工业无线协议

1、www.microcyber.c n工业无线协议ZigbeeZigBee标准是由ZigBee联盟制定的一组基于802.15.4协议,关于组网、安全 和应用方面的低成本和低功耗双向通信标准。该标准致力于短距离、低速率无线 通信的研究，强调简易组网、恰如其分的实现传输要求。ZigBee协议明确定义了 三种拓扑结构，即星型结构(star)、簇状结构(cluster tree)和网状结构(mesh)，如图1 所示。并定义了两种相互配合使用的物理设备：全功能设备 FFD (Full Fu nctionDevice和精简功能设备 RFD (Reduced Function Device)(1) 全功能设备

2、支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协调者和普通协调者，并且可以和网络中任何一种设备进行通信。(2) 精简功能设备只支持星型结构，不能成为网络中任一形式的协商者。它只 可以和网络协调者进行通信，功能实现较为简单。从ZigBee协议定义的三种拓扑结构中可以看出，由全功能模块构成的网络协 调器负责整个网络的管理工作，获取网络中节点信息，存储整个网络的“地图”， 识别网络内各节点的功能，协调整个网络以及网络中各节点与中央控制室的通信，因此网络协调器是构建一个 ZigBee网络的关键所在。帛丹网为冶卄Cluster拓扑图1 Zigbee网络拓扑www.microcyber.c nWIAWIA-PA标准是

3、由我国科技人员自主研发成功的，用于构建符合中国微功率(短距离)无线电设备的技术要求的流程工业用监视和测控网络。WIA-PA网络采用star-mesh两层拓扑结构。现场设备构成星型网络，降低了现场设备协议的复杂性 提高了现场设备加入和退出网络的灵活性。路由设备构成mesh网络，提高了通信的可靠性和网络的可扩展能力。WIA-PA网络结构如图2所示，网络中定义了以下7类逻辑角色：(1) 网关:负责WIA-PA网络与工厂内的其他网络的协议转换与数据映射；(2) 冗余网关:负责网关的热备份；(3) 网络管理者：负责构建由路由设备构成的网状拓扑结构，监测全网性能；(4) 安全管理者：负责路由设备及现场设备

4、的密钥管理与安全认证；(5) 簇首:作为网络管理者的代理，负责构建由现场设备和路由设备组成的星 型结构网络，监测星型结构网络性能；作为安全管理者的代理，负责合并及转发簇 成员的数据；负责转发其他簇首的数据；(6) 冗余簇首:负责簇首的热备份；(7) 簇成员:负责获取现场数据并发送到族首。图2 WIA-PA网络结构WIA-PA网络管理涉及对网络设备的物理属性以及与通信、组网过程相关的 属性的管理。网络管理任务由网络管理者和簇首共同完成，这些功能主要涉及到www.microcyber.c n网络地址分配、路由配置、通信资源配置和网络性能监测等。用于系统管理的网络管理者和安全管理者在实现时可通过网关

5、或中央控制室的计算机执行。一种类型的物理设备可以担任多个逻辑角色，例如网关设备可以担任网关、冗余网关、 网络管理者、安全管理者等多种角色，但一个网关设备不能同时担任网关与冗余 网关的角色；路由设备可以担任簇首和冗余簇首的角色，一个路由设备不能同时担 任簇首与冗余族首的角色；现场设备和手持设备只能担任簇成员的角色。WirelessHART无线HART标准釆用了由美国Dust Networks公司幵发的面向工业传感器网 络可靠通信的无线短程协议技术 TSMP(Time Synchroni zation Mesh Protoco协议。 TSMP同ZigBee协议类似,也是一种基于IEEE 802.1

6、5.4基础的无线短程网络协议。 但它并不像ZigBee协议一样完全应用IEEE 802.15.4协议的底层物理层和介质访 问控制层，而是在IEEE802.15.4协议的物理层的基础上，自行开发了介质访问控制 层和网络层的无线短程网络协议。无线HART技术工作于2.4GHz ISM射频频段,具有安全、稳健的网格拓扑结 构,通过将所有信息统统打包在一个数据包内，使用IEEE802.15.4兼容的直序扩频 DSSS(Direct Sequenee Spread Spectrum)和跳频技术 FHSS(Frequency-Hopping Spread Spectrum)传送数据包。无线HART通信利用

7、时分多址访问技术 TDMA(Time Divisio n Multiple Access)来协调网络设备间的通信。TDMA数据链路层以指定时间 槽和信道的方式来建立网络中各设备间的链接，这些链接组成周期性重复的超顿 结构,支持定时循环的通信流和非循环的通信流。为了弹性地利用通信带宽，链接可以是专用的，也可以是共享的。www.microcyber.c n图3无线hart网络结构无线HART网络结构图如图3所示。在无线HART网络中，网络管理器负责网 络的组态、无线HART网络设备之间的通信调度、路由表的管理以及整个网络健 康状况的报告。网关仅承担现场无线终端采集仪表与中央控制系统之间的桥梁通 信

8、,它既支持一个或多个接入点，又和其接入点都包括在每个无线 HART网络中，另 外也支持冗余网关的结构。这一特点与许多无线短程网规定的网关承担网络的组 态有显著的不同，较好地解决了工业控制系统要求以冗余机制获取可靠传输的问 题。ISA SP100ISA SP1OO标准定义了子网的OSI协议栈、网络结构、网络特性、系统管理 器、网关和安全规范等。ISA SP100标准的应用侧重为周期监控和过程控制的执 行，容许100ms或更短的延迟。ISA SP100勺网络中规定了所有设备的逻辑角色，一种逻辑角色对应一种功能。 如果一个设备充当某种逻辑角色，那么它必须能够实现标准规定的该角色相应的 功能。ISA

9、SP100网络中定义的逻辑角色包括：系统管理器、网关、骨干路由器、 系统时钟源、配置、非路由设备和现场路由器。设备类型包括现场设备和基础结 构设备。一个ISA SP100网络必须有至少一个系统管理器和一个安全管理器，有一 个或多个网关。一个物理设备可能承担多个逻辑角色 ，图4描述了物理设备以及 它们可能承担的逻辑角色的类别。在这个网络中包含以下几种物理设备：传感器、 执行器、路由器、手持设备和工作站。工作站担任了网关、系统管理器和安全管OHMwww.microcyber.c n理器的逻辑角色；两个专职的路由器负责骨干路由器的功能，其他路由器担任现场 路由器的角色；掌上型电脑承担了手持设备的逻辑角色；低层的路由器承担了配置 角色;几个执行器承担了非路由设备的角色；其中一个传感器节点承担了非路由设 备的角色，另外两个传感器节点承担了现场路由器的角色。ISA SP1O网络特性如下：支持星状、网状和星网状拓扑结构；支持低功耗的非 路由现场设备；网关作为现场设备至有线控制网络的接入点，为现场设备到有线控 制网络提供单一的或全冗余路径；支持数据完整性、加密、数据认证等安全措施。 IS