工业无线技术ISA100.11a的现状与发展.pdf

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中阅豫j；最表CHINAINSTRUMENTATION2009年第10期TECHNICALEXPLORATIONl技术探讨工业无线技术ISAIO011a的现状与发展OverviewandAnalysisoftheIndustrialWirelessTechnologyISA10011a王平王泉王恒魏曼李勇（重庆邮电大学网络化控制与智能仪器仪表教育部重点实验室，重庆400065）摘要：

概述ISA10011a背景及现状，描述ISA1001la的网络结构、网络特性及协议体系结构等；在重点剖析ISA1001la中时隙通信、跳信道、时间同步和路由等关键技术基础上，分析和总结ISA1001la网络特色和优势，最后展望其发展趋势。

关键词：

无线通信ISAl00工业测控时间同步AbstractThispaperisaimedattheISA1001lastandardwhichispresentlythehotspotintheinternationalindustrialfieldThepaperfirstoutlinedthebackgroundandcurrentstatusofISA10011aItthendescribedindetailthenetworkstructure，thenetworkcharacteristics，andtheprotocolarchitectureWiththeemphasisOHkeyISA1001latechnologiessuchastimeslotcommunication，channelhopping，timesynchronization，routing，etc，thispaperanalyzedandsummarizedtheuniquefeaturesandadvantagesofanISA1001lanetworkFinally,thetrendofISA1001lastandardSdevelopmenthasbeenprospectedKeywords：

WirelesscommunicationISA100IndustrialmeasureandcontrolTimesynchronous国家863计划（项目编号：

2007AA041201）高等学校科技创新工程重大项目培育资金（项目编号：

708074）1前言目前，工业无线通信被称为工业控制领域的革命性技术，是继现场总线之后工业控制领域的又一热点技术，是降低自动化成本、提高自动化系统应用范围的最有潜力的技术，也是未来几年工业自动化仪器仪表新的增长点。

目前，国际上引起工业界广泛关注的工业无线标准主要有：

ISA100、无线HART和WIAPA。

无线HART协议提供了一种低成本、低传输速率的兼容现有HART设备的无线解决方案，主要应用于过程工业监控、财产管理、在线测试和诊断等领域。

WIAPA是我国科技人员自主研发的用于工业过程自动化的无线网络WIAPA（WirelessNetworksforIndustrialAutomation-ProcessAutomation）规范。

ISA100委员会是美国仪器仪表协会（ISA）下属的工业无线委员会，由终端用户和技术提供者组成的，致力于通过制定一系列标准、建议操作规程、起草技术报告来定义工业环境下的无线系统相关规程和实现技术。

ISA100不仅局限于过程自动化应用，还包括工厂自动化、过程自动操作、定位与追踪、RFID和设备管理等应用。

2009年4月24日，重庆邮电大学作为核心单位参与制定的国际工业无线标准ISA1001la以810的赞成率通过了ISA100委员会阶段的投票。

该阶段投票通过说明ISA10011a标准草案已经基本成熟，受到大多数成员的认可，对于ISA1001la标准而言是一个极其重要里程碑。

ISA1001la标准草案是ISA100标准族中的第一个标准，主要面向于流程过程自动化领域提供非实时性监控和报警类应用的解决方案和系统。

重庆邮电大学是具有ISA100委员会投票权的单位，作者是ISA100委员会VotingMember；59技术探讨lTECHNICALEXPLORATIONCHINAINSTRUMENTATION中阅便嚣便表本实验室与霍尼韦尔、横河、美国Nivis公司等一道被列为负责ISA1001la标准测试验证；2008年4月成功承办了“2008工业无线国际学术大会”及ISAIO0标准化会议，这是ISAIO0委员会、国际无线工业网络联盟（WINA）首次在中国举办相关会议。

2008年10月在全球久负盛名的ISAEXPO展览上，重庆邮电大学应ISA100委员会邀请赴美展示了自主开发的ISA1001la系统，并与Nivis公司一起搭建ISA100wCI一致性测试与验证展台。

2lSA10011a概述ISA10011a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。

ISA1001la工程应用的重点是周期监控和过程控制的执行，容许lOOms或更短的延迟。

ISA1001la网络特性如下：

支持网状、星状和星网状拓扑结构；支持低功耗的非路由现场设备；通过网关接入有线控制网络；为现场设备到有线控制网络提供单一的或全冗余路径；设备互操作性；安全方面支持数据完整性、加密、数据认证、重放保护等。

ISA1001la规定了设备的逻辑角色。

一个逻辑角色是一个功能的选择。

如果一个设备扮演某种逻辑角色，那么它至少必须能够实现标准规定的相应功能。

ISA1O011a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、现场路由器。

设备类型包括：

现场设备和基础结构设备。

一个ISA1001la网络必须有至少一个系统管理器和一个安全管理器，可能有一个或多个网关。

一个物理设备可能承担多个逻辑角色，图1描述了物理设备以及它们可能承担的逻辑角色的区别。

这个网络包括以下几种物理设备：

传感器、执行器、路由器、掌上型电脑和工作站。

工作站承担了网关、系统管理器和安全管理器的逻辑角色；两个专职的路由器承担了骨干路由器的角色，其他7个路由器承担了现场路由器的角色；掌上型电脑承担了非路由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；一个传感器节点承担了非路由设备的角色，其他两个传感器节点承担了现场路由器的角色。

2009年第10期图1ISAO011al网络结构如图2所示，ISA1001la协议体系结构以开放系统互联（OSI）7层模型为基础，定义了物理层、数据链路层（DLL）、网络层、传输层、应用子层和应用层，其中物理层直接采用IEEE8021542006物理层，数据链路层（DLL）包括IEEE802154的MAC子层、ISA10011a的MAC扩展层和数据链路层上层，应用层包括应用子层、用户应用进程和设备管理器。

每一层提供了两种服务接人点（SAP），即数据服务实体提供数据传输服务和管理服务实体提供管理服务。

在ISA1001la网络，一个设备只能通过ISA1001la应用子层（ASL）提供的数据服务接入点与其它设备进行通信。

设备管理器可以通过管理服务实体直接访问应用子层、传输层、网络层和DLL，从而实现整体管理功能。

图2ISAIO011a协议体系结构3ISA10011a关键技术ISA10011a系统中，设备间通过一个逻辑合同中阅豫饺表CHINAINSTRUMENTATION2009年第10期TECHNICALEXPLORATION【技术探讨（Contract）进行数据通信。

这个合同定义了源节点和目标节点以及通信所需要的资源。

合同是设备建立到其他设备的通信路径的机制，可以在设备组态或运行时建立。

IEEE8021542006的MAC原先被设计用于一个固定信道的csMA网络的操作，因而不足以满足ISAl0011a标准中跳信道、时隙跳慢跳等需求，因LISAIO011a对IEEE8021542006的MAC进行了增强，形成了自己独特的MACSHDDL层。

ISAl0011a的MACDDL层支持同步的时隙通信、跳信道、时间同步和路由等功能及技术，这些也是ISA10011a主要的核心、关键及难点技术。

31时隙通信ISA1001la系统管理器决定跳信道模式、时隙分配、超帧结构等。

网络设备的时隙分配可以是集中式也可以是分布式。

集中式中，系统管理器负责创建时隙并确保每个时隙被唯一分配。

分布式中，系统管理器分配一些超帧时隙块给授权的基础结构设备让其进一步分配。

如图3所示，ISA10011a支持3种时隙通信工作模式：

时隙跳信道、慢跳信道和混合跳信道。

时隙跳信道和慢跳信道提供了不同的配置时隙的方法。

慢跳信道时隙跳信道慢跳信道图3时隙E信遭模式

（1）时隙跳信道模式：

每个时隙工作在不同的频率上。

时隙长度能够满足数据的发送和确认帧的接收。

（2）慢跳信道模式：

慢跳方式主要针对于使用一个固定信道发送单个完整的长消息，如果需要的话也包括一个确认包的发送。

时隙是慢跳信道的基础，一段连续的时隙工作在一个信道，这些连续的时隙可以被认为慢跳信道周期。

慢跳信道的周期是可配置的，一般为200-400ms。

更长的慢跳信道周期（如秒级），可以被用于时间同步精度不高的网络，或与网络失去联系的设备。

慢跳信道周期的结构、持续时间和时隙的分配都由系统管理器设置，系统管理器决定操作模式并分配时隙的使用，这提供了灵活性的同时也不需要额外的设备复杂性。

（3）混合跳信道模式：

混合跳信道模式是时隙跳信道和慢跳信道模式的组合。

32时间同步时隙通信方式中，通信双方将使用指定的时间片进行数据的收发等，并且发送和接收都发生在规定的边界时间内，如果通信节点之间有时间延时或偏差，那么通信将会发生错误，因此通信节点间保持时间同步是非常重要的。

ISA1001la提供较精确的时间同步方式，如图4所示。

当一个设备发送一个单播包给时钟源时，时钟源设备会记录数据包到达的时间，将该时间与时隙开始时间的差值（X）作为时钟更新信息放在ACKNACK包发送给设备，设备根据差值（X）进行时间调整进而实现与时钟源的时间同步。

图4时司同步不蒽图33跳信道无线HART和ISA1O011a都采用了跳信道技术以提高系统的抗干扰能力、可靠性和安全性等。

无线HART为了支持跳信道，每个设备维持一个活跃的信道表，对于一个给定的时槽和信道偏移，实际的信道是由公式决定的：

实际信道=（信道偏移+ASN）信道数。

ISA10011a的物理层直接采用了IEEE802154的物理层，也3IIEEE802154在24OHz频段定义了编号为Il16的16个信道。

ISA10011a支持以下6种预设的默认跳信道序列：

序列A：

19，12，20，24，16，23，18，25，l4，21，l1，15，22，l7，13，（26）；序NB：

与序列A相反；序列C：

15，20，25（用于慢跳信道）；序列D：

25，20，15（与C相反）；序ljE：

4，7，11，8，5，10，6，3，12，9；序列F：

与序列E相反。

这些默认跳信道序列中，两个连续的信道之间至少间隔l0MHz或两个信道，这样能够减轻射频环境中多径衰落的影响。

此61技术探讨lTECHNICALEXPLORATIONCHINAINSTRUMENTATION叶，阅低嚣低表外，默认的跳信道序列A中两个连续跳信道不会覆盖在一个IEEE80211信道。

为了提高ISA1001la系统抗IEEE80211b干扰和共存的能力，ISA10011a系统通常将没有与3个常用的IEEE80211信道重叠的信道l5、20和25设定为慢跳信道。

慢跳信道可以用于邻居节点发现等一些特殊的应用，如网络信息在预先设定的慢跳信道内广播给现场路由器，欲入网设备只用在这些慢跳信道进行主动和被动扫描以发现附近的现场路由器，获得入网信息从而实现加入网络。

ISA1001la也支持用户自定义的跳信道序列。

系统管理器通过对现场设备的组态进而实现对整个网络以及各个节点的频谱管理，通过黑名单技术可以将跳频序列中的一些信道组态列为不能使用，从而调整或缩短跳信道序列。

34路由ISAIO01la系统管理器根据收集的设备与邻居设备间的无线通信链路质量报告，对整个无线网络进行链路优化并确定路由路径。

ISA1001la支持两种方式的路由：

图路由和源路由。

（1）图路由：

一个网络设备发送的数据包头部有一个GraphID，其设置了一组路径到目标节点。

所有目标路径上的网络设备必须被预先配置。

图5所示为ISA1001la网络的图路由示例。

一个带方向的图路径是由许多带方向的通信链路组成，用于ISA10011a的DLL子网的数据路由。

在网络中，每个带方向的图路径用一个图ID标识，图路径由系统管理器确定。

一个DLL子网有很多图路径，有些可能存在重叠，每个图路径用一个图ID标识。

源设备在控制域子头中标明了图ID，沿着其对应的路径发送数据，直到传输到目的设备或数据被丢失。

为了能够沿着图路径路由数据，图路径上的每个设备有一个路径表，包括路径ID和邻居设备地址。

设备根据图ID将数据转发给某个相连的邻居设备。

（2）源路由：

源设备指明了DLL子网中的路由路径，当源路由的数据到达中转设备时，中转设备会检查数据包中的路由路径信息，决定转发给哪个邻居设备。

源路由最简单的应用是发送数据给一个具体设备。

622009年第10期图5图路由示意图4ISA10011a特色ISA1001la遵循公认的ANSI标准化流程，标准的制定过程一直立足于用户的需求。

由于ISA10011a致力于灵活地支持多种性能水平以满足工业自动化的多种不同的应用需求，致使现有标准中可选项较多，从而增加了系统开发与协议一致性测试方面的困难。

另一方面，ISA1001la的灵活性也使其具有以下特色和优势：

41隧道和映射技术ISA1001la协议栈能够便利地、简单地通过无线介质传输各种应用协议。

ISA1001la的应用支持子层提供以下3个有力的工具促使传统控制系统和协议能便捷地、有效地使用ISA1001la无线技术：

基本隧道、智能隧道以及属性映射。

基本隧道是最简单的工具以传输传统的有线应用包，就像一个简单的信封，可以将应用有效载荷（HART命令或响应）放到这个信封里，然后通过ISAIO01la无线发送给目标设备。

基本隧道的主要优势是终端设备不需要为了使用无线媒介而变化，其缺点是仅实用于由电力网络供电而不需要考虑电池寿命的仪表。

智能隧道与基本隧道的系统结构相似，但是智能隧道通过智能网关技术提供额外的功能以实现无线和有线控制系统之间更高效地连接。

智能网关缓存一些信息数据以及响应数据，根据查询比较等措施只转发有用的、必须的数据，而不是盲目的转发每个信息，从而可以减少数据传输量，进而减少外部射频和电源中阅豫嚣馕表CHINAINSTRUMENTATION2009年第10期TECHNICALEXPLORATIONl技术探讨的消耗，如图6所示。

Contro1Svstem一图6智能隧道技术不恿图属性映射技术在ISA1O011a协议与任何传统有线协议之间通过应用层映射方式实现协议转换，使得ISA10011a无线现场设备能便捷地、有效地接入传统有线系统（NHART、FF、DeviceNet网络）或其他任何既定的工业通信无线协议。

42骨干路由ISA1001la体系支持骨干网，可以通过高效的骨干网更为直接地无线传递数据信息，这样可以减少数据无线传输的跳数，在网络规模较大时优势尤其明显。

多跳网络容易引起数据传输的不确定时延、不可靠性、安全风险增大、现场路由设备功耗大等问题，而ISA10011a通过骨干网可以尽量减少和避免上述问题。

为了增加机动性，ISA1001la没有指定主干网络的类型，可以是无线或有线以太网的任何高数据率网络。

此外，在典型工业传感器与执行器网络中，更多的路由数据聚集在网关并进入传统控制系统，因而容易在网关处形成无线数据传输的瓶颈。

ISA1001la通过主干网的方法增加带宽并保持了网关附近的高效通信。

43灵活时隙长度当设备加入ISAl0011a网络时，系统管理器统一设置其通信时隙长度，较典型的时隙长度大约1012ms。

时隙长度是灵活的、弹性的、可配置的，而无线HART的时隙是固定的lOms。

这种弹性设置可以使ISA1001la系统适应不同的设备，既可适用于周期性传送并需要时间同步的设备，又可适用于触发传送并长期休眠不需要时间同步的设备。

灵活的时隙长度还可以满足网络设备在一个时隙内同时发送一个数据帧给2个或多个路由器，然后分别得到确认帧，这样可实现低功耗模式下的传输冗佘。

此外，时隙长度的可灵活设置，使得ISA1001la系统在时隙方面具备以下的优点和特色：

实现优化与其他系统（如wirelessHART）的共存；较长的时隙用以延长包的等待时间；较短的时隙用以充分利用优化实现的优势；较长的时隙用以实现多个设备的一系列确认；较长的时隙用以实现时隙开始时的CSMA机制（如共享时隙的优先级接入方式）；较长的时隙用以适应扩展长度的慢跳周期。

5结束语未来5年内，工业无线技术将成为健壮、可靠、性价比高、安全的技术，并且在很多情况下可直接与测量设备集成在一起。

工业无线传感器将成为工业过程测控中的一个非常普遍的选择，在优化资源利用率，提高生产率方面发挥重要作用。

2007年，市场调研公司ONWorld调查了来自主要无线传感器网络原始设备制造商、服务提供商、系统集成商、组件制造商和配件提供商的108位专家。

其中55的人计划在他们的产品中采用ISAIO0系统，40计划支持无线HART，32支持ZigBee。

2008年7月2日，霍尼韦尔公司宣布推出其工业无线网络解决方案OneWireless更新版本，实现了与ISA10011a工业无线通信标准兼容。

下一阶段，针对ISA1001la标准的协议一致性、互操作性等测试将成为迫切需要解决的问题之一。

越来越多的企业及研究机构关注和参与ISA10011a标准的完善和开发等相关工作，ISA1001la技术将是一种具有很大潜力的工业通信技术，必将在正兴起的工业无线领域发挥重要的作用，引起更多的重视和关注。

参考文献1ISA100：

WirelessSystemsfor