引言

　　以工業無線技術為代表的工業物聯網技術是繼現場總線之后，工業控制領域的又一個熱點技術，是降低工業自動化成本、提高自動化系統應用范圍最有潛力的技術。美國總統科技顧問委員會在“面向21世紀的聯邦能源研究與發展規劃”中指出：工業無線技術的應用將使工業生產效率提高10%，并使排放和污染降低25%，是未來幾年工業自動化產品新的增長點。

　　目前，在物聯網技術方面，國際上已經形成了WiHART、lSA100.11a以及WIA-PA三個標準共存的局面。重慶郵電大學是國際上參與研發和應用工業無線通信技術最早的單位之一，不僅作為核心成員制定了WIA-PA標準，還作為VotingMember和ISA WCI工作組成員，參加了ISA 100.11a標準制定。同時研發了基于ISA100.11a的工業物聯網通信協議棧軟件、網絡設備及終端設備，形成了一套完整的ISA100.11a網絡系統。其核心技術已經形成專利池，從而實現了我國面向工業測量與控制的無線通信技術與產品的跨越式發展，使國內在此領域直接跨入國際前沿水平。

　　1 平臺系統的功能結構與通信原理

　　1. 1 網絡拓撲結構

　　ISA100.11a能支持小同的網絡拓撲，主要有星型結構和Mesh結構。星型網絡拓撲具有容易實現、實時性高等優點，但是僅限于單跳范圍，所以，在ISA100.11a網絡結構中引入了骨干網。骨干網是一個高速網絡，可有效擴大網絡覆蓋面積并減小數據時延。現場設備先通過骨干路由器接入骨干網組成ISA100.11a DL子網，然后由ISA100.11a DL子網和骨干網組成ISA100.11a網絡，其網絡拓撲結構如圖1所示。

　　1.2 平臺系統的功能結構

　　本系統平臺根據功能可劃分為上位機系統(PC機)、路由、無線網關和多個終端節點四部分，平臺的系統結構如圖2所示。終端設備配置了傳感器(溫濕度傳感器、煙霧傳感器、瓦斯傳感器等)，可進行數據的采集，然后通過無線模塊把數據傳輸到路由;路由收到數據后轉發刮網關;網關具有系統管理器和安全管理器的功能，在對數據進行必要的處理后，通過以太網或串口傳輸把數據傳到上位機;上位機可進行顯示界面，并可以通過對數據的提取、處理和控制管理來實時觀測和監控各個傳感器節點的運營。

　　2 平臺硬件構成和設計

　　基于ISA100.11a的工業物聯網開發平臺包括符合ISA100.11a標準的工業無線協議棧、網絡設備、應用設備以及組態軟件。平臺系統的硬件構成實物圖如圖3所示，系統中集成了不同類型的設備和不同級別的節點，主要包括1個網關、3個煙霧傳感器、2個溫濕度傳感器、1個仿真器和若干配線。

　　2.1 網關節點

　　ISA100.11a網關是一種集成有ISA100.11a核心協議的短程無線通信設備，工作在基于工業標準802.15.4的2.4 GHz頻段。網關負責整個網絡的調度、管理和優化，統一為網絡設備分配通信資源，調度網絡設備的通信，同時監控和報告網絡運行狀態。另外，ISA100.11a網關還是全網的時間同步源和均衡網絡負載，是整個網絡的核心。

　　網關底板上的ARM處理器選用美國ATMEL公司的AT91R40008微處理器，它集成有帶ARM7TDMI核的32位微處理器和豐富的資源，片內用大量的分組寄存器和8個優先級向量中斷控制器來實時快速地處理中斷。ISA100.11a網關可支持一個或多個網絡接入點和服務接入點。網絡接入點提供有與其他網絡連接的接口，比如工廠自動化網絡，目前提供有串口和以太網兩種連接方式。其硬件設計結構框圖如圖4所示。

　　2.2 路由節點

　　ISA100.11a路由器為低能耗的短程無線網絡通信設備，可自帶電源，使用全球免費的2.4 GHz頻段。其作用是連接網絡終端設備使其入網，具備網絡路由功能，并可轉發數據、系統管理和安全管理功能。

　　路由設備主要由CC2530芯片、電源模塊、天線模塊、晶體振蕩電路四部分組成。CC2530無線接收器用于處理收到的數字信號并恢復正確的傳輸數據，然后把要發送的數據送入128字節的發送緩存器中，再根據IEEE802.15.4標準，把需要發送的數據流的每4位通過32碼片的擴頻序列擴頻后送到DA變換器，然后調制到2.4 GHz的設定信道上，最后經放大后通過天線發射出去。

　　2.3 傳感器節點

　　傳感器設備主要由傳感器模塊、CC2530芯片、電源模塊、天線模塊和晶體振蕩電路五部分組成。

　　ISA100.11a普通節點具有易使用、易集成等優點，可以方便地與傳感器、儀表進行連接，可配置多種類型的傳感器，例如溫濕度傳感器、CO傳感器、瓦斯傳感器、煙霧傳感器、粉塵傳感器、壓力變送器、閥門定位器、電動執行器等。

　　3 關鍵技術

　　ISA100.11a網絡協議可解決與其他短距離無線網絡的共存性問題以及線通信的可靠性和確定性問題，其核心技術包括精確時間同步技術、自適應跳信道技術、確定性調度技術、數據鏈路層子網路由技術和安全管理方案等，并具有數據傳輸可靠、準確、實時、低功耗等特點。

　　3.1 精確時間同步技術

　　ISA100.11a網絡拓撲有兩層結構，分別為骨干網和DL子網，因此，本設計根據網絡層次結構采用了分級同步的思想進行時間同步。

　　網關在形成網絡時，可向骨干路由器發送裝載有時間同步信息的廣播幀來進行骨干網的時間同步;當骨干網完成時間同步后，骨干路由器便向其所在的DL子網內的終端設備發送廣播幀來進行時間同步。這樣，經過兩級同步后，就可以達到全網同步的目的。

　　在ISA100.11a網絡中，廣播幀是時間同步信息的載體，因此，要根據廣播幀的幀格式來添加時間同步信息。廣播幀時間同步流程如圖5所示。

　　3.2 自適應跳信道技術

　　ISA100.11a網絡支持與其他無線短距離網絡的共存，比如IEEE 802.11網絡、基于IEEE 802 15.4標準的無線網絡(ZigBee、Wireless HART、6LoWPANs、藍牙以及RFID系統)。ISA100.11a工作在全球免費的2.4 GHz頻段，為了避免信號干擾，設計時要解決在2.4 GHz頻段網絡的共存性問題。

　　ISA100.11a網絡通過采用跳信道技術來避免信號干擾，跳信道包括時隙跳頻、慢跳頻和混合跳頻三種信道模式，不同的運行模式對應著不同的時隙配置方式。跳信道技術可減少設備在同一條信道上工作的時間，因而減少了對其他無線設備的影響;同時由于可在其他信道重發數據包，進而增加了網絡的抗干擾能力;網絡同時使用自適應跳信道技術，來實時檢測并刪除頻譜中被使用的信道，以提高與其他射頻系統的共存能力，同時也屏蔽了傳輸數據差的信道，有效地增加了系統的可靠性。

　　3.3 確定性調度技術

　　由于ISA100.11a骨干網一般采用有線技術或Wi-Fi無線技術，所以，ISA100.11a數據鏈路層的通信調度技術是面向ISA100.11a DL子網的。其主要功能是在相互競爭的用戶之間分配通信資源，從而避免沖突，提高吞吐量和帶寬利用率，解決現場設備間數據通信的確定性、可靠性和實時性等問題。

　　4 應用案例

　　本設計的ISA100.11a工業物聯網開發平臺可配套433 MHz、780 MHz和2.4 GHz等三個頻段的硬件平臺，并在實驗室搭建了基于CC2530芯片的測試系統，并可長期運行。圖6所示系統就是由1個網關、6個路由器、甲烷傳感器、溫濕度傳感器、壓力變送器(四聯公司)、智能電表等11個終端設備組成的ISA100.11a無線測控系統測試平臺。

　　圖7所示是ISA100.11a網絡的上位機監控組態界面。圖中顯示了網絡的拓撲結構以及每個終端設備的相關數據信息。經過對系統的測試和分析所采集的數據包，表明整套系統運行穩定。由此驗證了本文研究的基于ISA100.11a標準的工業物聯網開發平臺的可行性和穩定性。

　　ISA100.11a網絡可通過網關采集過程參數或環境參數，從而對生產流程或工廠環境進行監控，并可應用于多種工業場。

　　中國四聯儀器儀表集團有限公司采用本平臺開發了基于ISA100.11a協議棧的溫度變送器，構建了如圖8所示的ISA100.11a無線測控系統，用于對工廠環境的溫度進行監測。智能溫度變送器具有周期性上傳溫度值和休眠等功能，經過長期測試及試驗表明，該系統運行穩定，完全可以達到現場應用的要求。

　　5 結語

　　以工業無線技術為代表的工業物聯網是降低工業自動化成本、擴大自動化系統應用范圍最有潛力的技術。本平臺具有開發簡單、使用方便和組網靈活等優點，用戶可根據應用場景自由構建自己的工業物聯網系統，以滿足工業用戶的多種需求，因而具有很好的應用前景。