曾鹏（1976-）

男，工学博士，中国科学院沈阳自动化研究所研究员，研究方向为工业通信、无线传感器网络。出版专著1部，在国内外重要学术会议和期刊上发表论文50余篇，申请发明专利10余项。近年来承担多项国家级科研项目，主持国家863计划工业无线方向重点项目的研发工作。

　　摘要：工业无线技术是一种本世纪初新兴的、面向设备间信息交互的无线网络技术，适合在恶劣的工业现场环境下使用，具有强抗扰、低功耗、实时通信等技术特征，是对现有无线技术在工业应用方向上的功能扩展和技术创新，并将最终转化为新的无线技术标准。本文介绍我国在工业无线技术方面的研究进展，重点介绍具有自主知识产权的工业无线网络核心技术以及相关国家标准体系的建设情况。

　　关键词：工业无线技术；WIA标准；工业测控系统；无线网络技术

　　Abstract: Industrial wireless technology is a new wireless communication technology rising since the beginning of this century. It was designed for short-distance and low-rate information exchange among devices. Industrial wireless technology has some characters suited for being used in the industrial field environment, such as: strong anti-interference capacity, ultra-low power consumption and real-time communication, etc. Industrial wireless technology is the function extension and the technology innovation of the existing wireless technology and will finally be converted to some new wireless technical standards. In this paper, the development of industrial wireless technologies and the corresponding state standards in China is introduced.

　　Key words: Industrial Wireless Technology; WIA Standard; Industrial Measurement and Control System; Wireless Network Technology

　　1　工业无线技术概述

　　工业无线技术是继现场总线之后，工业控制领域的又一个热点技术，是降低工业测控系统成本、提高工业测控系统应用范围的革命性技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。

　　工业无线技术是一种本世纪初新兴的，面向设备间短程、低速率信息交互的无线通信技术，适合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通信等技术特征，是对现有无线技术在工业应用方向上的功能扩展和技术创新，并将最终转化为新的无线技术标准。工业无线技术是从新兴的无线传感器网络技术中发展而来的。无线传感器网络技术具有应用特异化的特点，针对军事、医疗、智能家居等不同应用领域，其实现技术完全不同。工业无线技术是满足工业应用高可靠、低能耗、硬实时等特殊需求的一类无线传感器网络技术[1]。

　　基于工业无线技术的测控系统，与传统的有线测控系统相比，具有以下一些优势：

　　（1）低成本。在传统的有线系统中，布线的成本是每米$30～$100，在一些恶劣环境下，可达到每米$2000。测控系统运行期间需要不断检测系统状态，发现错误，更换电缆。使用工业无线技术将使测控系统的安装与维护成本降低90％，是实现低成本测控系统的关键。

　　（2）高可靠、易维护。在有线系统中，绝大部分系统故障是由电缆的连接器件损坏而引发的，其维护复杂度强，维护费用高。使用无线技术将彻底杜绝此类错误的发生。

　　（3）高灵活、易使用。使用无线技术后，现场设备摆脱了电缆的束缚，从而增加了现场仪表与被控设备的可移动性、网络结构的灵活性以及工程应用的多样性，用户可以根据工业应用需求的变化，快速、灵活、方便、低成本地重构测控系统。

　　利用基于工业无线技术的测控系统，人们可以以较低的投资和使用成本实现对工业全流程的“泛在感知”，获取传统由于成本原因无法在线监测的重要工业过程参数，并以此为基础实施优化控制，来达到提高产品质量和节能降耗的目标。

　　美国能源部（DOE）在2004年发布的 “未来工业计划”（IOF）中指出[2]：这种基于工业无线技术的低成本测控系统是实现到2020年美国工业整体能耗降低5％目标的主要手段，代表着工业自动化系统技术的发展方向，将在提高产品质量、降低工业生产过程中的跑冒滴漏、提高能源效率等方面发挥重要作用，在石油天然气开采、石化、冶金、污水处理等高耗能、高污染行业有广泛的应用前景。美国总统科技顾问委员会在“面向21世纪的联邦能源研究与发展规划”中指出：工业无线技术的广泛应用将使工业生产效率提高10％，并使排放和污染降低25％。

　　2　工业无线网络WIA标准

　　2.1　WIA标准概述

　　目前，工业无线技术正处于一个高速发展的阶段，无线技术在工厂环境下使用的抗干扰、节能、实时通信等关键技术难题正在被逐渐攻克，市场需求非常旺盛。而美国网络技术市场分析机构On World公司对工业无线技术市场调研结果显示，阻碍用户接受无线技术的关键问题在于工业无线技术缺乏统一的国际标准，标准化是工业产品获得推广应用的基础。

　　目前，一些国际组织正在积极推进工业无线网络技术的标准化进程，其中主要有Wireless HART[3]、ISA SP100[4]和WIA[5]。工业无线网络WIA标准是由中国工业无线联盟推出的具有自主知识产权的技术体系，目前已形成了国家标准草案，并正在成为与Wireless HART、ISA100并列的主流工业无线技术体系。

　　WIA标准追求以下的目标：

　　· 针对应用条件和环境的动态变化，能够保持网络性能的可靠和稳定。

　　· 能够在低成本的商用器件上实现，降低技术开发与实现难度。

　　· 用户能以较低的投入换来易于使用和维护的工业无线监控系统。

　　2.2 WIA标准体系

　　WIA标准体系如图1所示，具体包括以下部分：

图1　WIA标准体系

　　⑴　WIA-PA

　　面向各种过程自动化应用，针对抗干扰和低功耗等方面的需求，提供无线网络技术方案，定义无线网络系统结构，并参照OSI开放网络模型，定义物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层协议规范。

　　⑵　WIA-FA

　　面向各种工厂自动化应用，针对通信服务质量（QoS）和通信延迟等方面的需求，提供无线网络技术方案，定义无线网络系统结构，并参照OSI开放网络模型，定义物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层协议规范。

　　⑶　WIA-RFID

　　面向工厂库存管理和资产追踪应用，针对基于无线的低成本定位、追踪等方面的需求，提供无线网络技术方案，定义用于过程自动化的WIA网络、用于工厂自动化的WIA网络与RFID/RTLS间的接口规范。

　　⑷　互操作

　　定义用于过程自动化的WIA网络、用于工厂自动化的WIA网络、长距离的无线回程网络（Backhaul）以及工厂有线控制网络间的接口规范，以实现满足应用QoS需求和安全需求的互连与互操作。

　　⑸　安全

　　针对工业无线网络的安全需求，定义数据链路层安全机制、传输层安全机制和应用层安全机制，使网络具有针对故意攻击和人为错误的保护能力，同时保障传输数据的保密性、完整性和时效性。

　　⑹　测试与性能评估

　　定义了WIA通信协议一致性测试、互操作测试以及性能评估系统的结构和测试方法，定义了抽象测试集和可执行测试集的生成方法，定义了对工业无线通信协议进行一致性测试和互操作测试所需的测试案例，定义性能评估的方法和指标。

　　⑺　产品标准通用条件

　　规定了针对WIA相关产品的产品分类、要求、试验方法、检验规则、标志、包装、贮存和运输条件等。

　　⑻　行规

　　规定WIA系统在不同工业行业中应用的网络配置和使用规范，向不同的行业应用提供统一、标准的通信设备和应用模型，使得不同厂商的设备可以支持不同行业的应用，并实现互操作。

　　3　WIA-PA标准关键技术

　　WIA-PA标准是中国工业无线联盟针对过程自动化领域的迫切需求而率先制定的WIA子标准，定义了用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范。

　　3.1　拓扑结构

　　WIA-PA网络由以下物理设备构成：

　　· 主控计算机：供用户、维护人员及管理人员与WIA网络交互的计算机。

　　· 网关设备：连接WIA 网络与其他工厂网络的设备。

　　· 路由设备：负责现场设备管理、报文转发等功能的设备。

　　· 现场设备：装有传感器或执行器、安装在工业现场，直接连接生产过程的设备。

　　· 手持设备：完成主控应用的手持便携设备。

　　WIA-PA网络还定义了以下两类主要逻辑设备：

　　· 网络管理器：负责配置网络、调度路由设备间的通信、管理路由表、监测网络性能。

　　· 安全管理器：负责整个网络的安全策略配置、密钥管理和设备认证。

　　WIA-PA采用星型和网状相结合的两层网络拓扑结构，如图2所示。第一层是网状结构，由网关及路由设备构成，用于系统管理的网络管理器和安全管理器，在实现时可位于网关或主控计算机中；第二层是星型结构，由路由设备及现场设备或手持设备构成。

图2   WIA-PA网络拓扑

　　3.2　协议体系（如图3所示）

　　数据链路层、网络层和应用支持子层包含的功能模块有：数据实体和管理实体；用户应用进程包含的功能模块是多个用户应用对象；设备管理应用进程包含的功能模块有：设备管理模块、网络管理模块、安全管理模块、网络管理代理模块、安全管理代理模块、管理信息库。

　　WIA-PA网络的协议栈结构遵循ISO/OSI的层次结构定义，但只定义了物理层、数据链路层、网络层、应用层。基于IEEE802.15.4工业无线网络协议栈结构如图3所示，WIA-PA协议栈由数据链路层、网络层、应用层等协议层实体，以及及层实体间的数据接口和管理接口构成：

　　· 数据链路层：包括MAC层和数据链路子层。MAC层基于IEEE802.15.4MAC协议，数据链路子层对IEEE802.15.4MAC进行了扩展，以满足工业应用的需要。数据链路子层由时间同步、时隙通信、链路和信道性能度量、链路层安全、管理服务等功能模块构成。

　　· 网络层：由寻址、路由、分段与重组、管理服务等功能模块构成。主要功能是实现面向工业应用的端到端的可靠通信。

　　· 应用层，应用层由应用子层、用户应用进程、设备管理应用进程构成。应用子层提供通信模式、聚合与解决、应用层安全和管理服务等功能；用户应用进程包含的功能模块为多个用户应用对象；设备管理应用进程包含的功能模块包括：设备管理模块、网络管理模块、安全管理模块、网络管理代理模块、安全管理代理模块、管理信息库。

图3　协议体系

　　3.3　关键技术

　　(1)　分布式管理架构

　　WIA-PA系统管理采用分布式管理架构，如图4所示。网络管理由网络管理者和簇首共同完成，网络管理者主要管理网状网络，簇首管理星型网络。

图4   WIA-PA分布式系统管理

　　(2)　CSMA和TDMA混合接入模式

　　为了保证数据实时和可靠传输的同时，能提供一定的灵活性，WIA-PA采用CSMA和TDMA混合接入模式。为此，WIA采用基于信标的IEEE 802.15.4超帧，并对其进行了扩展，WIA超帧结构如图5所示。

图5   WIA超帧结构

　　WIA-PA超帧的CAP阶段主要用于设备加入，簇内管理和重传。CFP阶段用于移动设备与簇首间的通信。WIA超帧将IEEE 802.15.4超帧非活动期的时隙用于簇内通信、簇间通信以及休眠。

　　不同路由设备的活动期使用不同的信道。如果信道数量不足，则通过TDMA来扩大系统容量，如图6所示。假设网络中有3个路由设备R1、R2、R3，对应的超帧长度分别为1倍、2倍和4倍WIA-PA基本时间单位。按照超帧的定义，由于R1的活动期无法与R2和R3的活动期实现时间上的复用，而R2和R3的活动期可以实现时间上的复用，所以R1活动期要与R2和R3活动期采用不同的信道，而R2和R3的活动期可以采用相同的信道。

图6   R1，R2和R3超帧结构

　　(3)　自适应跳频通信

　　WIA-PA技术使用多信道进行通信，在DSSS的基础上引入FHSS的思想，采用根据信道状态自适应跳频等机制，可以有效地抑制突发性干扰，消除频率选择性衰减。WIA技术具体支持以下3种跳频机制：

　　· 自适应频率切换（AFS）：在WIA超帧中，信标Beacon、CAP和CFP段在同一个超帧周期内使用相同的信道，在不同的超帧周期内根据信道状况切换信道。信道质量差时，设备改变通信信道。信道状况通过丢包率和重传次数进行评价。

　　· 自适应跳频（AFH）：在WIA超帧的每个时隙，根据信道状况更换通信信道。信道质量差时，设备改变通信信道。信道状况通过丢包率和重传次数进行评价。非活动期的簇内通信段采用AFH跳频机制。跳频序列的结构为：<timeslot 1, channel 1> <timeslot 2, channel 2>… <timeslot n, channel n>。

　　· 时隙跳频（TH）：为了避免干扰和衰减，按照一定规律，在每个时隙改变通信信道。非活动期的簇间通信段采用TH跳频机制。跳频序列的结构同上。

　　(4)　高可靠Mesh路由

　　为了保证端到端可靠传输，WIA-PA技术在网络层采用智能的Mesh网络技术。每个设备至少有两条可用的通信路径，设备加入网络后，可以自主选择或由网络管理者分配多条数据传输路径。WIA-PA技术还支持路径的健康检测，当一条路径由于干扰被中断时，设备可以自动切换到其它通信质量较好的路径。

　　(5)　聚合与解聚

　　WIA-PA网络提供了簇内报文聚合功能，以减少需要转发报文的数量。簇内报文聚合功能由簇首完成，解聚功能由网关完成，网管负责把解聚后的数据分发给不同的应用。WIA-PA的聚合与解聚过程如图7所示。

图7   报文聚合与解聚

　　4　总结

　　我国在国家863计划、科学院创新方向性项目的支持下，经过两年近百名科技工作者的艰苦攻关，工业无线技术取得了突破，完成了WIA-PA规范国家标准征求意见稿和IEC PAS文件的制订，最终成为在国际上与Wireless HART被同时承认的仅有的两个国际标准化文件之一。但是与Wireless HART相比，WIA-PA还只是一种工业通信网络标准，缺乏对测控应用系统的支持。目前，摆在我们面前的迫切任务是在WIA-PA通信技术的基础上，面向工程应用实际，开发出基于WIA-PA的系列应用技术、标准与系统，并将它应用于工程应用实际，从而使WIA-PA成为事实上的标准，具有与Wireless HART同等的市场竞争力。

　　参考文献

　　[1] 于海斌, 曾鹏, 梁韡. 智能无线传感器网络系统. 北京: 科学出版社, 2006

　　[2] http://www.eere.energy.gov/industry/sensors_automation

　　[3] www.hartcomm.org/

　　[4] www.isa.org/isa100/

　　[5] www.industrialwireless.cn