基于ISA100．11a標準的工業物聯網開發平臺的設計與實現

摘要：工業物聯網技術是未來幾年工業自動化產品新的增長點。作者所在實驗室作為Voting Member和ISA WCI工作組成員參加ISA100.11a標準的制定，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，研制的ISA100．11a工業物聯網開發平臺具有完善的硬件、軟件產品及技術支持，核心技術已經形成專利池，可廣泛應用于智能工業、環境監測、智能電網等應用系統的開發，并已經在中國四聯集團、韓國漢陽大學等單位得到應用。

關鍵詞：ISA100．11a；物聯網；無線網絡；通信

0 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行狀態。

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。