工业无线网络WIA_PA-工业化计算机网络.doc

工业无线网络WIA-PA标准WIA-PA Standard of Industrial Wireless Network 摘要：本文概要介绍了工业无线网络的发展过程及标准化进程，详细介绍了用于过程自动化的工业无线网络WIA规范的网络构成、拓扑结构、协议体系和关键技术，并研究了WIA-PA网络的设计实现。关键词：工业无线网络，WIA-PA标准，网络设计Abstract: The paper firstly summarized the development and the standardized process of industry wireless network technologies, and introduced the network composing, topology, protocol architecture and key technologies of WIA-PA, which is the specification of industrial wireless network for process automation. Finally, the design of the WIA-PA is discussed and achieved successfully. Key words: Industry Wireless Network, WIA-PA standard, network design一、工业无线网络概述及其标准化1、工业无线网络概述工业无线技术是本世纪初新兴的，一种面向设备间信息交互的无线通信技术，是对现有无线通信技术在工业应用方向上的功能扩展和提升。随着计算机、通信和网络技术的飞速发展，无线传感器网络应运而生。传感测试技术正朝着多功能化、微型化、智能化、网络化、无线化的方向发展。工业无线网络是从新兴的无线传感器网络发展而来的，具有低成本、低能耗、高度灵活性、扩展性强等特点，已经成为继现场总线技术后的又一个研究热点。由于工业现场环境复杂以及工业应用的特殊要求，工业无线网络面临着通信实时性、可靠性、安全性以及抗干扰能力等问题。2、工业无线网络的标准化阻碍用户接受无线网络技术的一个关键问题是工业无线网络技术缺乏成熟、统一的国际标准。一些国际组织近几年来一直在积极推进工业无线网络技术的标准化进程，其中主要有WIA-PA、Wireless HART和ISA SP100。WIA-PA标准是中国工业无线联盟针对过程自动化领域的迫切需求而率先制定的WIA子标准，定义了用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范。目前，WIA-PA标准已形成国家标准草案。WirelessHART是HART基金会制定的工业无线网络规范。2004年，宣布开始制定无线HART协议，并成立了无线工作组。经HCF成员投票，WirelessHART的规范和通信协议已在2007年6月正式通过。ISA SP100是美国仪表自动化协会提出的工业无线测控系统标准草案。2004年12月，美国仪表系统和自动化学会成立了工业无线标准ISA SP100委员会，启动了工业无线技术的标准化进程。目前，ISA SP100委员会下属的两个工作组ISA SP100.11和ISA SP100.14进行的征集提案过程已经结束。二、WIA-PA标准1、网络构成WIA-PA网络由以下物理设备构成：* 主控计算机：供用户、维护人员及管理人员与WIA网络交互的计算机。* 网关设备：连接WIA 网络与其他工厂网络的设备。* 路由设备：负责现场设备管理、报文转发等功能的设备。* 现场设备：装有传感器或执行器、安装在工业现场，直接连接生产过程的设备。* 手持设备：完成主控应用的手持便携设备。WIA-PA网络还定义了以下两类主要逻辑设备：* 网络管理器：负责配置网络、调度路由设备间的通信、管理路由表、监测网络性能。* 安全管理器：负责整个网络的安全策略配置、密钥管理和设备认证。2、拓朴结构WIA-PA网络采用星型和网状相结合的两层网络拓扑结构，如图1所示。第一层是网状结构，由网关及路由设备构成，用于系统管理的网络管理器和安全管理器，在实现时可位于网关或主控计算机中；第二层是星型结构，又称为簇，由路由设备及现场设备或手持设备构成，WIA-PA网络的路由设备承担簇首功能，现场设备承担簇成员功能。图1 WIA-PA网络拓朴结构3、协议体系如图2所示，WIA-PA网络的协议栈结构遵循ISO/OSI的层次结构，基于IEEE802.15.4的物理层和MAC层，并定义了数据链路子层、网络层和应用层。其中，数据链路层、网络层和应用支持子层包含的功能模块有：数据实体和管理实体。* 数据链路层：包括MAC层和数据链路子层。MAC层基于IEEE802.15.4MAC协议，数据链路子层对IEEE802.15.4MAC进行了扩展，以满足工业应用的需要。数据链路子层由时间同步、时隙通信、链路和信道性能度量、链路层安全、管理服务等功能模块构成。图2 协议体系* 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。* 应用层：应用层由应用子层、用户应用进程、设备管理应用进程构成。应用子层提供通信模式、应用层安全和管理服务等功能。用户应用进程包含的功能模块是多个用户应用对象，负责与工业应用相关的操作。设备管理应用进程包含的功能模块有网络管理模块、安全管理模块和管理信息库。4、核心技术（1）分布式管理架构WIA-PA 系统管理采用分布式管理架构，如图3 所示。网络管理由网络管理者和簇首共同完成，网络管理者主要管理网状网络，簇首管理星型网络。图3 WIA-PA分布式系统管理（2）CSMA和TDMA混合接入模式为了保证数据实时和可靠传输的同时，能提供一定的灵活性，WIA-PA采用CSMA和TDMA混合接入模式。为此，WIA 采用基于信标的IEEE 802.15.4超帧，并对其进行了扩展，WIA 超帧结构如图4所示。WIA-PA超帧的CAP阶段主要用于设备加入，簇内管理和重传。CFP阶段用于移动设备与簇首间的通信。WIA超帧将IEEE 802.15.4超帧非活动期的时隙用于簇内通信、簇间通信以及休眠。图4 WIA超帧结构（3）多址访问与自适应跳频通信WIA-PA网络的多址访问机制与跳频通信机制如表1所示。表1 WIA-PA跳频机制 WIA-PA网络支持以下多址访问机制：* 超帧内：WIA-PA超帧的信标帧、CFP、簇内通信和簇间通信阶段采用TDMA机制；WIA-PA超帧的CAP阶段采用CSMA机制；* 超帧间：不同路由设备超帧的活动期采用FDMA机制，使用不同的信道。如果信道数量不足，则通过TDMA来扩大系统容量。如图6所示。假设网络中有3个路由设备R1、R2、R3，对应的超帧长度分别为1倍、2倍和4倍WIA-PA基本时间单位。按照超帧的定义，由于R1的活动期无法与R2和R3的活动期实现时间上的复用，而R2和R3的活动期可以实现时间上的复用，所以R1活动期要与R2和R3活动期采用不同的信道，而R2和R3的活动期可以采用相同的信道。图5 R1、R2和R3超帧结构WIA-PA网络使用多信道进行通信，在DSSS的基础上引入FHSS的思想，采用根据信道状态自适应跳频等机制，可以有效地抑制突发性干扰，消除频率选择性衰减。WIA-PA网络具体支持以下3种跳频机制：* 自适应频率切换（AFS）：在WIA-PA超帧中，信标Beacon、CAP和CFP段在同一个超帧周期内使用相同的信道，在不同的超帧周期内根据信道状况切换信道。* 自适应跳频（AFH）：在WIA-PA超帧中，非活动期的簇内通信段在每个时隙根据信道状况更换通信信道。* 时隙跳频（TH）：在WIA-PA超帧中，非活动期的簇间通信段在每个时隙按照一定规律改变通信信道。（4）高可靠Mesh路由为了保证端到端可靠传输，WIA-PA技术在网络层采用智能的Mesh网络技术。每个设备至少有两条可用的通信路径，设备加入网络后，可以自主选择或由网络管理者分配多条数据传输路径。WIA-PA技术还支持路径的健康检测，当一条路径由于干扰被中断时，设备可以自动切换到其它通信质量较好的路径。（5）聚合与解聚WIA-PA网络提供了簇内报文聚合功能，以减少需要转发报文的数量。簇内报文聚合功能由簇首完成，解聚功能由网关完成，网管负责把解聚后的数据分发给不同的应用。WIA-PA的聚合与解聚过程如图6所示。图6 聚合与解聚三、WIA-PA网络设计工业环境通常很恶劣，节点通过有限的方式供电几乎不可能，因此无线节点只能依靠能量有限的电池来供电。如何高效地使用节点的能量，延长工业网络生存的时间，成为WIA-PA网络设计的重要设计目标之一。1、工业无线网络能量管理技术无线传感网络节点能量消耗的模块包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块等。其中，随着集成电路工艺飞速发展，高性能，低功耗的处理器和传感器模块技术日益成熟，使得无线传感网络节点实际工作能耗主要集中在无线通信模块上，如数据的采集、路由和执行网关的命令等操作。因此能量管理技术主要从数据的采集、路由等部分，从硬件设计和软件设计两个方面来划分。在硬件设计上采用低电压的、支持不同工作模式的MCU和低功耗的外围电路器件，这部分电路的功耗可以表示为：，式中为负载电容，f为系统工作频率，V为工作电压。可见，降低系统工作电压是最有效降低系统功耗的方式。在软件设计上，按照系统运行的任务，选择合适的任务调度算法，在任务进程截止时使系统进入休眠状态，避免系统运行无谓的空闲任务。在数据的无线传输方面，影响功耗的主要因素有：调制方式、通讯距离、发射功率和数据流量等。选择较短的通讯距离， 降低发射功率以及选择合适的网络拓扑控制，简单的路由协议可以有效地降低系统在无线数据传输方面的功耗。通过实施有效的能量管理措施，不仅从单个节点上降低了能耗，还从整个网络系统的角度降低了能耗，延长网络的生命周期。2、硬件电路设计在考虑节点的能耗时，首先需要从硬件电路上实现。减少硬件功耗的一个重要思想就是降低芯片的功耗，选用低功耗芯片是提高无线路由节点或接入点能量效率的最好出发点。本节主要从处理器单元的选择和无线通信模块的能耗进行分析，并提出相应的节能策略。（1）路由节点设计路由节点不但要构建由终端节点组成的星型网络，转发及合并本簇成员的数据，还要转发Mesh网内其它相关簇首的数据，因此任务较重。考虑到实时性及可靠性等要求，WIA-PA网络节点设计采用“CC2431+外围电路（电源管理、现场数据采集、工作状态指示等）”方案，如图7所示。图7 WIA-PA工业无线网络节点设计 处理器单元微处理器选用T1公司的CC2431芯片，它延用了2420芯片的架构，在单个芯片上整合了射频前端（RF）、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有128KB可编程闪存和8KB的RAM。还包含模拟数字转换器（ADC）、4个定时器（Timer），AES-128协同处理器、看门狗定时器。32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚。芯片工作时的电流损耗为27mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别小于27mA或25mA，其功耗非常低，采用两节五号电池可支持长达6个月到2年左右的时间，非常适合于网络的节点开发。 无线通信单元无线核心部分是一个集成的CC2420射频收发器。CC2431的射频和模拟部分实现了相关物理层的操作。CC2431的接收器是基于低中频结构之上的，从天线接收的RF信号经低噪声放大器放大并经过变频变为2MHz的中频信号，中频信号经滤波、放大，再通过AD转换器变为数字信号。同时为了减轻高频信道的压力，在设计中选用了CC1101无线射频芯片，工作在433MHz频段，主要用于报警和网络检测。如果需要可增加天线放大器，设计选用低能耗的CC2591芯片，以实现远距离通信需求。但天线增益放大后，可能出现通信相互干扰的情况，所以合理控制天线发射功率，是解决远距离传输干扰的较可行方法。（2）电源管理设计电源单元设计采用“电池电量监测单元+电源管理单元+锂电池+太阳能电池板”的设计方法，通过电源管理技术可及时补充节点因过度使用而消耗的能量，通过蓄电池的方式给节点提供稳定电压。电池电量监测可使用MAXIM-DS2780E+，该芯片能够根据当前温度、电池电压、放电速率及电池老化状态等参数自动计算锂电池剩余电量，电量预测算法在DS2780内部完成，不占用主机任何资源，也不需要主机进行干预。而电源管理单元则选用MAX8677CETG芯片，它是一个可双重电源（USB和DC）输入的集成锂电池充电器和智能电源选择器，它可单独使用USB或DC适配器作为电源输入来进行操作，或者接受两者同时输入。所有能量消耗和转换都在芯片内部进行，无须外部晶体管。而采用锂电池方案是因为其重量较轻，容量较高，而且开关可定做，因此，可根据PCB板的设计需要，向工厂定做锂电池。3、软件设计软件方面采用模块化编程思想，主要使用“协议栈+应用程序+任务调度器”的形式，各程序模块通过其间的接口函数通信。任务调度器给每一个程序模块分配一个任务，并对这2个任务进行调度。WIA-PA网络协议可以按ISO/OSI模型划分其逻辑层次。WIA-PA网络协议只涉及物理层、数据链路层、网络层、应用层，如图8所示。图8 软件框架结构从用户的角度实现工业无线网络路由节点所需的功能，采用直接调用底层协议栈的相关函数实现数据的收发、加入或退出网状或星型网络等功能，