第6章WIA-PA技术.ppt

无线传感器网络技术及应用 第6章WIA PA技术 主要内容WIA PA标准的发展WIA PA网络构成WIA PA协议栈的设计与实现WIA PA开发平台 6 1WIA PA标准的发展 WIA PA标准概述中国自主开发的工业无线标准WIA PA WirelessNetworksforIndustrialAutomation ProcessAutomation 由中科院沈阳自动化所牵头 浙江大学 重庆邮电大学等多家单位联合参与制定2011年10月 获得国际电工委员会 IEC 全体成员国100 的投票 正式成为IEC62601国际标准 使工业无线技术国际标准形成无线HART HART基金会 ISA100 11a 国际自动化学会 WIA PA 中国WIA PA联盟 三足鼎立的局面 6 1WIA PA标准的发展 WIA PA的技术特征支持扩频通信与窄带通信星形和网状两层拓扑结构集中式与分布式结合的系统管理TDMA CSMA混合接入模式多信道通信多种措施结合保证通信可靠性超低能耗兼容IEEE802 15 4标准支持以降低通信开销为目的的报文合并 6 2WIA PA网络构成 WIA PA网络的拓扑结构WIA PA网络支持星型和网状结合的两层网拓扑结构或者星型拓扑结构 星型和网状结合的两层拓扑结构 第一层是网状结构 由网关设备及路由设备构成 第二层是星型结构 由路由设备及现场设备或手持设备 如果存在 构成 星型拓扑结构仅由网关设备和现场设备 或手持设备 构成 6 2WIA PA网络构成 WIA PA网络星型和网状结合的两层拓扑结构 6 2WIA PA网络构成 WIA PA网络星型拓扑结构 6 2WIA PA网络构成 WIA PA设备分类及功能 物理设备 5类 主控计算机网关设备路由设备现场设备手持设备 逻辑角色 5类 网关网络管理者安全管理者簇首簇成员 一种类型的物理设备可以担任多个逻辑角色 6 3WIA PA协议栈的设计与实现 WIA PA协议体系虽然WIA PA标准规定的网络协议结构遵循ISO OSI的层次结构定义 但是WIA PA标准中只定义了物理层 数据链路层 网络层和应用层 下图为WIA PA协议架构 6 3WIA PA协议栈的设计与实现 物理层WIA PA网络标准的物理层基于IEEESTD802 15 42006标准 负责启动和终止无线射频收发器 能量探测 链路质量指示器 信道选择 空闲信道检测以及通过物理媒介收发数据 可支持16个信道 11 26 且基本的数据传输率为250kbit s 6 3WIA PA协议栈的设计与实现 数据链路层WIA PA数据链路层支持基于时隙的跳频机制 重传机制 时分多路访问 TDMA 和载波侦听多路访问 CSMA 混合信道访问机制 保证传输的可靠性和实时性 WIA PA的数据链路层 DLL 包括 IEEESTD802 15 4 2006MAC层 负责数据帧的发送和接收 数据链路子层DLSL 定义通信资源分配等方面的内容 6 3WIA PA协议栈的设计与实现 网络层WIA PA的网络层由寻址 路由 分段与重组 管理服务等功能模块构成 主要功能是实现面向工业应用的端到端的可靠通信 资源分配 网络层的主要技术特征包括 通信资源分配 时隙和信道 聚合与解聚 6 3WIA PA协议栈的设计与实现 两级聚合机制数据聚合 当现场设备有超过一个以上用户应用对象时 可选择启用现场设备的数据聚合机制以减少通信频率 包聚合 当路由设备接收超过一个现场设备的数据包时 可选择启用路由设备的包聚合机制 以减少了路由设备到网关的数据包数目 提高网络效率 注 聚合和解聚是自愿的 由实际应用程序通过设置标志位来决定 6 3WIA PA协议栈的设计与实现 应用层WIA PA网络的应用层 AL 包括用户应用进程 UAP 和应用子层 ASL 两个部分 用户应用进程的功能 通过传感器采集物理世界的数据信息 产生并发布报警功能 通过UAP可以实现与其他WIA PA设备的互操作 应用子层功能 为用户应用进程和设备管理应用进程提供端到端的透明数据通信服务 支持Client Server Publisher Subscriber Reportsource Sink通信模式的数据传输 6 3WIA PA协议栈的设计与实现 WIA PA协议栈总体设计WIA PA协议栈由五个主状态机 数据服务 管理服务和底层驱动组成 五个主状态机分别是 应用层状态机 apsFSM 网络层状态机 nlFSM 数据链路子层状态机 dlslFSM MAC层状态机 macFSM 和物理层状态机 phyFSM 6 3WIA PA协议栈的设计与实现 网络层模块实现面向工业应用的端到端的可靠通信 资源分配 数据链路层模块保证WIA PA网络设备间点对点的可靠 安全 无误 实时地传输 物理层模块负责与硬件相关的工作 如串口数据的接收和发送 6 3WIA PA协议栈的设计与实现 WIA PA协议栈的实现WIA PA数据链路层的设计与实现WIA PA数据链路层主要任务是保证WIA PA网络设备间的可靠 安全 无误 实时地传输 数据链路层主状态机状态转移图 6 3WIA PA协议栈的设计与实现 WIA PA网络层的设计与实现网络层的主要任务是为下层 数据链路层 提供一些必要的功能 以确保其正常工作 同时为上层 应用子层 提供发送和接收数据的接口 实现网络层管理功能 配置和控制网络层的操作 另外 网络层功能还包括分段重组 路由 寻址和网络性能监控管理 6 3WIA PA协议栈的设计与实现 WIA PA应用层的设计与实现应用层主函数实现了十几种传感器驱动及数据采集应用程序 以及从形成网络 组网到数据通信的协议栈运行时序 系统管理 网络管理和安全管理位于操作后台 应用层设计框架主要包括组网 应用对象列表汇报 资源分配和用户应用进程四部分 应用层主状态机转移图如图所示 6 3WIA PA协议栈的设计与实现 WIA PA网络管理的设计与实现WIA PA网络管理的通信交互主要在WIA PA协议栈的网络层实现 6 3WIA PA协议栈的设计与实现 WIA PA网络管理信息交互WIA PA网络管理具有主动和被动管理信息两种交互模式 包括P S Publisher Subscriber 发布 订阅 R S Report Sink 报告 C S Client Server 客户端 服务器 三种通信模式 WIA PA网络管理结构 6 3WIA PA协议栈的设计与实现 WIA PA的安全的设计与实现WIA PA网络的安全管理架构由安全管理者 网关设备的安全管理模块 路由设备的安全管理模块和现场设备的安全管理模块组成 WIA PA网络的安全包括 各个层的安全 安全服务以及数据流安全传输过程 安全服务主要提供了数据完整性 保密性 认证服务和重放攻击服务 6 4WIA PA开发平台 开发平台简介WIA PA平台功能特点标准工业无线WIA PA网络协议组网灵活系统安全性高节点耗电低可视化显示 基于WIA PA的工业物联网开发测试平台 6 4WIA PA开发平台 开发平台实验开发平台的实验过程 安装网络管理软件连接网关和设备查看设备上线情况和拓扑图实时监