jì)的聯(lián)邦能源研究與發(fā)展規(guī)劃”中指出：工業(yè)無(wú)線技術(shù)的廣泛應(yīng)用將使工業(yè)生產(chǎn) 效率提高10%，并使排放和污染降低25%。
2 工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WIA標(biāo)準(zhǔn)
2.1 WIA標(biāo)準(zhǔn)概述
目前，工業(yè)無(wú)線技術(shù)正處于一個(gè)高速發(fā)展的階段，無(wú)線技術(shù)在工廠環(huán)境下使用的抗干擾、節(jié)能、 實(shí)時(shí)通信等關(guān)鍵技術(shù)難題正在被逐漸攻克，市場(chǎng)需求非常旺盛。
而美國(guó)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)On World公司對(duì)工業(yè)無(wú)線技術(shù)市場(chǎng)調(diào)研結(jié)果顯示，阻礙用戶接受無(wú)線技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題在于工業(yè)無(wú)線技術(shù)缺乏統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化是工業(yè)產(chǎn)品獲得推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。
目前，一些國(guó)際組織正在積極推進(jìn)工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，其中主要有Wireless HART[3]、ISA SP100[4]和WIA[5]。工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WIA標(biāo)準(zhǔn)是由中國(guó)工業(yè)無(wú)線聯(lián)盟推出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系，目前已形成了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)草案，并正在成為 與Wireless HART、ISA100并列的主流工業(yè)無(wú)線技術(shù)體系。
WIA標(biāo)準(zhǔn)追求以下的目標(biāo)：
針對(duì)應(yīng)用條件和環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，能夠保持網(wǎng)絡(luò)性能的可靠和穩(wěn)定。
能夠在低成本的商用器件上實(shí)現(xiàn)，降低技術(shù)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)難度。
用戶能以較低的投入換來(lái)易于使用和維護(hù)的工業(yè)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)。
2.2 WIA標(biāo)準(zhǔn)體系
WIA標(biāo)準(zhǔn)體系如圖1所示，具體包括以下部分：
⑴ WIA-PA
面向各種過(guò)程自動(dòng)化應(yīng)用，針對(duì)抗干擾和低功耗等方面的需求，提供無(wú)線 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案，定義無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并參照OSI開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)模型，定義物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范。
⑵ WIA-FA
面向各種工廠自動(dòng)化應(yīng)用，針對(duì)通信服務(wù)質(zhì)量(QoS)和通信延遲等方面的需求，提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案，定義無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并參照OSI開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)模型，定義物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層協(xié)議規(guī)范。
⑶ WIA-RFID
面向工廠庫(kù)存管理和資產(chǎn)追蹤應(yīng)用，針對(duì)基于無(wú)線的低成本定位、追蹤等方面的需求，提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案，定義用于過(guò) 程自動(dòng)化的WIA網(wǎng)絡(luò)、用于工廠自動(dòng)化的WIA網(wǎng)絡(luò)與RFID/RTLS間的接口規(guī)范。
⑷ 互操作
定義用于過(guò)程自動(dòng)化的WIA網(wǎng)絡(luò)、用于工廠自動(dòng)化的WIA網(wǎng)絡(luò)、長(zhǎng)距離的無(wú)線回程網(wǎng)絡(luò)(Backhaul)以及工廠有線控制網(wǎng)絡(luò)間 的接口規(guī)范，以實(shí)現(xiàn)滿足應(yīng)用QoS需求和安全需求的互連與互操作。
⑸ 安全
針對(duì)工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的安全需求，定義數(shù)據(jù)鏈路層安全機(jī)制、傳輸層安全機(jī)制和應(yīng)用層安全機(jī)制，使網(wǎng)絡(luò)具有針對(duì)故意攻擊和人為錯(cuò)誤的保護(hù)能力，同時(shí)保障傳輸數(shù)據(jù)的保密性、完整性和時(shí)效性。
⑹ 測(cè)試與性能評(píng)估
定義了WIA通信協(xié)議一致性 測(cè)試、互操作測(cè)試以及性能評(píng)估系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和測(cè)試方法，定義了抽象測(cè)試集和可執(zhí)行測(cè)試集的生成方法，定義了對(duì)工業(yè)無(wú)線通信協(xié)議進(jìn)行一致性測(cè)試和互操作測(cè)試所需的測(cè)試案例，定義性能評(píng)估的方法和指標(biāo)。
⑺ 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)通用條件
規(guī)定了針對(duì) WIA相關(guān)產(chǎn)品的標(biāo)志、包裝、貯存和運(yùn)輸條件等。
⑻ 行規(guī)
規(guī)定WIA系統(tǒng)在不同工業(yè)行業(yè)中應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)配置和使用規(guī)范，向不同的行業(yè)應(yīng)用提供統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的通信設(shè)備和應(yīng)用模型，使得不同廠商的設(shè)備可以支持不同行業(yè)的應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)互操作。
3 WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)
WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)是中國(guó)工業(yè)無(wú)線聯(lián)盟針對(duì)過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域的迫切需求而率先制定的WIA子標(biāo)準(zhǔn)，定義了用于過(guò)程自動(dòng)化的WIA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范。
3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
WIA-PA網(wǎng)絡(luò)由以下物理設(shè)備構(gòu)成：
主控計(jì)算機(jī)：供用戶、維護(hù)人員及管理人員與WIA網(wǎng)絡(luò)交互的計(jì)算機(jī)。
網(wǎng)關(guān)設(shè)備：連接WIA網(wǎng)絡(luò)與其他工廠網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。
路由設(shè)備：負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管理、報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)等功能的設(shè)備。
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備：裝有傳感器或執(zhí)行器、安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，直接連接生產(chǎn)過(guò)程的設(shè)備。
手持設(shè)備：完成主控應(yīng)用的手持便攜設(shè)備。
WIA-PA網(wǎng)絡(luò)還定義了以下兩類主要邏輯設(shè)備：
網(wǎng)絡(luò)管理器：負(fù)責(zé)配置網(wǎng)絡(luò)、調(diào)度路由設(shè)備間的通信、管理路由表、監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)性能。
安全管理器：負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全策略配置、密鑰管理和設(shè)備認(rèn)證。
WIA-PA采用星型和網(wǎng)狀相結(jié)合的兩層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。第一層是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)關(guān)及路由設(shè)備構(gòu)成，用于系統(tǒng)管理的網(wǎng)絡(luò)管理器和安全管理器，在實(shí)現(xiàn)時(shí)可位于網(wǎng)關(guān)或主控計(jì)算機(jī)中;第二層是星型結(jié)構(gòu)，由路由設(shè)備及現(xiàn) 場(chǎng)設(shè)備或手持設(shè)備構(gòu)成。
3.2 協(xié)議體系
數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持子層包含的功能模塊有： 數(shù)據(jù)實(shí)體和管理實(shí)體;用戶應(yīng)用進(jìn)程包含的功能模塊是多個(gè)用戶應(yīng)用對(duì)象;設(shè)備管理應(yīng)用進(jìn)程包含的功能模塊有：設(shè)備管理模塊、網(wǎng)絡(luò)管理模塊、安全管理模塊、網(wǎng)絡(luò)管理代理模塊、安全管理代理模塊、管理信息庫(kù)。
WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)遵循ISO/OSI的層次結(jié)構(gòu)定義，但只定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層?；贗EEE802.15.4工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖3所示，WIA-PA協(xié)議棧由數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等協(xié) 議層實(shí)體，以及及層實(shí)體間的數(shù)據(jù)接口和管理接口構(gòu)成：
數(shù)據(jù)鏈路層：包括MAC層和數(shù)據(jù)鏈路子層。MAC層基于IEEE802.15.4MAC協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路子層對(duì)IEEE802.15.4MAC進(jìn)行了擴(kuò)展， 以滿足工業(yè)應(yīng)用的需要。數(shù)據(jù)鏈路子層由時(shí)間同步、時(shí)隙通信、鏈路和信道性能度量、鏈路層安全、管理服務(wù)等功能模塊構(gòu)成。
網(wǎng)絡(luò)層：由尋址、路由、分段與重組、管理服務(wù)等功能模塊構(gòu)成。主要功能是實(shí)現(xiàn)面向工業(yè)應(yīng)用的端到端的可靠通信。
應(yīng)用層，應(yīng)用層由應(yīng)用子層、用戶應(yīng)用進(jìn)程、設(shè)備管理應(yīng)用進(jìn)程構(gòu)成。應(yīng)用子層提供通信模式、聚合與解決、應(yīng)用層安全和管理服務(wù)等功能;用戶應(yīng)用進(jìn)程包含的功能模塊為多個(gè)用戶應(yīng)用對(duì)象;設(shè)備管理應(yīng)用進(jìn)程包含的功能模塊包括：設(shè)備管理模塊、網(wǎng)絡(luò)管理模塊、安全管理模塊、網(wǎng)絡(luò)管理代理模塊、安全管理代理模塊、管理 信息庫(kù)。
（轉(zhuǎn)載）
