第6章WIA-PA技术

1、.,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,.,6.1 WIA-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（Wireless Networks for Industrial Automation - Process Automation）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IEC 62601国际标准，使工业无线 技术国

2、际标准形成无线HART（HART基金会）、ISA 100.11a（国际自动化学会）、WIA-PA（中国WIA-PA联盟）三足鼎立的局面。,.,6.1 WIA-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,.,6.2 WIA-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

3、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。,.,6.2 WIA-PA网络构成,WIA-PA网络星型和网状结合的两层拓扑结构,.,6.2 WIA-PA网络构成,WIA-PA网络星型拓扑结构,.,6.2 WIA-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,.,6.3 WIA-PA协议栈的设计与实现,WIA-PA协议

4、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：,.,6.3 WIA-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IEEE STD 802.15.42006 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250 kbit/s。,.,6.3 WIA-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

5、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： IEEE STD 802.15.4-2006 MAC 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。,.,6.3 WIA-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,.,6.3 WIA-PA协议栈的设计与实现,两级聚合机制

6、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。,.,6.3 WIA-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

7、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、Report source/Sink 通信模式的数据传输。,.,6.3 WIA-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）,.,6.3 WIA-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

8、 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,.,6.3 WIA-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,.,6.3 WIA-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

9、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。,.,6.3 WIA-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：,.,6.3 WIA-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,.,6.3 WIA-PA

10、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,.,6.3 WIA-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。,.,6.4 WIA-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,.,6.4 WIA-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 实时监控数