曾鵬（1976-）

男，工學(xué)博士，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研究員，研究方向為工業(yè)通信、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。出版專著1部，在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)會議和期刊上發(fā)表論文50余篇，申請發(fā)明專利10余項。近年來承擔(dān)多項國家級科研項目，主持國家863計劃工業(yè)無線方向重點項目的研發(fā)工作。

　　摘要：工業(yè)無線技術(shù)是一種本世紀(jì)初新興的、面向設(shè)備間信息交互的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下使用，具有強(qiáng)抗擾、低功耗、實時通信等技術(shù)特征，是對現(xiàn)有無線技術(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)化為新的無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。本文介紹我國在工業(yè)無線技術(shù)方面的研究進(jìn)展，重點介紹具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)以及相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)情況。

　　關(guān)鍵詞：工業(yè)無線技術(shù)；WIA標(biāo)準(zhǔn)；工業(yè)測控系統(tǒng)；無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

　　Abstract: Industrial wireless technology is a new wireless communication technology rising since the beginning of this century. It was designed for short-distance and low-rate information exchange among devices. Industrial wireless technology has some characters suited for being used in the industrial field environment, such as: strong anti-interference capacity, ultra-low power consumption and real-time communication, etc. Industrial wireless technology is the function extension and the technology innovation of the existing wireless technology and will finally be converted to some new wireless technical standards. In this paper, the development of industrial wireless technologies and the corresponding state standards in China is introduced.

　　Key words: Industrial Wireless Technology; WIA Standard; Industrial Measurement and Control System; Wireless Network Technology

　　1　工業(yè)無線技術(shù)概述

　　工業(yè)無線技術(shù)是繼現(xiàn)場總線之后，工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個熱點技術(shù)，是降低工業(yè)測控系統(tǒng)成本、提高工業(yè)測控系統(tǒng)應(yīng)用范圍的革命性技術(shù)，也是未來幾年工業(yè)自動化產(chǎn)品新的增長點。

　　工業(yè)無線技術(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線通信技術(shù)，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境使用，具有很強(qiáng)的抗干擾能力、超低能耗、實時通信等技術(shù)特征，是對現(xiàn)有無線技術(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)化為新的無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)無線技術(shù)是從新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中發(fā)展而來的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有應(yīng)用特異化的特點，針對軍事、醫(yī)療、智能家居等不同應(yīng)用領(lǐng)域，其實現(xiàn)技術(shù)完全不同。工業(yè)無線技術(shù)是滿足工業(yè)應(yīng)用高可靠、低能耗、硬實時等特殊需求的一類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]。

　　基于工業(yè)無線技術(shù)的測控系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的有線測控系統(tǒng)相比，具有以下一些優(yōu)勢：

　　（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。測控系統(tǒng)運行期間需要不斷檢測系統(tǒng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)錯誤，更換電纜。使用工業(yè)無線技術(shù)將使測控系統(tǒng)的安裝與維護(hù)成本降低90％，是實現(xiàn)低成本測控系統(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)費用高。使用無線技術(shù)將徹底杜絕此類錯誤的發(fā)生。

　　（3）高靈活、易使用。使用無線技術(shù)后，現(xiàn)場設(shè)備擺脫了電纜的束縛，從而增加了現(xiàn)場儀表與被控設(shè)備的可移動性、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)測控系統(tǒng)。

　　利用基于工業(yè)無線技術(shù)的測控系統(tǒng)，人們可以以較低的投資和使用成本實現(xiàn)對工業(yè)全流程的“泛在感知”，獲取傳統(tǒng)由于成本原因無法在線監(jiān)測的重要工業(yè)過程參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)實施優(yōu)化控制，來達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能降耗的目標(biāo)。

　　美國能源部（DOE）在2004年發(fā)布的 “未來工業(yè)計劃”（IOF）中指出[2]：這種基于工業(yè)無線技術(shù)的低成本測控系統(tǒng)是實現(xiàn)到2020年美國工業(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。美國總統(tǒng)科技顧問委員會在“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)無線技術(shù)正處于一個高速發(fā)展的階段，無線技術(shù)在工廠環(huán)境下使用的抗干擾、節(jié)能、實時通信等關(guān)鍵技術(shù)難題正在被逐漸攻克，市場需求非常旺盛。而美國網(wǎng)絡(luò)技術(shù)市場分析機(jī)構(gòu)On World公司對工業(yè)無線技術(shù)市場調(diào)研結(jié)果顯示，阻礙用戶接受無線技術(shù)的關(guān)鍵問題在于工業(yè)無線技術(shù)缺乏統(tǒng)一的國際標(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，一些國際組織正在積極推進(jìn)工業(yè)無線網(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)無線網(wǎng)絡(luò)WIA標(biāo)準(zhǔn)是由中國工業(yè)無線聯(lián)盟推出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系，目前已形成了國家標(biāo)準(zhǔn)草案，并正在成為與Wireless HART、ISA100并列的主流工業(yè)無線技術(shù)體系。

　　WIA標(biāo)準(zhǔn)追求以下的目標(biāo)：

　　· 針對應(yīng)用條件和環(huán)境的動態(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現(xiàn)，降低技術(shù)開發(fā)與實現(xiàn)難度。

　　· 用戶能以較低的投入換來易于使用和維護(hù)的工業(yè)無線監(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：

圖1　WIA標(biāo)準(zhǔn)體系

　　⑴　WIA-PA

　　面向各種過程自動化應(yīng)用，針對抗干擾和低功耗等方面的需求，提供無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案，定義無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并參照OSI開放網(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

　　面向各種工廠自動化應(yīng)用，針對通信服務(wù)質(zhì)量（QoS）和通信延遲等方面的需求，提供無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案，定義無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并參照OSI開放網(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

　　面向工廠庫存管理和資產(chǎn)追蹤應(yīng)用，針對基于無線的低成本定位、追蹤等方面的需求，提供無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案，定義用于過程自動化的WIA網(wǎng)絡(luò)、用于工廠自動化的WIA網(wǎng)絡(luò)與RFID/RTLS間的接口規(guī)范。

　　⑷　互操作

　　定義用于過程自動化的WIA網(wǎng)絡(luò)、用于工廠自動化的WIA網(wǎng)絡(luò)、長距離的無線回程網(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

　　針對工業(yè)無線網(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)具有針對故意攻擊和人為錯誤的保護(hù)能力，同時保障傳輸數(shù)據(jù)的保密性、完整性和時效性。

　　⑹　測試與性能評估

　　定義了WIA通信協(xié)議一致性測試、互操作測試以及性能評估系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和測試方法，定義了抽象測試集和可執(zhí)行測試集的生成方法，定義了對工業(yè)無線通信協(xié)議進(jìn)行一致性測試和互操作測試所需的測試案例，定義性能評估的方法和指標(biāo)。

　　⑺　產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)通用條件

　　規(guī)定了針對WIA相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)品分類、要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標(biāo)志、包裝、貯存和運輸條件等。

　　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)是中國工業(yè)無線聯(lián)盟針對過程自動化領(lǐng)域的迫切需求而率先制定的WIA子標(biāo)準(zhǔn)，定義了用于過程自動化的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)場設(shè)備管理、報文轉(zhuǎn)發(fā)等功能的設(shè)備。

　　· 現(xiàn)場設(shè)備：裝有傳感器或執(zhí)行器、安裝在工業(yè)現(xiàn)場，直接連接生產(chǎn)過程的設(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)測網(wǎng)絡(luò)性能。

　　· 安全管理器：負(fù)責(zé)整個網(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，在實現(xiàn)時可位于網(wǎng)關(guān)或主控計算機(jī)中；第二層是星型結(jié)構(gòu)，由路由設(shè)備及現(xiàn)場設(shè)備或手持設(shè)備構(gòu)成。

圖2   WIA-PA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/P>

　　3.2　協(xié)議體系（如圖3所示）

　　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)實體和管理實體；用戶應(yīng)用進(jìn)程包含的功能模塊是多個用戶應(yīng)用對象；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。

　　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。基于IEEE802.15.4工業(yè)無線網(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)議層實體，以及及層實體間的數(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)鏈路子層由時間同步、時隙通信、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用戶應(yīng)用對象；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。

圖3　協(xié)議體系

　　3.3　關(guān)鍵技術(shù)

　　(1)　分布式管理架構(gòu)

　　WIA-PA系統(tǒng)管理采用分布式管理架構(gòu)，如圖4所示。網(wǎng)絡(luò)管理由網(wǎng)絡(luò)管理者和簇首共同完成，網(wǎng)絡(luò)管理者主要管理網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，簇首管理星型網(wǎng)絡(luò)。

圖4   WIA-PA分布式系統(tǒng)管理

　　(2)　CSMA和TDMA混合接入模式

　　為了保證數(shù)據(jù)實時和可靠傳輸?shù)耐瑫r，能提供一定的靈活性，WIA-PA采用CSMA和TDMA混合接入模式。為此，WIA采用基于信標(biāo)的IEEE 802.15.4超幀，并對其進(jìn)行了擴(kuò)展，WIA超幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5   WIA超幀結(jié)構(gòu)

　　WIA-PA超幀的CAP階段主要用于設(shè)備加入，簇內(nèi)管理和重傳。CFP階段用于移動設(shè)備與簇首間的通信。WIA超幀將IEEE 802.15.4超幀非活動期的時隙用于簇內(nèi)通信、簇間通信以及休眠。

　　不同路由設(shè)備的活動期使用不同的信道。如果信道數(shù)量不足，則通過TDMA來擴(kuò)大系統(tǒng)容量，如圖6所示。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有3個路由設(shè)備R1、R2、R3，對應(yīng)的超幀長度分別為1倍、2倍和4倍WIA-PA基本時間單位。按照超幀的定義，由于R1的活動期無法與R2和R3的活動期實現(xiàn)時間上的復(fù)用，而R2和R3的活動期可以實現(xiàn)時間上的復(fù)用，所以R1活動期要與R2和R3活動期采用不同的信道，而R2和R3的活動期可以采用相同的信道。

圖6   R1，R2和R3超幀結(jié)構(gòu)

　　(3)　自適應(yīng)跳頻通信

　　WIA-PA技術(shù)使用多信道進(jìn)行通信，在DSSS的基礎(chǔ)上引入FHSS的思想，采用根據(jù)信道狀態(tài)自適應(yīng)跳頻等機(jī)制，可以有效地抑制突發(fā)性干擾，消除頻率選擇性衰減。WIA技術(shù)具體支持以下3種跳頻機(jī)制：

　　· 自適應(yīng)頻率切換（AFS）：在WIA超幀中，信標(biāo)Beacon、CAP和CFP段在同一個超幀周期內(nèi)使用相同的信道，在不同的超幀周期內(nèi)根據(jù)信道狀況切換信道。信道質(zhì)量差時，設(shè)備改變通信信道。信道狀況通過丟包率和重傳次數(shù)進(jìn)行評價。

　　· 自適應(yīng)跳頻（AFH）：在WIA超幀的每個時隙，根據(jù)信道狀況更換通信信道。信道質(zhì)量差時，設(shè)備改變通信信道。信道狀況通過丟包率和重傳次數(shù)進(jìn)行評價。非活動期的簇內(nèi)通信段采用AFH跳頻機(jī)制。跳頻序列的結(jié)構(gòu)為：<timeslot 1, channel 1> <timeslot 2, channel 2>… <timeslot n, channel n>。

　　· 時隙跳頻（TH）：為了避免干擾和衰減，按照一定規(guī)律，在每個時隙改變通信信道。非活動期的簇間通信段采用TH跳頻機(jī)制。跳頻序列的結(jié)構(gòu)同上。

　　(4)　高可靠Mesh路由

　　為了保證端到端可靠傳輸，WIA-PA技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)層采用智能的Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。每個設(shè)備至少有兩條可用的通信路徑，設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后，可以自主選擇或由網(wǎng)絡(luò)管理者分配多條數(shù)據(jù)傳輸路徑。WIA-PA技術(shù)還支持路徑的健康檢測，當(dāng)一條路徑由于干擾被中斷時，設(shè)備可以自動切換到其它通信質(zhì)量較好的路徑。

　　(5)　聚合與解聚

　　WIA-PA網(wǎng)絡(luò)提供了簇內(nèi)報文聚合功能，以減少需要轉(zhuǎn)發(fā)報文的數(shù)量。簇內(nèi)報文聚合功能由簇首完成，解聚功能由網(wǎng)關(guān)完成，網(wǎng)管負(fù)責(zé)把解聚后的數(shù)據(jù)分發(fā)給不同的應(yīng)用。WIA-PA的聚合與解聚過程如圖7所示。

圖7   報文聚合與解聚

　　4　總結(jié)

　　我國在國家863計劃、科學(xué)院創(chuàng)新方向性項目的支持下，經(jīng)過兩年近百名科技工作者的艱苦攻關(guān)，工業(yè)無線技術(shù)取得了突破，完成了WIA-PA規(guī)范國家標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿和IEC PAS文件的制訂，最終成為在國際上與Wireless HART被同時承認(rèn)的僅有的兩個國際標(biāo)準(zhǔn)化文件之一。但是與Wireless HART相比，WIA-PA還只是一種工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏對測控應(yīng)用系統(tǒng)的支持。目前，擺在我們面前的迫切任務(wù)是在WIA-PA通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，面向工程應(yīng)用實際，開發(fā)出基于WIA-PA的系列應(yīng)用技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)與系統(tǒng)，并將它應(yīng)用于工程應(yīng)用實際，從而使WIA-PA成為事實上的標(biāo)準(zhǔn)，具有與Wireless HART同等的市場競爭力。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 于海斌, 曾鵬, 梁韡. 智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng). 北京: 科學(xué)出版社, 2006

　　[2] http://www.eere.energy.gov/industry/sensors_automation

　　[3] www.hartcomm.org/

　　[4] www.isa.org/isa100/

　　[5] www.industrialwireless.cn