基于ISA100．11a標準的工業物聯網開發平臺的設計與實現

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。