基于WIA-PA的HSE系統節點設計

摘要：針對傳統儀器儀表的缺點，介紹了一種基于WIA-PA工業無線網絡標準的HSE系統節點設計方案。采用基于IEEE 802．15．4無線協議的射頻芯片CC2420和16位超低功耗單片機MSP430F1161，分析并將系統模塊化，給出模塊設計與具體流程。
關鍵詞：WIA-PA；HSE；工業無線網絡

引言
工業環境不僅影響企業的生產運行和生產效率，同時也影響企業員工的健康狀態。對工業環境的實時監測不僅可以保障企業正常運行、降低事故風險，更能保障員工的生命安全。健康、安全和環境在企業的生產過程中有著密不可分的聯系，因而把健康(Health)、安全(Safety)和環境(Environment)等要素整合成一個完整的體系是現代化工業的必然選擇。HSE(Health，Safety and Environment健康、安全和環境體系)是20世紀80年代后期發展起來的工業監測體系，通過對工業環境的監測，進行風險識別和危害評估，確定工廠活動可能發生的危害和健康隱患，采取系統化的監測管理預警機制和控制措施，消除各類健康、安全和環境隱患，盡可能地減少人員傷害、財產損失和環境污染，實現企業的可持續發展。

1 WIA-PA技術簡介
傳統的工業自動化過程自動化水平低、集成難度大。首先，系統線路架設困難，惡劣環境的工程布線還具有一定的危險程度；其次，系統布線復雜度大，限制了系統的擴展和自動化程度；再者，電纜易老化腐蝕，系統長期運行可靠性降低，不僅系統的安裝調試需要大量時間，而且維護難度也大。工業無線網絡是21世紀初新興的、以工業應用為目的、面向設備間信息交互的無線通信技術，適合在惡劣的工業現場環境下使用，部署成本低、使用簡單、維護簡便、靈活性高、擴展性強，同時還具有強抗干擾、超低功耗、高可靠性、實時通信等特點。因此，近幾年來一些國際組織正積極推進工業無線網絡技術的標準化進程，目前主流的工業無線網絡標準主要有WIA-PA、Wireless-HART和ISA-SP100。
WIA-PA標準是中國工業無線聯盟針對過程自動化領域的迫切需求而率先制定的，定義了用于過程自動化的WIA系統結構與通信規范。WIA-PA采用星型和Mesh結合的雙層混合網絡拓撲結構，如圖1所示。第一層Mesh結構由網關及路由設備構成，結構靈活、健壯性好，同時具有自組織和自愈能力；第二層星型結構由路由設備及現場設備或手持設備構成，結構簡單，易于集中控制，通信距離短，實時性好，又能保證端用戶設備在網絡結構中的獨立性。相比較而言，Wireless-HART采用的是單層Mesh結構，網絡結構單一。ISA-SP100網絡拓撲結構和WIA-PA相同，不同的是ISA-SP100在路由器和網關的Mesh層采用的是IEEE 802．11協議，而路由設備及終端設備或手持設備所在的星型層采用的是IEEE 802．15．4協議。不同于ISA-SP100，WIA-PA和Wireless-HART都是基于IEEE 802．15．4協議。

WIA-PA的主要技術特征如下：
①集中式和分布式管理：網關可下放管理權限給路由設備，既可提高網絡效率，又方便用戶使用和管理；
②聚合與解聚：支持報文的聚合與解聚，減少網絡開銷，延長電池壽命；
③TDMA／CSMA混合接入模式：通過TDMA／CSMA混合接入模式支持周期和非周期性通信；
④擴頻通信與窄帶通信：在2．4 GHz基礎上，支持433 MHz低頻窄帶通信，并能無縫地集成到同一網絡中；
⑤兼容IEEE 802．15．4標準：符合IEEE 802．15．4標準的設備也能加入WIA-PA網絡。
工業通信中可靠性十分重要，WIA-PA也提供了多種措施以保護傳輸的可靠性；
①全網TDMA模式：全網的時間同步精度達到μs級，避免報文沖突；
②自適應調頻技術：在DSSS的基礎上引入FHSS的思想，采用根據信道狀態自適應跳頻機制，可以有效地抑制突發性干擾，提高點到點通信的抗干擾能力；
③自動重傳機制：鏈路層采用自動請求重傳機制，應用層采用面向連接(connection-oriented)的數據傳輸技術，保證報文傳輸的成功率；
④Mesh路由：每個設備至少有兩條可用的通信路徑，以提高端到端通信的可靠性；
⑤設備冗余：可選冗余網管設備，增強系統魯棒性。