摘要：工業(yè)物聯網技術是未來幾年工業(yè)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(fā)了基于ISA100．11a的工業(yè)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(yè)物聯網開發(fā)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(yè)、環(huán)境監(jiān)測、智能電網等應用系統(tǒng)的開發(fā)，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(yè)無線技術為代表的工業(yè)物聯網技術是繼現場總線之后，工業(yè)控制領域的又一個熱點技術，是降低工業(yè)自動化成本、提高自動化系統(tǒng)應用范圍最有潛力的技術。美國總統(tǒng)科技顧問委員會在“面向21世紀的聯邦能源研究與發(fā)展規(guī)劃”中指出：工業(yè)無線技術的應用將使工業(yè)生產效率提高10％，并使排放和污染降低25％，是未來幾年工業(yè)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(fā)和應用工業(yè)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(fā)了基于ISA100．11a的工業(yè)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(tǒng)。其核心技術已經形成專利池，從而實現了我國面向工業(yè)測量與控制的無線通信技術與產品的跨越式發(fā)展，使國內在此領域直接跨入國際前沿水平。

1 平臺系統(tǒng)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(yōu)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(tǒng)的功能結構

本系統(tǒng)平臺根據功能可劃分為上位機系統(tǒng)(PC機)、路由、無線網關和多個終端節(jié)點四部分，平臺的系統(tǒng)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(fā)刮網關；網關具有系統(tǒng)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(jiān)控各個傳感器節(jié)點的運行狀態(tài)。

2 平臺硬件構成和設計

基于ISA100．11a的工業(yè)物聯網開發(fā)平臺包括符合ISA100．11a標準的工業(yè)無線協議棧、網絡設備、應用設備以及組態(tài)軟件。平臺系統(tǒng)的硬件構成實物圖如圖3所示，系統(tǒng)中集成了不同類型的設備和不同級別的節(jié)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(jié)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(yè)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(yōu)化，統(tǒng)一為網絡設備分配通信資源，調度網絡設備的通信，同時監(jiān)控和報告網絡運行狀態(tài)。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(yōu)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(jié)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(fā)數據、系統(tǒng)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(fā)送的數據送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器中，再根據IEEE802．15．4標準，把需要發(fā)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(fā)射出去。